风电塔筒凹陷的磁记忆检测

胡 斌,李运涛

(中国特种设备检测研究院，北京 100029)



风电塔筒凹陷的磁记忆检测

胡 斌,李运涛

(中国特种设备检测研究院，北京 100029)

通过用磁记忆方法检测不同形变状态的Q345钢的试件，获取了磁记忆信号曲线与形变状态的对应关系，并确定了屈服评价临界值。结合两个磁记忆检测案例，明确了磁记忆检测技术可以用于风电塔筒凹陷部位的检测及局部形变状态的评价。

磁记忆；风电塔筒；凹陷；屈服

风力发电是一种重要的可再生能源，由于其具有可再生性和无污染等特点，其将成为未来能源结构的重要组成部分。至2014年底，全球风电累计装机量达到了369.6 GW，截至目前，我国风电建设处于高速发展时期(见图1)，装机容量排名世界第一，达114 GW，累计装机76 241台，已占我国电源总装机容量的6.2%，预计2020年将达到10%。

图1 2008～2014年中国风电新增及累计装机容量

风电塔筒是风机的主要承载结构件，由于所受载荷复杂多变，其失效具有突然性、毁灭性和不可修复等特点[1]。风电塔筒典型缺陷包括冶金缺陷、装配缺陷、焊接缺陷和运行缺陷，其中冶金缺陷、装配缺陷和焊接缺陷在制造、安装过程中可采用磁粉和超声等方法进行检测。运行缺陷一部分源于上述缺陷在运行过程中的扩展；另一部分源于运行过程中载荷作用下新缺陷的萌生。这类萌生缺陷往往没有任何预兆，会快速扩展导致塔筒的结构失效。国际上尚没有成熟的在役风电塔筒检测规范和标准，多采用以宏观缺陷检测为主的超声、磁粉等方法[2]，无法提前预知风电塔筒的早期损伤部位。

磁记忆检测方法是一种基于应力集中的铁磁性材料早期诊断方法[3]，在我国多个行业得到了成功的应用[4-6]。

风电塔筒在运输和安装过程中偶尔发生碰撞导致构件局部屈服变形，虽然经修复后从外表难以发现这些变形，但在风载作用下易发生结构失稳等事故，如何有效检出碰撞区域并评价其是否在塑性区是检测人员非常关心的问题。笔者针对这一需求，采用磁记忆方法检测并评价构件碰撞区域的损伤状态。

1 试验设计

1.1 试验方案

采用风电塔筒常见材料Q345钢，并按照国际标准设计试件，先期获取试件的拉伸曲线，然后拉伸至弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段，再停机卸载测量每个变形阶段试件表面的磁记忆信号，以获取屈服变形的临界磁记忆特征值。

1.2 试验设备与试件

试件的尺寸和外形如图2所示；试验前经过600 ℃退火处理。

图2 试件外形及尺寸示意

试验设备采用三思液压万能拉伸机和TSC-1M-4磁记忆检测仪。

2 试验结果与分析

根据试件拉伸曲线，选取了8个载荷点进行拉伸后卸载测量磁记忆信号，分别对应试件的弹性初期、中期、极限屈服、强化初期、强化后期、颈缩初期和后期阶段；此外，还测量了试件开裂后的磁记忆信号。不同形变阶段的磁记忆曲线如图3所示。Hp-1～Hp-8对应8个载荷点的磁记忆信号，Hp-9为开裂后的磁记忆信号。

图3 不同形变阶段的试件磁记忆曲线

在拉伸过程中，磁记忆信号的幅值并未随着变形的增加而发生显著变化，只是在发生断裂时出现了较大幅值的变化。图4展示了不同形变阶段的磁记忆曲线的斜率，根据磁记忆曲线斜率的变化可以将形变分成三个阶段(断裂处的斜率值远大于这三个阶段，图4中未体现)。

图4 不同形变阶段的试件磁记忆曲线斜率

通过对多个试件的验证试验，得出单纯形变的磁记忆曲线斜率与形变状态具有一定的关联性，且在屈服阶段及其以后阶段的磁记忆曲线斜率超过6，因此磁记忆信号的梯度值为6，并将其作为是否存在局部屈服的评价临界值。

3 应用案例

3.1 低温下的塔筒凹陷评价

某内蒙古风场在12月进行现场安装时，由于起吊失误，塔筒从运输车上滚落导致多处出现凹陷，安装现场最低温度为-20 ℃，采用超声、涡流检测均未发现宏观缺陷。

在凹陷部位进行回挤使得凹陷处没有明显的几何变形后，采用磁记忆方法盲扫，在对凹陷处进行磁记忆检测的同时，还采集了其他完好部位的磁记忆信号，并进行了比较，凹陷处与完好处的磁记忆信号比对如图5所示。发现可以通过磁记忆曲线的变化，判断出凹陷处的位置和边缘位置，而且凹陷区的最大磁记忆梯度超过6，可以判断该凹陷存在超过弹性形变的变形。虽然在该部位未发现宏观缺陷，但应该在今后运行过程中重点关注。

图5 凹陷处与完好处的磁记忆信号比对

图6 常温下塔筒检测现场

图7 山东某风场塔筒凹陷处与一凹坑处的磁记忆信号

3.2 常温下的塔筒凹陷评价 山东某地风场的塔筒与内蒙古风场同型号发生了类似事故，塔筒出现多处凹陷。但施工方迅速采取措施将凹陷处修复并进行了喷漆处理，单从外观也无法发现凹陷部位，常温下塔筒检测现场如图6所示。

图7为该塔筒凹陷处与凹坑处的磁记忆信号，此两缺陷处的磁记忆信号均存在明显的畸变，有典型的应力损伤特征，且磁记忆信号的梯度均超过9。经过施工方的确定，发现异常部位为经修复过的凹陷处。

此外，还发现一凹陷处的磁记忆异常信号，但其梯度均小于5，故不做处理。图8为未发现屈服的凹坑磁记忆信号。

图8 未发现屈服的凹坑磁记忆信号

4 结语

铁磁性材料在不同拉伸阶段的金属磁记忆曲线有明显变化，弹性区域的磁记忆信号梯度整体呈单调上升趋势，但在屈服阶段存在明显的跳变，试验数据显示屈服阶段的磁记忆信号梯度大于6，可以作为工件是否存在屈服变形的评价方法。

在风电塔筒的实际应用中，发现磁记忆检测方法可以用于塔筒凹陷区域的检出，并对凹陷处的局部形变状态进行评价。

均匀形变的磁记忆信号特征可以通过试验获得，但非均匀形变的磁记忆信号影响因素众多，仅仅通过磁记忆信号的梯度只能初步判断是否存在屈服，尚不能评价材料变形的具体阶段和状态，还需要大量试验和理论分析加以补充完善。

[1] 李龙，曹晓亮，徐帆，等.风电塔筒钢板表面缺陷分类及表面质量控制[J].中国机械,2015(17):6-7.

[2] 赵丽新, 朱博文. 风力发电塔筒的无损检测[J].科学与财富,2016,8(5):72-73.

[3] DUBOV A A. Study of metal properties using magnetic memory technique[J]. Metallovedenie I Termicheskaya Obrabotka Metallov, 1997, 9:35-39.

[4] 耿荣生,郑勇. 航空无损检测技术发展动态及面临的挑战[J]. 无损检测, 2002, 24(1):1-5.

[5] 胡斌, 沈功田. 磁记忆检测技术在压力容器上的应用[J]. 无损检测, 2015, 37(12): 75-81.

[6] 刘红文, 钟万里, 何卫忠, 等. 金属磁记忆在末级再热器爆管分析中的应用[J]. 江西电力, 2003, 27(4): 15-17.

Magnetic Memory Testing of Hollow of Wind Power Tower

HU Bin, LI Yun-tao

(China Special Equipment Inspection and Research Institute, Beijing 100029, China)

The hollow always appears on the wind power tower during transporting and installing. The local yield deformation presented in the hollows is the main cause of the final failure of the tower. The relationship between the Magnetic memory testing (MMT) signal and the deformation state is obtained by experiment. The critical value of MMT signal to confirm the yield defamation is 6. Two case studies proved that the magnetic memory testing technology could be used for the detection of the hollow part of wind power tower and the evaluation of local deformation state.

Magnetic memory; Wind power tower; Hollow; Yield

2016-08-31

“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2015BAK40B04)

胡 斌(1977-)，男，高级工程师，主要从事电磁检测技术的研究工作。

胡 斌，E-mail:hubin@csei.org.cn。

10.11973/wsjc201611007

TG115.28

A

1000-6656(2016)11-0034-03