1　引　言

風(fēng)力發(fā)電具有資源再生、容量巨大、無污染、綜合治理成本低等優(yōu)點，是未來電力的先進生產(chǎn)方向。從20世紀70年代至今，國內(nèi)外風(fēng)電事業(yè)得以蓬勃發(fā)展，裝機容量越大，發(fā)電效率越高，技術(shù)難度越大。風(fēng)電葉片是捕獲風(fēng)能的最主要部件，也是風(fēng)力發(fā)電機的關(guān)鍵部件，其質(zhì)量可靠性是保證機組正常穩(wěn)定運行的決定因素。纖維增強復(fù)合材料(FRP)I因其輕質(zhì)、耐腐蝕和高拉伸模量一直是風(fēng)電葉片最常用的材料。由于風(fēng)電葉片外型龐大、質(zhì)量重，一旦出現(xiàn)事故，會造成極其嚴重的后果。為了保證葉片產(chǎn)品質(zhì)量可靠性和安全性，葉片須經(jīng)權(quán)威機構(gòu)檢驗和認證，以考察結(jié)構(gòu)設(shè)計和安全性是否符合IEC和其它相關(guān)標準，取得相應(yīng)資質(zhì)后方可進入市場。
　　因為纖維增強復(fù)合材料(FRP)具有比強度高、比模量高、抗疲勞性能好等優(yōu)點，能滿足風(fēng)電葉片惡劣氣候等實際工況的要求，所以大中型風(fēng)電葉片基本上采用玻璃鋼蒙皮與大梁組成的空心體結(jié)構(gòu)。受制造工藝、黏結(jié)工藝等隨機因素的影響，風(fēng)電葉片難免會帶有孔隙、裂紋、分層、脫黏等結(jié)構(gòu)缺陷。這些缺陷在實際靜／動載荷、疲勞、環(huán)境溫度變化等條件的作用下，將促使風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)損傷的產(chǎn)生、擴展與積累，最終導(dǎo)致風(fēng)電葉片的失穩(wěn)破壞。為此，風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制是保證葉片綜合性能的關(guān)鍵。
　   為確保風(fēng)電葉片在野外復(fù)雜氣候條件下長期可靠運行，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快的國家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(nèi)容主要包括靜力測試、模態(tài)測試、疲勞測試、雷擊測試、無損檢測等。目前，許多風(fēng)機葉片生產(chǎn)廠家均迫切提出了建立葉片質(zhì)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(shù)在風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用。

2　風(fēng)電葉片的主要缺陷

2.1　缺陷類型與產(chǎn)生原因
　　受制造工藝、黏結(jié)工藝等隨機因素的影響，風(fēng)電葉片難免會帶有孔隙、裂紋、分層、脫黏等結(jié)構(gòu)缺陷。風(fēng)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(chǎn)生的原因是多種多樣的，有環(huán)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(dāng)?shù)脑?，如外力沖擊、與其它物體碰撞和刮擦等。對缺陷產(chǎn)生原因進行準確分析，可以有針對性地采取預(yù)防與控制措施，減少缺陷形成的概率，保證結(jié)構(gòu)質(zhì)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(nèi)纖維束內(nèi)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(chǎn)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(dǎo)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(dǎo)流效果不良。
　　葉片的裂紋主要發(fā)生在粘接區(qū)域，分為膠粘劑本體裂紋和膠粘劑與葉片殼體粘接裂紋。產(chǎn)生的主要原因是外界沖擊、環(huán)境驟變、疲勞作用。裂紋在葉片運轉(zhuǎn)一定時間后產(chǎn)生的頻率較高。
　　葉片整體是一種復(fù)雜的層合板結(jié)構(gòu)，由于各種干擾因素會產(chǎn)生分層現(xiàn)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(chǎn)過程中引入非結(jié)構(gòu)材料。夾雜的產(chǎn)生主要是主觀因素，如：布層鋪設(shè)時不慎落入的異物、灌注樹脂中的異物雜質(zhì)。
       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(fēng)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(chǎn)生有害的影響。復(fù)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(tài)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(jié)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(fù)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(jīng)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(fù)合材料進行力學(xué)性能測試，并將測試結(jié)果與不含夾雜的同種材料進行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蒸餾水和海水導(dǎo)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％，最終拉伸強度的下降量分別為30.9％和31.2％。由此結(jié)果可以看出，復(fù)合材料中的夾雜對其性能影響較大，在材料加工過程中，應(yīng)嚴格對生產(chǎn)環(huán)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(fēng)電葉片性能的定量影響，但纖維鋪層間的分層是風(fēng)電葉片中最為嚴重的缺陷類型，它通過降低材料的壓縮強度和剛度影響結(jié)構(gòu)的完整性。在承受機械或熱載荷的條件下，結(jié)構(gòu)中的分層會發(fā)生傳播，情況嚴重時將可能導(dǎo)致材料發(fā)生斷裂。
       2.2.4　其它缺陷對性能的影響
　　風(fēng)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(fēng)電葉片疲勞裂紋的萌生源。

3　缺陷的無損檢測技術(shù)

　　風(fēng)電葉片中的微觀破壞和內(nèi)部缺陷，用常規(guī)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(jié)構(gòu)使用性能的前提下，采取一定的手段，檢測其特征質(zhì)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(chǎn)品質(zhì)量、保證產(chǎn)品使用安全、延長產(chǎn)品壽命必要的有效技術(shù)手段。可應(yīng)用于風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)中缺陷無損檢測的技術(shù)很多，包括x射線檢測技術(shù)、超聲檢測技術(shù)、激光全息檢測技術(shù)等。