某型號在役風(fēng)電機(jī)組主軸的超聲檢測技術(shù)研究

譚永生

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司西北電力試驗(yàn)研究院，西安 710021)

0 引言

某風(fēng)電場一期的裝機(jī)容量為300 MW，由200臺單機(jī)容量為1.5 MW的某型號風(fēng)電機(jī)組組成。該風(fēng)電場于2009年10月1日正式投入商業(yè)化運(yùn)行，但在2015～2018年期間共有4臺風(fēng)電機(jī)組的主軸出現(xiàn)了斷裂事故，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員安全隱患。自2006年國內(nèi)建立首個兆瓦級風(fēng)電場以來，出現(xiàn)主軸斷裂事故的風(fēng)電機(jī)組機(jī)型的累計投入使用量為8543臺，數(shù)量較大。因此，分析主軸斷裂原因并及時排查主軸的安全狀態(tài)對于風(fēng)電場的運(yùn)維而言尤為重要。基于此，本文提出了利用超聲檢測技術(shù)對上述型號在役風(fēng)電機(jī)組的主軸進(jìn)行檢測的方法。

1 本風(fēng)電機(jī)組主軸的介紹

本文研究的單機(jī)容量為1.5 MW的某型號風(fēng)電機(jī)組(下文簡稱為“本風(fēng)電機(jī)組”)的主軸采用34CrNiMo6材料，主軸是由該材料經(jīng)鍛造后再經(jīng)機(jī)械加工成型。該主軸的熱處理方式為調(diào)質(zhì)處理。雖然主軸在風(fēng)電機(jī)組中有多種布置形式[1]，但在本風(fēng)電機(jī)組中，主軸裝配在齒輪箱內(nèi)部。本風(fēng)電機(jī)組中主軸的位置示意圖如圖1所示。

圖1 本風(fēng)電機(jī)組中主軸的位置示意圖Fig.1 Position schematic diagram of main shaft of wind turbine in this paper

在前文提到的發(fā)生主軸斷裂的4臺風(fēng)電機(jī)組中，主軸的斷裂位置均位于緊挨著軸肩的圓弧過渡區(qū)域，斷口從主軸外表面向內(nèi)部呈現(xiàn)多源疲勞斷裂形式。

2 主軸在制造階段的檢測

1) 根據(jù)GB/T 34524—2017《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸》中對主軸的無損檢測要求[2]：主軸在材料鍛造、熱處理后，按照GB/T 6402—2008《鋼鍛件超聲檢測方法》[3]進(jìn)行超聲探傷篩查。

2) 主軸在粗加工、熱處理后，按照GB/T 6402—2008對主軸進(jìn)行100%超聲探傷檢測，距主軸表面小于等于50 mm范圍內(nèi)按質(zhì)量等級4級進(jìn)行驗(yàn)收；距主軸表面大于50 mm范圍內(nèi)按質(zhì)量等級3級進(jìn)行驗(yàn)收。為保證主軸所有位置都被檢測到，必要時應(yīng)使用斜探頭進(jìn)行檢測。

3) 在主軸精加工完畢后，需根據(jù)JB/T 5000.15—2007《重型機(jī)械通用技術(shù)條件 第15部分：鍛鋼件無損探傷》[4]對主軸進(jìn)行100%磁粉探傷檢測，并按照質(zhì)量等級1級進(jìn)行驗(yàn)收。

通過上述檢測流程可以看出，主軸在制造階段已進(jìn)行了全方位的檢測。

3 在役的本風(fēng)電機(jī)組主軸的超聲檢測

3.1 主軸結(jié)構(gòu)的超聲檢測

由于本風(fēng)電機(jī)組中主軸安裝位置的原因，導(dǎo)致主軸的變截面部位與齒輪箱之間的空間狹小，因此無法在法蘭與主軸軸肩之間開展超聲檢測。此外，由于主軸軸肩遠(yuǎn)離法蘭側(cè)過渡區(qū)域位于齒輪箱內(nèi)部，并且還裝配有主軸承前定位套圈，因此，無法在現(xiàn)場對主軸表面進(jìn)行超聲檢測或利用內(nèi)窺鏡進(jìn)行觀察，僅能從輪轂內(nèi)的主軸法蘭側(cè)端面開展超聲檢測工作，下文將此端面稱為“檢測端面”。

超聲檢測時探頭在檢測端面上的位置示意圖如圖2所示，上述發(fā)生主軸斷裂的4臺風(fēng)電機(jī)組的主軸斷口位置均位于緊接著軸肩的圓弧過渡區(qū)域(該區(qū)域與檢測端面的距離在214～235 mm之間)內(nèi)，即圖2中位置2的附近。因此，識別主軸上此過渡區(qū)域內(nèi)是否存在由表面向內(nèi)部發(fā)展的裂紋是超聲檢測的重點(diǎn)?；诖?，選取一根與本風(fēng)電機(jī)組主軸型號一致且完好無缺陷的實(shí)物主軸，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲檢測。在使用增益型超聲檢測儀(采用型號為2.5P20Z的縱波直探頭)對主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測的過程中，在距離檢測端面500 mm的范圍內(nèi)出現(xiàn)了3處結(jié)構(gòu)回波。下文對回波波幅達(dá)到檢測儀屏幕80%時的回波深度及回波增益值進(jìn)行分析。

圖2 超聲檢測時探頭在檢測端面上的位置示意圖(單位：mm)Fig.2 Position schematic diagram of probe on the detection end face during ultrasonic testing (Unit：mm)

1)第1處是由法蘭外沿與軸肩底部之間的過渡區(qū)域 (即圖2中的位置1)的回波。當(dāng)探頭放在檢測端面外側(cè)邊緣處時，結(jié)構(gòu)回波的回波深度為143.7 mm，回波增益值為51.1 dB，此時探頭中心與圖2中直徑為220 mm的中心孔(下文簡稱為“中心孔”)邊沿的距離為258 mm；當(dāng)探頭向檢測端面內(nèi)側(cè)移動至回波深度為170 mm時，回波增益值為45.6 dB，探頭中心與中心孔邊沿的距離為205 mm；而當(dāng)探頭繼續(xù)向檢測端面內(nèi)側(cè)移動時，此結(jié)構(gòu)回波消失了。

2)當(dāng)探頭中心與中心孔邊沿的距離為200 mm時會出現(xiàn)第2處結(jié)構(gòu)回波的最高波，此處的回波是由軸肩位置(即圖2中的位置2)產(chǎn)生，回波深度為214.7 mm，回波增益值為49.5 dB。

3)第3處結(jié)構(gòu)回波是軸承與軸肩之間的定位套圈的過盈配合界面的回波(即圖1中的位置3)，通過移動探頭使該回波波幅達(dá)到最高，此時探頭中心與中心孔邊沿的距離為205 mm，回波深度為235.7 mm，回波增益值為71.5 dB；而當(dāng)探頭繼續(xù)向中心孔方向移動時，未發(fā)現(xiàn)其他結(jié)構(gòu)回波。

因此，在針對主軸缺陷進(jìn)行超聲檢測的過程中，若發(fā)現(xiàn)除上述結(jié)構(gòu)回波以外的波形時，應(yīng)引起足夠重視。

3.2 模擬主軸裂紋的超聲檢測

為了探究主軸在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行期間是否存在從表面起裂的裂紋，依舊選擇上文中檢測過結(jié)構(gòu)的那根主軸進(jìn)行模擬主軸裂紋的超聲檢測實(shí)驗(yàn)。

由于4臺發(fā)生主軸斷裂的風(fēng)電機(jī)組的主軸斷裂位置較為類似，因此在實(shí)物主軸表面分別選取與裂紋出現(xiàn)位置相同、靠近裂紋出現(xiàn)位置及稍遠(yuǎn)離裂紋位置這3個位置進(jìn)行刻槽，以擴(kuò)大檢測范圍。這3個位置之間的夾角各相差90°，然后在每個位置距離檢測端面222、234及480 mm處加工不同深度的線形切割槽，實(shí)驗(yàn)時當(dāng)某個位置的某一個深度的切割槽超聲檢測完成后，繼續(xù)在此位置上加工成另一個深度后再繼續(xù)檢測。本實(shí)驗(yàn)使用增益型超聲檢測儀進(jìn)行超聲檢測，該檢測儀采用型號為2.5P20Z的縱波直探頭。不同切割槽深度下各切割槽回波波幅達(dá)到檢測儀屏幕80%時的增益值(下文簡稱為“回波增益值”)如圖3所示。

圖3 切割槽位置與檢測端面距離不同時各切割槽深度下的回波增益值情況Fig.3 When distances between cutting groove position and detection end surface is difference，echo gain value at each cutting groove depth

從圖3可以看出，相較于切割槽位置與檢測端面距離480 mm時各切割槽深度下的回波增益值情況，切割槽位置與檢測端面距離222和234 mm時各切割槽深度下的回波增益值相對較小，這說明此情況下檢測儀的靈敏度更高、余量更大。因此，隨著切割槽位置與檢測端面距離的增加，若要發(fā)現(xiàn)相同深度的裂紋，則需要不斷提高檢測儀的靈敏度。

3.3 小結(jié)

由于已發(fā)生斷裂的4根主軸的斷裂位置均處于與檢測端面距離214～235 mm之間的緊接著軸肩的圓弧過渡區(qū)域，因此，在超聲檢測時，分辨得到的回波是結(jié)構(gòu)回波還是缺陷回波是進(jìn)行主軸超聲檢測時的核心問題。

主軸結(jié)構(gòu)超聲檢測與模擬主軸裂紋超聲檢測的實(shí)驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。需要說明的是，表中的回波深度與回波增益值均為回波波幅達(dá)到檢測儀屏幕80%時的值。

表1 主軸結(jié)構(gòu)超聲檢測與模擬主軸裂紋超聲檢測的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results of ultrasonic testing of main shaft structure and ultrasonic testing of simulated main shaft crack

從表1可以看出：

1)對主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行超聲檢測時，與檢測端面距離235 mm時的回波增益值為71.5 dB，比與檢測端面距離214 mm時的回波增益值49.5 dB高了22.0 dB，這說明與檢測端面距離235 mm時的結(jié)構(gòu)回波比與檢測端面距離214 mm時的結(jié)構(gòu)回波弱。

2)進(jìn)行模擬主軸裂紋超聲檢測時，切割槽位置與檢測端面距離222 mm及234 mm時1.5 mm深度裂紋缺陷回波的回波增益值可分別達(dá)到50.3 dB和53.6 dB，這2個值分別僅比與檢測端面距離214 mm的結(jié)構(gòu)回波的回波增益值49.5 dB高0.8 dB和4.1 dB，這說明切割槽位置與檢測端面距離222 mm及234 mm時1.5 mm深度的裂紋缺陷回波的回波增益值已同與檢測端面距離214 mm時的結(jié)構(gòu)回波的回波增益值相當(dāng)，但仍可根據(jù)回波增益值的大小來確定缺陷的大小。在切割槽位置與檢測端面距離一定的情況下，隨著切割槽深度的增加，模擬主軸裂紋回波的回波增益值越來越小，說明回波越來越明顯，可以發(fā)現(xiàn)1.5 mm深度以上的缺陷。相較于主軸結(jié)構(gòu)超聲檢測，模擬主軸裂紋超聲檢測時，探頭中心與中心孔邊沿的距離較近。因此，可以結(jié)合回波增益值與探頭中心所在位置來判斷缺陷是否是由主軸表面產(chǎn)生。

對于非主軸表面產(chǎn)生的缺陷，則按照GB/T 6402—2008規(guī)定的評定標(biāo)準(zhǔn)對缺陷進(jìn)行定量評級。

4 結(jié)論

本文針對某型號風(fēng)電機(jī)組主軸發(fā)生斷裂的情況，采用超聲檢測技術(shù)，以某根實(shí)物主軸為例，對其自身結(jié)構(gòu)和在主軸上模擬裂紋缺陷后分別進(jìn)行了超聲檢測，并對主軸結(jié)構(gòu)回波及模擬主軸裂紋缺陷回波進(jìn)行了分析和研究，提出了判別缺陷回波與結(jié)構(gòu)回波的方法，這對指導(dǎo)風(fēng)電場現(xiàn)場排查缺陷主軸具有重要意義。此外，后續(xù)還應(yīng)從設(shè)計、運(yùn)行、維護(hù)等方面開展失效分析方面的工作，找出主軸斷裂的原因，確保主軸的安全運(yùn)行。