Nízkofrekvenční ultrazvuková řešení pro specifické použití ke kontrole lopatek větrných turbín z GFRM a CFRM materiálů

Přehled požadavků na kontrolu lepených spojů u lopatek větrných turbín

Po celou dobu své provozní životnosti je lopatka větné turbíny vystavena účinkům značných vztlakových sil. Aby se zajistila nezbytná pevnost ve smyku sestavy lopatky, jsou horní a dolní skořepina lopatky spojeny kolem sestavy stojin. Nosník tvořící součást skořepiny, která je lepením spojena se stojinami, je obvykle z důvodu získání dodatečné tuhosti konstrukce vyroben ze silného GFRM materiálu (materiál vyztužený skelnými vlákny) nebo CFRM materiálu (materiál vyztužený uhlíkovými vlákny). Neporušenost lopatky větrné turbíny ve značné míře závisí na kvalitě spojení mezi těmito příčnými stojinami a nosníky.

K prověřování neporušenosti materiálů a jejich lepených spojů vyvinula společnost Olympus sadu nástrojů tak, aby vytvořila úplnou řadu řešení pro kontrolu metodou phased array (PA) a ultrazvukovým testováním (UT). Tato řešení jsou plně kompatibilní s defektoskopy OmniScan™ a k dosažení vyšší kapacity je lze použít také společně s nástroji pro získávání dat FOCUS PX – až 4 najednou.

Typický průřez lopatkou větrné turbíny

Problémy spojené s kontrolou lepeného spoje nosníku a příčné stojiny při použití ultrazvuku

Protože příčná stojina a nosník jsou spojeny vrstvou lepidla o různé tloušťce, je třeba prošetřit dvě rozhraní: (1) mezi nosníkem a lepidlem a (2) mezi lepidlem a příčnou stojinou.

Kromě konstrukční složitosti lopatek větrných turbín může být překážkou kontroly i akusticky nepříznivá podstata materiálu sestavy. Skořepiny lopatek se typicky vyrábějí za použití sklolaminátu a lepidla vyrobeného z epoxidu. V těchto materiálech dochází k velmi rychlému tlumení svazku ultrazvuku, což z ultrazvukového testování činí náročný úkol.

Vzhledem k tomu, že standardní sondy a držáky nejsou pro kontrolu lopatek větrných turbín uzpůsobeny, vyvinuli jsme vylepšená řešení pro testování pomocí phased array a UT, vyznačující se optimalizovaným návrhem sondy a držáku.

Zatímco defektoskop OmniScan™ X3 je vhodnou volbou pro manuální nebo poloautomatickou kontrolu při výrobě či kontrolu za provozu, nástroj pro získávání dat FOCUS PX lze použít jako součást na míru přizpůsobeného automatického systému kontroly ve výrobě.

Řešení

Řada řešení pro ultrazvukové testování Olympus sestává z následujících nástrojů:

• Odvalovací sonda phased array RollerFORM™ XL s frekvencí 1 MHz
• Sondy phased array I5 s frekvencí 0,5 MHz a 1 MHz a držáky SI5
• Sonda UT M2008 s frekvencí 0,5 MHz a držáky SM2008

Odvalovací sonda phased array RollerFORM XL a skener

Skener RollerFORM XL je nejnovějším přírůstkem do řady řešení Olympus pro kontrolu lopatek větrných turbín. Díky nízké frekvenci 1 MHz a apertuře o velikosti 13 mm (0,51 palce) přidává integrovaná sonda skeneru RollerFORM XL ke všem výhodám, které nabízí v terénu prověřený standardní skener RollerFORM, také zlepšený průnik tlumivými materiály a širší pokrytí, tedy charakteristiky potřebné pro průmysl větrné energetiky:

• Přenosný a snadno použitelný balíček
• Díky ergonomickému návrhu se pohodlně používá a snižuje námahu
• Zabudovaný kodér a laserové navádění
• Zabudovaná tlačítka pro zahájení získávání dat a indexování umožňují 2D mapování bez nutnosti manipulace s nástrojem OmniScan.
• Kapalinou naplněný plášť vyrobený z materiálu s akustickou impedancí podobnou akustické impedanci vody odstraňuje potřebu vazebního systému k zajištění stálého toku vody.

Díky 128 elementům s roztečí 1 mm (0,04 palce), které se během skenování multiplexují, nabízí skener RollerFORM XL z našich řešení pro lopatky větrných turbín největší pokrytí. To pomáhá zvýšit účinnost skenování velkých lopatek větrných turbín, protože k pokrytí kontrolované plochy je potřeba méně přejezdů.

Sonda phased array I5 a držáky sondy SI5

Toto řešení je založeno na nízkofrekvenční sondě phased array s velkou aperturou, namontované na držáku. Sonda je k dispozici v provedení s frekvencí 0,5 a 1 MHz a vyznačuje se 22mm elevací a 1,5mm roztečí; to umožňuje průchod většího množství energie silnými a tlumivými materiály. Držák může být vybaven kodérem pro manuální kontrolu s kódováním nebo namontován na skener GLIDER™ pro poloautomatizované mapování ve 2 osách. Svazek ultrazvuku se, stejně jako u skeneru RollerFORM, při pohybu sondy po lopatce multiplexuje napříč elementy sondy.

K dispozici jsou dva základní držáky sondy: semikontaktní konstrukce klade povrch sondy blízko povrchu dílu, zatímco konstrukce AQ25 se vyznačuje 25mm (1palcovým) zpožďovacím vedením z akvalenu.

Semikontaktní držák je ideální pro kontrolu silnějších sekcí lopatky. Jeho vysokoenergetický svazek ultrazvuku proniká hlouběji do dílu, aniž by přitom docházelo k jakémukoli opakovanému povrchovému odrazu. Nevýhodou je větší mrtvá zóna v blízkosti povrchu.

Držák z akvalenu zlepšuje rozlišení v blízkosti povrchu, a je tudíž více uzpůsoben pro tenčí komponenty (do tloušťky 40 mm [1,6 palce]).

Obě konstrukce nabízíme v ploché variantě nebo variantě s přizpůsobením tvaru povrchu. Zatímco model s přizpůsobením tvaru povrchu je ideální pro skenování po délce lopatky, plochý model lze použít pro skenování přes šířku lopatky.

Snímač s předsádkou M2008 a držáky SM2008

Toto řešení ultrazvukového testování (UT) představuje cenově dostupnou volbu pro posuzování neporušenosti lopatek větrných turbín v případech, kdy pokrytí a rozlišení C-skenu nejsou ve středu zájmu. Toto řešení lze použít také s kodérem Mini-Wheel™ nebo jej lze namontovat na skener GLIDER pro kódované získávání dat. Jsou zde nicméně omezení, která je třeba vzít v úvahu. Mapování rozsáhlého povrchu zabere více času než při použití našeho řešení s velkou aperturou a pravděpodobnost detekce vad (POD) není tak vysoká jako při použití metody phased array.

Držák SM2008-SC nabízí, podobně jako držáky SI5, semikontaktní kontrolu silnějších částí a držák SM2008-AQ25 s 25 mm (1 palec) Vysoká akvalenová předsádka nabízí lepší rozlišení v blízkosti povrchu u dílů do tloušťky 40 mm (1,6 palce).

Případové studie použití PA a UT při kontrole lopatek větrných turbín

Test 1: Objemová kontrola silného nosníku

Vzorek

Toto testování bylo provedeno na vzorkovém úseku lopatky větrné turbíny se dvěma vývrty s plochým dnem (FBH) o průměru 12,5 mm (0,5 palce) umístěnými v hloubce 16 mm (0,6 palce) a 32 mm (1,2 palce). Tyto vyrobené vady simulují delaminaci v objemu nosníku.

Nastavení

U sond phased array se použily parametry lineární 0stupňové fokusace s ohniskem v hloubce 25 mm (1 palec) v materiálu. K dosažení dvou indikací na přibližně 80 % amplitudy bylo napětí nastaveno na 115 V a použilo se časově korigované zesílení (TCG). Délka aktivní apertury použitá u každého svazku byla nastavena na přibližně 16 mm (0,6 palce), což představuje 16 elementů u skeneru RollerFORM XL a 12 elementů u sondy I5. Rozlišení bylo na sondě I5 nastaveno na přírůstky po 1 elementu pro rozlišení 1,5 mm (0,06 palce) a na sondě RollerFORM XL na přírůstky po 2 elementech pro rozlišení 2 mm (0,08 palce). Napětí na snímači M2008 bylo nastaveno na 295 V.

Výsledky

Skener RollerFORM XL

Data A-skenu, S-skenu a amplitudového C-skenu získaná 1MHz skenerem RollerFORM XL a zobrazená na defektoskopu OmniScan X3

Sonda I5 a držák SI5

I když v případě tohoto vzorku by byl logičtější volbou semikontaktní držák SI5, z důvodu získaní výsledků porovnatelnějších s výsledky skeneru RollerFORM byl použit držák SI5-AQ25.

Na následujícím obrázku jsou zobrazeny výsledky získané při použití držáku SI5-AQ25 a sondy I5 s frekvencí 1 MHz.

Obě indikace lze snadno detekovat a zobrazit na S-skenu a amplitudovém C-skenu.

Data A-skenu, S-skenu a amplitudového C-skenu získaná sondou I5 a držákem SI5-AQ25 na defektoskopu OmniScan X3

M2008 a držák SM2008

I v tomto případě byl namísto semikontaktního držáku zvolen držák AQ25, abychom získali výsledky, které je možné porovnat s výsledky skeneru RollerFORM XL. I když nižší, 0,5MHz frekvence vedla k mírně sníženému hloubkovému rozlišení, poskytla vynikající poměr signál–šum (SNR), protože byla méně ovlivněna větším počtem vrstev v materiálu.

Data A-skenu, B-skenu a amplitudového C-skenu získaná snímačem UT M2008 a držákem SM2008-AQ25 na defektoskopu OmniScan X3

Test 2: Kontrola přilepení příčných stojin

Testování bylo provedeno na lopatce větrné turbíny ve výrobě pomocí 2osého kódovacího skeneru vyrobeného na zakázku, podobného skeneru GLIDER™. Data byla získána defektoskopem OmniScan MX2 s 1MHz sondou PA I5 a semikontaktním držákem.

C-sken se používá ke srovnávacímu zobrazení přilepení dvou příčných stojin. Dvě modré linie představují rozhraní slepení příčných stojin s nosníkem. Svazek ultrazvuku se šíří v příčné stojině a výsledkem je nižší amplituda vracejícího se signálu. C-sken je možné využít také ke změření šířky slepení pomocí kurzorů pro měření. V tomto testování byla šířka přibližně 130 mm (5,1 palce). Červené oblasti představují místa, kde není lepený spoj. Na nich pozorujeme, že signál odražený od zadní stěny nosníku je silný.

Při tomto použití byla vrstva lepidla dostatečně silná, takže obě rozhraní je možné rozlišit. Pomocí kurzorů pro měření v zobrazení S-skenu a A-skenu byla zjištěna tloušťka lepidla 15 mm (0,6 palce).

Využití 2osého kódovaného skeneru ke kontrole velkých ploch na lopatkách větrných turbín může být výhodné. Skener GLIDER je dostupný ve formátu optimalizovaném pro použití na lopatkách větrných turbín. Dlouhá osa skeneru GLIDER s celkovým rozsahem 1,8 metru (72 palců) je umístěna po délce lopatky větrné turbíny. Délka druhé osy je 0,6 metru (24 palců), a je tedy schopna pokrýt typické konfigurace příčných stojin.

Test 3: Objemová kontrola tenkého nosníku

Toto testování bylo provedeno na vzorku se 12,5mm (0,5palcovým) vývrtem s plochým dnem (FBH), simulujícím laminaci v nosníku. V tomto případě je nosník relativně tenký (7,7 mm [0,3 palce]). Z toho důvodu byl zvolen akvalenový držák (AQ25), jelikož je schopen detekovat vady blíže u povrchu. Použitou sondou je sonda I5 s frekvencí 1 MHz.

Na obrázku níže vidíme zřetelné zobrazení simulované vady nacházející se 3,6 mm (0,14 palce) pod povrchem.

Shrnutí výhod řešení Olympus pro kontrolu lopatek větrných turbín prováděnou ultrazvukem

Společnost Olympus vyvinula kompletní řešení pro testování metodou phased array (PA) a ultrazvukové testování (UT) určené pro kontrolu spojení nosníků a příčných stojin. I když akustický útlum, tvar a konstrukce lopatek větrných turbín činí kontrolu obtížnou, důmyslně koncipovaný návrh tohoto řešení problémy spojené s kontrolou řeší a přitom poskytuje data a zobrazení s vysokým rozlišením.

Při kontrole neporušenosti konstrukce lopatek větrných turbín lze využít všech výhod metody phased array ultrazvukového testování, a dosáhnout tak vyšších POD a menší závislosti kontrol na operátorovi. Při rozhodování, které řešení vyhovuje vašim potřebám, uvažte, že skener RollerFORM XL je vhodnou volbou pro díly do tloušťky 40 mm, zatímco řešení I5 a SI5 nabízí nejlepší výkonnost u silnějších a tlumivějších materiálů. Řešení M2008 doplňuje řadu našich řešení jako cenově dostupná možnost pro kontrolu cílených ploch na lopatkách větrných turbín.

Stáhněte si brožuru, ve které naleznete více informací.