在風力發電機組整個運行生命周期內，塔架作為其主要的承重部件，長期受到機組交變載荷的作用。而連接機組各部件的螺栓和塔架焊縫是否具備優良的抗疲勞性能，是防止塔架或機組出現嚴重損傷，甚至倒塔事故的有力保障。

 

機組運行過程中，焊縫和螺栓所處的工作環境較為惡劣，受力復雜，隨著使用年限的增加，極易出現松動及裂紋缺陷，當這些缺陷發展一定程度時,會嚴重影響機組的運行安全?？紤]到焊縫和螺栓連接可靠性直接影響到整個機組的可靠性和使用壽命，因此有必要對焊縫和螺栓缺陷進行定期檢測，提早發現裂紋缺陷,以便及時更換和維護,把隱患扼殺在搖籃中。

 

與此同時，我國早期安裝的風力發電機組壽命陸續到期，需對其當前以及延壽期間的結構健康狀態進行評估。作為重要的承載結構，塔架焊縫和機組螺栓的健康狀態也是機組延壽評估過程的重要一環。對此，鑒衡認證中心在其發布的CGC/GF 149:2020《風力發電機組延壽技術規范》中，對塔架焊縫和機組連接螺栓的延壽檢查提出了相關要求。

1 常見無損檢測方法

目前風電行業針對在役機組塔架焊縫和機組螺栓的常用無損檢測方法有：

1）磁粉探傷

通過磁粉在缺陷附近漏磁場中的堆積以檢測鐵磁性材料表面或近表面處缺陷的一種無損檢測方法。將鋼鐵等磁性材料制作的工件予以磁化，利用其缺陷部位的漏磁能吸附磁粉的特征，依磁粉分布顯示被探測物件表面缺陷和近表面缺陷的探傷方法。

2）超聲波探傷

聲源產生超聲波，采用一定方式進入工件。在工件中傳播并與工件材質以及工件中缺陷相互作用，使傳播方向或特征發生改變。改變后的超聲波通過檢測設備被接收，對其進行處理和分析。根據接收超聲波的特征，評估工件本身及其內部是否存在缺陷及缺陷的特征。

3）超聲波相控陣

該方法和常規超聲波檢測的原理相似，都是基于脈沖反射的原理。相對于常規超聲波探傷，其優勢在于：

• 相控陣超聲通過對探頭依次激發使超聲波發生偏轉，按照一定角度進行掃查，掃查焊縫時，相控陣無需鋸齒掃查，只要沿著焊縫挪動探頭即可，掃查鍛件時，掃查范圍更廣,檢測效率比常規掃查效率更高。同時不易對工件造成漏檢，提高檢測準確性和可靠性。

• 相控陣超聲通過探頭依次激發可以產生超聲聚焦，而常規超聲波一般沒有（除了聚焦探頭外），因此能克服超聲近場區對工件檢測帶來干擾，使相控陣探頭可以對較薄工件進行有效檢測。

• 相控陣檢測同時擁有B掃、S掃和C掃描，使缺陷顯示直觀、清晰，根據B掃、S掃和C掃描顏色不同判斷工件缺陷，易于對工件內部缺陷當量進行評定。而常規超聲波只能通過波形高低來分辨缺陷當量。

2 塔架焊縫無損探傷

2.1磁粉探傷方案

2.1.1檢驗等級

塔架焊縫的質量分級按照表1進行：

表1 焊接接頭的質量分級

其他部件的質量分級按表2進行：

表2 焊接接頭的質量分級

2.1.2檢測關鍵點

1）使用觸頭法局部磁化工件時，點擊間距應控制在75mm～200mm之間，其檢測有效寬度為觸頭中心線兩側各1/4極距；

2）檢測時通電時間不應太長，電極與工件之間應保持良好的接觸，以免燒傷工件。

3）兩次磁化區域間應有不小于10%的磁化重疊；

4）工件被檢區表面及其相鄰至少25mm范圍內應干燥，并不得有油脂、污垢、鐵銹、氧化皮、纖維屑、焊劑、焊接飛濺或其他粘附磁粉的物質；表面的不規則狀態不得影響檢測結果的正確性和完整性，否則應做適當的修理，修理后的被檢工件表面粗糙度Ra≤25μm；

5)被檢工件表并面有非磁性涂層時，如果夠保證涂層厚度不超過0.05mm，并經檢測單位（或機構）技術負責人同意和標準試片驗證不影響磁痕顯示后可帶涂層進行磁粉檢測，并歸檔保存驗證資料。

2.2超聲探傷方案

2.2.2檢驗等級

根據質量要求焊縫超聲檢驗等級分為A、B、C三級，檢驗的完善程度A級最低，B級一般，C級最高，檢驗工作的難度系數按A、B、C順序逐級增高。應按照工件的材質、結構、焊接方法，使用條件及承受載荷的不同，合理地選用檢驗級別。檢驗等級應按產品技術規范和有關規定選擇或經合同雙方協商選定。

A、B、C三種檢驗等級之間有所區別，現將其探頭種類數、面數、側數、板厚等方面的區別簡單列于表3中：

表3 檢驗等級區別

2.2.3檢測關鍵點

a)  探頭移動區應清除油垢及其它外部雜質，探傷表面應平整光滑，便于探頭的自由掃查，其表面粗糙度不應超過6.3μm，必要時應進行打磨，超聲波探傷檢驗應在焊縫及探傷表面經外觀檢查合格且滿足以上要求后進行；

b)  檢驗前，探傷工程師應了解被檢工件的材質、結構、厚度、焊接方法、焊縫種類、坡口形式及焊縫余高等情況；

c)  探傷靈敏度應不低于評定線靈敏度；

d)  掃查速度不應大于150mm/s，相鄰兩次探頭移動間隔保證至少有探頭寬度10%的重疊。

 

3 螺栓無損探傷

高強螺栓是一種不帶孔的剛性螺栓，裂紋波形特點是波形清晰、陡直、尖銳，部位一般在結合面附近1~2道螺紋處；對于較大的裂紋，底波明顯減弱甚至消失，緊靠裂紋波之后的螺紋將由于裂紋的遮擋而消失或減弱。

3.1常規超聲探傷方案檢測關鍵點

a) 需清除高強螺栓兩側端面的油垢及其它外部雜質。檢驗表面應打磨，其表面粗糙度應不大于6.3μm；

b) 檢驗前，探傷工程師應了解被檢工件的材質、高度等情況，先進行宏觀檢查合格；

c) 螺栓的檢驗區域應覆蓋螺栓的全體積，并關注應力集中部位，例如接合面附近一至三道螺紋根部（如圖4 a區）、退刀槽附近（b區）及兩區之間受力較大區域（c區）。

圖4 螺栓檢驗重點受力區

3.2相控陣超聲探傷方案

超聲相控陣常用的有線性掃查和扇形掃查，有效克服了材料內部缺陷取向對檢測結果的影響。圖5和圖6分別為相控陣超聲探傷作業示意與檢測結果。

圖5 剛性無中心孔螺栓縱波探傷

圖6 從左到右分別為螺栓無裂紋，有裂紋和2mm深裂紋

4檢測周期及比例

依據通用標準，焊縫和螺栓抽檢比例可參考GB/T2828-2012《計數抽樣檢驗程序》中的一般Ⅱ類。同時GBT20319-2017《風力發電機組 驗收規范》中的規定了螺栓預緊力抽檢比例為10%，可供參考使用。

建議檢測周期為每年檢測，如發現損傷螺栓，宜對其周邊螺栓提高檢測頻次。

 

5總結

隨著風電機組運行年限的增長，作為承載結構的螺栓和塔筒焊縫疲勞損傷風險日益提高。同時我國早期安裝運行的機組即將進入設計壽命晚期，需要進行延壽評估以確定其是否可以繼續使用，因此對螺栓和塔筒焊縫進行無損檢測便顯得尤為重要。

本文介紹了目前業內常見的無損檢測方法，并對檢測中的關鍵問題進行了討論。由于目前風電行業的無損檢測多借用其它行業的檢測標準和規范，因此通過廣泛的檢測實踐，提出一套適合于風電行業的無損檢測要求和標準勢在必行。