摘　要：簡要介紹了風電葉片的缺陷類型，分析了缺陷產生的原因以及對風電葉片性能的影響，對目前國內外用于風電葉片主要缺陷的各種無損檢測技術進行了比較與評價，認為超聲C掃描、激光干涉成像以及x射線實時成像檢測是有效檢測風電葉片中常見缺陷的技術手段。關鍵詞：風電葉片；缺陷；性能；無損檢測

1　引　言

　　風力發電具有資源再生、容量巨大、無污染、綜合治理成本低等優點，是未來電力的先進生產方向。從20世紀70年代至今，國內外風電事業得以蓬勃發展，裝機容量越大，發電效率越高，技術難度越大。風電葉片是捕獲風能的主要部件，也是風力發電機的關鍵部件，其質量可靠性是保證機組正常穩定運行的決定因素。纖維增強復合材料(FRP)I因其輕質、耐腐蝕和高拉伸模量一直是風電葉片常用的材料。由于風電葉片外型龐大、質量重，一旦出現事故，會造成極其嚴重的后果。為了保證葉片產品質量可靠性和安全性，葉片須經機構檢驗和認證，以考察結構設計和安全性是否符合IEC和其它相關標準，取得相應資質后方可進入市場。
　　因為纖維增強復合材料(FRP)具有比強度高、比模量高、抗疲勞性能好等優點，能滿足風電葉片惡劣氣候等實際工況的要求，所以大中型風電葉片基本上采用玻璃鋼蒙皮與大梁組成的空心體結構。受制造工藝、黏結工藝等隨機因素的影響，風電葉片難免會帶有孔隙、裂紋、分層、脫黏等結構缺陷。這些缺陷在實際靜／動載荷、疲勞、環境溫度變化等條件的作用下，將促使風電葉片結構損傷的產生、擴展與積累，終導致風電葉片的失穩破壞。為此，風電葉片結構質量控制是保證葉片綜合性能的關鍵。
　　為確保風電葉片在野外復雜氣候條件下長期可靠運行，風電產業發展較快的或大的葉片制造商都建立了自己的葉片檢測中心，檢測的內容主要包括靜力測試、模態測試、疲勞測試、雷擊測試、無損檢測等。目前，許多風機葉片生產廠家均迫切提出了建立葉片質量無損檢測的需求。本文主要介紹超聲C掃描、激光干涉成像以及x射線實時成像檢測技術在風電葉片結構檢測中的應用。

2　風電葉片的主要缺陷

2.1　缺陷類型與產生原因
　　受制造工藝、黏結工藝等隨機因素的影響，風電葉片難免會帶有孔隙、裂紋、分層、脫黏等結構缺陷。風電葉片的缺陷可能只是一種類型，也可能是好幾種類型的缺陷同時存在。缺陷產生的原因是多種多樣的，有環境控制方面的原因，有制造工藝方面的原因，也有運輸、操作以及使用不當的原因，如外力沖擊、與其它物體碰撞和刮擦等。對缺陷產生原因進行準確分析，可以有針對性地采取預防與控制措施，減少缺陷形成的概率，保證結構質量和性能滿足要求。
　　孔隙是指葉片在成型過程中形成的孔洞，包括布層內纖維束內的孔隙、纖維束與纖維束之間的孔隙以及布層層間的孔隙。產生的原因可以歸納為以下幾點：①工藝方面：葉片灌注過程中樹脂體系引入的氣泡、灌注工藝缺陷，導致局部纖維未浸透，葉片手糊成型過程中氣泡排擠不完全。②原材料方面：樹脂與纖維浸潤不良、芯材導流效果不良。
　　葉片的裂紋主要發生在粘接區域，分為膠粘劑本體裂紋和膠粘劑與葉片殼體粘接裂紋。產生的主要原因是外界沖擊、環境驟變、疲勞作用。裂紋在葉片運轉一定時間后產生的頻率較高。
　　葉片整體是一種復雜的層合板結構，由于各種干擾因素會產生分層現象。葉片的分層主要指纖維層合板間的分層、芯材與纖維層合板間的分層。分層形成的原因有：樹脂用量不夠、布層污染、真空泄壓、二次成型。
　　夾雜指葉片生產過程中引入非結構材料。夾雜的產生主要是主觀因素，如：布層鋪設時不慎落入的異物、灌注樹脂中的異物雜質。
2.2　缺陷對材料性能的影響
2.2.1　孔隙對性能的影響
　　孔隙問題是風電葉片成型工藝中普遍存在的問題，即使孔隙含量很小，對材料的許多性能都會產生有害的影響。復合材料中的空隙主要影響材料的層間剪切強度、縱向和橫向彎曲強度與模量、縱向和橫向拉伸強度與模量、壓縮強度與模量等性能。Almeida等人通過試驗證明，空隙的存在對材料的靜態強度只有中等程度的影響，但卻可以使疲勞壽命顯著下降。其它研究結果表明，空隙率在0％～5％之間，每增加1％，層間剪切強度平均下降7％，彎曲模量以5％左右的比例下降，其它性能則以10％左右的比例下降。人們通常認為，孔隙率大于零以后，復合材料的性能就開始退化；但也有人認為，引起材料性能下降的臨界孔隙率是3％～4％。
2.2.2　夾雜對性能的影響
　　M.Zhang和S.E.Mason曾經用蒸餾水和海水作為夾雜進行過試驗研究，鋪層時在每層間刷涂上述夾雜，然后對含有夾雜的復合材料進行力學性能測試，并將測試結果與不含夾雜的同種材料進行比較，結果發現，蒸餾水和海水導致材料斷裂韌性分別下降40％和50％，層間剪切強度下降65.3％和71.4％，彈性模量下降22.8％和24.7％，終拉伸強度的下降量分別為30.9％和31.2％。由此結果可以看出，復合材料中的夾雜對其性能影響較大，在材料加工過程中，應嚴格對生產環境進行有效控制。
2.2.3　分層對性能的影響
　　尚未見文獻報道過分層對風電葉片性能的定量影響，但纖維鋪層間的分層是風電葉片中為嚴重的缺陷類型，它通過降低材料的壓縮強度和剛度影響結構的完整性。在承受機械或熱載荷的條件下，結構中的分層會發生傳播，情況嚴重時將可能導致材料發生斷裂。
2.2.4　其它缺陷對性能的影響
　　風電葉片中膠粘劑本體裂紋和膠粘劑與葉片殼體粘接裂紋的存在影響材料的疲勞特性，而且是風電葉片疲勞裂紋的萌生源。

3　缺陷的無損檢測技術

　　風電葉片中的微觀破壞和內部缺陷，用常規的機械與物理方法一般不能滿足檢驗精度要求，也不能采用破壞性實驗方法進行檢測，必須對其進行無損探傷檢測，即在不損壞結構使用性能的前提下，采取一定的手段，檢測其特征質量，確定其是否達到需要的工程使用要求。無損檢測是檢驗產品質量、保證產品使用安全、延長產品壽命必要的有效技術手段?？蓱糜陲L電葉片結構中缺陷無損檢測的技術很多，包括x射線檢測技術、超聲檢測技術、激光全息檢測技術等。
3.1　X射線檢測技術
　　對于風電葉片而言，x射線檢測仍然是直接、有效的無損檢測技術之一，特別適合于檢測風電葉片中的孔隙和夾雜等體積型缺陷(見圖1、圖2)，對垂直于材料表面的裂紋也具有較高的檢測靈敏度和可靠性，對樹脂聚集與纖維聚集也有一定的檢測能力，也可測量小厚度風電葉片鋪層中的纖維彎曲等缺陷，但對風電葉片中為常見的分層缺陷檢測比較困難，對平行于材料表面的裂紋射線檢測技術也不敏感。隨著計算機技術的迅速發展，射線實時成像檢測技術(RTR技術)日趨完善，并開始應用于結構的無損檢測。RTR技術利用圖像增強器將穿透材料后的射線信息轉換為可視圖像(即光電轉換)，然后輸人計算機。經過計算機處理，將可視圖像轉換為數字圖像(即模／數轉換)，在顯示器屏幕上顯示出材料內部缺陷的性質、大小和位置等信息。實時成像技術可應用于風電葉片產品的在線檢測，可以對裝配線上的工件進行實時快速檢測。

3.2　超聲檢測技術
　　超聲波檢測技術是根據超聲波在材料內部缺陷區域和正常區域的反射、衰減與共振的差異，來確定缺陷的位置和大小，根據材料的特點和實際探傷經驗來判斷缺陷的類型。利用超聲波檢測技術可有效檢測風電葉片內部隱藏的分層、缺膠、主翼梁與外殼之間以及外殼的前緣與后緣黏結缺陷，同時可以測量粘接厚度，從而大幅降低葉片失效的風險。由于復合材料結構具有明顯的各向異性，而且性能的離散性較大，因此產生缺陷的機理復雜且變化多樣，而且復合材料構件的聲衰較大，因此針對風電葉片玻璃鋼結構的超聲波檢測方法主要有水噴脈沖回波方法。
　　超聲脈沖回波方法檢測風電葉片復合材料結構原理見圖3。選用2.2MHz和400kHz兩種傳感器，換能器與移動的水箱相連。移動水箱與風電葉片表面用低黏度耦合劑相連。該方法降低了超聲換能器自身反射的影響，并且延長了風電葉片內部結構缺陷的反射，從而更有效地檢測風電葉片復合材料多層結構的內部缺陷狀況。相關實驗表明：高頻的超聲換能器能有效檢測風電葉片表層附近的內部分層缺陷，而低頻的超聲換能器用于檢測深層的分層缺陷和厚度變化。但超聲波檢測手段對某些復雜缺陷或微小缺陷，諸如基體微裂紋、纖維／基體脫黏及單束纖維斷裂等很難發現，且很難做到動態、實時監測。

　　對于葉片缺陷大小的超聲波判定方法可以選用缺陷長度定量評定法?？捎眠@種方法來確定缺陷的邊界，從而推斷缺陷大小和長度。此法的原理是當波束與缺陷面正交時，回波高，移動探頭時波束偏離缺陷，回波高度將隨之下降。當波束不再與缺陷相遇，則回波消失，因而測出探頭在該缺陷正面移動的距離與回波高度變化的關系，即可推斷缺陷的延伸長度。常用6dB法或半波反射法，當聲束中心由缺陷中部移至邊緣時，缺陷回波高度將下降一半(6dB)，可推斷缺陷的延伸長度，如圖4。
　　在超聲波檢驗過程中，對于缺陷性質的判斷是比較困難的，因為任何種類性質的缺陷，
在超聲波探傷儀的熒光屏上都形成反射脈沖。因此，正確判斷這些缺陷要從各方面綜合分析。先要了解葉片被檢部位的材料、狀態及制造方法，同時要了解該部位在制作過程中容易出現的缺陷類型等有關知識，更重要的是檢驗人員的長期經驗積累，才能對所發現的缺陷做出較正確的判斷。
3.3　激光全息無損檢測技術
　　激光全息無損檢測是利用激光全息干涉來檢測和計量物體表面和內部缺陷的，這種技術
的原理是在不使物體受損的條件下，向物體施加一定的載荷，物體在外界載荷作用下會產生
變形，這種變形與物體是否含有缺陷直接相關，物體內部的缺陷所對應的物體表面在外力作
用下產生了與其周圍不相同的微差位移，并且在不同的外界載荷作用下，物體表面變形的程
度是不相同的。用激光全息照相的方法來觀察和比較這種變形，并記錄在不同外界載荷作用
下的物體表面的變形情況，進行比較和分析，從而判斷物體內部是否存在缺陷，達到評價被
檢物體質量的目的。
　　具體做法是對被檢測物體加載，使其表面發生微小的位移(微差位移)，物體表面的輪
廓就會發生變化，此時獲得的全息圖上的條紋與沒有加載時相比發生了移動。成像時除了顯
示原來物體的全息像外，還產生較為粗大的干涉條紋，由條紋的間距可以算出物體表面的位
移的大小。由于物體有一定的形狀，所以在同樣的力的作用下，物體表面各處所發生的位移
并不相同，因而各處所對應的干涉條紋的形狀和間距也不相同。當物體內部不含有缺陷時，
這種條紋的形狀和間距的變化是宏觀的、連續的、與物體外形輪廓的變化同步調的。當被檢
物體內部含有缺陷時，在物體受力的情況下，物體內部的缺陷在外部條件(力)的作用下，
就在物體表面上表現出異常，而與內部缺陷相對應的物體表面所發生的位移則與以前不相同，因而所得到的全息圖與不含缺陷的物體的不同。在激光照射下進行成像時，所看到的波紋圖樣在對應與有缺陷的局部區域就會出現不連續的、突然的形狀變化和間距變化。根據這些條紋情況，可以分析判斷物體的內部是否含有缺陷，以及缺陷的大小和位置(見圖5、圖6)。
　　這種檢測方法具有非接觸檢測、直觀感強、檢測結果便于保存等特點。但是，激光全息
無損檢測技術也并非萬能，物體內部缺陷的檢測靈敏度，取決于物體內部的缺陷在外力作用
下能否造成物體表面的相應變形。如果物體內部的缺陷過深或過于微小，那么，這種檢測方
法就無能為力了。對于疊層膠接結構來說，檢測其脫黏缺陷的靈敏度取決于脫黏面積和深度
比值，在近表面的脫黏缺陷面積，即使很小也能夠檢測出來，而對于埋藏得較深的脫膠缺陷，只有在脫黏面積相當大時才能夠被檢測出來。另外，激光全息無損檢測目前多在暗室中進行，并需要采用嚴格的隔振措施，因此，不利于現場檢測。
　　激光全息無損檢測常用的加載方式有聲加載、熱加載、內部充氣法、表面真空法等幾種。

4　無損檢測技術的選擇

　　適用于風電葉片結構的無損檢測技術很多，不同的檢測技術對不同類型缺陷的敏感性差
別很大，同時還與結構的材料類型、制造工藝、材料結合方式、壁厚等因素密切相關。一般
情況下，只采用單一技術無法檢測出復合材料中的所有缺陷，應根據材料中可能存在的缺陷
類型以及缺陷所處的大概深度、取向等因素選擇多種適當的方法進行綜合檢測，如對于孔隙、疏松、夾雜等體積缺陷，采用x射線檢測比較有效；對于分層、裂紋、脫黏等缺陷，超聲技術、激光全息無損檢測是先應該考慮的檢測手段，但當結構厚度較厚(大于50mm)時，檢測靈敏度會大幅降低；另外，在選擇適合的無損檢測技術時還應該考慮檢測儀器的可達(及)性、要求的靈敏度以及檢測效率、檢測成本等各方面的因素。

5　結束語

　　風電葉片是一種復雜的多相體系，而且是材料與結構同時成形。在風電葉片結構的成型
過程中，許多不確定的影響因素的存在，使得風電葉片結構中的缺陷不可避免。其次，風電
葉片結構在使用過程中也可能會發生各種損傷，缺陷與損傷的存在對風電葉片結構的使用安
全構成極大威脅。風電葉片為主要的受力部件，結構的可靠性與安全性尤為關鍵，對風電葉
片結構內部的缺陷和損傷進行無損檢測，是檢驗產品質量、保證產品使用安全的極為重要的
技術手段?？蓱糜陲L電葉片結構的無損檢測技術很多，超聲技術、激光全息無損檢測、x
射線實時成像檢測是檢測風電葉片中常見缺陷的非常有效技術手段，不同的檢測技術都具有
各自不同的優點和使用局限性，在檢測方法選擇時，應綜合考慮結構材料、尺寸、形狀、制
造工藝、結合方式，以及缺陷的類型、位置、取向和檢測方法的有效性、檢測儀器的可達(及)性、要求的靈敏度、檢測效率、檢測成本等各方面的因素。