《風(fēng)電機(jī)組螺栓相控陣超聲導(dǎo)波成像檢測技術(shù)導(dǎo)則（征求意見稿）》編制說明

地方標(biāo)準(zhǔn)編制說明簡述產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，制定標(biāo)準(zhǔn)的必要性、可行性，預(yù)期經(jīng)濟(jì)社會效益分析等。1.1產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀近年來，隨著國家能源戰(zhàn)略落地，我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)取得了快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝投運(yùn)數(shù)量急速增長，截止2021年底僅江蘇省內(nèi)風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)總?cè)萘考催_(dá)11000MW。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由葉片、輪轂、主軸、機(jī)艙和塔筒等組成，塔筒、葉片、機(jī)艙等部件均由高強(qiáng)螺栓連接，在運(yùn)行中受振動、沖擊、扭轉(zhuǎn)等疲勞載荷作用，經(jīng)常發(fā)生松動、變形和斷裂等嚴(yán)重危害風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行的現(xiàn)象。2020年7月，河北某風(fēng)電場發(fā)生一起風(fēng)機(jī)倒塔事故，其直接原因是風(fēng)機(jī)第一節(jié)與第二節(jié)塔筒連接螺栓斷裂導(dǎo)致，現(xiàn)場對128根斷裂螺栓檢查發(fā)現(xiàn)其中12根螺栓存在疲勞裂紋，2021年江蘇省內(nèi)揚(yáng)州、淮安等地亦發(fā)生了風(fēng)機(jī)倒塔事故。由此可見，風(fēng)電機(jī)組的大量投運(yùn)，加大了江蘇省內(nèi)風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行風(fēng)險，而高強(qiáng)螺栓作為風(fēng)電機(jī)組主要連接和承載部件，其質(zhì)量情況直接影響連接可靠性進(jìn)而影響整臺風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行，因此對于風(fēng)電機(jī)組在役螺栓缺陷的檢測至關(guān)重要。同時，風(fēng)電機(jī)組因其自身特點(diǎn)，在檢修時不便對葉片等部件高強(qiáng)螺栓進(jìn)行拆卸檢測，而目前高強(qiáng)螺栓常規(guī)超聲檢測方法往往需要在拆卸情況下進(jìn)行，致使風(fēng)電機(jī)組在役螺栓在不拆卸情況下難以實(shí)施有效檢測，導(dǎo)致上述螺栓僅能在斷裂發(fā)現(xiàn)后被動更換，難以有效保障風(fēng)電機(jī)組葉片等重要部件的安全運(yùn)行。1.2標(biāo)準(zhǔn)編制必要性目前，國內(nèi)尚無風(fēng)電機(jī)組連接螺栓專用相控陣檢測相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。電力行業(yè)螺栓超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)主要為DL/T694-2012《高溫緊固螺栓超聲檢測技術(shù)導(dǎo)則》，該標(biāo)準(zhǔn)僅適用于火力發(fā)電機(jī)組汽缸、汽門、各種閥門和蒸汽管道法蘭等直徑不小于M32的高溫緊固螺栓的超聲檢測，主要采用A型脈沖反射式超聲波探傷儀，探頭為小角度縱波斜探頭、縱波直探頭和橫波斜探頭，相控陣超聲檢測僅為輔助手段，以扇形掃查為主，僅關(guān)注螺紋區(qū)域，不能滿足風(fēng)電機(jī)組在役螺栓不拆卸原位整體檢測要求。1.3國內(nèi)外檢測情況目前，國內(nèi)電力行業(yè)對直徑M≤32mm的螺栓還沒有相關(guān)的檢驗(yàn)方法和導(dǎo)則；對于M＞32mm的高溫緊固件檢測依據(jù)DL/T694-2012《高溫緊固螺栓超聲檢測技術(shù)導(dǎo)則》實(shí)施，一般采用直射縱波或小角度縱波檢測方法進(jìn)行，上述方法需要螺栓拆卸進(jìn)行檢測，無法滿足風(fēng)電機(jī)組在役螺栓不拆卸原位檢測要求；同時檢測效率相對較低，且由于超聲側(cè)壁干涉、波形轉(zhuǎn)換等因素易造成缺陷漏檢，不能完全解決小直徑螺栓的裂紋檢測問題，不適用于全部風(fēng)電機(jī)組螺栓規(guī)格范圍。目前，國外存在螺栓超聲相控陣檢測研究的相關(guān)報道，但多采用縱波扇掃描方式進(jìn)行檢測，該檢測方法只能檢測有限的距離（約為3倍近場區(qū)不能有效檢測較長螺栓整體缺陷，且檢測效率低。1.4經(jīng)濟(jì)合理性風(fēng)電機(jī)組在役高強(qiáng)螺栓相控陣超聲導(dǎo)波檢測實(shí)施僅需要2名檢測人員登塔作業(yè)，平均一天可完成3~5基風(fēng)電機(jī)組螺栓的檢測，相對于拆卸螺栓使用常規(guī)超聲波檢測方法，檢測效率提高約60倍，檢測費(fèi)用節(jié)省約80%，具有較好的直接經(jīng)濟(jì)效益。同時，風(fēng)電機(jī)組在役高強(qiáng)螺栓相控陣超聲導(dǎo)波檢測大大縮短了螺栓檢測所需時間，減短了風(fēng)電機(jī)組整體檢修工期，能夠節(jié)約間接檢修費(fèi)用，具有較好的簡介經(jīng)濟(jì)效益。另外，風(fēng)電機(jī)組在役高強(qiáng)螺栓相控陣超聲導(dǎo)波檢測能夠有效檢測出螺栓前期因疲勞失效產(chǎn)生的裂紋等危害缺陷，有力防范因裂紋等危害缺陷導(dǎo)致的螺栓斷裂風(fēng)險，進(jìn)而避免螺栓斷裂引發(fā)的風(fēng)機(jī)倒塔事故，有極強(qiáng)的社會安全效益。1.5工程實(shí)踐和可靠性江蘇方天電力技術(shù)有限公司前期針對風(fēng)電機(jī)組在役螺栓原位檢測特點(diǎn)進(jìn)行了專項(xiàng)研究，應(yīng)用相控陣超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)解決此類檢測難題，提出在役風(fēng)電機(jī)組連接螺栓不拆卸原位檢測方法，研制適用于風(fēng)電機(jī)組在役高強(qiáng)螺栓現(xiàn)場檢測的一維環(huán)形線陣換能器，能夠僅從端面加載即可實(shí)現(xiàn)螺栓全方位、無死角檢測。江蘇方天電力技術(shù)有限公司在江蘇省內(nèi)國家電投江蘇新能源等風(fēng)電場開展了大量風(fēng)電機(jī)組在役高強(qiáng)螺栓現(xiàn)場檢測工作，取得良好成效。經(jīng)工作實(shí)踐，在役風(fēng)電機(jī)組每根高強(qiáng)螺栓檢測時間約3~5秒，檢測結(jié)果直接以成像方式展現(xiàn)和存儲，形象直觀，靈敏度高，具有較強(qiáng)可操作性。本標(biāo)準(zhǔn)的制定為風(fēng)電機(jī)組螺栓的相控陣超聲檢測提供了和質(zhì)量評價提供統(tǒng)一的技術(shù)依據(jù)和技術(shù)規(guī)范，使檢驗(yàn)人員在進(jìn)行此項(xiàng)作業(yè)時能夠規(guī)范化的選擇和使用檢測工藝，做到有據(jù)可依。提高了檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。二、任務(wù)來源根據(jù)江蘇省市場監(jiān)督管理局《省市場監(jiān)督管理局關(guān)于下達(dá)192號）要求，江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電機(jī)組螺栓相控陣超聲導(dǎo)波成像檢測技術(shù)導(dǎo)則》由江蘇方天電力技術(shù)有限公司、南京華中檢測有限公司、武漢中科創(chuàng)新技術(shù)股份有限公司、南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院、國家電投集團(tuán)江蘇新能源有限公司、江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院等機(jī)構(gòu)承擔(dān)完成。計劃周期：2022年6月下達(dá)編寫任務(wù)，計劃完成時間：三、編制過程—起草（調(diào)研、草案）階段計劃下達(dá)后，江蘇方天電力技術(shù)有限公司及時南京華中檢測有限公司、武漢中科創(chuàng)新技術(shù)股份有限公司、南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院、國家電投集團(tuán)江蘇新能源有限公司、江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院等機(jī)構(gòu)成立了標(biāo)準(zhǔn)起草小組，啟動了標(biāo)準(zhǔn)起草制定工作，確定了標(biāo)準(zhǔn)編寫原則和分工。2022年7月14日江蘇方天電力技術(shù)有限公司和起草小組成員召開標(biāo)準(zhǔn)編寫會議，會上討論以下事宜：1、提出標(biāo)準(zhǔn)制修訂原則，并進(jìn)行討論；2、審核《風(fēng)電機(jī)組螺栓相控陣超聲導(dǎo)波成像檢測技術(shù)導(dǎo)則》討論稿，并提出具體修改意見；3、針對提出的意見，討論提出修改建議，并進(jìn)行分工；4、確定下一步工作周期?！髑笠庖婋A段征求意見稿公開征求意見后共收到3家風(fēng)力發(fā)電企業(yè)、2家無損檢測單位、1家科研院所、2家制造單位反饋意見45條，工作組對已收到的反饋意見進(jìn)行整理和分析，最終采納15條、部分采納8條，并對標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿進(jìn)行了補(bǔ)充、修改。—審查階段—報批階段四、主要內(nèi)容技術(shù)指標(biāo)確立簡述標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容技術(shù)指標(biāo)確定的依據(jù)，包括實(shí)地調(diào)研、查閱資料、試驗(yàn)論證等。1、制定原則本標(biāo)準(zhǔn)修訂時遵循以下原則：本文件在制定過程中，遵循“面向市場、服務(wù)產(chǎn)業(yè)、自主制定、適時推出、及時修訂、不斷完善”的原則，注重標(biāo)準(zhǔn)修訂與科學(xué)性、合理性和可操作性以及標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)、統(tǒng)一性、協(xié)調(diào)性、適用性、一致性和規(guī)范性的原則來進(jìn)行本標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。在制定過程中，本文件參照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》給出的規(guī)則起草。在確定本標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)指標(biāo)時，綜合考慮國內(nèi)火風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的具體發(fā)展情況，尋求最大的經(jīng)濟(jì)、社會效益，充分體現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)上的先進(jìn)性和合理性。1）完整性和準(zhǔn)確性本標(biāo)準(zhǔn)制訂時力求內(nèi)容完整，所規(guī)定的條款清楚、準(zhǔn)確、無歧義，能被未參加標(biāo)準(zhǔn)編制工作的專業(yè)人員所理解。2）統(tǒng)一性標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)、文體和用詞前后保持一致。3）標(biāo)準(zhǔn)間的協(xié)調(diào)性本標(biāo)準(zhǔn)與國家及電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)之間保持協(xié)調(diào)、統(tǒng)一，避免本標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)間產(chǎn)生相互矛盾的現(xiàn)象。3、試驗(yàn)驗(yàn)證4）適用性標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容便于實(shí)施，并易被其它標(biāo)準(zhǔn)引用。5）先進(jìn)性盡可能采用國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)。2、主要內(nèi)容《風(fēng)電機(jī)組螺栓相控陣超聲導(dǎo)波成像檢測技術(shù)導(dǎo)則》為無損檢測方法和缺陷評價方法的標(biāo)準(zhǔn)，本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了人員、設(shè)備、安全相關(guān)要求，統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn)化的檢測靈敏度和判廢方法，使檢驗(yàn)人員做到有據(jù)可依，為風(fēng)電機(jī)組螺栓相控陣超聲檢測提供標(biāo)準(zhǔn)支撐。本標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容包括：2規(guī)范性引用文件3檢測工藝4檢測設(shè)備和器材5檢查與復(fù)核6靈敏度設(shè)置7掃查方式8檢測與評定9檢測記錄及報告本標(biāo)準(zhǔn)的全部內(nèi)容，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)起草工作組協(xié)商一致。超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)一直是無損檢測領(lǐng)域中的重要方法。圓柱結(jié)構(gòu)件是典型的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而超聲波在圓柱波導(dǎo)中是以超聲柱面導(dǎo)波的形式傳播的，該導(dǎo)波信號包含傳播過程中的全部信息?；谠摍z測原理，本標(biāo)準(zhǔn)將導(dǎo)波檢測方法與圖形成像技術(shù)相結(jié)合，以回波傳播時間對缺陷定位，以回波幅度對應(yīng)的色帶對缺陷定量，直接將圓柱結(jié)構(gòu)件內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像顯示，使檢測人員對圓柱結(jié)構(gòu)件質(zhì)量情況一目了然，易于分析缺陷的大小和定位，大大降低了誤判和漏判。本方法標(biāo)準(zhǔn)提出的檢測方法操作簡單，不需要人工轉(zhuǎn)動探頭，只需將探頭放置在圓柱結(jié)構(gòu)件端面上，即可完成檢測，檢測效率高，檢測靈敏度高，信噪比好。標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證過程：1）檢測能力驗(yàn)證：（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備：16/64通道相控陣設(shè)備1臺。（2）探頭：周向線陣探頭1個，探頭型號：5C64-8×26。（3）對比試塊：按照標(biāo)準(zhǔn)中適用范圍要求，選取風(fēng)電機(jī)組無缺陷的葉片螺栓制作人工缺陷，螺栓規(guī)格為M30×430，螺栓材質(zhì)為42CrMo，強(qiáng)度等級為10.9。根據(jù)試驗(yàn)需要，1根不加工缺陷作為對照，另外2根參照圖1在螺栓外表面不同位置加工相應(yīng)深度的線切割槽,相鄰線切割槽沿螺栓周向方向間隔120度且線切割槽方向垂直于螺栓軸線方向用以模擬裂紋，試樣實(shí)物如圖2所示，線切割槽的具體位置參數(shù)如表1所示。圖1試塊切槽位置尺寸示意圖圖2試塊實(shí)物圖表1螺栓試塊線切割槽的位置參數(shù)(mm)編號缺陷編號切向無缺陷（6）驗(yàn)證結(jié)果匯總與分析：分別對#1、#2、#3試樣進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示，檢測出的缺陷信息匯總?cè)绫?所示。#1試塊掃描圖像可見，底波前有3處明顯信號顯示區(qū)域，分別位于83mm-180mm、230mm-350mm、380mm深度范圍內(nèi)。我們對其中一個深度區(qū)域展開分析，在深度83mm-180mm區(qū)域線掃圖像上出現(xiàn)了5個比較明顯的回波信178mm，相鄰回波信號之間間距約22mm，計算可得此間距正好約為螺栓光桿處直徑的0.7倍，所以后方4個信號為遲到波信號。B掃描圖像上顏色的深淺反映了反射信號的大小，我們發(fā)現(xiàn)部分遲到波信號比缺陷直入射信號還要強(qiáng)，這是因?yàn)槁菟▓A柱面有聚焦作用，導(dǎo)致側(cè)壁干涉效應(yīng)增強(qiáng)，所以遲到波顯示比直達(dá)入射波還強(qiáng)。因此我們進(jìn)行缺陷深度定位時，應(yīng)以聲程最短的第一個直達(dá)縱波信號為準(zhǔn)。我們知道隨著檢測深度的增加，超聲波束能量會不斷衰減，但我們從圖中可以看出缺陷1-1反射波幅反而比缺陷1-2反射回波幅度低，這是由于在缺陷1-1深度范圍超聲導(dǎo)波受到菲涅耳區(qū)的影響，聲波相互疊加干涉，其橫切面上聲能分布不均勻而造成反射波幅降低。#2試塊掃描圖像可見，底波前在深度約383mm處可見3處明顯缺陷信號顯示，3處缺陷的深度位置及B掃描圖像顏色色標(biāo)與我們?nèi)斯た滩畚恢眉俺叽绱笮⊥耆呛?。圖3#1試樣檢測結(jié)果圖5#3試樣檢測結(jié)果表2缺陷信息匯總?cè)绫砭幪柸毕菥幪栕罡卟ǚ鶡o缺陷圖6螺栓檢測結(jié)果益70dB時缺陷波高約35%,而相控陣超聲導(dǎo)波增益46dB時缺陷波高約90%。