王 婷，梁 穎，雷 雯，胡 斌，呂 琴,2

(1.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029；2.中國計量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，杭州 310018)

風(fēng)能是可再生能源[1-3],與傳統(tǒng)能源相比， 其具有清潔、資源豐富、分布范圍廣等特點(diǎn)。自2012年以來，我國新增風(fēng)電裝機(jī)容量連續(xù)4年榮居世界第一，風(fēng)機(jī)塔筒是風(fēng)電機(jī)組的大型部件，其作用主要是支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及吸收發(fā)電機(jī)組的振動[4]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬于高聳結(jié)構(gòu)，且長期暴露于沙塵、降雨、積雪等惡劣的環(huán)境中，塔筒極易發(fā)生突發(fā)性倒塌事故,亦時有塔筒失穩(wěn)倒塌事故的報道[5-7]。據(jù)分析，塔筒失效倒塌的主要原因是局部應(yīng)力集中程度的不斷加深，故及時測量塔筒早期的應(yīng)力集中區(qū)對于提升塔筒的使用壽命具有重要意義。

風(fēng)機(jī)塔筒屬于大型結(jié)構(gòu)部件，為了模擬在役風(fēng)機(jī)塔筒的服役工況，筆者通過相似理論[8]設(shè)計了風(fēng)機(jī)塔筒等比模型，然后采用與實(shí)體風(fēng)機(jī)材料相同的Q345E鋼和與實(shí)體風(fēng)機(jī)相同的加工方式搭建模型，同時通過力學(xué)相似原理完成受力載荷從實(shí)體到模型的簡化，搭建了多通道協(xié)調(diào)加載試驗(yàn)平臺，模擬塔筒在工作環(huán)境下受到的不同載荷，以分析其對塔筒表面應(yīng)力集中的影響。

考慮到風(fēng)機(jī)塔筒主體是鐵磁性Q345E鋼，磁記憶檢測能準(zhǔn)確檢測受載鐵磁構(gòu)件的應(yīng)力集中部位[9-14]。為探究不同工況對塔筒表面應(yīng)力集中的影響情況，筆者選擇金屬磁記憶檢測方法對塔筒表面進(jìn)行，開展對塔筒構(gòu)件早期損傷的試驗(yàn)，獲取不同影響因素下的磁記憶信號規(guī)律，為在役風(fēng)機(jī)塔筒的早期損傷檢測提供經(jīng)驗(yàn)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 塔筒模型設(shè)計與制作

目前塔筒大部分為上直下錐的結(jié)構(gòu)，以國電聯(lián)合動力有限公司1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為參照物，通過相似理論等比例設(shè)計風(fēng)機(jī)塔筒模型，原型和模型高度比例為40…1，直徑比例為8…1。設(shè)計模型的高度和壁厚分別為1 600 mm和7 mm；采用塔筒常用材料Q345E鋼進(jìn)行加工，其抗拉強(qiáng)度為470630 MPa,屈服強(qiáng)度為345 MPa,伸長率為22%。

為了對比不同缺口類型誘發(fā)早期損傷導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在兩個塔筒模型上分別預(yù)制了刻槽和平底孔兩種缺陷，刻槽長為15 mm，寬為5 mm，平底孔直徑為15 mm。為了模擬塔筒的早期損傷，每個塔筒共預(yù)制了12處缺口，平均分布在與塔筒的頂部、中部和底部同一高度的圓周上，每個高度4個缺口的方位分別為塔筒的迎風(fēng)面、迎風(fēng)右側(cè)面、背風(fēng)面、背風(fēng)右側(cè)面。為保證整個試驗(yàn)過程的穩(wěn)定性，為塔筒模型設(shè)計了支撐底座，尺寸為1 000 mm×1 000 mm×50 mm(長×寬×高)，塔筒模型及底座的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 塔筒模型及底座的結(jié)構(gòu)示意

1.2 載荷簡化

圖2為風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意及受力簡化圖(圖中FXH為風(fēng)機(jī)所受的軸向推力;Wf為塔筒所受的風(fēng)載荷;G為塔筒所受的重力)。依據(jù)文獻(xiàn)[15]可知，塔筒主要承受風(fēng)載荷和重力載荷，重力載荷可被認(rèn)為是恒定值，風(fēng)載荷包括風(fēng)輪承受的水平推力以及塔筒承受的水平風(fēng)載荷兩種(以作用于風(fēng)輪上的水平推力為主)。在搭建載荷加載試驗(yàn)平臺時，將整個模型受到的水平載荷簡化為作用于風(fēng)輪中心的水平載荷。

圖2 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意及受力簡化圖

塔筒工作的4種典型工況是切入風(fēng)速、額定風(fēng)速、切向風(fēng)速和極限風(fēng)速。通過相似理論計算不同風(fēng)速下塔筒受到的風(fēng)載荷和豎向載荷，結(jié)果如表1所示。

表1 不同風(fēng)速下試驗(yàn)塔筒的載荷計算結(jié)果

在試驗(yàn)室多通道協(xié)調(diào)加載平臺(見圖3)的輔助下,對塔筒試驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)行水平及豎直方向的勻速加載。水平加載工裝的設(shè)計是為了實(shí)現(xiàn)塔筒和加載裝置的配合，支撐架的作用是穩(wěn)定加載過程。為保證塔筒下端的穩(wěn)定，使用高強(qiáng)度的螺栓將塔筒底座固定于臺座上。

1.3 檢測步驟

(1) 按照掃查路徑(見圖4)對平底孔缺陷進(jìn)行標(biāo)定，刻槽缺陷檢測路徑與之相同。

(2) 對塔筒構(gòu)件進(jìn)行退磁：使用手持型退磁器(型號為WLM-TB60)在塔筒構(gòu)件外表面沿水平和垂直地面的兩個方向進(jìn)行退磁，退磁區(qū)域覆蓋整個構(gòu)件。上述交流退磁法不會影響試件本身的機(jī)械性能[16]。

(3) 退磁后使用自行開發(fā)的磁記憶檢測儀對構(gòu)件進(jìn)行掃查。檢測3個掃查路徑下的初始磁場信號并記錄數(shù)據(jù)，為了確保信號的可靠性和穩(wěn)定性，試驗(yàn)過程中提離值恒定為2 mm，掃查步長為1 mm，極限系數(shù)K為10[17-19]。

(4) 初始信號檢測完畢后，根據(jù)理論計算的結(jié)果設(shè)定模型載荷加載值。采用多通道協(xié)調(diào)加載設(shè)備對模型進(jìn)行加載，加載的豎向載荷為12.342 kN，水平載荷分別為0，8.79，9.59，10.51，31.44 kN(勻速加載)。

(5) 每一段加載需保壓15 min并實(shí)時記錄數(shù)據(jù)。

2 檢測結(jié)果與分析

2.1 不同載荷作用

為了探究4種不同典型工況下早期損傷的磁記憶信號特征，將對不同載荷作用下的塔筒模型進(jìn)行磁記憶檢測試驗(yàn)。由于塔筒承受的主要水平載荷為作用在風(fēng)輪中心的水平推力，所以背風(fēng)面的缺陷受到的擠壓力最大，因此選取塔筒中部背風(fēng)面的預(yù)制平底孔缺陷進(jìn)行分析。磁記憶檢測是以地磁場為激勵源，檢測塔筒的磁場信號變化特征并不明顯，且會受一些非應(yīng)力造成的原始磁記憶信號影響，這些磁記憶信號不會隨著載荷的變化呈增大趨勢，而是減小或者不變。根據(jù)塔筒構(gòu)件在不同載荷作用下的磁記憶檢測信號很容易區(qū)分出該類型的非應(yīng)力干擾信號。為了便于與后期加載后的磁記憶信號進(jìn)行對比，首先按掃查路徑方向?qū)λ矘?gòu)件進(jìn)行檢測，獲取原始信號，檢測結(jié)果如圖5中0 kN對應(yīng)的兩條曲線所示。分析圖5可知，在未施加載荷的狀態(tài)下，中間位置對應(yīng)的局部損傷區(qū)域的信號出現(xiàn)幅值波動，其他區(qū)域的信號平緩，表明退磁效果明顯；從整體看，隨著載荷的增加，中間位置即平底孔缺陷區(qū)域的切向和法向的磁記憶信號均有一定程度的波動，與損傷區(qū)域位置對應(yīng)。進(jìn)一步對信號幅值進(jìn)行分析，在切入風(fēng)速、額定風(fēng)速、切向風(fēng)速對應(yīng)的載荷作用下，信號幅度增加不明顯，應(yīng)力集中程度增加緩慢；當(dāng)加載至31.44 kN時，平底孔缺陷對應(yīng)位置的磁記憶信號幅值變化最大。

圖5 不同載荷作用下切向及法向磁記憶信號

當(dāng)切入風(fēng)速、額定風(fēng)速、切向風(fēng)速對應(yīng)的載荷作用時，法向磁記憶信號的磁場強(qiáng)度為-80～-10 A·m-1，全為負(fù)值，沒有發(fā)現(xiàn)過零點(diǎn)。為了探尋應(yīng)力集中區(qū)域，對法向分量進(jìn)行一階求導(dǎo)，得到法向分量的梯度值，結(jié)果如圖6所示。觀察法向分量的梯度值可以發(fā)現(xiàn)，在法向分量梯度值出現(xiàn)極大值的位置處，切向分量也出現(xiàn)極大值，分別對應(yīng)載荷是8.79 kN和9.29 kN時的218 mm處，載荷是10.51 kN時的230 mm處，以及載荷是31.44 kN的222 mm處。由此可見，當(dāng)法向分量不過零點(diǎn)時，應(yīng)力集中位置可以通過漏磁場的切向分量、法向分量以及法向分量梯度值的極值來共同判斷。

圖6 磁記憶信號法向分量的梯度值

2.2 不同檢測角度

因?yàn)樵谝鬯补潭ㄔ诘孛嫔希瑹o法改變被檢對象的方向，所以需要研究和分析不同檢測角度下磁記憶信號的變化規(guī)律，以利于提高損傷信號的識別率和準(zhǔn)確率。選取背風(fēng)面中部的平底孔缺陷，以缺陷位置處為中心點(diǎn)，劃分成4種角度進(jìn)行磁記憶檢測試驗(yàn)，角度間隔為45°，路線分布如圖7所示。分別保持載荷大小為0，8.79，10.51,31.44 kN進(jìn)行檢測。

圖7 不同角度的檢測路徑示意

圖8(a)、(b)為塔筒模型在無加載狀態(tài)下，4條不同角度檢測路徑的磁記憶信號變化曲線。初始狀態(tài)下，對比4個角度的切向分量信號，可以觀察到，0°,135°檢測路徑的切向分量信號較平坦、無波動，而45°,90°檢測路徑的切向分量信號出現(xiàn)明顯的波動，而由法向分量曲線可以觀察到90°檢測路徑的信號出現(xiàn)明顯的波動， 45°的波動較小，0°和135°的則平坦無波動。隨著載荷的增加，除了0°檢測路徑下的信號曲線仍舊保持平坦且無波動特點(diǎn)外，其他3個角度的曲線，無論是切向還是法向，都可以觀察到波動幅度增大的現(xiàn)象，這與大載荷作用下?lián)p傷位置應(yīng)力集中程度增加的事實(shí)相吻合，尤其是90°檢測路徑下的信號波動變化比45°和135°下的波動變化更為明顯。當(dāng)載荷為31.44 kN時， 90°檢測路徑下的法向和切向磁記憶信號波動是最大的，且變化非常明顯，對應(yīng)了極限工況導(dǎo)致的局部應(yīng)力集中程度的劇增現(xiàn)象。因此，與0°掃查角度相比，45°，90°和135°掃查角度下獲取的信號更易觀察到應(yīng)力集中部位，是較佳的掃查角度，其中90°掃查路徑獲取的信號不論是切向還是法向都表現(xiàn)出波動增大的特點(diǎn)，因而是最佳的掃查角度。

圖8 不同載荷、不同檢測角度時的磁記憶信號變化曲線

2.3 特征缺陷信號

為了觀察不同類型的缺陷在檢測時呈現(xiàn)出來的信號差異，選取信號變化特征最明顯的背風(fēng)側(cè)頂部位置進(jìn)行檢測，分別比較兩種缺陷在0，8.79，10.51，31.44 kN 4種載荷作用下的磁記憶信號切向分量的變化特征(見圖9)。

圖9 刻槽與平底孔磁記憶信號切向分量的變化曲線

觀察圖9中的磁記憶信號可以發(fā)現(xiàn)，兩種缺陷的磁記憶信號波動程度都隨著載荷強(qiáng)度的增大而增大。這一現(xiàn)象側(cè)面證實(shí)了所受載荷強(qiáng)度增大時，缺陷處局部應(yīng)力集中程度增大；當(dāng)載荷為0 kN時，平底孔的信號波動約為11 A·m-1，而刻槽的信號波動約為28 A·m-1，刻槽的信號波動幅值較平底孔的大，這與通常情況下溝槽式缺陷比圓孔式缺陷更易造成應(yīng)力集中的現(xiàn)象一致；隨構(gòu)件所受載荷的逐漸增大，平底孔缺陷的信號波動幅度也增大，從11 A·m-1增大到62 A·m-1，而刻槽缺陷的信號波動變化值僅從28 A·m-1增大到31 A·m-1。從檢測結(jié)果來看，用磁記憶方法檢測兩種缺陷，當(dāng)構(gòu)件所受載荷變化時，平底孔的信號變化更易被識別。

3 結(jié)語

(1) 當(dāng)法向分量不過零點(diǎn)時，應(yīng)力集中位置可以通過漏磁場切向分量、法向分量以及法向分量的梯度值來共同判斷。

(2) 使用磁記憶檢測方法檢測風(fēng)機(jī)塔筒時，檢測路徑與塔筒軸線方向垂直時的檢測效果最佳，能較為準(zhǔn)確地表征出應(yīng)力集中位置；與軸向方向成45°角的掃查路徑次之，與軸向平行的掃查路徑檢測效果最差。

(3) 當(dāng)沒有載荷作用或承受載荷較小時，刻槽磁記憶信號的幅值變化大于平底孔信號的幅值變化，這是由于刻槽處的應(yīng)力集中更加明顯。當(dāng)構(gòu)件所受載荷較大時，平底孔的信號變化更易被識別。