风电叶片的主要缺陷与无损检测技术评价

1　引　言

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，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)I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损检测的需求。本文主要介绍超声C扫描、激光干涉成像以及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：①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。②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
       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。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。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％。
       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％。由此结果可以看出，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。

3　缺陷的无损检测技术

　　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。