摘 要：主軸是風機最關鍵的部件之一。主軸疲勞斷裂等故障屢屢發生，尤其是對于服役多年的主軸。由于缺乏可靠的針對在役主軸裂紋的檢測手段，因此目前通常不對主軸裂紋進行定期的檢查。我們提出了一種新的超聲波在役檢測方法，該方法顯著提高了缺陷檢出的概率，并大大增強了風險評估的信心，以協助客戶制定維護計劃。本文的目的是通過詳細描述此方法以及在不同風機模型上的現場數據，來論證此方法的有效性。
關鍵詞：風機主軸；風機維護；基于設備狀況的維護；UT；超聲波探傷
背景介紹——挑戰
在役風機主軸的裂紋檢查具有很大的挑戰性，因為測試空間通常被局限在了軸的輪轂側端面。因此，導致主軸內的疑似缺陷區域可能會與測試點有很長的距離，這種情況導致大多數的無損檢測方法無法被應用。最常見的方法是超聲波檢測（UT），其中檢查員將UT探頭引導至主軸端面。探頭發射超聲波脈沖信號，該脈沖信號以聲波的形式傳播，縱向穿過主軸。在遇到由于主軸幾何形狀或缺陷（例如裂紋）界面時形成回聲反射回來。同一探頭還可以充當回波檢測器，回波被數字化并顯示在屏幕上。對反射信號的定位由試驗材料（鋼）中的聲速和原始脈沖作為回波返回所需的時間決定。雖然有不同級別的UT技術，從傳統的手動UT到更復雜的相控陣（PAUT），但挑戰仍然是一樣的。
檢查員需要解釋高度復雜的數據，這些數據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度上的變化帶來的影響。由于以下原因，使得區分軸的結構信號與潛在缺陷信號更加困難：（1）多個（來回）回波；（2）波束隨距離增加而擴展；（3）內部反射后壓縮波和剪切波之間的模式轉換，而不同模式具有不同的聲速，因此計算的距離不再正確；（4）緊密接觸的軸組件（例如軸承）之間的接口耦合可能導致與實際軸無關的回聲；（5）回波振幅高度依賴于缺陷方向，因此通常不能作為嚴重程度的指標。即使是技術高超的UT技術人員也經常發現軸的評估很困難。對結果的誤判很常見，導致已產生的裂紋未檢測到或者無缺陷主軸被進行了的不必要的維護。
Shaftest® - 必維解決方案
圖1 使用ShafTest®技術對陸上風力機進行的實際檢測的數據，識別出主軸的裂紋。
必維集團成立于1828年，擁有75000多名員工，遍布150多個國家。作為一家建立企業對企業社會關系的公司，其目標是在私人實體、公共機構和最終消費者之間建立信任。在這一過程中，必維集團參與了超過120GW的陸上風電項目和超過35GW的海上風電項目，并在風電資產的整個生命周期內大量參與測試、檢驗、認證和技術咨詢活動。
必維將其他行業的經驗與風電行業的專業知識相結合，開發出了ShafTest®技術。作為一種新的半自動超聲波檢測技術，ShafTest®專門用于提高風電機組軸在役檢查中發現裂紋的概率，適用于陸上和海上環境。ShafTest®僅從輪轂側的主軸端面檢查主軸，并構建整個主軸的三維超聲圖像。軸向的UT數據通過網格模式收集，確保測試之間的一致性。圖形分析工具簡化了復雜數據的評估，有助于識別裂紋跡象。結果可在不同的軸之間或在同根軸的歷次檢測數據之間進行比較，以突出異常，便于進一步分析。獲取的數據是可復制的，并永久存儲，這樣可以通過對比同根主軸歷次數據或相似主軸的數據，來監測主軸的工作狀態。
與傳統的超聲波技術相比，ShafTest®技術大大提高了檢驗可靠性，并且提高了從設計到制造到潛在的錯誤操作等不同來源的缺陷的檢出概率。因此，該檢驗結果可以被用作制定優化維護策略的重要參考依據，也可以被當作防止未來故障的根本原因分析技術。
中國有大量的本土、國際風機品牌和供應鏈制造商。必維集團開發出了ShafTest®這項新技術，并在中國的多個風電場的多種品牌的風機上成功實施。
ShafTest®采用常規的商用UT探頭，脈沖發生器/接收器電子設備也比較常規。它與常規UT方法的顯著差異來自于測試程序的組合。該測試程序由軟件接口驅動，能保證不同操作人員的測試數據的可重復性，ShafTest®能夠將高度復雜的數據以圖形的方式呈現是它的另外一個顯著特點。
圖2 某主軸截面的測試數據
測試數據會以給定深度下的超聲波橫截面的形式呈現，同時也會顯示一定比例的主軸圖紙，以幫助評估是否可能存在回波。
ShafTest®的一個重要優勢是能夠比較歷次的檢測數據，以評估響應的變化，或比較相同設計的不同軸之間的數據，以直觀地看到應進一步調查的差異。
按照我們的流程，保存好完整的主軸數據后，會由第二名經過培訓的檢驗員對初版報告和測試數據進行審核。這一過程進一步提高了 缺陷檢出的概率，同時也是檢查員之間持續培訓和經驗分享的機制。這個方法簡單但非常有用。
ShafTest®在風電場項目的實際應用
案例一：浙江某風場某品牌風機發生主軸斷裂，輪轂和葉片掉落到地面報廢。業主邀請必維利用ShafTest®對該風場剩余的32臺該品牌在役風機主軸進行檢測。通過分析采集的主軸數據發現有兩臺風機的主軸存在異常信號，疑似表面開裂，必維團隊建議業主對這兩臺風機的主軸立刻進行拆卸維護。在這兩臺風機的主軸被拆卸到地面后，必維團隊又對主軸表面進行了常規超聲波、磁粉、滲透檢測，均發現表面存在裂紋，且裂紋的位置與深度和Shaftest®檢測數據吻合。隨后業主對這兩臺主軸進行了更換處理。
對于案例一的情況，如果采用傳統的探傷手段，由于主軸工況以及主軸承位置等原因，很難檢測到裂紋部位。如果采取逐臺風機拆卸檢測的方式，將產生巨額的拆卸費用和時間的浪費。上述檢測過程中，ShafTest®只需每臺風機要停機約2小時，為客戶節約了寶貴的發電小時數，也避免了巨額的拆卸費用。
圖3 某主軸拆卸后的裂紋照片
案例二：北方某風場某品牌風機發生主軸斷裂，業主需要對其下屬風場運行的該品牌風機進行主軸質量排查，共100多臺。在充分了解ShafTest®的特點優勢和業績后，業主決定采用必維的ShafTest®技術手段進行排查。通過ShafTest®技術，排查出數十臺風機的主軸存在不同程度的裂紋。更加重要的是，通過進一步ShafTest®檢測數據的分析，發現這些主軸中有些主軸的裂紋已經沿徑向方向擴展成環形或者趨于環形，一旦遭遇突變的外力，隨時都可能發生斷軸事故。對于這些缺陷較嚴重的風機，必維團隊在第一時間通知業主，建議對這些風機采取停機維修處理。后續業主對部分風機主軸進行了拆卸，結果也驗證了ShafTest®結論的正確性。
對于案例二的情況，ShafTest®技術表現出強大的可靠性，并且提高了缺陷的檢出概率。同時，ShafTest®準確的檢驗結果為客戶的風機維護策略提供了重要參考依據。
案例三：南方某風場某品牌風機發生主軸斷裂，業主需要對其下屬風場運行的該品牌風機進行主軸檢測，涉及幾十臺風機。在必維入場之前，已有另外三家不同的檢驗公司分別采用常規UT、相控陣等技術進行了主軸檢測，但是均沒有查出問題。不過，業主結合日常維護時的異常情況，懷疑某幾臺風機的主軸已有裂紋，只是沒被查出來。所以在得知必維的ShafTest®技術后，業主邀請必維對其高度懷疑的幾根主軸進行檢測。通過ShafTest®檢測，果然查出其中某一臺風機的主軸已出現較嚴重的裂紋。之后，業主決定對該臺風機主軸進行更換處理。
對于案例三的情況，ShafTest®與其他技術相比，表現出對風電機組軸類部件檢測的明顯優勢，為客戶提供了可靠的解決方案，避免了已產生的裂紋未被檢測到，保證了結論的準確性，避免了嚴重事故的發生。
總結與展望
ShafTest®是一種用于軸類部件的新型超聲波檢測技術，對于軸類部件的表面裂紋有較強的敏感性。在實際應用過程中也證實了該檢測方法的可靠性，可以對在役風機主軸的定期檢查以及維護保養提供可靠的數據依據。
作者：必維質量技術服務（上海）有限公司：張佳 姚斌
必維國際檢驗集團：Cotterill Guy；Romero-Sanz Ignacio
來源：《風能產業》2022.08
（版權歸原作者或機構所有）
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