摘要: 主軸是風(fēng)機(jī)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(duì)于服役多年的主軸。由于缺乏可靠的針對(duì)在役主軸裂紋的檢測(cè)手段，因此目前通常不對(duì)主軸裂紋進(jìn)行定期的檢查。我們提出了一種新的超聲波在役檢測(cè)方法，該方法顯著提高了缺陷檢出的概率，并大大增強(qiáng)了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的信心，以協(xié)助客戶制定維護(hù)計(jì)劃。本文的目的是通過(guò)詳細(xì)描述此方法以及在不同風(fēng)機(jī)模型上的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，來(lái)論證此方法的有效性。

　　

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

　　

　　背景介紹——挑戰(zhàn)

　　

　　在役風(fēng)機(jī)主軸的裂紋檢查具有很大的挑戰(zhàn)性，因?yàn)闇y(cè)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(huì)與測(cè)試點(diǎn)有很長(zhǎng)的距離，這種情況導(dǎo)致大多數(shù)的無(wú)損檢測(cè)方法無(wú)法被應(yīng)用。最常見(jiàn)的方法是超聲波檢測(cè)（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(hào)，該脈沖信號(hào)以聲波的形式傳播，縱向穿過(guò)主軸。在遇到由于主軸幾何形狀或缺陷（例如裂紋）界面時(shí)形成回聲反射回來(lái)。同一探頭還可以充當(dāng)回波檢測(cè)器，回波被數(shù)字化并顯示在屏幕上。對(duì)反射信號(hào)的定位由試驗(yàn)材料（鋼）中的聲速和原始脈沖作為回波返回所需的時(shí)間決定。雖然有不同級(jí)別的UT技術(shù)，從傳統(tǒng)的手動(dòng)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(zhǎng)度上的變化帶來(lái)的影響。由于以下原因，使得區(qū)分軸的結(jié)構(gòu)信號(hào)與潛在缺陷信號(hào)更加困難：（1）多個(gè)（來(lái)回）回波；（2）波束隨距離增加而擴(kuò)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(jì)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(shí)際軸無(wú)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(yán)重程度的指標(biāo)。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(píng)估很困難。對(duì)結(jié)果的誤判很常見(jiàn)，導(dǎo)致已產(chǎn)生的裂紋未檢測(cè)到或者無(wú)缺陷主軸被進(jìn)行了的不必要的維護(hù)。

　　

　　Shaftest® - 必維解決方案

圖1  使用ShafTest®技術(shù)對(duì)陸上風(fēng)力機(jī)進(jìn)行的實(shí)際檢測(cè)的數(shù)據(jù)，識(shí)別出主軸的裂紋。

　　

　　必維集團(tuán)成立于1828年，擁有75000多名員工，遍布150多個(gè)國(guó)家。作為一家建立企業(yè)對(duì)企業(yè)社會(huì)關(guān)系的公司，其目標(biāo)是在私人實(shí)體、公共機(jī)構(gòu)和最終消費(fèi)者之間建立信任。在這一過(guò)程中，必維集團(tuán)參與了超過(guò)120GW的陸上風(fēng)電項(xiàng)目和超過(guò)35GW的海上風(fēng)電項(xiàng)目，并在風(fēng)電資產(chǎn)的整個(gè)生命周期內(nèi)大量參與測(cè)試、檢驗(yàn)、認(rèn)證和技術(shù)咨詢活動(dòng)。

　　

　　必維將其他行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)與風(fēng)電行業(yè)的專業(yè)知識(shí)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出了ShafTest®技術(shù)。作為一種新的半自動(dòng)超聲波檢測(cè)技術(shù)，ShafTest®專門(mén)用于提高風(fēng)電機(jī)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(gè)主軸的三維超聲圖像。軸向的UT數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)格模式收集，確保測(cè)試之間的一致性。圖形分析工具簡(jiǎn)化了復(fù)雜數(shù)據(jù)的評(píng)估，有助于識(shí)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(cè)數(shù)據(jù)之間進(jìn)行比較，以突出異常，便于進(jìn)一步分析。獲取的數(shù)據(jù)是可復(fù)制的，并永久存儲(chǔ)，這樣可以通過(guò)對(duì)比同根主軸歷次數(shù)據(jù)或相似主軸的數(shù)據(jù)，來(lái)監(jiān)測(cè)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(yàn)可靠性，并且提高了從設(shè)計(jì)到制造到潛在的錯(cuò)誤操作等不同來(lái)源的缺陷的檢出概率。因此，該檢驗(yàn)結(jié)果可以被用作制定優(yōu)化維護(hù)策略的重要參考依據(jù)，也可以被當(dāng)作防止未來(lái)故障的根本原因分析技術(shù)。

　　

　　中國(guó)有大量的本土、國(guó)際風(fēng)機(jī)品牌和供應(yīng)鏈制造商。必維集團(tuán)開(kāi)發(fā)出了ShafTest®這項(xiàng)新技術(shù)，并在中國(guó)的多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的多種品牌的風(fēng)機(jī)上成功實(shí)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(lái)自于測(cè)試程序的組合。該測(cè)試程序由軟件接口驅(qū)動(dòng)，能保證不同操作人員的測(cè)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(gè)顯著特點(diǎn)。

圖2 某主軸截面的測(cè)試數(shù)據(jù)

　　

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

　　

　　ShafTest®的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是能夠比較歷次的檢測(cè)數(shù)據(jù)，以評(píng)估響應(yīng)的變化，或比較相同設(shè)計(jì)的不同軸之間的數(shù)據(jù)，以直觀地看到應(yīng)進(jìn)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(huì)由第二名經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的檢驗(yàn)員對(duì)初版報(bào)告和測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行審核。這一過(guò)程進(jìn)一步提高了缺陷檢出的概率，同時(shí)也是檢查員之間持續(xù)培訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)分享的機(jī)制。這個(gè)方法簡(jiǎn)單但非常有用。

　　

　　

　　案例一：浙江某風(fēng)場(chǎng)某品牌風(fēng)機(jī)發(fā)生主軸斷裂，輪轂和葉片掉落到地面報(bào)廢。業(yè)主邀請(qǐng)必維利用ShafTest®對(duì)該風(fēng)場(chǎng)剩余的32臺(tái)該品牌在役風(fēng)機(jī)主軸進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)分析采集的主軸數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)有兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的主軸存在異常信號(hào)，疑似表面開(kāi)裂，必維團(tuán)隊(duì)建議業(yè)主對(duì)這兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的主軸立刻進(jìn)行拆卸維護(hù)。在這兩臺(tái)風(fēng)機(jī)的主軸被拆卸到地面后，必維團(tuán)隊(duì)又對(duì)主軸表面進(jìn)行了常規(guī)超聲波、磁粉、滲透檢測(cè)，均發(fā)現(xiàn)表面存在裂紋，且裂紋的位置與深度和Shaftest®檢測(cè)數(shù)據(jù)吻合。隨后業(yè)主對(duì)這兩臺(tái)主軸進(jìn)行了更換處理。

　　

　　對(duì)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(cè)到裂紋部位。如果采取逐臺(tái)風(fēng)機(jī)拆卸檢測(cè)的方式，將產(chǎn)生巨額的拆卸費(fèi)用和時(shí)間的浪費(fèi)。上述檢測(cè)過(guò)程中，ShafTest®只需每臺(tái)風(fēng)機(jī)要停機(jī)約2小時(shí)，為客戶節(jié)約了寶貴的發(fā)電小時(shí)數(shù)，也避免了巨額的拆卸費(fèi)用。

圖3 某主軸拆卸后的裂紋照片

　　

　　案例二：北方某風(fēng)場(chǎng)某品牌風(fēng)機(jī)發(fā)生主軸斷裂，業(yè)主需要對(duì)其下屬風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行的該品牌風(fēng)機(jī)進(jìn)行主軸質(zhì)量排查，共100多臺(tái)。在充分了解ShafTest?的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)和業(yè)績(jī)后，業(yè)主決定采用必維的ShafTest®技術(shù)手段進(jìn)行排查。通過(guò)ShafTest®技術(shù)，排查出數(shù)十臺(tái)風(fēng)機(jī)的主軸存在不同程度的裂紋。更加重要的是，通過(guò)進(jìn)一步ShafTest®檢測(cè)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(kuò)展成環(huán)形或者趨于環(huán)形，一旦遭遇突變的外力，隨時(shí)都可能發(fā)生斷軸事故。對(duì)于這些缺陷較嚴(yán)重的風(fēng)機(jī)，必維團(tuán)隊(duì)在第一時(shí)間通知業(yè)主，建議對(duì)這些風(fēng)機(jī)采取停機(jī)維修處理。后續(xù)業(yè)主對(duì)部分風(fēng)機(jī)主軸進(jìn)行了拆卸，結(jié)果也驗(yàn)證了ShafTest®結(jié)論的正確性。

　　

　　對(duì)于案例二的情況，ShafTest®技術(shù)表現(xiàn)出強(qiáng)大的可靠性，并且提高了缺陷的檢出概率。同時(shí)，ShafTest®準(zhǔn)確的檢驗(yàn)結(jié)果為客戶的風(fēng)機(jī)維護(hù)策略提供了重要參考依據(jù)。

　　

　　案例三：南方某風(fēng)場(chǎng)某品牌風(fēng)機(jī)發(fā)生主軸斷裂，業(yè)主需要對(duì)其下屬風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行的該品牌風(fēng)機(jī)進(jìn)行主軸檢測(cè)，涉及幾十臺(tái)風(fēng)機(jī)。在必維入場(chǎng)之前，已有另外三家不同的檢驗(yàn)公司分別采用常規(guī)UT、相控陣等技術(shù)進(jìn)行了主軸檢測(cè)，但是均沒(méi)有查出問(wèn)題。不過(guò)，業(yè)主結(jié)合日常維護(hù)時(shí)的異常情況，懷疑某幾臺(tái)風(fēng)機(jī)的主軸已有裂紋，只是沒(méi)被查出來(lái)。所以在得知必維的ShafTest®技術(shù)后，業(yè)主邀請(qǐng)必維對(duì)其高度懷疑的幾根主軸進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)ShafTest®檢測(cè)，果然查出其中某一臺(tái)風(fēng)機(jī)的主軸已出現(xiàn)較嚴(yán)重的裂紋。之后，業(yè)主決定對(duì)該臺(tái)風(fēng)機(jī)主軸進(jìn)行更換處理。

　　

　　對(duì)于案例三的情況，ShafTest®與其他技術(shù)相比，表現(xiàn)出對(duì)風(fēng)電機(jī)組軸類(lèi)部件檢測(cè)的明顯優(yōu)勢(shì)，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(cè)到，保證了結(jié)論的準(zhǔn)確性，避免了嚴(yán)重事故的發(fā)生。

　　

　　

　　ShafTest®是一種用于軸類(lèi)部件的新型超聲波檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于軸類(lèi)部件的表面裂紋有較強(qiáng)的敏感性。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中也證實(shí)了該檢測(cè)方法的可靠性，可以對(duì)在役風(fēng)機(jī)主軸的定期檢查以及維護(hù)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(guó)際檢驗(yàn)集團(tuán)：Cotterill Guy；Romero-Sanz  Ignacio