虹科案例|太赫茲技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電渦輪機葉片涂層厚度與涂層內(nèi)缺陷檢測

1.挑戰(zhàn)：渦輪機葉片涂層損壞導(dǎo)致高額維護成本

為了應(yīng)對氣候危機，從電力和熱能到運輸和重工業(yè)，經(jīng)濟的各個方面都脫碳至關(guān)重要。為了實現(xiàn)這一目標，作為綠色能源的風(fēng)能，已經(jīng)逐漸成為人類能源的來源之一。

風(fēng)電應(yīng)用中，通常采用風(fēng)電渦輪機這種裝置來實現(xiàn)風(fēng)的動能到電能的轉(zhuǎn)變。而葉片是風(fēng)電渦輪機最關(guān)鍵的部件，它的結(jié)構(gòu)長期暴露在環(huán)境條件下，由此可能產(chǎn)生一些損傷，因此通常要對葉片采用涂層保護。這些涂層由多層先進材料組成，必須滿足高質(zhì)量要求，以確保渦輪機的平穩(wěn)運行。

然而，渦輪機的葉片涂層損壞是當前渦輪機產(chǎn)生故障的主要來源之一，由此會導(dǎo)致長時間的停機和昂貴的運營維護（O&M）費用，使得風(fēng)能行業(yè)面臨重大的經(jīng)濟損失，這是目前行業(yè)標準質(zhì)量控制流程中的技術(shù)還無法檢測到的。

實際上，風(fēng)能行業(yè)30%的O&M成本都用于葉片涂層的檢查或維護上。因此，為了降低這些成本，在安裝之前確保任何風(fēng)電渦輪機葉片的質(zhì)量水準至關(guān)重要，以避免過早失效。除此以外，還需要現(xiàn)場定期檢測風(fēng)電渦輪機葉片上的涂層缺陷，以防止意外停機。

通常，葉片涂層的質(zhì)量控制只能通過目視檢查進行。但是實際檢測的情況會更加復(fù)雜，由于渦輪機的葉片暴露于高熱、機械和化學(xué)應(yīng)力下，涂層的內(nèi)部完整性經(jīng)常有所損傷，肉眼無法察覺。此外，微小的外部缺陷往往預(yù)示著內(nèi)部隱藏著更大的問題，基于目視檢查的維修活動并不能解決根本問題。目前，至少有1/3已維修的渦輪機零件最終仍然需要再次進行維修操作。對于涂層內(nèi)部的質(zhì)量控制，有時只能使用破壞性的統(tǒng)計分析方法，但是這樣的檢查方式花費時間長，對葉片可能造成明顯損傷，反而增加了維護成本。

因此，風(fēng)電行業(yè)迫切需要一種全新的檢測技術(shù)，能夠探測葉片涂層的內(nèi)部是否存在缺陷，檢測過程不會對被測葉片及涂層造成損傷，并且適應(yīng)生產(chǎn)制造與現(xiàn)場維護等多場景的應(yīng)用。

2. 太赫茲無損檢測技術(shù)

太赫茲波具有優(yōu)異的穿透性，通過太赫茲時域光譜技術(shù)的反射式、無接觸、非電離輻射的檢測方式不會對葉片涂層造成任何可能的損傷，專業(yè)算法可以實現(xiàn)厚度與粘附性檢測，具體包括涂層厚度檢測、吸附控制、磨砂缺陷檢測、孔隙檢測、空洞缺陷檢測與氣泡檢測，從而對涂層的內(nèi)部損傷實現(xiàn)快速的評估與檢測。

太赫茲技術(shù)可以對任何涂層結(jié)構(gòu)和任何風(fēng)車葉片的涂層進行深入表征，適用于任何基材：復(fù)合材料（碳或玻璃）和金屬（鋼、鋁、鈦、鎂等）。這種可以量化涂層間粘附性的無損檢測工具，能夠預(yù)測可能的缺陷，從而防止已安裝的渦輪風(fēng)車的停機和葉片更換，還可以應(yīng)用于船舶與航空航天領(lǐng)域的零部件生產(chǎn)檢測與部件維護等。

虹科提供的 Notus 無損檢測系統(tǒng)，是市場上唯一能夠有效檢測風(fēng)電渦輪機的葉片涂層內(nèi)部缺陷的無損檢測工具。特別的是，基于相同的太赫茲探測原理，Notus 系統(tǒng)針對不同的使用場景開發(fā)了不同的版本，適應(yīng)實驗室、工廠制造與現(xiàn)場維護的特定場景的應(yīng)用需求。

3、結(jié)果：更可靠、成本更低的葉片涂層控制

西門子歌美颯（Siemens-Gamesa）是世界風(fēng)能行業(yè)的先驅(qū)，致力于為世界范圍提供利用風(fēng)能的尖端技術(shù)釋放風(fēng)能的未來潛力，以應(yīng)對當今最大的挑戰(zhàn)：氣候危機。西門子-歌美颯目前已經(jīng)在約90個國家開展風(fēng)電業(yè)務(wù)，提供廣泛的陸上風(fēng)能渦輪機技術(shù)，涵蓋所有風(fēng)力能級與現(xiàn)場條件，還提供海上風(fēng)力發(fā)電的解決方案與服務(wù)。

遍布世界的風(fēng)電渦輪機對西門子-歌美颯的運營維護能力而言是一個巨大的挑戰(zhàn)，同樣地，風(fēng)能行業(yè)普遍存在的渦輪機葉片涂層損害造成的停機與維護成本也是西門子歌美颯面臨的難題。

太赫茲技術(shù)成為了西門子歌美颯的首要選擇。通過在風(fēng)車葉片制造質(zhì)量控制過程中利用基于太赫茲技術(shù)的 Notus 系統(tǒng)，可以實現(xiàn)更可靠、更低成本的葉片涂層控制。自2017年以來，西門子歌美颯一直依靠 Notus 系統(tǒng)進行風(fēng)電渦輪機葉片涂層的制造質(zhì)量控制。

通過利用不同版本的 Notus 系統(tǒng)，材料研究部門能夠利用 Notus-lab 實現(xiàn)對涂層材料的快速準確表征與研究，以選擇出最優(yōu)的涂層材料，并深入了解材料的性質(zhì)與損傷情況。葉片制造工廠能夠利用 Notus-factory 檢測大面積的葉片涂層情況，通過厚度優(yōu)化與減少返工來達到節(jié)省材料的目的。最為重要的是，Notus-field 是一種便攜式設(shè)備，不僅可以用于制造工廠，還可以移動到物流中心和風(fēng)電現(xiàn)場進行預(yù)防性或糾正性維護的檢測，降低了返工成本與維修的時間與難度。

得益于太赫茲技術(shù)，西門子歌美颯可以在生產(chǎn)過程中和整個使用壽命期間獲得有關(guān)風(fēng)車葉片涂層狀況的實時數(shù)據(jù)。Notus 的使用表明，風(fēng)電場運營商每年可能節(jié)省10%的運維成本，考慮到目前風(fēng)能行業(yè)每年的運維支出為150億，這是一個巨大的節(jié)省成本的機會。

審核編輯黃宇