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1、玻璃钢2013 年第 1 期研究报告风电叶片的主要缺陷与无损检测技术评价何杰，杜玲，王冬生 （上海玻璃钢研究院有限公司，上海 201404）摘要简要介绍了风电叶片的缺陷类型，分析了缺陷产生的原因以及对风电叶片性能的影响，对目 前国内外用于风电叶片主要缺陷的各种无损检测技术进行了比较与评价，认为超声 C 扫描、激光 干涉成像以及 X 射线实时成像检测是有效检测风电叶片中常见缺陷的技术手段。关键词：风电叶片；缺陷；性能；无损检测引言1风力发电具有资源再生、容量巨大、无污染、综合治理成本低等优点, 是未来电力的先 进生产方向。从 20 世纪 70 年代至今，国内外风电事业得以蓬勃发展，装机容量越大，
2、发电 效率越高，技术难度越大。风电叶片是捕获风能的最主要部件，也是风力发电机的关键部件， 其质量可靠性是保证机组正常稳定运行的决定因素。纤维增强复合材料（FRP）因其轻质、 耐腐蚀和高拉伸模量一直是风电叶片最常用的材料。由于风电叶片外型庞大、质量重, 一旦 出现事故，会造成极其严重的后果。为了保证叶片产品质量可靠性和安全性，叶片须经权威 机构检验和认证，以考察结构设计和安全性是否符合 IEC 和其它相关标准, 取得相应资质后 方可进入市场。 因为纤维增强复合材料（FRP）具有比强度高、比模量高、抗疲劳性能好等优点，能满 足风电叶片恶劣气候等实际工况的要求，所以大中型风电叶片基本上采用玻璃钢蒙皮
3、与大梁 组成的空心体结构。受制造工艺、黏结工艺等随机因素的影响，风电叶片难免会带有孔隙、 裂纹、分层、脱黏等结构缺陷。这些缺陷在实际静/动载荷、疲劳、环境温度变化等条件的作 用下，将促使风电叶片结构损伤的产生、扩展与积累，最终导致风电叶片的失稳破坏。为此， 风电叶片结构质量控制是保证叶片综合性能的关键。 为确保风电叶片在野外复杂气候条件下长期可靠运行，风电产业发展较快的国家或大的 叶片制造商都建立了自己的叶片检测中心，检测的内容主要包括静力测试、模态测试、疲劳 测试、雷击测试、无损检测等。目前，许多风机叶片生产厂家均迫切提出了建立叶片质量无 1 损检测的需求。本文主要介绍超声C扫描、激光干涉成
4、像以及X射线实时成像检测技术在风电 叶片结构检测中的应用。2风电叶片的主要缺陷2.1缺陷类型与产生原因 受制造工艺、黏结工艺等随机因素的影响，风电叶片难免会带有孔隙、裂纹、分层、脱 黏等结构缺陷。风电叶片的缺陷可能只是一种类型，也可能是好几种类型的缺陷同时存在。 缺陷产生的原因是多种多样的，有环境控制方面的原因，有制造工艺方面的原因，也有运输、 操作以及使用不当的原因，如外力冲击、与其它物体碰撞和刮擦等。对缺陷产生原因进行准 确分析， 可以有针对性地采取预防与控制措施，减少缺陷形成的概率，保证结构质量和性能 满足要求。 孔隙是指叶片在成型过程中形成的孔洞，包括布层内纤维束内的孔隙、纤维束与纤维
5、束 之间的孔隙以及布层层间的孔隙。产生的原因可以归纳为以下几点：工艺方面：叶片灌注 过程中树脂体系引入的气泡、灌注工艺缺陷，导致局部纤维未浸透，叶片手糊成型过程中气 泡排挤不完全。原材料方面：树脂与纤维浸润不良、芯材导流效果不良。 叶片的裂纹主要发生在粘接区域，分为胶粘剂本体裂纹和胶粘剂与叶片壳体粘接裂纹。 产生的主要原因是外界冲击、环境骤变、疲劳作用。裂纹在叶片运转一定时间后产生的频率 较高。 叶片整体是一种复杂的层合板结构，由于各种干扰因素会产生分层现象。叶片的分层主 要指纤维层合板间的分层、芯材与纤维层合板间的分层。分层形成的原因有：树脂用量不够、 布层污染、真空泄压、二次成型。 夹杂指
6、叶片生产过程中引入非结构材料。夹杂的产生主要是主观因素，如：布层铺设时 不慎落入的异物、灌注树脂中的异物杂质。 2.2缺陷对材料性能的影响5 2.2.1孔隙对性能的影响 孔隙问题是风电叶片成型工艺中普遍存在的问题，即使孔隙含量很小，对材料的许多性 能都会产生有害的影响。复合材料中的空隙主要影响材料的层间剪切强度、纵向和横向弯曲 强度与模量、纵向和横向拉伸强度与模量、压缩强度与模量等性能1。Almeida 等人通过试验 证明， 空隙的存在对材料的静态强度只有中等程度的影响， 但却可以使疲劳寿命显著下降2。 其它研究结果表明，空隙率在0%5%之间，每增加1%，层间剪切强度平均下降7%，弯曲模 量以
7、5%左右的比例下降，其它性能则以10%左右的比例下降。人们通常认为，孔隙率大于零 以后，复合材料的性能就开始退化；但也有人认为，引起材料性能下降的临界孔隙率是3% 4%3。2.2.2夹杂对性能的影响 M.Zhang 和S.E.Mason曾经用蒸馏水和海水作为夹杂进行过试验研究， 铺层时在每层间刷 2 涂上述夹杂，然后对含有夹杂的复合材料进行力学性能测试，并将测试结果与不含夹杂的同 种材料进行比较，结果发现，蒸馏水和海水导致材料断裂韧性分别下降40%和50%，层间剪切 强度下降65.3%和71.4%，弹性模量下降22.8%和24.7%，最终拉伸强度的下降量分别为30.9% 和31.2% 4。由此
8、结果可以看出，复合材料中的夹杂对其性能影响较大，在材料加工过程中， 应严格对生产环境进行有效控制。 2.2.3分层对性能的影响 尚未见文献报道过分层对风电叶片性能的定量影响，但纤维铺层间的分层是风电叶片中 最为严重的缺陷类型，它通过降低材料的压缩强度和刚度影响结构的完整性。在承受机械或 热载荷的条件下，结构中的分层会发生传播，情况严重时将可能导致材料发生断裂。 2.2.4其它缺陷对性能的影响 风电叶片中胶粘剂本体裂纹和胶粘剂与叶片壳体粘接裂纹的存在影响材料的疲劳特性， 而且是风电叶片疲劳裂纹的萌生源。缺陷的无损检测技术3风电叶片中的微观破坏和内部缺陷，用常规的机械与物理方法一般不能满足检验精度
9、要 求，也不能采用破坏性实验方法进行检测，必须对其进行无损探伤检测，即在不损坏结构使 用性能的前提下，采取一定的手段，检测其特征质量，确定其是否达到需要的工程使用要求。 无损检测是检验产品质量、保证产品使用安全、延长产品寿命必要的有效技术手段。可应用 于风电叶片结构中缺陷无损检测的技术很多，包括X射线检测技术、超声检测技术、激光全息 检测技术等。 3.1X射线检测技术 对于风电叶片而言，X射线检测仍然是最直接、最有效的无损检测技术之一，特别适合 于检测风电叶片中的孔隙和夹杂等体积型缺陷（见图1、图2），对垂直于材料表面的裂纹也 具有较高的检测灵敏度和可靠性，对树脂聚集与纤维聚集也有一定的检测能
10、力，也可测量小 厚度风电叶片铺层中的纤维弯曲等缺陷， 但对风电叶片中最为常见的分层缺陷检测比较困难， 对平行于材料表面的裂纹射线检测技术也不敏感。随着计算机技术的迅速发展，射线实时成 像检测技术（RTR技术）日趋完善，并开始应用于结构的无损检测。RTR技术利用图像增强 器将穿透材料后的射线信息转换为可视图像（即光电转换），然后输入计算机。经过计算机 处理，将可视图像转换为数字图像（即模/数转换），在显示器屏幕上显示出材料内部缺陷的 性质、大小和位置等信息6。实时成像技术可应用于风电叶片产品的在线检测, 可以对装配线 上的工件进行实时快速检测。 3 图1 叶片材料中有孔隙图2 叶片材料中有夹杂3
11、.2超声检测技术7 超声波检测技术是根据超声波在材料内部缺陷区域和正常区域的反射、衰减与共振的差 异，来确定缺陷的位置和大小，根据材料的特点和实际探伤经验来判断缺陷的类型。利用超 声波检测技术可有效检测风电叶片内部隐藏的分层、缺胶、主翼梁与外壳之间以及外壳的前 缘与后缘黏结缺陷，同时可以测量粘接厚度，从而大幅降低叶片失效的风险。由于复合材料 结构具有明显的各向异性，而且性能的离散性较大，因此产生缺陷的机理复杂且变化多样， 而且复合材料构件的声衰较大，因此针对风电叶片玻璃钢结构的超声波检测方法主要有水喷 脉冲回波方法。 超声脉冲回波方法检测风电叶片复合材料结构原理见图3。选用2.2MHz和400
12、kHz两种传 感器，换能器与移动的水箱相连。移动水箱与风电叶片表面用低黏度耦合剂相连。该方法降 低了超声换能器自身反射的影响，并且延长了风电叶片内部结构缺陷的反射，从而更有效地 检测风电叶片复合材料多层结构的内部缺陷状况。相关实验表明：高频的超声换能器能有效 检测风电叶片表层附近的内部分层缺陷，而低频的超声换能器用于检测深层的分层缺陷和厚 度变化。但超声波检测手段对某些复杂缺陷或微小缺陷，诸如基体微裂纹、纤维/基体脱黏及 单束纤维断裂等很难发现，且很难做到动态、实时监测。图3 超声脉冲回波方法检测风电叶片复合材料结构原理图图4 超声脉冲回波检测设备对于叶片缺陷大小的超声波判定方法可以选用缺陷长
13、度定量评定法。可用这种方法来确 定缺陷的边界，从而推断缺陷大小和长度。此法的原理是当波束与缺陷面正交时，回波最高， 4 移动探头时波束偏离缺陷，回波高度将随之下降。当波束不再与缺陷相遇，则回波消失，因 而测出探头在该缺陷正面移动的距离与回波高度变化的关系，即可推断缺陷的延伸长度。常 用6dB法或半波反射法，当声束中心由缺陷中部移至边缘时，缺陷回波高度将下降一半(6dB)， 可推断缺陷的延伸长度，如图4。在超声波检验过程中，对于缺陷性质的判断是比较困难的，因为任何种类性质的缺陷， 在超声波探伤仪的荧光屏上都形成反射脉冲。因此，正确判断这些缺陷要从各方面综合分析。首先要了解叶片被检部位的材料、状态
14、及制造方法，同时要了解该部位在制作过程中容易出 现的缺陷类型等有关知识，更重要的是检验人员的长期经验积累，才能对所发现的缺陷做出 较正确的判断。3.3激光全息无损检测技术 激光全息无损检测是利用激光全息干涉来检测和计量物体表面和内部缺陷的，这种技术 的原理是在不使物体受损的条件下，向物体施加一定的载荷，物体在外界载荷作用下会产生 变形，这种变形与物体是否含有缺陷直接相关，物体内部的缺陷所对应的物体表面在外力作 用下产生了与其周围不相同的微差位移，并且在不同的外界载荷作用下，物体表面变形的程 度是不相同的。用激光全息照相的方法来观察和比较这种变形，并记录在不同外界载荷作用 下的物体表面的变形情况
15、，进行比较和分析，从而判断物体内部是否存在缺陷，达到评价被 检物体质量的目的。 具体做法是对被检测物体加载，使其表面发生微小的位移（微差位移），物体表面的轮 廓就会发生变化，此时获得的全息图上的条纹与没有加载时相比发生了移动。成像时除了显 示原来物体的全息像外，还产生较为粗大的干涉条纹，由条纹的间距可以算出物体表面的位 移的大小。由于物体有一定的形状，所以在同样的力的作用下，物体表面各处所发生的位移 并不相同，因而各处所对应的干涉条纹的形状和间距也不相同。当物体内部不含有缺陷时， 这种条纹的形状和间距的变化是宏观的、连续的、与物体外形轮廓的变化同步调的。当被检 物体内部含有缺陷时，在物体受力的
16、情况下，物体内部的缺陷在外部条件（力）的作用下， 就在物体表面上表现出异常， 而与内部缺陷相对应的物体表面所发生的位移则与以前不相同， 因而所得到的全息图与不含缺陷的物体的不同。在激光照射下进行成像时，所看到的波纹图 样在对应与有缺陷的局部区域就会出现不连续的、突然的形状变化和间距变化。根据这些条 纹情况，可以分析判断物体的内部是否含有缺陷，以及缺陷的大小和位置（见图5、图6）。这种检测方法具有非接触检测、直观感强、检测结果便于保存等特点。但是，激光全息 无损检测技术也并非万能，物体内部缺陷的检测灵敏度，取决于物体内部的缺陷在外力作用 下能否造成物体表面的相应变形。如果物体内部的缺陷过深或过于微小，那么，这种检测方 法就无能为力了。对于叠层胶接结构来说，检测其脱黏缺陷的灵敏度取决于脱黏面积和深度 比值，在近表面的脱黏缺陷面积，即使很小也能够
