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嘉峪檢測網 2025-01-20 17:12
傳統(tǒng)的風電機組葉片檢查方式一般有兩種：外部望遠鏡觀測和人工吊籃/蜘蛛人檢查。前者設備簡單、成本低，但存在無法記錄數(shù)據(jù)、難以100%全覆蓋等問題，此外，根據(jù)維修部門的反饋，望遠鏡觀察的結果和實際損傷情況往往相差很大；而人工檢查的方法存在巡檢效率低下，人員勞動強度大、風險大，作業(yè)窗口受風速影響較大等缺點，一般情況下，待檢機組停機時間為4~8小時。
根據(jù)上述兩種檢查方式的特點，風電場一般采用將兩種方法相結合的辦法，先使用望遠鏡初步篩查，如發(fā)現(xiàn)待確認情況再停機采用人工吊籃/蜘蛛人的方式細致檢查，從而避免風電機組長時間的停機，影響風電場的經濟效益。但是，兩種傳統(tǒng)的人工檢查方式均存在嚴重依賴檢查人員的經驗、體力、關注度等個體差異的問題。尤其是目前風電機組向高塔筒長葉片方向發(fā)展，人工檢查的時間成本和人力成本不斷增加。
隨著高精度儀器的不斷發(fā)展以及人工智能技術的改革創(chuàng)新，眾多學者針對風機葉片缺陷的無損檢測技術的研究越發(fā)深厚，目前主流的無損檢測技術可以根據(jù)采集的信號種類分為聲、光、熱三類，每類檢測技術都具有各自的優(yōu)勢和使用局限性。
1、風電機組葉片的損傷和缺陷分析
風電機組葉片產生損傷或缺陷的原因是多方面的，主要容易出現(xiàn)在葉片生產制造、運輸安裝以及運行服役三個階段中：
(1) 葉片生產制造過程中會出現(xiàn)的主要問題是材料內部缺陷，包括有孔隙、分層和夾雜等。
孔隙缺陷主要是由于樹脂與纖維浸潤不良，空氣排擠不完全等因素造成；
分層缺陷主要是因為樹脂用量不夠、二次成形、粘合劑脫膠等；
夾雜缺陷主要是由于加工過程中混入雜物、異物等。
(2) 運輸安裝過程中會出現(xiàn)的主要問題是葉片外部損傷，包括擠壓變形、表面磨損等。
產生的主要原因是葉片本身尺寸和自重較大并且具有的彈性有限，容易產生不可逆的變形。
(3) 運行服役過程中也會因外部環(huán)境等客觀因素出現(xiàn)不同程度的損傷，包括表面腐蝕、裂紋和老化等。
腐蝕主要是由于風電機組大多在環(huán)境惡劣地區(qū)，受到風沙、雨水、鹽霧等天氣的長時間侵蝕；
裂紋主要是由于外力沖擊（如冰雹、鳥類撞擊等）和疲勞累積；
機組老化主要是由于氣溫驟變、雷擊等。
2、無損檢測技術的比較與分析
2.1基于聲學的風電葉片無損檢測技術
主要通過采集聲學信號并分析其特征，對葉片損傷或缺陷進行檢測。目前較為成熟的技術分支是采用超聲波檢測技術和聲發(fā)射檢測技術。
超聲波檢測技術
超聲波檢測技術能檢測葉片復合材料的孔隙、氣泡、裂紋、夾雜等缺陷，依據(jù)檢測結果可以進一步判斷材料的疏密、纖維屈曲、彈性模量、厚度等特性和幾何形狀等方面的變化。
中國科學院工程熱物理研究所以超聲檢測圖像作為分類對象，結合機器學習算法構建圖像損傷分類識別模型，提高了檢測效率，解決了其依賴現(xiàn)場環(huán)境、檢測效率低的問題。
超聲檢測技術具有靈敏度高，可精確確定損傷或缺陷的位置與分布的優(yōu)點，但也存在對不同類型的缺陷要更換不同規(guī)格的探頭等缺點。
圖1. 超聲波檢測技術示意圖
聲發(fā)射檢測技術
聲發(fā)射檢測技術可對裂紋的萌生和擴展進行動態(tài)監(jiān)測，即檢測損傷或缺陷出現(xiàn)時的聲音信號，實時評估缺陷的危害程度，預防意外事故的發(fā)生。
在檢測過程中，接收的信號是缺陷在應力作用下自發(fā)產生的，因此該方法無法對已經產生的損傷或缺陷進行檢測，同時在實際應用中，由于聲發(fā)射對環(huán)境因素十分敏感，因此對監(jiān)測系統(tǒng)會造成干擾，影響檢測的準確性，所以很難對缺陷進行定量分析，但是能夠提供缺陷在應力作用下的動態(tài)信息，對于壽命評估有一定的優(yōu)勢，可對葉片進行安全評價。
圖2. 聲發(fā)射技術示意圖
新型聲學檢測技術
新型聲學檢測技術是直接采集、分析葉片本身旋轉時發(fā)出的聲音，判斷葉片是否存在損傷或缺陷。
當葉片存在損傷或缺陷時，采集到的聲音信號與正常狀態(tài)下的聲音信號不同，通過信號特征反映損傷或缺陷的嚴重程度，針對診斷結果提前處理風電機組葉片。
該技術優(yōu)點在于可以通過一臺信號采集設備檢測三個葉片狀態(tài)，節(jié)約檢測成本；缺點是目前技術僅能檢測葉片是否存在損傷或缺陷，但無法確定具體損傷類別。
圖3. 新型聲學檢測技術流程圖
2.2基于光學的風電葉片無損檢測技術
主要通過采集光學信號并分析其特征，對葉片損傷或缺陷進行檢測。目前較為成熟的技術分支是可見光檢測技術和光纖傳感器檢測技術。
可見光檢測
可見光檢測技術是通過高清攝像頭等拍攝工具拍攝葉片圖像，并采用人工智能、深度學習等技術識別和診斷葉片損傷或缺陷。
高清攝像機搭載無人機的組合檢測技術是當前可見光檢測技術的熱門，無人機代替人工可以增加巡檢效率，降低巡檢風險，結合邊緣計算技術也可以實現(xiàn)實時診斷。
無人機巡檢技術目前的缺點是仍無法完全擺脫飛手，實現(xiàn)全自動巡檢，同時由于風電機組葉片葉尖轉速過大，在機組運行時無人機無法靠近拍攝，巡檢時需要先停機。
圖4. 無人機巡檢技術流程圖
光纖傳感器
光纖加速度傳感器主要基于干涉儀原理，使用光纖對振動信號進行傳輸。常見的干涉型加速度傳感器有順變柱體型、膜片型和光纖光柵型等，順變柱體型加速度傳感器通常采用橡膠換能器，可實現(xiàn)較高的加速度靈敏度，但是由于橡膠材料易老化、不耐高溫，從而限制了其實際應用。
光纖光柵加速度傳感器是近年快速發(fā)展的一種光纖加速度傳感器，它體積小、靈敏度可調。在風機葉片的關鍵位置埋入光纖傳感器陣列，探測其在加工、成型及服役的動態(tài)過程中內部應力、應變的變化，并對外力、疲勞等引起的變形、裂紋進行實時監(jiān)測，可實現(xiàn)對風機葉片的狀態(tài)監(jiān)測與損傷評估。
圖5. 光纖傳感器技術示意圖
2.3基于熱力學的風電葉片無損檢測技術
目前較為成熟的技術分支是紅外熱成像檢測技術，將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉化成可見的熱圖像，進而分析葉片是否存在缺陷或損傷。
國內不少研究和文獻的調研說明，紅外熱成像檢測技術能夠檢測出玻璃纖維制葉片的幾種典型缺陷。經過比較ANSYS軟件和理論計算結果，分析得到當葉片內部缺陷尺寸越大、深度越淺，越容易被熱成像技術檢測到。同時冷卻過程中形成的表面溫差隨缺陷深度的變化而變化，可以作為紅外熱成像技術檢測葉片缺陷的有力依據(jù)。
紅外熱成像檢測技術是一種比較適用于風電葉片的無損檢測方法，尤為適用于常見的分層和滲膠類型的缺陷。
紅外熱成像技術優(yōu)點在于在檢測時無需與被檢測物體接觸，在較遠距離既可以完成檢測任務，更加適用于檢測身處惡劣環(huán)境、運維人員不易到達的風電機組。其缺點在于可能會受到風電機組高度的限制，在現(xiàn)場檢測中有一定的局限性。
2.4無損檢測技術對比
不同無損檢測技術優(yōu)缺點鮮明，具體如表1所示。在實際工程應用中可以有效結合多種技術對風電機組葉片從生產制造、運輸安裝、運行維護全過程進行檢測，更有效地減少葉片的安全隱患，并為后續(xù)風電機組葉片全生命周期的缺陷分析提供各階段的數(shù)據(jù)支持。
表1. 無損檢測技術對比分析
3、結語
通過比較傳統(tǒng)人工檢查技術和基于聲學、光學和熱力學的風電機組葉片無損檢測技術可知，無損檢測方法除了提高巡檢的安全性和效率以外，還有助于收集、整理和積累葉片缺陷和損傷數(shù)據(jù)庫。當數(shù)據(jù)積累到一定程度時，可以結合機器學習或深度學習算法搭建快速葉片缺陷快速診斷模型，及時檢測葉片狀態(tài)，保證風電機組安全穩(wěn)定運行。
作者：張策，王立聞，蔣恩超，曾濤，彭凡
來源：東方電氣評論
轉自：CCIA維修檢測與回收專委會
來源：Internet
