摘要: 主軸是風(fēng)機最關(guān)鍵的部件之一。主軸疲勞斷裂等故障屢屢發(fā)生，尤其是對于服役多年的主軸。由于缺乏可靠的針對在役主軸裂紋的檢測手段，因此目前通常不對主軸裂紋進行定期的檢查。我們提出了一種新的超聲波在役檢測方法，該方法顯著提高了缺陷檢出的概率，并大大增強了風(fēng)險評估的信心，以協(xié)助客戶制定維護計劃。本文的目的是通過詳細描述此方法以及在不同風(fēng)機模型上的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，來論證此方法的有效性。

　　

　　關(guān)鍵詞：風(fēng)機主軸、風(fēng)機維護、基于設(shè)備狀況的維護、UT、超聲波探傷

　　

　　背景介紹——挑戰(zhàn)

　　

　　在役風(fēng)機主軸的裂紋檢查具有很大的挑戰(zhàn)性，因為測試空間通常被局限在了軸的輪轂側(cè)端面。因此，導(dǎo)致主軸內(nèi)的疑似缺陷區(qū)域可能會與測試點有很長的距離，這種情況導(dǎo)致大多數(shù)的無損檢測方法無法被應(yīng)用。最常見的方法是超聲波檢測（UT），其中檢查員將UT探頭引導(dǎo)至主軸端面。探頭發(fā)射超聲波脈沖信號，該脈沖信號以聲波的形式傳播，縱向穿過主軸。在遇到由于主軸幾何形狀或缺陷（例如裂紋）界面時形成回聲反射回來。同一探頭還可以充當回波檢測器，回波被數(shù)字化并顯示在屏幕上。對反射信號的定位由試驗材料（鋼）中的聲速和原始脈沖作為回波返回所需的時間決定。雖然有不同級別的UT技術(shù)，從傳統(tǒng)的手動UT到更復(fù)雜的相控陣（PAUT），但挑戰(zhàn)仍然是一樣的。

　　

　　檢查員需要解釋高度復(fù)雜的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)隨著探頭在軸端面位置的變化而變化，并且還需要考慮軸長度上的變化帶來的影響。由于以下原因，使得區(qū)分軸的結(jié)構(gòu)信號與潛在缺陷信號更加困難：（1）多個（來回）回波；（2）波束隨距離增加而擴展；（3）內(nèi)部反射后壓縮波和剪切波之間的模式轉(zhuǎn)換，而不同模式具有不同的聲速，因此計算的距離不再正確；（4）緊密接觸的軸組件（例如軸承）之間的接口耦合可能導(dǎo)致與實際軸無關(guān)的回聲；（5）回波振幅高度依賴于缺陷方向，因此通常不能作為嚴重程度的指標。即使是技術(shù)高超的UT技術(shù)人員也經(jīng)常發(fā)現(xiàn)軸的評估很困難。對結(jié)果的誤判很常見，導(dǎo)致已產(chǎn)生的裂紋未檢測到或者無缺陷主軸被進行了的不必要的維護。

　　

　　Shaftest® - 必維解決方案

圖1  使用ShafTest®技術(shù)對陸上風(fēng)力機進行的實際檢測的數(shù)據(jù)，識別出主軸的裂紋。

　　

　　必維集團成立于1828年，擁有75000多名員工，遍布150多個國家。作為一家建立企業(yè)對企業(yè)社會關(guān)系的公司，其目標是在私人實體、公共機構(gòu)和最終消費者之間建立信任。在這一過程中，必維集團參與了超過120GW的陸上風(fēng)電項目和超過35GW的海上風(fēng)電項目，并在風(fēng)電資產(chǎn)的整個生命周期內(nèi)大量參與測試、檢驗、認證和技術(shù)咨詢活動。

　　

　　必維將其他行業(yè)的經(jīng)驗與風(fēng)電行業(yè)的專業(yè)知識相結(jié)合，開發(fā)出了ShafTest®技術(shù)。作為一種新的半自動超聲波檢測技術(shù)，ShafTest®專門用于提高風(fēng)電機組軸在役檢查中發(fā)現(xiàn)裂紋的概率，適用于陸上和海上環(huán)境。ShafTest®僅從輪轂側(cè)的主軸端面檢查主軸，并構(gòu)建整個主軸的三維超聲圖像。軸向的UT數(shù)據(jù)通過網(wǎng)格模式收集，確保測試之間的一致性。圖形分析工具簡化了復(fù)雜數(shù)據(jù)的評估，有助于識別裂紋跡象。結(jié)果可在不同的軸之間或在同根軸的歷次檢測數(shù)據(jù)之間進行比較，以突出異常，便于進一步分析。獲取的數(shù)據(jù)是可復(fù)制的，并永久存儲，這樣可以通過對比同根主軸歷次數(shù)據(jù)或相似主軸的數(shù)據(jù)，來監(jiān)測主軸的工作狀態(tài)。

　　

　　與傳統(tǒng)的超聲波技術(shù)相比，ShafTest®技術(shù)大大提高了檢驗可靠性，并且提高了從設(shè)計到制造到潛在的錯誤操作等不同來源的缺陷的檢出概率。因此，該檢驗結(jié)果可以被用作制定優(yōu)化維護策略的重要參考依據(jù)，也可以被當作防止未來故障的根本原因分析技術(shù)。

　　

　　中國有大量的本土、國際風(fēng)機品牌和供應(yīng)鏈制造商。必維集團開發(fā)出了ShafTest®這項新技術(shù)，并在中國的多個風(fēng)電場的多種品牌的風(fēng)機上成功實施。

　　

　　ShafTest®采用常規(guī)的商用UT探頭，脈沖發(fā)生器/接收器電子設(shè)備也比較常規(guī)。它與常規(guī)UT方法的顯著差異來自于測試程序的組合。該測試程序由軟件接口驅(qū)動，能保證不同操作人員的測試數(shù)據(jù)的可重復(fù)性，ShafTest?能夠?qū)⒏叨葟?fù)雜的數(shù)據(jù)以圖形的方式呈現(xiàn)是它的另外一個顯著特點。

圖2 某主軸截面的測試數(shù)據(jù)

　　

　　測試數(shù)據(jù)會以給定深度下的超聲波橫截面的形式呈現(xiàn)，同時也會顯示一定比例的主軸圖紙，以幫助評估是否可能存在回波。

　　

　　ShafTest®的一個重要優(yōu)勢是能夠比較歷次的檢測數(shù)據(jù)，以評估響應(yīng)的變化，或比較相同設(shè)計的不同軸之間的數(shù)據(jù)，以直觀地看到應(yīng)進一步調(diào)查的差異。

　　

　　按照我們的流程，保存好完整的主軸數(shù)據(jù)后，會由第二名經(jīng)過培訓(xùn)的檢驗員對初版報告和測試數(shù)據(jù)進行審核。這一過程進一步提高了缺陷檢出的概率，同時也是檢查員之間持續(xù)培訓(xùn)和經(jīng)驗分享的機制。這個方法簡單但非常有用。

　　

　　

　　案例一：浙江某風(fēng)場某品牌風(fēng)機發(fā)生主軸斷裂，輪轂和葉片掉落到地面報廢。業(yè)主邀請必維利用ShafTest®對該風(fēng)場剩余的32臺該品牌在役風(fēng)機主軸進行檢測。通過分析采集的主軸數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)有兩臺風(fēng)機的主軸存在異常信號，疑似表面開裂，必維團隊建議業(yè)主對這兩臺風(fēng)機的主軸立刻進行拆卸維護。在這兩臺風(fēng)機的主軸被拆卸到地面后，必維團隊又對主軸表面進行了常規(guī)超聲波、磁粉、滲透檢測，均發(fā)現(xiàn)表面存在裂紋，且裂紋的位置與深度和Shaftest®檢測數(shù)據(jù)吻合。隨后業(yè)主對這兩臺主軸進行了更換處理。

　　

　　對于案例一的情況，如果采用傳統(tǒng)的探傷手段，由于主軸工況以及主軸承位置等原因，很難檢測到裂紋部位。如果采取逐臺風(fēng)機拆卸檢測的方式，將產(chǎn)生巨額的拆卸費用和時間的浪費。上述檢測過程中，ShafTest®只需每臺風(fēng)機要停機約2小時，為客戶節(jié)約了寶貴的發(fā)電小時數(shù)，也避免了巨額的拆卸費用。

圖3 某主軸拆卸后的裂紋照片

　　

　　案例二：北方某風(fēng)場某品牌風(fēng)機發(fā)生主軸斷裂，業(yè)主需要對其下屬風(fēng)場運行的該品牌風(fēng)機進行主軸質(zhì)量排查，共100多臺。在充分了解ShafTest?的特點優(yōu)勢和業(yè)績后，業(yè)主決定采用必維的ShafTest®技術(shù)手段進行排查。通過ShafTest®技術(shù)，排查出數(shù)十臺風(fēng)機的主軸存在不同程度的裂紋。更加重要的是，通過進一步ShafTest®檢測數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)這些主軸中有些主軸的裂紋已經(jīng)沿徑向方向擴展成環(huán)形或者趨于環(huán)形，一旦遭遇突變的外力，隨時都可能發(fā)生斷軸事故。對于這些缺陷較嚴重的風(fēng)機，必維團隊在第一時間通知業(yè)主，建議對這些風(fēng)機采取停機維修處理。后續(xù)業(yè)主對部分風(fēng)機主軸進行了拆卸，結(jié)果也驗證了ShafTest®結(jié)論的正確性。

　　

　　對于案例二的情況，ShafTest®技術(shù)表現(xiàn)出強大的可靠性，并且提高了缺陷的檢出概率。同時，ShafTest®準確的檢驗結(jié)果為客戶的風(fēng)機維護策略提供了重要參考依據(jù)。

　　

　　案例三：南方某風(fēng)場某品牌風(fēng)機發(fā)生主軸斷裂，業(yè)主需要對其下屬風(fēng)場運行的該品牌風(fēng)機進行主軸檢測，涉及幾十臺風(fēng)機。在必維入場之前，已有另外三家不同的檢驗公司分別采用常規(guī)UT、相控陣等技術(shù)進行了主軸檢測，但是均沒有查出問題。不過，業(yè)主結(jié)合日常維護時的異常情況，懷疑某幾臺風(fēng)機的主軸已有裂紋，只是沒被查出來。所以在得知必維的ShafTest®技術(shù)后，業(yè)主邀請必維對其高度懷疑的幾根主軸進行檢測。通過ShafTest®檢測，果然查出其中某一臺風(fēng)機的主軸已出現(xiàn)較嚴重的裂紋。之后，業(yè)主決定對該臺風(fēng)機主軸進行更換處理。

　　

　　對于案例三的情況，ShafTest®與其他技術(shù)相比，表現(xiàn)出對風(fēng)電機組軸類部件檢測的明顯優(yōu)勢，為客戶提供了可靠的解決方案，避免了已產(chǎn)生的裂紋未被檢測到，保證了結(jié)論的準確性，避免了嚴重事故的發(fā)生。

　　

　　

　　ShafTest®是一種用于軸類部件的新型超聲波檢測技術(shù)，對于軸類部件的表面裂紋有較強的敏感性。在實際應(yīng)用過程中也證實了該檢測方法的可靠性，可以對在役風(fēng)機主軸的定期檢查以及維護保養(yǎng)提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

　　

　　作者：必維質(zhì)量技術(shù)服務(wù)（上海）有限公司：張佳  姚斌

　　

　　必維國際檢驗集團：Cotterill Guy；Romero-Sanz  Ignacio