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摘要：风电叶片在生产、运输、安装以及运行过程中，缺陷损伤都不可避免的存在。因此，本文对风电叶片的生产过程、缺陷及无损检测技术进行了分析探讨。
关键词：风电叶片；缺陷；无损检测技术
中图分类号：C35文献标识码： A
一、叶片生产过程
叶片的生产过程大致有下料、大梁和翼梁制作、层铺、真空吸注、合模和起模、型修、检验配平出厂等工序。
1、下料
根据强度、工艺性、经济性要求选择主要复合材料和金属材料。基體树脂选用进口的真空导注专用环氧树脂,固化温度在80℃左右;增强材料选用国产玻璃纤维制品,国内产品可大量供应,成本低,而且质量可靠;结构粘接胶选用可室温固化的环氧树脂类粘接胶,进口或国产产品都有合适的产品;金属材料:主要是叶片连接金属件用材料,采用国产优质合金钢。除按照工艺设计要求准备主材料之外,下列准备工作也许格外注意以下几点。
螺栓套准备:堵盖、喷砂、缠丝、清洗、打压。配合打磨组下料:前后缘外补强、内补强(大梁)所用布。配合合模组下料:硫化阻尼板、斜纹布、海绵条、短切毡等。叶片下料:PV C泡沫板缝制、聚氨脂泡沫、粘接舌头、楔形条切割打磨。
2、大梁、翼梁制作
在大梁模具和翼梁模具上分别制作和组装大梁(前梁和后梁),制作和组装翼梁(也称梁盖),粘结组装制动梁,并制作叶尖和主体端头组件。其中的层铺和真空吸注、型修工艺参见后述有关叶片相关工艺。
3、层铺
在正式层铺之前,先要将模具准备好,包括:起模(撬开预离模装置,松模具锁紧装置,松螺栓套螺丝,吊半圆法兰)、清理副模(打蜡,铺脱模布)、清理半圆法兰、安装螺栓套、领料,然后再按照工艺要求逐层进行铺布并缝布。
4、真空吸住
真空吸注是叶片生产过程中的关键工艺之一,密封性、负压控制、导流管的铺设等,都非常重要,直接影响叶片的各项性能指标。真空吸注工序包括以下过程:准备(铺放密封胶条,铺放双面胶条,铺放螺旋包套,铺放脱模布)、备料(准备树脂、固化剂、真空罐标识)、吸注(连接真空罐、真空泵,抽真空达到规定负压,配胶、注胶)、固化、清理注胶用Ω管和注胶块。
5、合模、起模
准备工作:真空吸注后要先对现场进行清理,然后撕去脱模布、导流网和Ω管,手糊预离模装置,打磨分模面,清理副模,分胶。试合模:固定梁、小梁、大梁划线,上下壳铺阻尼,清理大梁上脱模布。合模:大梁锁紧,叶壳内刮胶,清理卫生。起模:结构胶固化后,松开锁紧装置,将模具与叶片分离。
6、型修
将叶片吊运到一定高度,切去飞边,打磨需进行内补强和大梁补强的地方。然后将叶片吊上大圈车,打磨需外补强的地方,之后切13切面和窗口,再进行内外补强和大梁补强。待内外补强和大梁补强固化后,修理外补强光滑度,再喷胶衣,修理13切面和叶尖,对胶衣光滑面处理。
7、检验、配平、出厂
对产品进行进行总体检验,安装法兰盘、接闪器、标牌,配平成套(将3个质量、重心相近的叶片采取补充材料的办法,使其质量相等、重心一致,并编号成套),最后进行出厂检验。
二、风电时片的主要缺陷种类
1、生产制作缺陷
风电复合材料叶片的生产是一个细节控制的过程，细节控制直接决定了叶片质量的好坏。目
前国内外风电叶片的生产，基本由传统的手糊制作改为了真空灌注，这在很大程度上减少了因人工操作失误而引入的缺陷。但是，诸如纤维布及芯材的铺放、树脂的灌注固化、叶片粘接面的清理以及粘接剂的刮涂等操作，仍需要手工操作完成，因而常会因操作不当和质量监督不严，导致叶片出现纤维布褶皱、干纤维布、气泡、粘接宽度不够以及缺胶等缺陷(如图1和图2所示)。对于叶片在生产制造过程中残留的缺陷，当前大多数的现场监测系统并不能有效检测，而且这些缺陷在叶片成型后都较难发现，但都将在一定程度上影响叶片的强度和刚度。
根据目前风场运行风机叶片的事故分析，叶片粘接开裂问题出现较多，因而叶片所有粘接区域都是影响叶片结构安全的关键区域，如剪切大梁与壳体以及压力侧和吸力侧两半壳体前后缘的粘接区域(如图3所示)。
由于叶片大部分粘接区域为盲粘，将不可避免地出现缺胶或气泡等缺陷。虽然通过红外照相仪可视化跟踪检测叶片粘接剂的固化反应过程，可以发现一些粘接区域的缺胶，但是该方法成本太高，要在生产过程中对每只叶片都进行跟踪检测，难度相对较大，目前主要用于实验研究。通常粘接区域粘接剂过少会造成缺胶，叶片在运行过程中发生胶粘面开裂，粘接剂局部过多将影响粘接剂的固化，并会形成小的裂纹，这些裂纹将在叶片服役过程中扩展影响结构安全。另外，粘接剂过多会造成叶片质量的不平衡，多余的粘接剂也难于清理，其将在后期叶片的运行过程中脱落并影响运行。因而该类问题应在叶片出厂前，通过有效的无损检测方法及早发现和处理。
2、转运安装损伤缺陷
风电叶片由于其庞大的尺寸，在运输、安装的过程中，可能出现因操作不当造成冲击损伤。通常叶片被钝物撞击后，在其表面并不会出现明显的伤痕，也不会引起操作者的注意，但是叶片的内部结构可能己经受到了严重损伤，如玻璃钢的分层破坏，对于该类缺陷如果没有及时发现和修复，将会很大程度的影响叶片的使用寿命，并成为后期事故的隐患。
三、缺陷的无损检测技术
1、X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。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。
2、超声检测技术
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400kHz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。
对于叶片缺陷大小的超声波判定方法可以选用缺陷长度定量评定法。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，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。
结束语
通过以上论述，可以有效地对叶片己经存在的缺陷和叶片即将发生的损伤缺陷进行很好的检测和监测。超声检测法是静态无损检测方法中，最有效也是最直观，现阶段应用最广的方法，但是检测时需要叶片静止，另外该方法需要积累大量的标准谱图与叶片含有不同缺陷的波谱图，以便于准确分析判断，目前的超声检测仪器还不能很好地应用于现场运行叶片缺陷的检测。声发射和光纤传感监测是动态监测法中当前最具有应用前景的方法，可以不中断风机运行对叶片的安全状态进行实时监测。动态监测方法虽然目前还处于从试验研究向现场实际应用过渡的阶段，但其必将得到更广泛的关注，并成为大型海上风机叶片安全监控的一种重要手段。
参考文献
[1]颜晨,李晓玲,李义全.大型复合材料风电叶片模具整体设计与制造技术[J].玻璃钢/复合材料,2014,05:69-74.
[2]朱小军,陈雪峰,翟智,田绍华,何正嘉.复合材料风电叶片细观失效准则及其损伤演化[J].机械工程学报,2014,11:17-22.
[3]张小辉,段玉岗,葛衍明,李涤尘.整体式风电叶片紫外光原位固化纤维铺放制造技术[J].机械工程学报,2014,11:37-42.
关键词：风电叶片；缺陷；无损检测技术
中图分类号：C35文献标识码： A
一、叶片生产过程
叶片的生产过程大致有下料、大梁和翼梁制作、层铺、真空吸注、合模和起模、型修、检验配平出厂等工序。
1、下料
根据强度、工艺性、经济性要求选择主要复合材料和金属材料。基體树脂选用进口的真空导注专用环氧树脂,固化温度在80℃左右;增强材料选用国产玻璃纤维制品,国内产品可大量供应,成本低,而且质量可靠;结构粘接胶选用可室温固化的环氧树脂类粘接胶,进口或国产产品都有合适的产品;金属材料:主要是叶片连接金属件用材料,采用国产优质合金钢。除按照工艺设计要求准备主材料之外,下列准备工作也许格外注意以下几点。
螺栓套准备:堵盖、喷砂、缠丝、清洗、打压。配合打磨组下料:前后缘外补强、内补强(大梁)所用布。配合合模组下料:硫化阻尼板、斜纹布、海绵条、短切毡等。叶片下料:PV C泡沫板缝制、聚氨脂泡沫、粘接舌头、楔形条切割打磨。
2、大梁、翼梁制作
在大梁模具和翼梁模具上分别制作和组装大梁(前梁和后梁),制作和组装翼梁(也称梁盖),粘结组装制动梁,并制作叶尖和主体端头组件。其中的层铺和真空吸注、型修工艺参见后述有关叶片相关工艺。
3、层铺
在正式层铺之前,先要将模具准备好,包括:起模(撬开预离模装置,松模具锁紧装置,松螺栓套螺丝,吊半圆法兰)、清理副模(打蜡,铺脱模布)、清理半圆法兰、安装螺栓套、领料,然后再按照工艺要求逐层进行铺布并缝布。
4、真空吸住
真空吸注是叶片生产过程中的关键工艺之一,密封性、负压控制、导流管的铺设等,都非常重要,直接影响叶片的各项性能指标。真空吸注工序包括以下过程:准备(铺放密封胶条,铺放双面胶条,铺放螺旋包套,铺放脱模布)、备料(准备树脂、固化剂、真空罐标识)、吸注(连接真空罐、真空泵,抽真空达到规定负压,配胶、注胶)、固化、清理注胶用Ω管和注胶块。
5、合模、起模
准备工作:真空吸注后要先对现场进行清理,然后撕去脱模布、导流网和Ω管,手糊预离模装置,打磨分模面,清理副模,分胶。试合模:固定梁、小梁、大梁划线,上下壳铺阻尼,清理大梁上脱模布。合模:大梁锁紧,叶壳内刮胶,清理卫生。起模:结构胶固化后,松开锁紧装置,将模具与叶片分离。
6、型修
将叶片吊运到一定高度,切去飞边,打磨需进行内补强和大梁补强的地方。然后将叶片吊上大圈车,打磨需外补强的地方,之后切13切面和窗口,再进行内外补强和大梁补强。待内外补强和大梁补强固化后,修理外补强光滑度,再喷胶衣,修理13切面和叶尖,对胶衣光滑面处理。
7、检验、配平、出厂
对产品进行进行总体检验,安装法兰盘、接闪器、标牌,配平成套(将3个质量、重心相近的叶片采取补充材料的办法,使其质量相等、重心一致,并编号成套),最后进行出厂检验。
二、风电时片的主要缺陷种类
1、生产制作缺陷
风电复合材料叶片的生产是一个细节控制的过程，细节控制直接决定了叶片质量的好坏。目
前国内外风电叶片的生产，基本由传统的手糊制作改为了真空灌注，这在很大程度上减少了因人工操作失误而引入的缺陷。但是，诸如纤维布及芯材的铺放、树脂的灌注固化、叶片粘接面的清理以及粘接剂的刮涂等操作，仍需要手工操作完成，因而常会因操作不当和质量监督不严，导致叶片出现纤维布褶皱、干纤维布、气泡、粘接宽度不够以及缺胶等缺陷(如图1和图2所示)。对于叶片在生产制造过程中残留的缺陷，当前大多数的现场监测系统并不能有效检测，而且这些缺陷在叶片成型后都较难发现，但都将在一定程度上影响叶片的强度和刚度。
根据目前风场运行风机叶片的事故分析，叶片粘接开裂问题出现较多，因而叶片所有粘接区域都是影响叶片结构安全的关键区域，如剪切大梁与壳体以及压力侧和吸力侧两半壳体前后缘的粘接区域(如图3所示)。
由于叶片大部分粘接区域为盲粘，将不可避免地出现缺胶或气泡等缺陷。虽然通过红外照相仪可视化跟踪检测叶片粘接剂的固化反应过程，可以发现一些粘接区域的缺胶，但是该方法成本太高，要在生产过程中对每只叶片都进行跟踪检测，难度相对较大，目前主要用于实验研究。通常粘接区域粘接剂过少会造成缺胶，叶片在运行过程中发生胶粘面开裂，粘接剂局部过多将影响粘接剂的固化，并会形成小的裂纹，这些裂纹将在叶片服役过程中扩展影响结构安全。另外，粘接剂过多会造成叶片质量的不平衡，多余的粘接剂也难于清理，其将在后期叶片的运行过程中脱落并影响运行。因而该类问题应在叶片出厂前，通过有效的无损检测方法及早发现和处理。
2、转运安装损伤缺陷
风电叶片由于其庞大的尺寸，在运输、安装的过程中，可能出现因操作不当造成冲击损伤。通常叶片被钝物撞击后，在其表面并不会出现明显的伤痕，也不会引起操作者的注意，但是叶片的内部结构可能己经受到了严重损伤，如玻璃钢的分层破坏，对于该类缺陷如果没有及时发现和修复，将会很大程度的影响叶片的使用寿命，并成为后期事故的隐患。
三、缺陷的无损检测技术
1、X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。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。
2、超声检测技术
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400kHz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。
对于叶片缺陷大小的超声波判定方法可以选用缺陷长度定量评定法。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，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。
结束语
通过以上论述，可以有效地对叶片己经存在的缺陷和叶片即将发生的损伤缺陷进行很好的检测和监测。超声检测法是静态无损检测方法中，最有效也是最直观，现阶段应用最广的方法，但是检测时需要叶片静止，另外该方法需要积累大量的标准谱图与叶片含有不同缺陷的波谱图，以便于准确分析判断，目前的超声检测仪器还不能很好地应用于现场运行叶片缺陷的检测。声发射和光纤传感监测是动态监测法中当前最具有应用前景的方法，可以不中断风机运行对叶片的安全状态进行实时监测。动态监测方法虽然目前还处于从试验研究向现场实际应用过渡的阶段，但其必将得到更广泛的关注，并成为大型海上风机叶片安全监控的一种重要手段。
参考文献
[1]颜晨,李晓玲,李义全.大型复合材料风电叶片模具整体设计与制造技术[J].玻璃钢/复合材料,2014,05:69-74.
[2]朱小军,陈雪峰,翟智,田绍华,何正嘉.复合材料风电叶片细观失效准则及其损伤演化[J].机械工程学报,2014,11:17-22.
[3]张小辉,段玉岗,葛衍明,李涤尘.整体式风电叶片紫外光原位固化纤维铺放制造技术[J].机械工程学报,2014,11:37-42.