声发射技术在风电塔筒动态监测中的应用研究

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风电塔筒作为风力发电机组体系中的承载构件,其工作环境恶劣,在长时间的服役过程中容易产生疲劳裂纹,裂纹会严重危及塔筒的安全性,需要及时采取补救措施,否则可能会造成塔筒倒塌的重大事故。  研究实用高效的风电塔筒在线监测技术,对于塔筒的安全保障工作意义重大。声发射技术作为动态检测方法,可以发现大型机械构件中存在的萌态缺陷,检测效率高。将声发射技术应用至风电塔筒的在线监测中,以此评估塔筒的健康状态,具有重要的工程价值。  针对裂纹对风电塔筒服役过程中的危害问题,本文采用声发射技术提取塔筒裂纹特征信号。主要取得以下成果:  (1)研究了声发射信号在塔筒中的衰减特性。采用能量和幅值来描述信号的衰减性能,得出结构界面比传输距离对声发射信号的衰减影响更大,即信号在焊缝处衰减较母材明显。由试验得知信号在风电塔筒中最远可传递12米,说明使用声发射技术对风电塔筒进行动态实时监测完全可行。此外,随着声发射信号经过焊缝条数的增多,表现为幅值与能量的衰减速度越快,其中能量参数比幅值参数下降更快。通过 Q345E焊接试样的金相组织图可知,母材组织晶粒细小且分布均匀,形状为等轴晶,成分主要是铁素体和珠光体;焊缝组织晶粒粗大、分布不均,形状为树枝晶,组织成分除了铁素体和珠光体外,还存在少量的贝氏体。  (2)以塔筒材料 Q345E钢为研究对象,进行三点弯曲试验,以获取材料Q345E在弯曲损伤过程中的声发射特征。根据累积振铃计数在 Q345E钢试件弯曲试验中增长的快慢程度,可将其损伤破坏过程分为裂纹萌生、裂纹稳定扩展和裂纹失稳扩展三个阶段。从裂纹萌生到稳定扩展直至失稳扩展,声发射信号的频率分布区间逐渐变大,高频成分依次增加,表现为由低频到高频发展,声发射信号频率的升高是试件逐渐破坏的特征。利用Q345E试件的这种频域特性,可以判断风电塔筒在服役过程中的损伤程度。  (3)对酒泉市中海油风电场1.5 MW级锥台型高耸悬臂结构塔筒进行现场监测试验,将采集到的信号进行频谱分析和小波分析。结合三点弯曲实验结果和定位图可知,9号风机塔筒高9.6 m处环焊缝西南方向的局部位置存在萌生裂纹。由小波分解得知,不同类型信号经分解后的能量比例在各层中的分布不同,可将信号的能量比例作为表征信号差异性的特征值,以此来识别不同的声发射信号,通过声发射信号携带的信息可以判断风电塔筒的服役状态。
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