《风电机组螺栓相控阵超声导波成像检测技术导则（征求意见稿）》编制说明

地方标准编制说明简述产业发展现状，制定标准的必要性、可行性，预期经济社会效益分析等。1.1产业发展现状近年来，随着国家能源战略落地，我国风力发电产业取得了快速发展，风力发电机组安装投运数量急速增长，截止2021年底仅江苏省内风电机组装机总容量即达11000MW。风力发电机组由叶片、轮毂、主轴、机舱和塔筒等组成，塔筒、叶片、机舱等部件均由高强螺栓连接，在运行中受振动、冲击、扭转等疲劳载荷作用，经常发生松动、变形和断裂等严重危害风机安全运行的现象。2020年7月，河北某风电场发生一起风机倒塔事故，其直接原因是风机第一节与第二节塔筒连接螺栓断裂导致，现场对128根断裂螺栓检查发现其中12根螺栓存在疲劳裂纹，2021年江苏省内扬州、淮安等地亦发生了风机倒塔事故。由此可见，风电机组的大量投运，加大了江苏省内风电机组安全运行风险，而高强螺栓作为风电机组主要连接和承载部件，其质量情况直接影响连接可靠性进而影响整台风电机组的安全运行，因此对于风电机组在役螺栓缺陷的检测至关重要。同时，风电机组因其自身特点，在检修时不便对叶片等部件高强螺栓进行拆卸检测，而目前高强螺栓常规超声检测方法往往需要在拆卸情况下进行，致使风电机组在役螺栓在不拆卸情况下难以实施有效检测，导致上述螺栓仅能在断裂发现后被动更换，难以有效保障风电机组叶片等重要部件的安全运行。1.2标准编制必要性目前，国内尚无风电机组连接螺栓专用相控阵检测相关国家标准和行业标准。电力行业螺栓超声检测标准主要为DL/T694-2012《高温紧固螺栓超声检测技术导则》，该标准仅适用于火力发电机组汽缸、汽门、各种阀门和蒸汽管道法兰等直径不小于M32的高温紧固螺栓的超声检测，主要采用A型脉冲反射式超声波探伤仪，探头为小角度纵波斜探头、纵波直探头和横波斜探头，相控阵超声检测仅为辅助手段，以扇形扫查为主，仅关注螺纹区域，不能满足风电机组在役螺栓不拆卸原位整体检测要求。1.3国内外检测情况目前，国内电力行业对直径M≤32mm的螺栓还没有相关的检验方法和导则；对于M＞32mm的高温紧固件检测依据DL/T694-2012《高温紧固螺栓超声检测技术导则》实施，一般采用直射纵波或小角度纵波检测方法进行，上述方法需要螺栓拆卸进行检测，无法满足风电机组在役螺栓不拆卸原位检测要求；同时检测效率相对较低，且由于超声侧壁干涉、波形转换等因素易造成缺陷漏检，不能完全解决小直径螺栓的裂纹检测问题，不适用于全部风电机组螺栓规格范围。目前，国外存在螺栓超声相控阵检测研究的相关报道，但多采用纵波扇扫描方式进行检测，该检测方法只能检测有限的距离（约为3倍近场区不能有效检测较长螺栓整体缺陷，且检测效率低。1.4经济合理性风电机组在役高强螺栓相控阵超声导波检测实施仅需要2名检测人员登塔作业，平均一天可完成3~5基风电机组螺栓的检测，相对于拆卸螺栓使用常规超声波检测方法，检测效率提高约60倍，检测费用节省约80%，具有较好的直接经济效益。同时，风电机组在役高强螺栓相控阵超声导波检测大大缩短了螺栓检测所需时间，减短了风电机组整体检修工期，能够节约间接检修费用，具有较好的简介经济效益。另外，风电机组在役高强螺栓相控阵超声导波检测能够有效检测出螺栓前期因疲劳失效产生的裂纹等危害缺陷，有力防范因裂纹等危害缺陷导致的螺栓断裂风险，进而避免螺栓断裂引发的风机倒塔事故，有极强的社会安全效益。1.5工程实践和可靠性江苏方天电力技术有限公司前期针对风电机组在役螺栓原位检测特点进行了专项研究，应用相控阵超声导波检测技术解决此类检测难题，提出在役风电机组连接螺栓不拆卸原位检测方法，研制适用于风电机组在役高强螺栓现场检测的一维环形线阵换能器，能够仅从端面加载即可实现螺栓全方位、无死角检测。江苏方天电力技术有限公司在江苏省内国家电投江苏新能源等风电场开展了大量风电机组在役高强螺栓现场检测工作，取得良好成效。经工作实践，在役风电机组每根高强螺栓检测时间约3~5秒，检测结果直接以成像方式展现和存储，形象直观，灵敏度高，具有较强可操作性。本标准的制定为风电机组螺栓的相控阵超声检测提供了和质量评价提供统一的技术依据和技术规范，使检验人员在进行此项作业时能够规范化的选择和使用检测工艺，做到有据可依。提高了检测的准确性和可靠性。二、任务来源根据江苏省市场监督管理局《省市场监督管理局关于下达192号）要求，江苏省地方标准《风电机组螺栓相控阵超声导波成像检测技术导则》由江苏方天电力技术有限公司、南京华中检测有限公司、武汉中科创新技术股份有限公司、南京市锅炉压力容器检验研究院、国家电投集团江苏新能源有限公司、江苏省特种设备安全监督检验研究院等机构承担完成。计划周期：2022年6月下达编写任务，计划完成时间：三、编制过程—起草（调研、草案）阶段计划下达后，江苏方天电力技术有限公司及时南京华中检测有限公司、武汉中科创新技术股份有限公司、南京市锅炉压力容器检验研究院、国家电投集团江苏新能源有限公司、江苏省特种设备安全监督检验研究院等机构成立了标准起草小组，启动了标准起草制定工作，确定了标准编写原则和分工。2022年7月14日江苏方天电力技术有限公司和起草小组成员召开标准编写会议，会上讨论以下事宜：1、提出标准制修订原则，并进行讨论；2、审核《风电机组螺栓相控阵超声导波成像检测技术导则》讨论稿，并提出具体修改意见；3、针对提出的意见，讨论提出修改建议，并进行分工；4、确定下一步工作周期。—征求意见阶段征求意见稿公开征求意见后共收到3家风力发电企业、2家无损检测单位、1家科研院所、2家制造单位反馈意见45条，工作组对已收到的反馈意见进行整理和分析，最终采纳15条、部分采纳8条，并对标准征求意见稿进行了补充、修改。—审查阶段—报批阶段四、主要内容技术指标确立简述标准主要内容技术指标确定的依据，包括实地调研、查阅资料、试验论证等。1、制定原则本标准修订时遵循以下原则：本文件在制定过程中，遵循“面向市场、服务产业、自主制定、适时推出、及时修订、不断完善”的原则，注重标准修订与科学性、合理性和可操作性以及标准的目标、统一性、协调性、适用性、一致性和规范性的原则来进行本标准的制定工作。在制定过程中，本文件参照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》给出的规则起草。在确定本标准主要技术指标时，综合考虑国内火风力发电机组的具体发展情况，寻求最大的经济、社会效益，充分体现了标准在技术上的先进性和合理性。1）完整性和准确性本标准制订时力求内容完整，所规定的条款清楚、准确、无歧义，能被未参加标准编制工作的专业人员所理解。2）统一性标准结构、文体和用词前后保持一致。3）标准间的协调性本标准与国家及电力行业相关标准之间保持协调、统一，避免本标准与相关标准间产生相互矛盾的现象。3、试验验证4）适用性标准的内容便于实施，并易被其它标准引用。5）先进性尽可能采用国际标准和国外先进标准。2、主要内容《风电机组螺栓相控阵超声导波成像检测技术导则》为无损检测方法和缺陷评价方法的标准，本标准规定了人员、设备、安全相关要求，统一了标准化的检测灵敏度和判废方法，使检验人员做到有据可依，为风电机组螺栓相控阵超声检测提供标准支撑。本标准主要内容包括：2规范性引用文件3检测工艺4检测设备和器材5检查与复核6灵敏度设置7扫查方式8检测与评定9检测记录及报告本标准的全部内容，经过标准起草工作组协商一致。超声导波检测技术一直是无损检测领域中的重要方法。圆柱结构件是典型的波导结构，而超声波在圆柱波导中是以超声柱面导波的形式传播的，该导波信号包含传播过程中的全部信息。基于该检测原理，本标准将导波检测方法与图形成像技术相结合，以回波传播时间对缺陷定位，以回波幅度对应的色带对缺陷定量，直接将圆柱结构件内部结构进行成像显示，使检测人员对圆柱结构件质量情况一目了然，易于分析缺陷的大小和定位，大大降低了误判和漏判。本方法标准提出的检测方法操作简单，不需要人工转动探头，只需将探头放置在圆柱结构件端面上，即可完成检测，检测效率高，检测灵敏度高，信噪比好。标准验证过程：1）检测能力验证：（1）实验设备：16/64通道相控阵设备1台。（2）探头：周向线阵探头1个，探头型号：5C64-8×26。（3）对比试块：按照标准中适用范围要求，选取风电机组无缺陷的叶片螺栓制作人工缺陷，螺栓规格为M30×430，螺栓材质为42CrMo，强度等级为10.9。根据试验需要，1根不加工缺陷作为对照，另外2根参照图1在螺栓外表面不同位置加工相应深度的线切割槽,相邻线切割槽沿螺栓周向方向间隔120度且线切割槽方向垂直于螺栓轴线方向用以模拟裂纹，试样实物如图2所示，线切割槽的具体位置参数如表1所示。图1试块切槽位置尺寸示意图图2试块实物图表1螺栓试块线切割槽的位置参数(mm)编号缺陷编号切向无缺陷（6）验证结果汇总与分析：分别对#1、#2、#3试样进行检测，检测结果如图3、图4、图5所示，检测出的缺陷信息汇总如表2所示。#1试块扫描图像可见，底波前有3处明显信号显示区域，分别位于83mm-180mm、230mm-350mm、380mm深度范围内。我们对其中一个深度区域展开分析，在深度83mm-180mm区域线扫图像上出现了5个比较明显的回波信178mm，相邻回波信号之间间距约22mm，计算可得此间距正好约为螺栓光杆处直径的0.7倍，所以后方4个信号为迟到波信号。B扫描图像上颜色的深浅反映了反射信号的大小，我们发现部分迟到波信号比缺陷直入射信号还要强，这是因为螺栓圆柱面有聚焦作用，导致侧壁干涉效应增强，所以迟到波显示比直达入射波还强。因此我们进行缺陷深度定位时，应以声程最短的第一个直达纵波信号为准。我们知道随着检测深度的增加，超声波束能量会不断衰减，但我们从图中可以看出缺陷1-1反射波幅反而比缺陷1-2反射回波幅度低，这是由于在缺陷1-1深度范围超声导波受到菲涅耳区的影响，声波相互叠加干涉，其横切面上声能分布不均匀而造成反射波幅降低。#2试块扫描图像可见，底波前在深度约383mm处可见3处明显缺陷信号显示，3处缺陷的深度位置及B扫描图像颜色色标与我们人工刻槽位置及尺寸大小完全吻合。图3#1试样检测结果图5#3试样检测结果表2缺陷信息汇总如表编号缺陷编号最高波幅无缺陷图6螺栓检测结果益70dB时缺陷波高约35%,而相控阵超声导波增益46dB时缺陷波高约90%。