在役风机主轴超声合成孔径成像检测工艺

郭会军 ，张国辉 ，窦 才 ，杨周斌 ，李 荣

（1.辽宁大唐国际新能源有限公司，辽宁 沈阳 110000；2.武汉中科创新技术股份有限公司，湖北 武汉 430000；3.北京博比风电科技有限公司，北京 100176）

1 检测对象描述

近年来，我国风力发电产业取得了快速发展，风力发电机组也逐步向大型化的方向发展。其中风机主轴是连接叶片和机舱的重要部件，其长期在各种复杂的应力、周期振动等恶劣环境下运行，主轴易产生表面向轴心延伸的裂纹，该类缺陷随着主轴长时间运转不断由主轴表面向轴心扩展，最终导致主轴断裂，直接危害风机运行安全。据不完全统计，近年来出现过数起由于主轴断裂引起的倒塌事故，因此对风机主轴运行过程中的检测极为重要[1]。

目前，超声合成孔径成像算法已先后在王源果[2]、冯全威[3]、李晨[4]等的论文中提到并应用，论文中提到该技术具有良好的声束形成能力，提高了系统分辨率，具有较好的成像质量，可以用小孔径的实际基元换能器和较低的工作频率，对位于远处目标物具有高方位分辨率的探测、观察能力。刘冬青等[5]认为合成孔径聚焦技术（SAFT）有两大优势：①合成孔径能够提高聚焦区域的横向分辨率；②能够在聚焦区域产生动态聚焦的效果。

本文利用超声合成孔径聚焦成像技术，通过轴外端面网格式的数据采集，软件的数据处理、图像重建、数据分析即可实现不拆卸主轴下无损检测。

2 超声合成孔径聚焦成像原理

超声合成孔径是指传感器以一定步长沿线性孔径轨迹移动，在轨迹上的孔径位置向成像区域发射脉冲信号，并接收和储存检测信号，然后下一孔径位置进行相同的发射、接收和储存，直到扫描完成。然后按照重建点对相应孔径检测号的回波做时延调整、信号叠加和平均等处理，实现逐点聚焦，最终重建整个成像区域的信号反射图。

针对在役大轴的不拆卸超声成像检测，本文主要通过自发自收的方式，在大轴端面的规定位置进行超声检测，采集全部回波信息，通过合成孔径SAFT 算法对大轴三维超声成像，检测大轴内部缺陷的检测方式。同时基于在役风机主轴结构特殊性，按探头本身的性能和计算所得的探头间距，在主轴端面上划分网格以确定每个探头相应的位置并组成检测阵列。然后将每一个区域中的A 扫信号使用合成孔径技术叠加，即可得到超声波在工件中不同深度下的断面成像。

3 检测工艺

3.1 检测对象

通常要求对在役风机主轴进行整体检测，特别是对表面及近表面向轴心延伸的周向裂纹。由于是在役风机主轴进行不拆卸检测，因此通常只有主轴的一个端面能够成为有效的检测平面，这也是轴类检测的难点之一。

3.2 检测准备

3.2.1 表面要求

当主轴表面有锈蚀、凹凸不平，探头与螺栓耦合不良会直接造成检测灵敏度的下降，甚至会漏检。因此，在主轴检测前应清理影响探头与检测面耦合的锈蚀、镀锌层凸起和其他杂物等，一般要求检测面粗糙度应不超过Ra6.3 μm。

3.2.2 耦合方式

超声合成孔径聚焦成像检测风机主轴，探头与主轴耦合和传统的方式基本相同，采用直接接触法，即探头经耦合剂耦合后直接与试件表面接触，探头发射出的声波通过耦合剂传播到工件内部进行检测，耦合的好坏决定了声波能量传入螺栓的声强透射率高低，所以保证耦合良好很关键。

由于主轴长度达数米，表面有防腐涂层，宜采用透声性好且不损伤检测表面的水基耦合剂糨糊或润滑脂，以保证良好耦合，注意一旦环境温度低于0 ℃时，耦合剂中应添加防冻液。

3.3 探头布局与扫查方式

3.3.1 探头布局

（1）探头网格的划分。首先根据主轴的长度及材料选择频率及晶片尺寸。主要保证单个探头激发的超声能量足够有效检出整个主轴长度上的信号。其次根据晶片直径划分网格，选择最小尺寸，即探头为10 mm 晶片，网格划分为10×10，由于声束采集越多越密集，成像精度越高，因此不建议扩大网格大小。最后根据得到的相关参数设置探头间距，确定轴端截面上画格子数量，探头采集数据的位置应和软件中格子位置保持一致。

（2）成像单元的划分。成像单元的划分应至少是探头网格的10 倍，即20×20 的探头网格，成像单元应至少划分为200×200，划分越密集，成像精度越高。对于一个变径的风机主轴，当直径超过探头端面时，多出的部分将不能检测成像。当直径小于探头端面时，减少部分对应的成像单元数值。赋值为0 时，只对剩余部分的成像单元进行合成孔径成像。

3.3.2 扫查方式

由于主轴端面较为平整，适合超声波入射，使探头与主轴端面保持良好耦合，根据探头在网格中心位置对应软件网格所在的格子中完成信号采集。

3.3.3 检测灵敏度

众所周知，超声检测灵敏度表示检测能力的强弱程度，在超声检测仪器上能识别最小超声信号，或检出最小缺陷。在实施风机主轴超声合成孔径聚焦成像检测时，将探头放置在主轴端面，探头中心应尽量保持与网格中心重合，手持探头耦合稳定时，调整仪器扫描范围使底波出现在80%时基范围处，此时增益为基本检测灵敏度。信号采集完毕后保存信号，同时将增益dB 数增加20 dB 后再次对主轴进行信号采集并保存数据。

3.4 检测流程

针对风机主轴检测由3 个部分组成：①在役主轴建模-画网格；②现场对应网格在线采集数据；③离线数据分析。

3.4.1 主轴建模

首先在计算机上根据轴的图纸建立二维模型，其次根据探头布局确定检测间距或格子尺寸，最后根据仪器设定的参数在主轴端面用记号笔画出相应大小的格子。

3.4.2 采集数据

首先准备机油或润滑脂作为耦合剂，均匀点涂在格子中心位置，其次将探头放置软件对应格子中心保持良好耦合，最后保持底波信号在80%左右，点击仪器软件采样，其他网格如上操作依次采集，完成网格采样后保存数据。

3.4.3 数据分析

根据模型视图移动深度分析线，结合A 扫信号、深度截面图像，通过软件整合形成整体平面信号分布图示。按照一定的分层距离来显示信号强度变化，从而评判是否存在缺陷以及缺陷的大小，还可对同一根轴不同时间段的检测结果进行对比。

4 检测配置

检测使用的探头为常规超声波单晶直探头。针对不同材质的主轴选择适合的频率以及直径尺寸来满足信号采集的要求。一般晶粒细密的材质宜采用频率较高的探头，如4 MHz、5 MHz。材质衰减较大或者粗晶材质的主轴宜采用低频探头，如0.5 MHz～2 MHz。主轴端面直径大的宜采用大直径探头，端面尺寸小的宜采用小直径探头。设备采用武汉中科生产的HS-SF-I 型超声合成孔径聚焦检测仪。

5 实验验证

由于风机主轴实物难以获取，目前未发现存在裂纹缺陷，因此现阶段采用圆柱体作为验证对象，圆柱体材质为碳钢，直径180 mm，长500 mm。圆柱体样件缺陷信息如表1 所示。

表1 圆柱体样件缺陷信息

按上文所述工艺进行检测，通过轴外端面网格式的数据采集等工艺流程检测圆柱体不同类型、不同深度、不同距离的缺陷，检测结果如图1 所示。

如图1a 所示，在深度为151.4 mm 截面处发现缺陷1 信号，距离误差为1.4 mm。

如图1b 所示，在深度为253.5 mm 截面处发现缺陷2/3/5 信号，距离误差为3.5 mm。在同一深度截面上通过选择不同位置的采样探头可以得到缺陷2/3/5 的最佳成像效果（方框），同时观察相应A 扫信号，其缺陷信号幅值基本高于满屏的40%，具有很好的信噪比。

图1 圆柱体检测结果

如图1c 所示，在深度为355.1 mm 截面处发现缺陷4 信号，距离误差为5.1 mm。

6 结语

采用超声合成孔径聚焦成像检测技术的设备和专用探头组合检测系统，与传统单一超声纵波探头网格式扫查检测方法相比，克服了风电主轴在役检测的操作空间狭窄、不拆卸的状态下长距离检测灵敏度低、单一波形结构信号难以分析等问题。通过以上实验结果表明，超声合成孔径聚焦成像检测方法具有良好检出率和直观检测效果，因此有利于对役风机主轴质量健康状态进行评估，确保风机长期稳定运行。