《風電機組螺栓相控陣超聲導波成像檢測技術導則（征求意見稿）》編制說明

地方標準編制說明簡述產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，制定標準的必要性、可行性，預期經(jīng)濟社會效益分析等。1.1產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀近年來，隨著國家能源戰(zhàn)略落地，我國風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)取得了快速發(fā)展，風力發(fā)電機組安裝投運數(shù)量急速增長，截止2021年底僅江蘇省內(nèi)風電機組裝機總容量即達11000MW。風力發(fā)電機組由葉片、輪轂、主軸、機艙和塔筒等組成，塔筒、葉片、機艙等部件均由高強螺栓連接，在運行中受振動、沖擊、扭轉等疲勞載荷作用，經(jīng)常發(fā)生松動、變形和斷裂等嚴重危害風機安全運行的現(xiàn)象。2020年7月，河北某風電場發(fā)生一起風機倒塔事故，其直接原因是風機第一節(jié)與第二節(jié)塔筒連接螺栓斷裂導致，現(xiàn)場對128根斷裂螺栓檢查發(fā)現(xiàn)其中12根螺栓存在疲勞裂紋，2021年江蘇省內(nèi)揚州、淮安等地亦發(fā)生了風機倒塔事故。由此可見，風電機組的大量投運，加大了江蘇省內(nèi)風電機組安全運行風險，而高強螺栓作為風電機組主要連接和承載部件，其質量情況直接影響連接可靠性進而影響整臺風電機組的安全運行，因此對于風電機組在役螺栓缺陷的檢測至關重要。同時，風電機組因其自身特點，在檢修時不便對葉片等部件高強螺栓進行拆卸檢測，而目前高強螺栓常規(guī)超聲檢測方法往往需要在拆卸情況下進行，致使風電機組在役螺栓在不拆卸情況下難以實施有效檢測，導致上述螺栓僅能在斷裂發(fā)現(xiàn)后被動更換，難以有效保障風電機組葉片等重要部件的安全運行。1.2標準編制必要性目前，國內(nèi)尚無風電機組連接螺栓專用相控陣檢測相關國家標準和行業(yè)標準。電力行業(yè)螺栓超聲檢測標準主要為DL/T694-2012《高溫緊固螺栓超聲檢測技術導則》，該標準僅適用于火力發(fā)電機組汽缸、汽門、各種閥門和蒸汽管道法蘭等直徑不小于M32的高溫緊固螺栓的超聲檢測，主要采用A型脈沖反射式超聲波探傷儀，探頭為小角度縱波斜探頭、縱波直探頭和橫波斜探頭，相控陣超聲檢測僅為輔助手段，以扇形掃查為主，僅關注螺紋區(qū)域，不能滿足風電機組在役螺栓不拆卸原位整體檢測要求。1.3國內(nèi)外檢測情況目前，國內(nèi)電力行業(yè)對直徑M≤32mm的螺栓還沒有相關的檢驗方法和導則；對于M＞32mm的高溫緊固件檢測依據(jù)DL/T694-2012《高溫緊固螺栓超聲檢測技術導則》實施，一般采用直射縱波或小角度縱波檢測方法進行，上述方法需要螺栓拆卸進行檢測，無法滿足風電機組在役螺栓不拆卸原位檢測要求；同時檢測效率相對較低，且由于超聲側壁干涉、波形轉換等因素易造成缺陷漏檢，不能完全解決小直徑螺栓的裂紋檢測問題，不適用于全部風電機組螺栓規(guī)格范圍。目前，國外存在螺栓超聲相控陣檢測研究的相關報道，但多采用縱波扇掃描方式進行檢測，該檢測方法只能檢測有限的距離（約為3倍近場區(qū)不能有效檢測較長螺栓整體缺陷，且檢測效率低。1.4經(jīng)濟合理性風電機組在役高強螺栓相控陣超聲導波檢測實施僅需要2名檢測人員登塔作業(yè)，平均一天可完成3~5基風電機組螺栓的檢測，相對于拆卸螺栓使用常規(guī)超聲波檢測方法，檢測效率提高約60倍，檢測費用節(jié)省約80%，具有較好的直接經(jīng)濟效益。同時，風電機組在役高強螺栓相控陣超聲導波檢測大大縮短了螺栓檢測所需時間，減短了風電機組整體檢修工期，能夠節(jié)約間接檢修費用，具有較好的簡介經(jīng)濟效益。另外，風電機組在役高強螺栓相控陣超聲導波檢測能夠有效檢測出螺栓前期因疲勞失效產(chǎn)生的裂紋等危害缺陷，有力防范因裂紋等危害缺陷導致的螺栓斷裂風險，進而避免螺栓斷裂引發(fā)的風機倒塔事故，有極強的社會安全效益。1.5工程實踐和可靠性江蘇方天電力技術有限公司前期針對風電機組在役螺栓原位檢測特點進行了專項研究，應用相控陣超聲導波檢測技術解決此類檢測難題，提出在役風電機組連接螺栓不拆卸原位檢測方法，研制適用于風電機組在役高強螺栓現(xiàn)場檢測的一維環(huán)形線陣換能器，能夠僅從端面加載即可實現(xiàn)螺栓全方位、無死角檢測。江蘇方天電力技術有限公司在江蘇省內(nèi)國家電投江蘇新能源等風電場開展了大量風電機組在役高強螺栓現(xiàn)場檢測工作，取得良好成效。經(jīng)工作實踐，在役風電機組每根高強螺栓檢測時間約3~5秒，檢測結果直接以成像方式展現(xiàn)和存儲，形象直觀，靈敏度高，具有較強可操作性。本標準的制定為風電機組螺栓的相控陣超聲檢測提供了和質量評價提供統(tǒng)一的技術依據(jù)和技術規(guī)范，使檢驗人員在進行此項作業(yè)時能夠規(guī)范化的選擇和使用檢測工藝，做到有據(jù)可依。提高了檢測的準確性和可靠性。二、任務來源根據(jù)江蘇省市場監(jiān)督管理局《省市場監(jiān)督管理局關于下達192號）要求，江蘇省地方標準《風電機組螺栓相控陣超聲導波成像檢測技術導則》由江蘇方天電力技術有限公司、南京華中檢測有限公司、武漢中科創(chuàng)新技術股份有限公司、南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院、國家電投集團江蘇新能源有限公司、江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院等機構承擔完成。計劃周期：2022年6月下達編寫任務，計劃完成時間：三、編制過程—起草（調研、草案）階段計劃下達后，江蘇方天電力技術有限公司及時南京華中檢測有限公司、武漢中科創(chuàng)新技術股份有限公司、南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院、國家電投集團江蘇新能源有限公司、江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院等機構成立了標準起草小組，啟動了標準起草制定工作，確定了標準編寫原則和分工。2022年7月14日江蘇方天電力技術有限公司和起草小組成員召開標準編寫會議，會上討論以下事宜：1、提出標準制修訂原則，并進行討論；2、審核《風電機組螺栓相控陣超聲導波成像檢測技術導則》討論稿，并提出具體修改意見；3、針對提出的意見，討論提出修改建議，并進行分工；4、確定下一步工作周期?！髑笠庖婋A段征求意見稿公開征求意見后共收到3家風力發(fā)電企業(yè)、2家無損檢測單位、1家科研院所、2家制造單位反饋意見45條，工作組對已收到的反饋意見進行整理和分析，最終采納15條、部分采納8條，并對標準征求意見稿進行了補充、修改。—審查階段—報批階段四、主要內(nèi)容技術指標確立簡述標準主要內(nèi)容技術指標確定的依據(jù)，包括實地調研、查閱資料、試驗論證等。1、制定原則本標準修訂時遵循以下原則：本文件在制定過程中，遵循“面向市場、服務產(chǎn)業(yè)、自主制定、適時推出、及時修訂、不斷完善”的原則，注重標準修訂與科學性、合理性和可操作性以及標準的目標、統(tǒng)一性、協(xié)調性、適用性、一致性和規(guī)范性的原則來進行本標準的制定工作。在制定過程中，本文件參照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》給出的規(guī)則起草。在確定本標準主要技術指標時，綜合考慮國內(nèi)火風力發(fā)電機組的具體發(fā)展情況，尋求最大的經(jīng)濟、社會效益，充分體現(xiàn)了標準在技術上的先進性和合理性。1）完整性和準確性本標準制訂時力求內(nèi)容完整，所規(guī)定的條款清楚、準確、無歧義，能被未參加標準編制工作的專業(yè)人員所理解。2）統(tǒng)一性標準結構、文體和用詞前后保持一致。3）標準間的協(xié)調性本標準與國家及電力行業(yè)相關標準之間保持協(xié)調、統(tǒng)一，避免本標準與相關標準間產(chǎn)生相互矛盾的現(xiàn)象。3、試驗驗證4）適用性標準的內(nèi)容便于實施，并易被其它標準引用。5）先進性盡可能采用國際標準和國外先進標準。2、主要內(nèi)容《風電機組螺栓相控陣超聲導波成像檢測技術導則》為無損檢測方法和缺陷評價方法的標準，本標準規(guī)定了人員、設備、安全相關要求，統(tǒng)一了標準化的檢測靈敏度和判廢方法，使檢驗人員做到有據(jù)可依，為風電機組螺栓相控陣超聲檢測提供標準支撐。本標準主要內(nèi)容包括：2規(guī)范性引用文件3檢測工藝4檢測設備和器材5檢查與復核6靈敏度設置7掃查方式8檢測與評定9檢測記錄及報告本標準的全部內(nèi)容，經(jīng)過標準起草工作組協(xié)商一致。超聲導波檢測技術一直是無損檢測領域中的重要方法。圓柱結構件是典型的波導結構，而超聲波在圓柱波導中是以超聲柱面導波的形式傳播的，該導波信號包含傳播過程中的全部信息?；谠摍z測原理，本標準將導波檢測方法與圖形成像技術相結合，以回波傳播時間對缺陷定位，以回波幅度對應的色帶對缺陷定量，直接將圓柱結構件內(nèi)部結構進行成像顯示，使檢測人員對圓柱結構件質量情況一目了然，易于分析缺陷的大小和定位，大大降低了誤判和漏判。本方法標準提出的檢測方法操作簡單，不需要人工轉動探頭，只需將探頭放置在圓柱結構件端面上，即可完成檢測，檢測效率高，檢測靈敏度高，信噪比好。標準驗證過程：1）檢測能力驗證：（1）實驗設備：16/64通道相控陣設備1臺。（2）探頭：周向線陣探頭1個，探頭型號：5C64-8×26。（3）對比試塊：按照標準中適用范圍要求，選取風電機組無缺陷的葉片螺栓制作人工缺陷，螺栓規(guī)格為M30×430，螺栓材質為42CrMo，強度等級為10.9。根據(jù)試驗需要，1根不加工缺陷作為對照，另外2根參照圖1在螺栓外表面不同位置加工相應深度的線切割槽,相鄰線切割槽沿螺栓周向方向間隔120度且線切割槽方向垂直于螺栓軸線方向用以模擬裂紋，試樣實物如圖2所示，線切割槽的具體位置參數(shù)如表1所示。圖1試塊切槽位置尺寸示意圖圖2試塊實物圖表1螺栓試塊線切割槽的位置參數(shù)(mm)編號缺陷編號切向無缺陷（6）驗證結果匯總與分析：分別對#1、#2、#3試樣進行檢測，檢測結果如圖3、圖4、圖5所示，檢測出的缺陷信息匯總如表2所示。#1試塊掃描圖像可見，底波前有3處明顯信號顯示區(qū)域，分別位于83mm-180mm、230mm-350mm、380mm深度范圍內(nèi)。我們對其中一個深度區(qū)域展開分析，在深度83mm-180mm區(qū)域線掃圖像上出現(xiàn)了5個比較明顯的回波信178mm，相鄰回波信號之間間距約22mm，計算可得此間距正好約為螺栓光桿處直徑的0.7倍，所以后方4個信號為遲到波信號。B掃描圖像上顏色的深淺反映了反射信號的大小，我們發(fā)現(xiàn)部分遲到波信號比缺陷直入射信號還要強，這是因為螺栓圓柱面有聚焦作用，導致側壁干涉效應增強，所以遲到波顯示比直達入射波還強。因此我們進行缺陷深度定位時，應以聲程最短的第一個直達縱波信號為準。我們知道隨著檢測深度的增加，超聲波束能量會不斷衰減，但我們從圖中可以看出缺陷1-1反射波幅反而比缺陷1-2反射回波幅度低，這是由于在缺陷1-1深度范圍超聲導波受到菲涅耳區(qū)的影響，聲波相互疊加干涉，其橫切面上聲能分布不均勻而造成反射波幅降低。#2試塊掃描圖像可見，底波前在深度約383mm處可見3處明顯缺陷信號顯示，3處缺陷的深度位置及B掃描圖像顏色色標與我們?nèi)斯た滩畚恢眉俺叽绱笮⊥耆呛?。圖3#1試樣檢測結果圖5#3試樣檢測結果表2缺陷信息匯總如表編號缺陷編號最高波幅無缺陷圖6螺栓檢測結果益70dB時缺陷波高約35%,而相控陣超聲導波增益46dB時缺陷波高約90%。