如何做好风电叶片缺陷的检测工作

李珂

摘要：本文主要对风电叶片的缺陷和检测工作进行了相关的分析研究，予以有关单位参考与借鉴。

关键词：风电叶片；缺陷；检测技术

风力发电是指把风的动能转化为电能，同时风能蕴量巨大，因而风力发电作为一种清洁能源，它的开发和利用日益受到世界各国的重视，已成为能源领域最具商业推广前景的项目之一，在国内外发展迅速。在风电机组的成本构成中，叶片占据了22%，其故障率也比其他部件高出50.1%。

1.风机叶片缺陷成因

风机叶片是由玻璃纤维复合材料制作而成的。因为其内部结构和制作工艺比较复杂，所以，可能会存在一些缺陷或不同程度的损伤。另外，受风电机组作业环境的影响，风机叶片会在运行过程中出现损伤。引发风机叶片缺陷的原因有很多，例如在生产制造时，可能会分层或者出现空隙缺陷。这主要是因为树脂和纤维浸润不充分导致空气混入其中。在运输和安装叶片的过程中，由于其结构复杂、体积比较大，极易受到外力挤压而被损坏。在风电机组运行的过程中，还可能会出现叶片裂缝、老化的现象。裂缝缺陷主要是外力冲击造成的，而断裂是缺陷长时间累积而成，老化是指叶片长时间在恶劣的风沙天气下作业，受风沙和雨水的侵蚀造成的。

2.风电叶片常见的缺陷类型

由于风力发电厂多建于沙漠、沿海等偏远地区，叶片工作条件恶劣，常年遭受风沙侵蚀或暴风骤雨等恶劣环境的侵袭，难免会出现雷击损坏、开裂、后缘损坏、表面脱落和磨损等缺陷，损伤严重时甚至会导致叶片断裂，影响机组正常工作。

2.1 雷击损伤

为了有效利用风能资源，风力发电机组通常被安装在地势较高的区域，而叶片是风机中位置最高的部件，易受雷电影响。 雷电击中风机叶片时，其释放的能量使得叶片内部结构的温度急剧升高，造成叶片表面复合材料灼烧，导致叶片表面出现不同程度的损伤。

2.2边缘开裂

复杂的生产工艺过程使得风机叶片的质量参差不齐，受叶片粘合处缝隙含胶量不均或固化不完全等因素的影响，风机叶片在运转过程中会出现内粘合缝处开裂，尤其是叶尖和叶片迎风面的中部区域，是风机叶片最易受损、开裂的部位。 如果没有及时发现并处理风机叶片的开裂损伤，将会导致风机设备失效，造成停机事故。

2.3 局部脱落

风机叶片表面脱落通常发生在叶片迎风面、叶片前缘、叶片后缘等位置，由于这些位置长期受风沙侵蚀和暴雨冲刷，叶片外层用于保护内部复合材料和纤维布的胶衣容易损坏，叶片内部纤维布漏出，且容易出现裂缝、磨损和表面脱落等缺陷。

3.风电叶片缺陷的检测

3.1观察法

通过观察叶片有无损伤确定叶片状态。 一般需要维修人员定期巡查，通过高倍望远镜或是吊篮悬挂工作人员，对风机叶片进行观察，检查叶片的损伤，对有问题的叶片进行记录，但是检测时间长、效率低，人工成本高。 随着科技发展，无人机在各领域的应用给叶片检测带来新方式，利用无人机搭载高清摄像头和激光测距仪对风机叶片进行停机巡检，对风机叶片表面进行拍摄，制定叶片损伤等级，对叶片损伤进行分级处理，提高了对风机叶片的检测效率并降低了人工成本。

3.2X 射线检测法

X 射线能够穿透物体，如果物体某些区域存在缺陷，它将改变物体对射线的衰减，引起透射射线强度的变化，采用胶片感光成像方法，就可以判断物体是否存在缺陷以及缺陷的位置和大小。对于风电叶片而言，相关学者研究表明 X 射线技术是检测风电叶片中孔隙和夹杂等体积型缺陷的良好方法，可以检测垂直于叶片表面的裂纹，对树脂、纤维聚集有一定的检测能力，也可以测量小厚度风电叶片铺层中的纤维弯曲等缺陷，但对风电叶片中常见的分层缺陷和平行于叶片表面的裂纹不敏感。对于在役风机叶片，由于受现场因素的影响及高度的限制，使用 X 射线检测方法很难实现现场检测，但对于风机叶片的体积缺陷有一定的检出能力，由于受叶片尺寸的限制，该方法还未广泛地应用于叶片的全尺寸检测。

3.3 敲击检测法

敲击法是现场在线检测最常用的方法，属于声振检测方法的一种。根据检测对象不同可分为整体振动和局部振动；根据信号采集方法不同又可分为声音检测以及应力检测。声音检测通常是使用铜棒、小锤等简易的敲击工具轻击打检测部位， 当该位置在内部有缺陷或损伤时，其固有的物理特性也发生了变化，检测工程师通过对比不同声音的差异来查找和确定缺陷的位置和类型。现代数字敲击无损检测是利用传感器代替耳朵，用信号处理模块代替人的大脑，利用加速度传感器采集被测物体的振动特征，通过后期处理，给出无损检测结果，更加客观、快捷和准确。敲击法适合气泡、分层、孔隙、贫脱等缺陷的检测，比如胶粘剂涂覆宽度不足导致缺胶产生的空腔等。

3.4 光纤光栅检测法

光纤光栅检测利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内部产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，形成永久性空间的相位光栅。通过将光纤光栅传感器安置在叶片不同位置，检测风机叶片材料的结构损伤，然后对风机叶片进行检测，得到损伤信号特征，分析实验数据，从而实现叶片损伤的识别与判定。光纤光栅检测利用了光纤传感质量轻、体积小、插入损耗低、抗电磁干扰、不受光源功率波动影响以及便于构成分布传感网络等优点，不仅可以针对静态信号的检测，而且可以用于风机叶片的动态信号检测，实现对叶片缺陷故障的初步识别。

3.5 超声波检测法

超声波检测法主要是利用超声波传播路径检验材料本身缺陷的声学特征。这种常规的无损检测方法能够在不损伤被检测物体原有结构特性的前提下，精确判断出物体缺陷和损伤的位置。它检测范围比较广，深度大，能够及时、准确定位缺陷位置。这种检测方法以其独特的优势被国内外广泛应用。超声波检测技术适用于检测风电机叶片缺陷。在风机叶片生产完成后尚未安装时，可以借助超声波检测技术检查叶片中存在的缺陷，以保证其质量符合相关要求。利用超声波检测技术能够明确叶片的厚度，查看其内部是否存在。

3.6红外检测法

红外热像仪通过测量物体辐射计算物体温度，将物体的热分布转换成为可视图像，从而得到被测物体温度分布信息，利用热像仪观测、记录、分析以及处理待测物体红外辐射及其变化的差异性来确定物体表面结构缺陷。

根据是否是利用自身辐射信息进行检测可分为主动式红外检测与被动式红外检测：被动式红外检测无需对被测目标加热，由探测器直接探测来自被测物体立体防范空间内的红外辐射变化，由于该方式不需要施加热源，因此在运行设备、元器件、科学实验以及其他生产现场都采用这种方式；主动式红外检测是对被测物体进行主动加热，加热源可来自被测目标的外部或者内部，加热源在被测叶片形成热源，在热传导过程中被测叶片表面温度下降，叶片内部结构缺陷会影响表面区域的冷却过程，利用红外热像仪探测表面区域冷却过程，再经由声发射信号处理分析就可获得物体内部信息。

红外检测能够以图像形式进行全景测量，能够检测出热量的细微变化，具有高灵敏度、高效率、操作安全等优点。但是，红外无损检测难以确定被测物体某点确切温度值，不能直接反应物体内部热状态。实验研究与经验积累表明，红外无损检测对于表面红外辐射反应敏感，分析表面红外热像图便可推知叶片内部缺陷状况，但对于风机叶片深层结构或是缺陷还有待研究。

4.结束语

为了保证风电机组能够正常运行，减少故障，首要任务就是对风机叶片进行检测，从而创造更好的经济效益，提升风电企业的竞争力，促使风电产业健康持续发展。

参考文献：

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[2]翟永杰，张木柳，乔弘，王迪.基于显著性检测的风机叶片裂纹提取研究[J].南方能源建设，2016（02）