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摘要: 主轴是风机最关键的部件之一。主轴疲劳断裂等故障屡屡发生，尤其是对于服役多年的主轴。由于缺乏可靠的针对在役主轴裂纹的检测手段，因此目前通常不对主轴裂纹进行定期的检查。我们提出了一种新的超声波在役检测方法，该方法显着提高了缺陷检出的概率，并大大增强了风险评估的信心，以协助客户制定维护计划。本文的目的是通过详细描述此方法以及在不同风机模型上的现场数据，来论证此方法的有效性。
关键词：风机主轴、风机维护、基于设备状况的维护、UT、超声波探伤
背景介绍——挑战
在役风机主轴的裂纹检查具有很大的挑战性，因为测试空间通常被局限在了轴的轮毂侧端面。因此，导致主轴内的疑似缺陷区域可能会与测试点有很长的距离，这种情况导致大多数的无损检测方法无法被应用。最常见的方法是超声波检测（UT），其中检查员将UT探头引导至主轴端面。探头发射超声波脉冲信号，该脉冲信号以声波的形式传播，纵向穿过主轴。在遇到由于主轴几何形状或缺陷（例如裂纹）界面时形成回声反射回来。同一探头还可以充当回波检测器，回波被数字化并显示在屏幕上。对反射信号的定位由试验材料（钢）中的声速和原始脉冲作为回波返回所需的时间决定。虽然有不同级别的UT技术，从传统的手动UT到更复杂的相控阵（PAUT），但挑战仍然是一样的。
检查员需要解释高度复杂的数据，这些数据随着探头在轴端面位置的变化而变化，并且还需要考虑轴长度上的变化带来的影响。由于以下原因，使得区分轴的结构信号与潜在缺陷信号更加困难：（1）多个（来回）回波；（2）波束随距离增加而扩展；（3）内部反射后压缩波和剪切波之间的模式转换，而不同模式具有不同的声速，因此计算的距离不再正确；（4）紧密接触的轴组件（例如轴承）之间的接口耦合可能导致与实际轴无关的回声；（5）回波振幅高度依赖于缺陷方向，因此通常不能作为严重程度的指标。即使是技术高超的UT技术人员也经常发现轴的评估很困难。对结果的误判很常见，导致已产生的裂纹未检测到或者无缺陷主轴被进行了的不必要的维护。
Shaftest® - 必维解决方案
图1 使用ShafTest®技术对陆上风力机进行的实际检测的数据，识别出主轴的裂纹。
必维集团成立于1828年，拥有75000多名员工，遍布150多个国家。作为一家建立企业对企业社会关系的公司，其目标是在私人实体、公共机构和最终消费者之间建立信任。在这一过程中，必维集团参与了超过120GW的陆上风电项目和超过35GW的海上风电项目，并在风电资产的整个生命周期内大量参与测试、检验、认证和技术咨询活动。
必维将其他行业的经验与风电行业的专业知识相结合，开发出了ShafTest®技术。作为一种新的半自动超声波检测技术，ShafTest®专门用于提高风电机组轴在役检查中发现裂纹的概率，适用于陆上和海上环境。ShafTest®仅从轮毂侧的主轴端面检查主轴，并构建整个主轴的三维超声图像。轴向的UT数据通过网格模式收集，确保测试之间的一致性。图形分析工具简化了复杂数据的评估，有助于识别裂纹迹象。结果可在不同的轴之间或在同根轴的历次检测数据之间进行比较，以突出异常，便于进一步分析。获取的数据是可复制的，并永久存储，这样可以通过对比同根主轴历次数据或相似主轴的数据，来监测主轴的工作状态。
与传统的超声波技术相比，ShafTest®技术大大提高了检验可靠性，并且提高了从设计到制造到潜在的错误操作等不同来源的缺陷的检出概率。因此，该检验结果可以被用作制定优化维护策略的重要参考依据，也可以被当作防止未来故障的根本原因分析技术。
中国有大量的本土、国际风机品牌和供应链制造商。必维集团开发出了ShafTest®这项新技术，并在中国的多个风电场的多种品牌的风机上成功实施。
ShafTest®采用常规的商用UT探头，脉冲发生器/接收器电子设备也比较常规。它与常规UT方法的显着差异来自于测试程序的组合。该测试程序由软件接口驱动，能保证不同操作人员的测试数据的可重复性，ShafTest?能够将高度复杂的数据以图形的方式呈现是它的另外一个显着特点。
图2 某主轴截面的测试数据
测试数据会以给定深度下的超声波横截面的形式呈现，同时也会显示一定比例的主轴图纸，以帮助评估是否可能存在回波。
ShafTest®的一个重要优势是能够比较历次的检测数据，以评估响应的变化，或比较相同设计的不同轴之间的数据，以直观地看到应进一步调查的差异。
按照我们的流程，保存好完整的主轴数据后，会由第二名经过培训的检验员对初版报告和测试数据进行审核。这一过程进一步提高了缺陷检出的概率，同时也是检查员之间持续培训和经验分享的机制。这个方法简单但非常有用。
ShafTest®在风电场项目的实际应用
案例一：浙江某风场某品牌风机发生主轴断裂，轮毂和叶片掉落到地面报废。业主邀请必维利用ShafTest®对该风场剩余的32台该品牌在役风机主轴进行检测。通过分析采集的主轴数据发现有两台风机的主轴存在异常信号，疑似表面开裂，必维团队建议业主对这两台风机的主轴立刻进行拆卸维护。在这两台风机的主轴被拆卸到地面后，必维团队又对主轴表面进行了常规超声波、磁粉、渗透检测，均发现表面存在裂纹，且裂纹的位置与深度和Shaftest®检测数据吻合。随后业主对这两台主轴进行了更换处理。
对于案例一的情况，如果采用传统的探伤手段，由于主轴工况以及主轴承位置等原因，很难检测到裂纹部位。如果采取逐台风机拆卸检测的方式，将产生巨额的拆卸费用和时间的浪费。上述检测过程中，ShafTest®只需每台风机要停机约2小时，为客户节约了宝贵的发电小时数，也避免了巨额的拆卸费用。
图3 某主轴拆卸后的裂纹照片
案例二：北方某风场某品牌风机发生主轴断裂，业主需要对其下属风场运行的该品牌风机进行主轴质量排查，共100多台。在充分了解ShafTest?的特点优势和业绩后，业主决定采用必维的ShafTest®技术手段进行排查。通过ShafTest®技术，排查出数十台风机的主轴存在不同程度的裂纹。更加重要的是，通过进一步ShafTest®检测数据的分析，发现这些主轴中有些主轴的裂纹已经沿径向方向扩展成环形或者趋于环形，一旦遭遇突变的外力，随时都可能发生断轴事故。对于这些缺陷较严重的风机，必维团队在第一时间通知业主，建议对这些风机采取停机维修处理。后续业主对部分风机主轴进行了拆卸，结果也验证了ShafTest®结论的正确性。
对于案例二的情况，ShafTest®技术表现出强大的可靠性，并且提高了缺陷的检出概率。同时，ShafTest®准确的检验结果为客户的风机维护策略提供了重要参考依据。
案例三：南方某风场某品牌风机发生主轴断裂，业主需要对其下属风场运行的该品牌风机进行主轴检测，涉及几十台风机。在必维入场之前，已有另外三家不同的检验公司分别采用常规UT、相控阵等技术进行了主轴检测，但是均没有查出问题。不过，业主结合日常维护时的异常情况，怀疑某几台风机的主轴已有裂纹，只是没被查出来。所以在得知必维的ShafTest®技术后，业主邀请必维对其高度怀疑的几根主轴进行检测。通过ShafTest®检测，果然查出其中某一台风机的主轴已出现较严重的裂纹。之后，业主决定对该台风机主轴进行更换处理。
对于案例三的情况，ShafTest®与其他技术相比，表现出对风电机组轴类部件检测的明显优势，为客户提供了可靠的解决方案，避免了已产生的裂纹未被检测到，保证了结论的准确性，避免了严重事故的发生。
总结与展望
ShafTest®是一种用于轴类部件的新型超声波检测技术，对于轴类部件的表面裂纹有较强的敏感性。在实际应用过程中也证实了该检测方法的可靠性，可以对在役风机主轴的定期检查以及维护保养提供可靠的数据依据。
作者：必维质量技术服务（上海）有限公司：张佳 姚斌
必维国际检验集团：Cotterill Guy；Romero-Sanz Ignacio
