CN104502449B - 利用超声波a扫描判断风力发电叶片结构缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明创造提供一种利用超声波A扫描判断风力发电叶片结构缺陷的方法，包括采用与风电叶片相同的材料制作若干对比试块，利用超声波A扫描分别探测对比试块，获得具有特征波群的完好部位波形图以及缺陷部位波形图，并将待测部位波形图所述完好部位波形图或缺陷部位波形图进行对比，获得待测风电叶片的待测部位的缺陷信息的过程。本发明提供的方法简单可靠，适用于树脂基玻璃纤维复合材料结构的风力发电叶片的检测。

Description

利用超声波A扫描判断风力发电叶片结构缺陷的方法

技术领域

本发明创造涉及一种风力发电叶片结构的无损检测方法，特别涉及一种利用超声波判断风力发电叶片结构缺陷的方法。

背景技术

目前，兆瓦级风力发电叶片多为树脂基玻璃纤维复合材料，在其成型过程中，受人为因素、工艺稳定性、环境变化等因素的影响，产品很可能出现裂纹、掺杂、气泡，粘接区域出现缺胶，气泡等缺陷，这些缺陷对叶片的整体质量和寿命影响很大。尤其是随着风电行业的发展，风电叶片逐渐向大尺寸大功率方向发展，由原来的普遍的1.5MW37.5m叶片，到现在出现的5MW75m叶片，甚至有超过100m长的叶片在研发中。大型风电叶片由于体积较大，制作工艺复杂，难免存在生产缺陷，使得叶片的质量风险加大。

目前用于风电叶片检测的方法主要有目视法、敲击法等比较原始的方法，这两种方法简单易行，但很大程度上依赖于检测人员的经验，准确性和可靠性较低。且叶片是由多组分材料组成的复合材料构件，各组分的物理界面常常易于出现缺陷，采用目视法和敲击法很难对叶片内部缺陷等损伤进行准确判断。所以可靠的、易于操作判断的风电叶片无损检测方法备受关注。

超声波探伤是利用超声波在固体中传输的过程中，在异质界面上会发生反射、折射等现象，通过收集并分析其反射信号来获得内部结构缺陷的一种方法。扫描方式一股有三种，即常说的A扫描、B扫描和C扫描。其中A扫描是将超声信号处理成波形图像，输出横轴为时间或深度，纵轴为反射波强度的波形图，适用于工业检测，目前对于树脂基玻璃纤维复合材料的检测较少，在风电叶片上的应用研究更少。对于复杂结构的风电叶片构件，波形的理解和判断对于叶片缺陷的判断至关重要。

发明内容

本发明创造为解决现有技术中存在的问题，提供一种方法简单、可靠性好、适用于树脂基玻璃纤维复合材料结构的风力发电叶片无损检测的方法，尤其适用于对风力发电叶片粘接区域缺陷的检测。

为解决上述技术问题，本发明创造采用的技术方案是，包括下述步骤：(1)采用与风电叶片相同的材料制作若干对比试块，所述对比试块的表面状态、结构特征、缺陷类型与待测风电叶片具有一致性；(2)利用超声波A扫描分别探测对比试块，获得具有每一界面的特征波群的完好部位波形图，以及若干不具有或具有部分或全部界面的特征波群的缺陷部位波形图；(3)以与步骤(2)相同或相近的扫描设置和参数，对待测风电叶片的待测部位进行探测，获得不具有或具有部分或全部界面的特征波群的待测部位波形图；(4)将步骤(3)中待测部位波形图与步骤(2)中完好部位波形图或缺陷部位波形图进行对比，获得待测风电叶片的待测部位的缺陷信息。

其中，所述完好部位波形图为对比试块无结构缺陷时获得的波形图；所述缺陷部位波形图为对比试块存在已知结构缺陷时获得的波形图，每一缺陷部位波形图与对比试块中存在的一种缺陷结构类型一一对应。由于对比试块与待测风电叶片的表面状态、结构特征、缺陷类型具有一致性，因此，经对对比试块进行检测确定了无结构缺陷、以及具有各类已知缺陷的各种波形图之后，只要将待测风电叶片的待测部位波形图与之进行对比，即可确知待测风电叶片的待测部位是否具有缺陷、以及具体的缺陷类型。

其中，待测部位波形图为以与对比试块相同的扫描设置和参数为基础，通过对超声波的扫描参数进行微调，提高检测精度并减小反射波之间的干扰后，获得的形状稳定的波形图，可以不包含或包含部分或全部界面的特征波群。

其中，所述特征波群的获得方法为：通过调整超声波的扫描参数，提高检测精度并减小反射波之间的干扰，获得形状稳定的波形，然后根据所述对比试块或待测风电叶片的每相邻两个组成层界面的设计深度，在A扫描显示的波形图的横轴上以各个界面的设计深度的位置为基础，向轴两侧延伸，至该组波的强度最低处，最终确定每一界面的特征波群。

本发明中，超声波A扫描获得的波形图横轴代表深度，纵轴代表反射波强度。

一股来说，界面的设计深度在横轴上的位置为该界面的特征波群的中心位置，或略有偏差。

当由于相邻界面间距离过小使得两相邻特征波群的部分反射波出现叠加时(如图1)，可以以每一该特征波群在横轴上设计深度的位置至该特征波群未发生反射波叠加的一侧在横轴上的截止位置的距离为参考，由该特征波群在横轴上设计深度的位置反向等距离延伸至该特征波群发生反射波叠加的一侧，以确定每一特征波群在反射波叠加位置的截止范围。

上述每相邻两个组成层界面的设计深度指对比试块或待测风电叶片中每相邻两个组成层的界面至该对比试块或待测风电叶片表面的深度距离，该深度距离可在设计制作时确定，在对比试块或待测风电叶片实际产品中每一所述界面的实际深度距离与设计深度相比可以具有一定的合理误差。随着每一界面的深度逐渐增加，可将各个界面按顺序命名为第一反射界面、第二反射界面、……，相应的，每一界面的特征波群可按顺序命名为第一反射界面特征波群、第二反射界面特征波群、……。

其中，所述步骤(4)的对比的内容包括：a.对比所述待测部位的波形图中特征波群的数量是否与所述完好部位波形图或缺陷部位波形图中特征波群的数量一致；b.对比所述待测部位的波形图中每一特征波群的走势以及波数是否与所述完好部位波形图或缺陷部位波形图中每一相应的特征波群一致；c.对比所述待测部位的波形图中每一特征波群中各个波的位置、相对强度是否与所述完好部位波形图或缺陷部位波形图中每一相应的特征波群一致。

由于对比试块的表面状态、结构特征与待测风电叶片的完好部位具有一致性，因此，若待测部位内部结构无缺陷，则其波形图应与对比试块的完好部位波形图完全一致，即上述a、b、c项对比内容完全一致；若待测部位内部结构存在缺陷，则其波形图应与对比试块的某一缺陷部位波形图完全一致，即与该图的上述a、b、c项对比内容完全一致，则判定待测部位存在该种缺陷部位波形图对应的缺陷类型。

风力发电叶片为多层复合材料结构，层间常用粘接剂进行粘合，风力发电叶片的结构缺陷也多发生在此，因此对粘接区域的缺陷进行准确判断尤为重要。

风力发电叶片粘接区域一股包括三个组成层(如图2)：A层-主梁帽和壳体玻璃钢整体层；B层-粘接剂层；C层-粘接角层；其中，A层和C层一股为树脂基玻璃纤维复合材料，B层一股为环氧粘接剂。利用超声波A扫描对该中粘接区域进行缺陷检测时，结构完好的部位可获得具有三个界面的特征波群的波形图；若粘接剂层上表面脱粘，则波形图中仅存在第一反射界面特征波群；当粘接剂层与粘接角层脱粘或粘接剂层内部出现缺陷时，波形图中仅存在第一反射界面特征波群和第二反射界面特征波群；若组成层厚度不均发生界面偏移，则波形图中存在三个界面的特征波群，但发生偏移的界面对应的特征波群的走势、波数、中心位置、以及特征波群中各个波的位置、相对强度等会发生变化。

本发明创造具有的优点和积极效果是：(1)该方法能够简单、可靠、准确、高效地判断出风电叶片结构存在的缺陷，特别适用于风力发电叶片粘接区域的缺陷判断，保证了叶片生产质量的可靠性；(2)能够在风电叶片生产过程中随时进行检测，保证风电叶片的安全生产和运行；(3)能够在帮助风电叶片运行过程中的维护，减少维护费用。

附图说明

图1是两相邻特征波群的部分反射波出现叠加时的波形图。

图2是实施例1风电叶片粘接区域完好部位的结构示意图。

图3是实施例1风电叶片粘接区域的完好部位波形图。

图4是实施例1风电叶片粘接区域粘接剂层上表面脱粘的结构示意图。

图5是实施例1风电叶片粘接区域粘接剂层上表面脱粘部位的波形图。

图6是实施例1风电叶片粘接区域粘接剂层与粘接角层脱粘的结构示意图。

图7是实施例1风电叶片粘接区域粘接剂层与粘接角层脱粘部位的波形图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明创造进行进一步说明。

实施例1对具有如图2所示结构的风力发电叶片粘接区域进行检测

(1)采用与风电叶片粘接区域相同的材料制作若干对比试块，所述对比试块的结构分别如图2、图4、图6所示，图中标注的每一反射界面的深度为其设计深度；所述对比试块的表面状态、结构特征、缺陷类型与待测风电叶片具有一致性；其中，图2中所示对比试块无结构缺陷，图4中所示对比试块粘接剂层上表面脱粘，图6中所示对比试块粘接剂层与粘接角层脱粘；

(2)利用超声波A扫描探测对比试块(图2)，调整超声波的声速和增益，使精度最高，反射波之间的干扰最小，获得形状稳定的波形；由于该对比试块第一反射界面、第二反射界面与第三反射界面的设计深度分别为27mm、34mm、44mm，在A扫描显示的波形图的横轴上以这三个深度位置为基础(图中向下的黑三角对应的横轴位置)，向轴两侧延伸，至该组波的强度最低处，确定该三个反射界面的特征波群。由于本例中第一反射界面特征波群与第二反射界面特征波群的部分反射波出现叠加，此时仅能确定第三反射界面特征波群，以及第一反射界面特征波群的左边界和第二反射界面特征波群的右边界；将第一反射界面特征波群的左边界的位置距第一反射界面的设计深度的位置的距离设为x，由该第一反射界面特征波群在横轴上设计深度的位置(27mm位置)向右侧等距离延伸距离x，获得第一反射界面特征波群的右边界，从而确定第一反射界面特征波群；然后用同样的方法获得第二反射界面特征波群的左边界，从而确定第二反射界面特征波群；最终获得该对比试块的完好部位波形图(如图3)；

利用超声波A扫描探测对比试块(图4)，步骤同上，由于具有粘接剂层上表面脱粘的结构缺陷，因此获得的对应该缺陷的缺陷部位波形图(如图5)仅存在一个特征波群，即第一反射界面特征波群；

利用超声波A扫描探测对比试块(图6)，步骤同上，由于具有粘接剂层与粘接角层脱粘的结构缺陷，因此获得的对应该缺陷的缺陷部位波形图(如图7)仅存在两个特征波群，即第一反射界面特征波群和第二反射界面特征波群；

(3)以与步骤(2)相同或相近的扫描设置和参数，对待测风电叶片的待测部位进行探测，然后对超声波的扫描参数进行微调，提高检测精度并减小反射波之间的干扰，获得不包含或包含部分或全部界面的特征波群的待测部位波形图；

(4)将步骤(3)中待测部位的波形图与步骤(2)中各个完好部位波形图或缺陷部位波形图进行对比，依次判断a.所述待测部位的波形图中特征波群的数量；b.所述待测部位的波形图中每一特征波群的走势以及波数是否与所述完好部位波形图或缺陷部位波形图中每一相应的特征波群一致；c.对比所述待测部位的波形图中每一特征波群中各个波的位置、相对强度是否与所述完好部位波形图或缺陷部位波形图中每一相应的特征波群一致；若待测部位的波形图与完好部位波形图完全一致，则待测部位无结构缺陷存在；若待测部位的波形图与某一缺陷部位波形图完全一致，则待测部分存在与该缺陷部位波形图对应的结构缺陷。

上述实施例中图3、图5、图7中各反射界面特征波群的探测深度及扫描参数如表1所示。

表1

本发明的技术方案在风力发电叶片结构缺陷的检测方面具有实际意义，通过将本发明的技术方案应用于天津东汽风电叶片工程有限公司DF140、DF116叶片生产线的无损检测，及时排除了生产中存在的缺陷，检测效率高，叶片在风场安全运行，未发生因缺陷导致的质量问题。

Claims (4)

1.一种利用超声波A扫描判断风力发电叶片结构缺陷的方法，包括下述步骤：(1)采用与风电叶片相同的材料制作若干对比试块，所述对比试块的表面状态、结构特征、缺陷类型与待测风电叶片具有一致性；(2)利用超声波A扫描分别探测对比试块，获得具有每一界面的特征波群的完好部位波形图，以及若干具有部分或全部界面的特征波群的缺陷部位波形图；(3)以与步骤(2)相同的扫描设置和参数，对待测风电叶片的待测部位进行探测，获得具有部分或全部界面的特征波群的待测部位波形图；(4)将步骤(3)中待测部位波形图与步骤(2)中完好部位波形图或缺陷部位波形图进行对比，获得待测风电叶片的待测部位的缺陷信息；

所述步骤(4)的对比的内容包括：a.对比所述待测部位的波形图中特征波群的数量是否与所述完好部位波形图或缺陷部位波形图中特征波群的数量一致；b.对比所述待测部位的波形图中每一特征波群的走势以及波数是否与所述完好部位波形图或缺陷部位波形图中每一相应的特征波群一致；c.对比所述待测部位的波形图中每一特征波群中各个波的位置、相对强度是否与所述完好部位波形图或缺陷部位波形图中每一相应的特征波群一致；

其中，超声波A扫描获得的波形图横轴代表深度，纵轴代表反射波强度。

2.根据权利要求1所述的一种利用超声波A扫描判断风力发电叶片结构缺陷的方法，其特征在于：所述步骤(2)和(3)中特征波群的获得方法为：通过调整超声波的扫描参数，提高检测精度并减小反射波之间的干扰，获得形状稳定的波形，然后根据所述对比试块或待测风电叶片的每相邻两个组成层界面的设计深度，在A扫描显示的波形图的横轴上以各个界面的设计深度的位置为基础，向轴两侧延伸，至该组波的强度最低处，最终确定每一界面的特征波群。

3.根据权利要求2所述的一种利用超声波A扫描判断风力发电叶片结构缺陷的方法，其特征在于：当两相邻所述特征波群的部分反射波出现叠加时，可以以每一该特征波群在横轴上设计深度的位置至该特征波群未发生反射波叠加的一侧在横轴上的截止位置的距离为参考，由该特征波群在横轴上设计深度的位置反向等距离延伸至该特征波群发生反射波叠加的一侧，以确定每一特征波群在反射波叠加位置的截止范围。

4.根据权利要求1所述的一种利用超声波A扫描判断风力发电叶片结构缺陷的方法，其特征在于：当待测部位波形图与对比试块的完好部位波形图完全一致时，结构内无缺陷；当待测部位波形图与对比试块的某一缺陷部位波形图完全一致时，则待测部位存在该种缺陷部位波形图对应的缺陷类型结构。