風(fēng)能以其環(huán)保、廉價(jià)以及制造技術(shù)成熟度較高等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為可再生能源中最具潛力的能源，已在世界各國得到大力開發(fā)應(yīng)用。作為風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，風(fēng)電葉片的造價(jià)占整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的20% 以上，其安全、耐用性是整個(gè)機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的保障。

    隨著風(fēng)電制造與運(yùn)行技術(shù)的成熟，風(fēng)電機(jī)組功率不斷增大，相應(yīng)葉片尺寸不斷增大，由于葉片的維護(hù)與修復(fù)均在高空進(jìn)行，一旦葉片質(zhì)量出現(xiàn)問題，將會(huì)產(chǎn)生巨大的修復(fù)或更換費(fèi)用，還會(huì)影響機(jī)組的穩(wěn)定性。因此，在葉片制造成型后或安裝前檢測其是否存在缺陷是十分必要的。目前葉片出廠前的檢測方法一般有目視法、敲擊法、疲勞測試、雷擊測試、靜力學(xué)測試等常規(guī)的物理檢測方法，并不能精確地檢測出其近表面或深層缺陷。風(fēng)電葉片大都采用玻璃鋼或碳纖維材質(zhì)，采用真空灌注工藝（VARIM） 制成，受制造工藝以及隨機(jī)因素的影響，葉片內(nèi)部難免會(huì)出現(xiàn)氣泡、夾雜、裂紋、分層、脫粘等結(jié)構(gòu)缺陷，這些缺陷在葉片運(yùn)行中反復(fù)遭受動(dòng)／靜載荷、疲勞、環(huán)境因素的影響，將會(huì)導(dǎo)致缺陷的積累及擴(kuò)展，最終使葉片失穩(wěn)破壞。

    筆者主要對(duì)風(fēng)電葉片在制造、運(yùn)輸、運(yùn)行中常見的缺陷進(jìn)行了分析，并介紹了超聲波無損檢測、紅外熱成像技術(shù)、射線成像技術(shù)以及磁檢測技術(shù)四種靜態(tài)無損檢測方法在風(fēng)電葉片缺陷檢測中的應(yīng)用。

    1、風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)及其常見缺陷

    1.1風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)

    風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片一般為復(fù)合材料蒙皮與主梁構(gòu)成的中空薄壁結(jié)構(gòu)，由葉根、外殼和主梁三部分組成，根部一般為金屬板卷筒結(jié)構(gòu)，外殼及主梁采用玻璃鋼或碳纖維等具有比強(qiáng)度高、比模量高、輕質(zhì)、耐腐蝕等性能的復(fù)合材料，其在整個(gè)風(fēng)電葉片中的質(zhì)量一般占到90% 以上。葉片制造過程中一般先在各專用模具上分別成型葉片的上下外殼、抗剪切腹板，然后再將上下外殼和主梁粘接形成一體。圖1 為風(fēng)電葉片截面圖。

    1.2風(fēng)電葉片常見缺陷

    風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片常見缺陷的來源可分為三類：制造過程、運(yùn)輸及安裝過程、運(yùn)行過程。

    （1） 制造過程。

    據(jù)統(tǒng)計(jì)，近50% 風(fēng)電葉片故障來自于制造過程。由于葉片尺寸龐大以及制造工藝的局限性，在葉片成型以及合模粘結(jié)過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)缺膠、多膠、分層、孔隙、纖維斷裂、夾雜等情況。缺膠將會(huì)造成蒙皮與蒙皮或加強(qiáng)筋間粘結(jié)不牢靠，達(dá)不到運(yùn)行所需強(qiáng)度。多膠則會(huì)影響固化，產(chǎn)生微裂紋，除此之外還會(huì)使葉片質(zhì)量不平衡，導(dǎo)致運(yùn)行失穩(wěn)。分層是指由于樹脂用量不足、真空泄壓以及二次成型等造成的纖維層合板間分層、芯材與纖維層合板間分層的現(xiàn)象，分層缺陷將使材料的壓縮強(qiáng)度和剛度降低，加之運(yùn)行受到交變載荷作用，會(huì)使其擴(kuò)展、傳播，到達(dá)一定程度后將造成葉片的斷裂。孔隙主要包括纖維層內(nèi)的空隙、纖維層與層間的空隙。孔隙的存在將會(huì)大大降低材料的剪切、彎曲、拉伸與壓縮等力學(xué)性能強(qiáng)度，其形成原因主要有樹脂真空灌注過程當(dāng)中引入氣泡、樹脂與復(fù)合材料纖維之間浸漬不良或葉片制造過程中氣泡不完全排出等工藝缺陷。夾雜是指在葉片制造過程中掉落或混入的非結(jié)構(gòu)材料物質(zhì)，多發(fā)生在纖維鋪設(shè)、樹脂真空灌注等工藝過程。有關(guān)實(shí)驗(yàn)研究表明，復(fù)合材料夾雜會(huì)大大降低材料的斷裂韌性、剪切強(qiáng)度等力學(xué)性能。

    （2） 運(yùn)輸及安裝過程。

    由于葉片尺寸龐大，在吊裝、長途運(yùn)輸過程中不免會(huì)與其它物體碰撞、刮擦，可能會(huì)在葉片內(nèi)部形成嚴(yán)重?fù)p傷，如分層或粘接處微裂開以及葉片表面微裂紋，這些缺陷從表面很難被發(fā)現(xiàn)。若不能及時(shí)修復(fù)，在葉片運(yùn)行中受到周期載荷的作用會(huì)使缺陷得到擴(kuò)展、積累，嚴(yán)重影響葉片的使用壽命以及運(yùn)行安全。

    （3） 運(yùn)行過程。

    一般葉片的設(shè)計(jì)壽命為20 a，需要經(jīng)歷1×108 次以上的疲勞交變，如果葉片中存在微裂紋、氣泡等微小缺陷，這些缺陷將在交變載荷的作用下擴(kuò)展為疲勞損傷，如出現(xiàn)分層、粘接區(qū)域脫膠開裂、葉片斷裂等。除此之外，葉片暴露在大氣環(huán)境中運(yùn)行，還要遭受酸、堿、鹽、濕氣、雨水、紫外線、風(fēng)沙等的侵蝕，表面不可避免會(huì)造成沙眼、鼓包、膠衣?lián)p壞等缺陷。若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)修復(fù)，葉片損傷將進(jìn)一步積累擴(kuò)展，使得葉片前緣磨損嚴(yán)重、后緣開裂、防雷能力下降、氣動(dòng)特性下降、葉片質(zhì)量不平衡而失穩(wěn)等一系列故障，大大減少了葉片運(yùn)行使用壽命。

    2  風(fēng)電葉片全尺寸檢測方法

    2.1超聲波檢測技術(shù)

    超聲波檢測法是無損檢測方法中發(fā)展最為成熟的一種，其主要是利用聲波在不同材質(zhì)中傳播特性的差異對(duì)構(gòu)件中缺陷進(jìn)行定量識(shí)別，進(jìn)而根據(jù)本體材料特征以及實(shí)際探傷經(jīng)驗(yàn)確定缺陷類別。針對(duì)風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)尺寸特征，可用于風(fēng)電葉片缺陷的超聲波檢測方法有：脈沖回波法、空氣耦合超聲波檢測法以及激光超聲法。

    脈沖回波法是通過分析進(jìn)入材料內(nèi)部聲波的反射回波特征來定性、定量分析缺陷，其檢測靈敏度高、耦合方式簡單（風(fēng)電葉片的檢測過程中一般采用噴水耦合），是風(fēng)電葉片檢測最常用的一種無損檢測方法，但需要不斷移動(dòng)探頭，且檢測效率較低、覆蓋面積小，其原理如圖2 所示。近年來，國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量試驗(yàn)。王曉寧等 利用超聲相控陣設(shè)備采用脈沖回波法成功對(duì)風(fēng)電葉片蒙皮內(nèi)部的分層、缺膠、富膠、干絲等缺陷進(jìn)行了識(shí)別，且檢測缺陷尺寸與真實(shí)值相差較小，結(jié)果理想。安靜等應(yīng)用脈沖回波法對(duì)風(fēng)電葉片梁冒與腹板粘接處進(jìn)行了掃查，并接收到了粘接區(qū)域的回波信息，證明了脈沖回波法對(duì)厚度較大梁冒粘接區(qū)域缺陷檢測的可行性。Li Suwei 等利用人工制造缺陷試件，分別對(duì)風(fēng)電葉片內(nèi)典型缺陷聲強(qiáng)反射系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析與對(duì)比，證明了缺陷聲強(qiáng)反射反射系數(shù)可作為某一缺陷定性分析的唯一依據(jù)，并提出建立風(fēng)電葉片典型缺陷的物理模型樣本，在實(shí)際檢測中與實(shí)際缺陷的聲強(qiáng)反射系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，可對(duì)缺陷類型進(jìn)行精確定性分析。

    針對(duì)設(shè)備檢測效率低、覆蓋面積有限等缺點(diǎn)，目前，各大葉片研究機(jī)構(gòu)及檢測設(shè)備公司都在積極研制適用于風(fēng)電葉片檢測的設(shè)備，并取得了較大突破。Force Technology 公司開發(fā)的專用于風(fēng)電葉片檢測的移動(dòng)式超聲掃查儀AMS–46 與AMS–57，可快速對(duì)整個(gè)葉片進(jìn)行檢測。奧林巴斯公司開發(fā)的專用于葉片檢測的設(shè)備組件：OmniScan MX2 超聲相控陣探傷儀、風(fēng)電葉片檢測專用探頭和專用于曲面復(fù)合材料的GLIDER（ 滑動(dòng)） 掃查器，可大面積對(duì)風(fēng)電葉片進(jìn)行缺陷的掃描。除此之外，奧林巴斯公司還開發(fā)出了一款專用于復(fù)合材料構(gòu)件檢測的相控陣輪式探頭Roller FORM，輪胎由獨(dú)特材料制成，可以確保完成與水浸檢測相仿的高質(zhì)量超聲檢測，檢測時(shí)只需稍微用力就可獲得優(yōu)質(zhì)的耦合效果，獲得清晰的圖像。

    空氣耦合式超聲波檢測是以空氣作為耦合介質(zhì)的一種非接觸無損檢測方法。由于空氣與被檢復(fù)合材料聲阻抗的巨大差異、檢測適用波的頻率范圍較低以及波在空氣中的衰減極大等原因，在風(fēng)電葉片的檢測中除了需要采用特殊機(jī)制（ 高靈敏度探頭與合適的前置放大器相結(jié)合，將接收信號(hào)增幅） 來改善外，一般采用空氣耦合式超聲波導(dǎo)波法，其原理如圖3 所示。國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)已對(duì)人工制造復(fù)合材料中的分層、缺膠等多種缺陷進(jìn)行了識(shí)別。結(jié)果表明，空氣耦合式超聲波導(dǎo)波法可很好地對(duì)風(fēng)電葉片中的多種缺陷進(jìn)行定性識(shí)別，但對(duì)于微小的內(nèi)部缺陷如微裂紋很難檢測。E. Jasiuniene 等 利用人工制造缺陷的風(fēng)電葉片樣本試件，分別應(yīng)用空氣耦合式超聲波導(dǎo)波法、超聲波脈沖回波法、射線檢測法三種檢測方法對(duì)其進(jìn)行了檢測并將結(jié)果將對(duì)比，驗(yàn)證了空氣耦合式超聲波導(dǎo)波法在風(fēng)電葉片缺陷檢測中的可行性。常俊杰等 利用同側(cè)檢測法對(duì)存在沖擊損傷的玻璃纖維復(fù)合材料進(jìn)行了成像檢測，證實(shí)了空氣耦合式超聲波可廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料損傷的檢查。李立兵 等研制出一套基于MATLAB 空氣耦合超聲波檢測系統(tǒng)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)可行可靠，并能將系統(tǒng)檢測過程進(jìn)行分解，還可對(duì)MATLAB 系統(tǒng)軟件進(jìn)行二次開發(fā)，非常適用于教學(xué)和科研。

    激光超聲無損檢測技術(shù)是利用高能量激光脈沖與被檢構(gòu)件表面的瞬時(shí)熱作用，從而在構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生超聲波，通過超聲波的傳播及衰減特征來表征缺陷。其具有非接觸、遠(yuǎn)距離、頻帶寬、適應(yīng)性強(qiáng)以及靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，可在惡劣環(huán)境下對(duì)各種復(fù)雜構(gòu)件的缺陷快速進(jìn)行定性與定量檢測，激光超聲檢測系統(tǒng)如圖4 所示。近年來，國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)電葉片復(fù)合材料試件進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)，證明了激光超聲無損檢測技術(shù)可對(duì)大型風(fēng)電葉片內(nèi)的多種缺陷進(jìn)行精確識(shí)別。劉松平等 利用激光超聲技術(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合材料中常見缺陷的信號(hào)特征與識(shí)別評(píng)估方法進(jìn)行了試驗(yàn)分析與研究，結(jié)果表明，利用縱波可有效識(shí)別復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部的多種缺陷。周正干等 利用激光超聲C 型成像成功的檢測出了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料層壓板中的夾雜、分層缺陷等人工制造缺陷。J. Hyomi利用移動(dòng)激光超聲系統(tǒng)對(duì)750 kW 風(fēng)電葉片的一部分進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果表明，激光超聲系統(tǒng)可快速地對(duì)風(fēng)電葉片進(jìn)行全尺寸掃描，并能夠?qū)θ~片內(nèi)部的多種缺陷進(jìn)行定性與定量的識(shí)別。

    2.2紅外熱成像技術(shù)

    紅外熱成像技術(shù)是近年來新興的一種無損檢測方法，該技術(shù)是利用材料本身與缺陷對(duì)熱流傳導(dǎo)的時(shí)間差異將被檢構(gòu)件結(jié)構(gòu)特征轉(zhuǎn)化為可見圖像，通過熱成像圖可直觀地判斷構(gòu)件內(nèi)部有無缺陷以及缺陷的詳細(xì)信息。對(duì)于檢測風(fēng)電葉片這類與所處環(huán)境基本沒有溫度差的構(gòu)件，只能采用主動(dòng)激勵(lì)方式進(jìn)行檢測。根據(jù)對(duì)被檢構(gòu)件熱激勵(lì)方式的不同可分為脈沖激勵(lì)、紅外激勵(lì)、激光激勵(lì)、熱風(fēng)激勵(lì)等幾種方式，除激勵(lì)源不同外，其成像原理均相同，如圖5 所示。肖勁松等通過數(shù)值模擬，以脈沖激勵(lì)成像方式檢測葉片內(nèi)部氣孔為例，得到了葉片內(nèi)部及表面任意時(shí)刻溫度場及熱流場，進(jìn)而得出了材料內(nèi)部缺陷越大、埋深越淺，越容易檢出的理論檢測依據(jù)。岳大皓等利用脈沖激勵(lì)紅外成像技術(shù)對(duì)風(fēng)電葉片中合模膠粘狀態(tài)、沙眼、白斑、纖維布褶皺等缺陷進(jìn)行了檢測試驗(yàn)，結(jié)果表明紅外熱成像技術(shù)可快速、直觀地對(duì)上述缺陷進(jìn)行識(shí)別。孟梨雨等通過人工制造缺陷，使用紅外熱成像檢測系統(tǒng)，對(duì)不同厚度蒙皮與腹板間的缺膠脫粘進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明，蒙皮厚度越小，粘膠寬深比越大，檢測效果越好。P. Meinlschmidt 等成功利用脈沖主動(dòng)激勵(lì)熱成像技術(shù)對(duì)三個(gè)包含分層、氣泡、缺膠、纖維布浸漬不良等缺陷的玻璃纖維試件進(jìn)了缺陷識(shí)別。Tao Liang 等 利用渦流脈沖激勵(lì)熱成像法對(duì)在4 J 能量沖擊下的碳纖維試件進(jìn)行檢測，對(duì)生成的圖像利用小波變換與主成分分析法進(jìn)行冗余信息分離、重建圖像，結(jié)果表明，此方法可提高缺陷檢測的分辨率，使更小的缺陷得以識(shí)別。

    2.3射線成像技術(shù)

    射線檢測技術(shù)是利用射線在不同材質(zhì)中衰減程度差異，從而改變透射射線強(qiáng)度，記錄在膠片或在探測器上得以體現(xiàn)的一種直觀檢測方法，對(duì)構(gòu)件材質(zhì)適用范圍較廣，可對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行缺陷檢測。由于風(fēng)電葉片尺寸大、厚度大且為中空結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，常規(guī)的膠片形式射線檢測并不能很好地用于風(fēng)電葉片的檢測。隨著計(jì)算機(jī)以及信號(hào)處理／轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展，射線實(shí)時(shí)成像技術(shù)、康普頓背散射技術(shù)等射線檢測技術(shù)可很好地用于風(fēng)電葉片的檢測。

    射線實(shí)時(shí)成像技術(shù)原理是以專用探測器代替?zhèn)鹘y(tǒng)膠片對(duì)透射過材料的射線進(jìn)行吸收，并轉(zhuǎn)化（ 光電轉(zhuǎn)換） 為圖像信息，進(jìn)而經(jīng)A／D 轉(zhuǎn)換（ 模／數(shù)轉(zhuǎn)換） 將圖像信息輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)處理后顯示缺陷的基本信息。受限于風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)尺寸，可將射線實(shí)時(shí)成像技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電葉片制造合模前的大面積檢測。有關(guān)研究表明射線成像技術(shù)能夠快速、有效地檢測復(fù)合材料構(gòu)件中的氣孔、夾雜、纖維布褶皺、樹脂聚集等體積型缺陷，對(duì)于內(nèi)部裂紋、分層等平行于表面的缺陷，可將射線源傾斜一定角度對(duì)風(fēng)電葉片的半模進(jìn)行透照。康普頓背散射成像技術(shù)是一種新型的射線成像技術(shù)，其原理是利用射線與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的非相干散射效應(yīng)，入射射線將部分能量傳遞給被檢構(gòu)件的自由電子，自身改變方向成為散射光子，經(jīng)專用探測器收集處理生成圖像。其具有非接觸、單面照射、不受構(gòu)件尺寸結(jié)構(gòu)限制以及對(duì)復(fù)合材料等低密度材料有較高的對(duì)比度等優(yōu)點(diǎn)，使其能夠?qū)︼L(fēng)電葉片等大型復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行檢測。國外已在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，如飛機(jī)機(jī)翼、復(fù)雜精密儀器或零件等復(fù)合材料構(gòu)件的檢測，實(shí)踐結(jié)果表明，康普頓背散射成像技術(shù)可對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件中的氣孔、夾雜、缺／富膠等常見缺陷進(jìn)行有效識(shí)別。

    2.4磁檢測技術(shù)

    磁檢測技術(shù)是基于穩(wěn)定地磁場下的一種檢測方法，其不需要激勵(lì)源，主要是利用缺陷區(qū)域與材料本體間地磁感應(yīng)強(qiáng)度的差異來進(jìn)行缺陷特征分析，若材料本身連續(xù)均勻且無缺陷存在，磁感應(yīng)線將均勻穿過材料，反之則會(huì)影響磁感應(yīng)線的疏密程度，引起磁場強(qiáng)度的變化。對(duì)于纖維復(fù)合材料這類非鐵磁性材料來說，其本身具有弱順磁特性，磁導(dǎo)率大于1，若基體中有缺陷存在，則會(huì)使穩(wěn)定地磁場強(qiáng)度發(fā)生微弱變化，通過高精度磁敏傳感器可對(duì)其微弱變化進(jìn)行捕捉，通過分析捕捉到的微弱磁變化信號(hào)來進(jìn)行缺陷識(shí)別，故磁檢測法可用于纖維復(fù)合材料風(fēng)電葉片的缺陷檢測，檢測原理如圖6所示。張欣瑩等 提出將磁法檢測應(yīng)用于纖維復(fù)合材料的檢測當(dāng)中并利用自主研發(fā)的磁檢測系統(tǒng)分別對(duì)有人工制造缺陷的碳纖維材料、玻璃纖維材料試件進(jìn)行了試驗(yàn)，將采集到的磁場信號(hào)進(jìn)行了分析與處理得到了試件缺陷檢測二維圖像，并與超聲檢測進(jìn)行了對(duì)比，試驗(yàn)表明，磁檢測技術(shù)可對(duì)纖維復(fù)合材料中的分層、氣泡、孔隙、夾雜等缺陷進(jìn)行定性與定位識(shí)別，進(jìn)一步驗(yàn)證了磁檢測技術(shù)在非鐵磁性復(fù)合材料缺陷檢測中的可行性。

    3  結(jié)語

    受制造工藝、自身結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行環(huán)境等因素的影響，風(fēng)電葉片在制造、安裝、運(yùn)輸及運(yùn)行難免產(chǎn)生缺陷，若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)修復(fù)，加之交變載荷以及環(huán)境因素的影響，將使缺陷積累擴(kuò)展，從而造成一系列事故。所以，在葉片成型后和安裝前對(duì)整體進(jìn)行無損檢測可在較大程度上降低風(fēng)電機(jī)組的事故率。可用于風(fēng)電葉片無損檢測方法有很多，但大都需要復(fù)雜的操作以及嚴(yán)格的檢測環(huán)境，且檢測速度緩慢。近年來隨著國內(nèi)外各大研究機(jī)構(gòu)的努力，超聲波無損檢測技術(shù)、紅外熱成像技術(shù)、射線成像技術(shù)以及磁檢測技術(shù)在風(fēng)電葉片檢測中取得了重大突破，上述幾種無損檢測技術(shù)可快速對(duì)葉片進(jìn)行靜態(tài)全尺寸檢測，從而保障風(fēng)電機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

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