风能是绿色的可再生能源，有良好的发展前景。   我国可开发的风能潜力巨大，资源丰富，总的风能可开发量约有1000~1500 GW。可见，风电有潜力成为未来能源结构中重要的组成部分。   因此，风力发电的发展也备受关注，而风机叶片是风电机组的重要组成部分，一般由玻璃纤维复合材料制成，因其制造工艺的复杂性，在成型过程中难免会出现缺陷；   另外，由于工作环境的恶劣性与工况的复杂多变性，在运行过程中也会出现不同程度的损伤。     风机叶片的损伤和缺陷分析 风机叶片产生缺陷的原因是多方面的，在生产制造过程中，会出现孔隙、分层和夹杂等典型缺陷。   孔隙缺陷主要是由于树脂与纤维浸润不良，空气排挤不完全等因素造成；分层缺陷主要是因为树脂用量不够，二次成型等；夹杂缺陷的产生主要是由于加工过程中的异物混入。 此外，叶片在运输和安装过程中，由于叶片本身尺寸和自重较大而且具有一定的弹性。   因此，一定要做好保护叶片的工作，以防产生内部损伤。   值得注意的是，风机在运行过程中叶片也会出现不同程度的损伤，其主要形式有裂纹、断裂和基体老化等，外界冲击是产生裂纹的主要原因，断裂通常是由缺陷损伤累积引起的，风机在正常运行情况下叶片不会发生突然断裂，而基体老化是由于风机叶片长期工作在沙尘、雨水和盐雾腐蚀的恶劣条件下。   无损检测方法的选择比较与分析 //1.X射线检测技术 对于风电叶片而言，何杰等研究人员通过实验验证了X射线技术是检测风电叶片中孔隙和夹杂等体积型缺陷的良好方法，可以检测垂直于叶片表面的裂纹，对树脂、纤维聚集有一定的检测能力，也可以测量小厚度风电叶片铺层中的纤维弯曲等缺陷，但对风电叶片中常见的分层缺陷和平行于叶片表面的裂纹不敏感，文献中对孔隙和夹杂等缺陷进行了检测，从实验结果中可以观察到缺陷的存在，可满足叶片出厂前的检测，能够进行定性分析。 中北大学电子测试国防重点实验室的研究人员将X射线与现代测试理论相结合，在数字图像处理阶段，通过小波变换与图像分解理论，将一幅图像分解为大小、位置和方向都不同的分量，改变小波变换域中的某些参数的大小，实时地识别出X射线图像的内部缺陷。   朱省初等研究人员通过试验验证了不同工艺条件下的缺陷检出情况，并表明进行射线探伤的工艺管理是非常必要的。   综上可知，在实验条件下，X射线技术可实现对风机叶片的缺陷检测。 对于在役风机叶片，由于受现场因素的影响及高度的限制，使用X射线检测方法很难实现现场检测，但对于风机叶片的体积缺陷有一定的检出能力，由于受叶片尺寸的限制，该方法还未广泛的应用于叶片的全尺寸检测。                                                                         //2.超声波检测技术 超声波检测技术比较适用于风机叶片成型后的检验，此时，风机叶片还未安装，检测的目的是为了保证风机叶片的出厂质量；   利用超声波检测技术可以有效地检测厚度变化，能够显示出产品的隐藏故障，如分层、夹杂、气孔、缺少胶粘剂以及粘结处粘结不牢等缺陷，从而可大幅度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，会产生反射、散射及衰减的影响，使得超声波在复合材料多层结构中的传播变得复杂，针对风机叶片结构的超声波检测方法主要有脉冲回波法和空气耦合超声导波法。 由于该方法检测周期长，对不同类型的缺陷需使用不同规格的探头，在检测过程中需使用耦合剂，也是局限性所在。   所以，对于实时的动态监测，超声波检测技术很难实现，但可以进行出厂前的静态检测，对于缺陷存在的区域会形成反射脉冲，因此，可以判断出缺陷产生的位置。 //3.声发射检测技术 声发射检测技术可对裂纹的萌生和扩展进行动态监测，进而，能够有效检测出风机叶片结构的整体质量水平，评价缺陷的实际危害程度，可预防意外事故的发生。   在检测过程中，接收的信号是缺陷在应力作用下自发产生的，但在实际应用中，由于声发射对环境因素十分敏感，因此对监测系统会造成干扰，影响检测的准确性，所以很难对缺陷进行定量分析，但是能够提供缺陷在应力作用下的动态信息，对于寿命评估有一定的优势，可对叶片进行安全评价。 该方法与超声波法相比，在检测静态叶片质量方面没有优势；然而，由于该技术其对被检件的接近要求不高，因而比较适用于在役风机叶片的实时监测，采用多传感器长距离布置的方式，能够接收到叶片在运行过程中所产生的声发射信号，通过后处理，可以获得损伤部位的动态信息。   采用该方法对叶片进行监测，主要是因为叶片在运行过程中，会受到外力作用，进而产生应力集中现象，缺陷处在外力作用下会自发的产生信号，这样就能够判断出缺陷产生的位置。 //4.光纤传感器技术 在风机叶片的关键位置埋人光纤传感器阵列，探测其在加工、成型及服役的动态过程中内部应力、应变的变化，并对外力、疲劳等引起的变形、裂纹进行实时监测，可实现对风机叶片的状态监测与损伤评估。 光纤具有体积小、重量轻、灵敏度高、抗电磁干扰等特点，本身既是传感器，又能传输光信号，易于埋在构件中而不影响构件整体的强度，而且光纤可对内部结构参数的变化进行连续实时的安全检测，可探测出各种原因造成的材料与结构内部损伤。   因此，该方法具有很好的发展前景，但由于光纤传感器存在性能稳定性及价格方面的问题，使其在应用中受到很大的限制。 //5.红外无损检测技术 国内不少研究和文献的调研说明，红外热成像检测技术能够检测出玻璃纤维制叶片的几种典型缺陷。   并且，缺陷尺寸越大、深度越浅，冷却过程中形成的**大表面温差越大，使用红外热成像仪越容易进行检测，对于制造风力机叶片的玻璃纤维增强复合材料，热成像技术是一种比较适用的无损检测方法，尤为适用于常见的分层和渗胶类型的缺陷。 该方法与其他检测方法相比，具有非接触、可大面积远距检测以及操作简单和易于实时观察等特点，更加适用于风机叶片的现场检测；   但由于受到塔筒的高度限制，在现场检测中有一定的局限性，考虑到光线的照射以及叶片表面温差较小等因素，这都会对检测结果造成不利影响，对于缺陷的检出和定性分析有一定难度。   所以，该方法在应用方面还有待进一步的开发研究，研究意义较大。  

  目前，国内船舶建造中的检测大多仍采用传统的超声波与X射线检测方法，虽然这些技术已较为成熟，但耗费时间较长，过程相对复杂。此外，射线的电离辐射对人体存在一定的危害性，并且在船体合拢后，部分焊口由于空间有限需要缩短拍片焦距，从而会导致底片质量下降，影响缺陷的检出率。     相比之下，超声相控阵检测方法则方便灵活、无辐射、不影响周边施工，可检测大壁厚材料，遇到构架也不需开孔和封孔，在作业现场可单面操作，并可定位缺陷深度，返修方便，从而可以有效降低检测成本、加快施工进度。   同时，采用超声相控阵检测方法检测时，只需将检测设备与电脑连接即可获得检测结果，该方法更为及时、快捷。但在检测开始前，正确地选择检测参数是成功使用超声相控阵检测的基础，否则可能会出现漏检、误判等现象，给质量和施工带来不便。         超声相控阵检测系统 组成部件的选择 超声相控阵检测系统主要包括由探伤仪、探头、楔块等组成的硬件及由激发晶片、聚焦范围、扫查角度范围、角度步进等组成聚焦法则的软件部分。检测系统参数的选择主要指硬件和软件系统参数的选择，正确地选择其参数对于有效地发现缺陷并对缺陷定位、定量甚至定性都是至关重要的，实际检测中要根据被检工件的结构形状、尺寸、加工工艺和技术要求来选择。    ﹃仪器的选择﹄     目前国内外相控阵仪器品牌种类较多，不同仪器性能各有特点，应根据检测要求和现场条件来选择检测仪器。 (1) 应选择水平线性和波幅线性较好的仪器，以更准确地对缺陷定位及定量。测定方法及**大误差要求可参考标准ASTM SE-2491。 (2) 实际工程检测应用环境多以车间或室外为主，宜选择轻巧便携、屏幕光亮度好、操作系统简便的仪器。 (3) 超声相控阵系统有一系列的发射器和接收器，并且其数量通常为16的倍数，这是仪器施加一组聚焦法则对激发探头晶片**多数量的限制。比如对于一个32/128的相控阵系统，有32通道的发射器和32通道的接收器，并且能够切换到支持128通道的探头，但在单个聚焦法则中，任意一次激发的晶片**大数量为32，对于未用的通道可以用作单晶探头的某些检测，比如一对TOFD探头的检测。     ﹃探头和楔块的选择﹄   (1) 探头晶片阵列 探头阵列可分为很多种形式，如线性阵列、矩形阵列、环形阵列等。目前焊缝检测中比较常用的为线性阵列探头，对于某些需要一发一收装置的可用双线性阵列探头，如DMA探头。 (2) 探头频率 频率的高低对检测有较大的影响。频率越高，灵敏度和分辨力越高，对检测有利；但频率越高，衰减越大，又对检测不利。实际检测中要全面分析各方面因素，合理选择频率。 一般对于晶粒稍细的碳钢焊缝，常用频率范围为2.5~5 MHz，对于一些薄壁焊缝，频率可以为7.5 MHz；对于晶粒粗大的不锈钢焊缝，宜选用较低的频率，一般选用频率范围为1~2.5 MHz；如果是纵波检测，可用频率范围为2~4 MHz。如果频率过高，就会引起严重的衰减，信噪比下降，甚至造成无法检测。 (3) 探头尺寸 探头的尺寸由各晶片尺寸(横截面积)、晶片间的距离及晶片数量等决定。尺寸大的探头通常包含数量多的晶片或尺寸大的单个晶片，可以一次性通过多种聚焦法则激发形成多组功能不同的声束，通过一次性扫查就可以覆盖焊缝不同的区域，宜适用于相对壁厚较大的焊缝。但对于某些小型工件，扫查空间或几何形状受限、扫查面不太平整的情况，宜选用尺寸较小的探头。 (4) 楔块 和常规超声波不同，相控阵波形种类和波束偏转不是固定的，而是通过聚焦法则和楔块来实现的。楔块的选择首先是和探头相互匹配，然后再根据聚焦法则选择波型种类，对于有曲率的工件，可以选择跟工件曲率相同或相近的楔块。         超声相控阵检测的   工艺参数   通过相控阵系统激发出声束的参数需要综合考虑多方面因素，声束扫描方式、激发的晶片数量及位置、声束波型、探头偏移、声束角度、聚焦范围等都影响着检测结果。工艺参数的选择应遵循以下基本原则：   (1) 声束能够覆盖被检焊缝所有体积、热影响区及其以外6mm的区域。   (2) 所设置的参数经仪器调校后，应在认证试块上认证成功。   (3) 符合标准规范的其他要求。     ﹃声束扫描方式﹄     在焊缝检测中，通常使用扇形扫描(S扫)，但在某些特殊情况下，为发现某特定区域的缺陷，可辅以线性扫查(E扫)方式，如针对坡口未熔合缺陷，设置一组与坡口垂直的线性扫查是非常有效的(见下图)，利用蓝色扇扫覆盖焊缝内部、根部及热影响区，而红色的线扫则是专门针对坡口区域而设定的。但对于大部分标准来说，这并非是强制要求。           ﹃声束类型﹄     在检测焊缝时，通常采用横波声束以及一次反射法来扫查焊缝，但对于晶粒相对粗大的不锈钢焊缝，有时即使采用低频的横波，依然存在着衰减严重、信噪比差的情况。此时，采用纵波角度入射不失为一种好的解决方法，如某公司为检测不锈钢而设计开发的DMA探头，就是利用纵波一发一收的原理。     ﹃声束角度范围﹄    声束角度范围的选定则应综合考虑选择的楔块及焊缝尺寸，任一楔块都有其中心角度，选择的角度范围宜在楔块厂家推荐值的范围内，以保证声束的可靠性和可控性。声束角度范围越小，覆盖焊缝体积越有限，这样一组声束可能不能完全覆盖被检区域，所以应在厂家推荐值的范围内，尽量选择大范围的声束。但对于大壁厚焊缝的检测或其他情况下，当一组声束设置成**大范围后，仍不能有效覆盖被检区域时，则应增加一组或多组声束。     ﹃探头偏移和晶片激发起始位置﹄     探头偏移一般指焊缝中心到探头前沿的距离，其和晶片激发起始位置同时影响着探头、声束和焊缝的相对位置。在焊缝存在余高的情况下，应保证有足够的探头偏移，避免探头前沿压在焊缝余高上而导致无法耦合，通常在保证覆盖被检区域的前提下，调节探头偏移使得被激活晶片处于探头的中间位置(见下图)。         ﹃激发晶片数量﹄   被激发晶片的数量越多，有效晶片的尺寸就越大，辐射超声波的能量也就越大，发现远距离缺陷的能力越强。同时，近场区也随着晶片尺寸的增大而增大，可聚焦的范围广，对检测有利。但过多的激发晶片对相控阵系统也提出了更高的要求，如需要激发32晶片时，16/128的设备则不能实现，至少需要使用32/128的设备；另外增加激发晶片数量会影响扫查速度，还会加重数据存储的负担。一般材料检测时推荐激发16晶片即可，对于厚壁或声波衰减系数稍大的材料可适当增加晶片数量。     ﹃聚焦范围﹄     和常规超声波不同，超声相控阵系统能实现声束的动态聚焦，而众所周知，在聚焦区域，声波能量越集中，灵敏度和分辨力越高，所以正确设定聚焦区域尤为重要。对于尺寸相对较小的焊缝，将聚焦区域设置在焊缝的中间即可，但随着壁厚的增加，可将焊缝划分为几个区域，分别用不同的声束聚焦来检测。另外，如果要精确发现某一区域的缺陷，可将聚焦点设置在这一区域。         工艺参数的 选择实例   对某LNG(液化天然气)平台建造过程中管线对接焊缝进行相控阵检测，被检材料为A333钢(低温碳钢)，焊接工艺为氩弧焊，坡口形式为“V”型，管径为200 mm，壁厚为12.7 mm。采用的检测设备为OMNISCAN MX1或MX2，探头型号为5L32-A11，楔块型号为SA11-N55S-AOD8.625。相控阵系统与探头的参数选择如下：     ﹃扇扫﹄   波束类型：横波 探头偏移：16 mm  激发晶片个数：16(9~25)  波束角度：40°~70°  聚焦位置：19 mm   ﹃线扫﹄     波束类型：横波 探头偏移：22 mm  激发晶片个数：8 波束角度：60°  聚焦位置：19 mm 检测时**多一次激发16个晶片，超声相控阵设备应至少含16通道，MX1为16/128，MX2为32/128。被检材料为普通碳钢，为非高衰减系数材料，为得到更好的灵敏度和分辨力，选用5 MHz探头即可；同时A11探头比A12探头小，对于直径为200 mm的管线耦合效果更好。A11探头匹配的楔块为SA11系列，根据工艺模拟采用横波检测，即采用中心角度为55°的横波楔块，同时为达到更好的耦合效果，楔块宜带有和被检工件接近的曲率(楔块直径应稍大于被检工件，否则楔块中心处无法与工件紧密接触)。   被检焊缝的壁厚和体积都相对较小，使用一组扇扫就能够使声束有效覆盖被检体积，同时对于高危险性的坡口未熔合缺陷，则使用和坡口相垂直的线扫加以辅助。波束类型则都使用横波一次反射法。被检焊缝表面宽度为18 mm，则探头偏移至少是9 mm。扇扫的波束范围覆盖了焊缝及其热影响区，同时也在厂家推荐范围内。聚焦范围设置在焊缝中心处。   探头偏移、激发晶片及波束范围均由被检焊缝本身决定，但都不是一个**的固定数值，这些数值可以通过声束模拟软件模拟、修改和确认，工艺的模拟结果如下图所示。       利用此工艺进行焊缝检验，经过扫查并分析数据，发现长度为7 mm的根部缺陷。特对此焊缝进行射线检测，结果与超声相控阵检测结果相符。           结 语      超声相控阵检测系统有明显的优越性，但其系统相对于传统超声检测略复杂，在制定其检测工艺时，应综合考虑各项因素，并且一定要通过试验来验证其检测效果，若在试验过程中发现漏检、信噪比太差等不利因素，应对工艺参数进行调整。

      超声波无损检测的缺陷定性问题指的是对缺陷进行定量、定位以及确定缺陷的种类。虽然许许多多的无损检测前辈们经过不断的努力，总结出了许多有价值的经验，并做了大量的解剖试验来验证，但是在实际检测中超声检测的定性仍然存在相当大的困难。这主要是由于缺陷对超声波的反射取决于缺陷的取向、形状、相对声波传播方向的长度和厚度、缺陷表面粗糙度、缺陷内含物以及缺陷的种类和性质等等。在超声检测时所获取的声波信号是一种综合响应。目前常用的超声检测技术还很难将上述各因素从反射声波信号中分离识别出来，这就给定性带来了一定的困难。         在实际检测过程中，由于难以判断缺陷性质或者准确对缺陷定位，往往会使一些工件的缺陷漏检或者在后续加工过程中可以被修复甚至消除缺陷的产品被拒收，造成不必要的浪费，同时也可能忽视了一些含有危险性缺陷（如裂纹类缺陷）的产品，对产品的安全使用造成潜在威胁，以及可能使顾客向生产单位发生索赔，造成不必要的麻烦。         超声检测技术对缺陷定性评定主要是依据波形信号的起波速度，回波前沿的陡峭程度及回波后沿下降的速度（下降斜率），波尖形状，回波占宽以及移动探头时缺陷回波的变化情况（波幅、位置、数量、形状等），还可以根据观察多次底波的次数、底波高度损失情况，再根据缺陷在被检件中的位置、分布情况、缺陷的当量大小（与反射率有关）、延伸情况，结合具体产品、材料的特点和制造工艺作出综合判断，评估出缺陷的种类和性质。有时还可以通过改变发射超声波脉冲的频率、改变声束直径大小（采取聚焦或采用不同直径的探头等）来观察缺陷的回波变化特征，从而识别是材料中的缺陷还是组织反射。         例如判断钢锻件中的白点、夹杂物、残余缩孔、粗晶、中心疏松、方框形偏析，以及焊缝中的气孔、夹渣、未焊透、未熔合、裂纹等缺陷，在很大程度上依赖超声检测人员的经验、技术水平和对特定产品、材料及制造工艺的了解程度，其局限性是很大的。 下给出十大常见缺陷的回波特征： 钢锻件中的粗晶与疏松－－多以杂波、丛状波形式或底波高度损失增大、底波反射次数减少等形式出现。 棒材的中心裂纹－－在沿圆周面作360°径向纵波扫查时，由于裂纹的辐射方向性，其反射波幅有高低变化并有不同程度的游动，在沿轴向扫查时，反射波幅度和位置变化不大并显示有一定的延伸长度。 锻件中的裂纹－－由于裂纹型缺陷内含物中多有气体存在，与基体材料声阻抗差异较大，超声反射率高，缺陷有一定延伸长度，起波速度快，回波前沿陡峭，波峰尖锐，回波后沿斜率很大，当探头越过裂纹延伸方向移动时，起波迅速，消失也迅速。 钢锻件中的白点－－波峰尖锐清晰，常为多头状，反射强烈，起波速度快，回波前沿陡峭，回波后沿斜率很大，在移动探头时回波位置变化迅速，此起彼伏，多处于被检件例如钢棒材的中心到1/2半径范围内，或者钢锻件厚度**大截面的1/4～3/4中层位置，有成批出现的特点（与炉批号和热加工批有关）。当白点数量多、面积大或密集分布时，还会导致底波高度显著降低甚至消失。 锻件中的非金属夹杂物－－多为单个反射信号，起波较慢，回波前沿不太陡峭，波峰较圆钝，回波后沿斜率不太大并且回波占宽较大。 钛合金锻件中的高密度夹杂物（例如钨、钼）－－多为单个反射信号，回波占宽不太大，但较裂纹类要大些，回波前沿较陡峭，后沿斜率较大，当改变探测频率和声束直径时，其反射当量大小变化不大（如为大晶粒或其他组织反射在这种情况下回波高度将有显著变化）。 铸件或焊缝中的气孔－－起波快但波幅较低，有点状缺陷的特征。 焊缝中的未焊透－－多为根部未焊透（如V型坡口单面焊时钝边未熔合）或中间未焊透（如X型坡口双面焊时钝边未熔合），一般延伸状况较直，回波规则单一，反射强，从焊缝两侧探伤都容易发现。 铸件或焊缝中的夹渣－－反射波较紊乱，位置无规律，移动探头时回波有变化，但波形变化相对较迟缓，反射率较低，起波速度较慢且后沿斜率不太大，回波占宽较大。 铸钢件中的裂纹——波形有两个主要的特点：有包络线，波形比较独立；从两个方向划动探头都可以发现缺陷波。夹渣类缺陷波形不是很独立，但是从四个方向都能检查缺陷波。 一般在可能的情况下，为了进一步确认缺陷性质，还应采用其他无损检测手段，例如X射线照相（检查内部缺陷）、磁粉和渗透检验（检查表面缺陷）来辅助判断。