《风电机组螺栓相控阵超声导波成像检测技术导则（报批稿）》编制说明

江苏省地方标准《风电机组螺栓相控阵超声导波成像检测技术导则》（报批稿）编制说明一、目的意义近年来，随着国家能源战略落地，我国风力发电产业取得了快速发展，风力发电机组安装投运数量急速增长，截止2021年底仅江苏省内风电机组装机总容量即达11000MW。风力发电机组由叶片、轮毂、主轴、机舱和塔筒等组成，塔筒、叶片、机舱等部件均由高强螺栓连接，在运行中受振动、冲击、扭转等疲劳载荷作用，经常发生松动、变形和断裂等严重危害风机安全运行的现象。2020年7月，河北某风电场发生一起风机倒塔事故，其直接原因是风机第一节与第二节塔筒连接螺栓断裂导致，现场对128根断裂螺栓检查发现其中12根螺栓存在疲劳裂纹，2021年江苏省内扬州、淮安等地亦发生了风机倒塔事故。由此可见，风电机组的大量投运，加大了江苏省内风电机组安全运行风险，而高强螺栓作为风电机组主要连接和承载部件，其质量情况直接影响连接可靠性进而影响整台风电机组的安全运行，因此对于风电机组在役螺栓缺陷的检测至关重要。同时，风电机组因其自身特点，在检修时不便对叶片等部件高强螺栓进行拆卸检测，而目前高强螺栓常规超声检测方法往往需要在拆卸情况下进行，致使风电机组在役螺栓在不拆卸情况下难以实施有效检测，导致上述螺栓仅能在断裂发现后被动更换，难以有效保障风电机组叶片等重要部件的安全运行。目前，国内尚无风电机组连接螺栓专用相控阵检测相关国家标准和行业标准。电力行业螺栓超声检测标准主要为DL/T694-2012《高温紧固螺栓超声检测技术导则》，该标准仅适用于火力发电机组汽缸、汽门、各种阀门和蒸汽管道法兰等直径不小于M32的高温紧固螺栓的超声检测，主要采用A型脉冲反射式超声波探伤仪，探头为小角度纵波斜探头、纵波直探头和横波斜探头，相控阵超声检测仅为辅助手段，以扇形扫查为主，仅关注螺纹区域，不能满足风电机组在役螺栓不拆卸原位整体检测要求。国内电力行业对直径M≤32mm的螺栓还没有相关的检验方法和导则；对于M＞32mm的高温紧固件检测依据DL/T694-2012《高温紧固螺栓超声检测技术导则》实施，一般采用直射纵波或小角度纵波检测方法进行，上述方法需要螺栓拆卸进行检测，无法满足风电机组在役螺栓不拆卸原位检测要求；同时检测效率相对较低，且由于超声侧壁干涉、波形转换等因素易造成缺陷漏检，不能完全解决小直径螺栓的裂纹检测问题，不适用于全部风电机组螺栓规格范围。目前，国外存在螺栓超声相控阵检测研究的相关报道，但多采用纵波扇扫描方式进行检测，该检测方法只能检测有限的距离（约为3倍近场区不能有效检测较长螺栓整体缺陷，且检测效率低。风电机组在役高强螺栓相控阵超声导波检测实施仅需要2名检测人员登塔作业，平均一天可完成3~5基风电机组螺栓的检测，相对于拆卸螺栓使用常规超声波检测方法，检测效率提高约60倍，检测费用节省约80%，具有较好的直接经济效益。同时，风电机组在役高强螺栓相控阵超声导波检测大大缩短了螺栓检测所需时间，减短了风电机组整体检修工期，能够节约间接检修费用，具有较好的简介经济效益。另外，风电机组在役高强螺栓相控阵超声导波检测能够有效检测出螺栓前期因疲劳失效产生的裂纹等危害缺陷，有力防范因裂纹等危害缺陷导致的螺栓断裂风险，进而避免螺栓断裂引发的风机倒塔事故，有极强的社会安全效益。本标准的制定为风电机组螺栓的相控阵超声检测提供了和质量评价提供统一的技术依据和技术规范，使检验人员在进行此项作业时能够规范化的选择和使用检测工艺，做到有据可依。提高了检测的准确性和可靠性。二、任务来源根据江苏省市场监督管理局《省市场监督管理局关于下达2022年度江苏省地方标准项目计划的通知》（苏市监标〔2022〕192号）要求，立项标准名称为《风电机组螺栓相控阵超声导波成像检测技术导则》，由江苏省特种设备安全检验与节能标准化技术委员会提出并归口。由江苏方天电力技术有限公司、南京华中检测有限公司、武汉中科创新技术股份有限公司、南京市锅炉压力容器检验研究院、国家电投集团江苏新能源有限公司、江苏省特种设备安全监督检验研究院等机构承担完成。三、编制过程2022年3月江苏方天电力技术有限公司通过江苏省特种设备检验与节能标准化委员会提出编制地方标准《风电机组螺栓相控阵超声导波成像检测技术导则》并进行前期调研，2022年6月29日该标准正式纳入江苏省地方标准立项计划，计划下达后，江苏方天电力技术有限公司、南京华中检测有限公司、武汉中科创新技术股份有限公司、南京市锅炉压力容器检验研究院、国家电投集团江苏新能源有限公司、江苏省特种设备安全监督检验研究院等机构成立了标准起草小组，启动了标准（1）前期项目调研阶段江苏方天电力技术有限公司前期针对风电机组在役螺栓原位检测特点进行了专项研究，应用相控阵超声导波检测技术解决此类检测难题，提出在役风电机组连接螺栓不拆卸原位检测方法，研制适用于风电机组在役高强螺栓现场检测的一维环形线阵换能器，能够仅从端面加载即可实现螺栓全方位、无死角检测。2021年至2022年，江苏方天电力技术有限公司在江苏省内多家风电场开展了大量风电机组在役高强螺栓现场检测工作，取得良好成效。经工作实践，在役风电机组每根高强螺栓检测时间约3~5秒，检测结果直接以成像方式展现和存储，形象直观，灵敏度高，具有较强可操作性。（2）标准起草阶段2022年7月~10月江苏方天电力技术有限公司和起草小组成员多次召开标准起草组研讨会，对标准立项稿进行深入讨论，主要讨论以下事宜：1、提出标准制修订原则，并进行讨论；2、审核《风电机组螺栓相控阵超声导波成像检测技术导则》讨论稿，并提出具体修改意见；3、针对提出的意见，讨论提出修改建议，并进行分工；4、确定下一步工作周期。（3）专家研讨、意见征求阶段2022年11月至2023年9月，标准起草组拟定了在江苏省范围内的调研方案，选取有代表性的风力发电企业、无损检测单位、科研院所、材料制造单位、风电机组安装单位开展调研，邀请蒂森克虏伯罗特艾德（徐州）环锻有限公司、苏州热工研究院有限公司、南京钢铁股份有限公司、江苏江南检测有限公司、常州市常超电子研究所、溧阳华能检测有限公司、华能江苏清洁能中国石化集团资产经营管理有限公司金陵石化分公司、南京金建无损检测有限公司、华电重工股份有限公司、中国能源建设集团江苏省电力建设第三工程有限公司、盐城国丰海上风力发电有限公司、江苏联能电力科学研究院有限公司、南通贝卡迪电力科技有限公司、紫泉能源技术股份有限公司、江苏瑞盈智拓电力科技发展有限公司、淮安市奇力风电有限公司、北京金风慧能技术有限公司、如东和风海上风力发电有限公司、江苏新能海力海上风力发电有限公司、江苏中光通讯技术有限公司、南京振翮电力技术有限公司、中国能源建设集团江苏省电力建设第一工程有限公司、苏州电力建设工程有限公司、畅达峰电力科技有限公司等27家单位作为调研对象，通过网络、发函、集中会议等形式，充分征集相关单位人员对标准讨论稿的修改意见。标准起草组对标准逐章逐条进行了认真细致地研讨，就标准部分内容提出具体的修改意见。经过多轮征求意见，共收到45条反馈意见，其中完全采纳17条，部分采纳13条，不采纳15条。起草组不断完善标准讨论稿，形成送审稿。（4）送审稿专家评审经充分征求意见后，本标准由江苏省特种设备安全检验与节能标准化委员会组织召开地方标准送审稿专家评审会。邀请了江苏省特种设备安全监督检验研究院、南京市标准化研究院、南京航空航天大学、国网冀北电力科学研究院有限公司、江苏江南检测有限公司5家单位的专家组成评审组。评审组经最终讨论，形成了5条会议意见。起草单位根据会议意见对本标准进行修订，于2023年12月将送审稿提交至江苏省特种设备安全检验与节能标准化技术委员会。（5）送审稿标准审查2024年9月27日由江苏省市场监督管理局标准化管理处组织召开江苏省地方标准审查会。会议邀请国家能源集团科学技术研究院有限公司、南京大学、工信部高速载运设施无损检测和监控技术重点实验室/南京航空航天大学、国家风电设备质量检验检测中心/江苏省风电装备标准化技术委员会、国网江苏省电力有限公司电力科学研究院、江苏江南检测有限公司、江苏电力装备有限公司7家单位的专家组成审查组，江苏省市场监督管理局特种设备安全监察处代表作为行业主管部门列席参加。本次审查会由国家能源集团科学技术研究院有限公司胡先龙正高级工程师担任审查组长。专家听取了标准起草单位汇报后，经质询与讨论后一致同意该标准通过审查，并建议对提出的11条意见修改完善后报批，审查组现场签署审查会会议纪要。起草单位根据会议纪要对本标准进行修订，于2024年12月将报批稿提交至江苏省特种设备安全检验与节能标准化技术委员会。四、主要内容技术指标确立本标准的编制遵循“面向市场、服务产业、自主制定、适时试验验证、产业推进、应用推广相结合，本着先进性、科学性、合理性和可操作性以及标准的目标、统一性、协调性、适用性、一致性和规范性的原则来进行本标准的制定工作。在制定过程中，本文件参照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》给出的规则起草。在确定本标准主要技术指标时，综合考虑国内火风力发电机组的具体发展情况，寻求最大的经济、社会效益，充分体现了标准在技术上的先进性和合理性。（1）完整性和准确性本标准制订时力求内容完整，所规定的条款清楚、准确、无歧义，能被未参加标准编制工作的专业人员所理解。（2）统一性标准结构、文体和用词前后保持一致。（3）标准间的协调性本标准与国家及电力行业相关标准之间保持协调、统一，避免本标准与相关标准间产生相互矛盾的现象。（4）适用性标准的内容便于实施，并易被其它标准引用。（5）先进性《风电机组螺栓相控阵超声导波成像检测技术导则》为无损检测方法和缺陷评价方法的标准，本标准规定了人员、设备、安全相关要求，统一了标准化的检测灵敏度和判废方法，使检验人员做到有据可依，为风电机组螺栓相控阵超声检测提供标准支撑，充分体现了检测技术先进性。本标准主要内容包括：本文件适用于外径不小于10mm且不大于100mm，长度不大于1500mm，长度与外径比值不小于10的碳钢及低合金钢制在役风电机组螺栓周向缺陷的不拆卸检测。检测范围来源于GB/T43480-2023无损检测相控阵超声柱面成像导波检测。2规范性引用文件本文件规范性引用文件而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日3术语和定义本文件使用术语和定义包括GB/T12604.1和GB/T12604.界定的术语，同时给出了周向线阵、柱面B扫描图像、柱面C扫描图像术语和定义。4检测原理相控阵超声柱面扫描是一种针对周向线阵超声探头的相位控制技术。该技术通过合成沿圆柱面扫描的声束实现成像显示。纵波以接近90度的入射角在圆柱侧面产生掠射现象,其中部分纵又部分转换为纵波,如此反复。这些超声波在圆柱结构件中受圆柱面约束,沿圆柱结构件长度方向传导,即超声柱面导波,可实现远距离传输并用于检测。5人员要求人员要求包括检测人员基本要求以及专项培训要求。6安全要求从事检测的人员应遵守安全工作的有关规定，当检测条件符合安全作业条件时，方可进行检测。7检测工艺规程检测工艺规程包括检测工艺规程和涉及的相关因素。8检测设备和器材包括检测仪器、探头、检测仪器和探头的组合性能的要求、对比试块加工制作要求。9检测准备包括资料查阅、检测面准备、探头选择。探头推荐频率及尺寸来源于GB/T43480-2023无损检测相控阵超声柱面成像导波检测。10检测设置扫查范围设置、仪器检查、灵敏度设置包括利用对比试块设置、利用螺栓工件自身设置。11检测实施实施检测、缺陷长度的测定及检查与复核包括检测过程中仪器和探头组合系统的复核、检测结束时仪器和探头组合系统的复核。12缺陷评定检测到最大反射波幅大于检测灵敏度或柱面B扫图像中超过标定颜色色标的显示信号，当其指示长度不小于5mm时，应判定为裂纹。指示长度小于5mm的显示信号不判定缺陷性质，可通过拆卸方式进行辅助判断。。13检测记录及报告应按照现场检测实际情况详细、客观记录检测过程的有关信本标准的全部内容，经过标准起草工作组协商一致。超声导波检测技术一直是无损检测领域中的重要方法。圆柱结构件是典型的波导结构，而超声波在圆柱波导中是以超声柱面导波的形式传播的，该导波信号包含传播过程中的全部信息。基于该检测原理，本标准将导波检测方法与图形成像技术相结合，以回波传播时间对缺陷定位，以回波幅度对应的色带对缺陷定量，直接将圆柱结构件内部结构进行成像显示，使检测人员对圆柱结构件质量情况一目了然，易于分析缺陷的大小和定位，大大降低了误判和漏判。本方法标准提出的检测方法操作简单，不需要人工转动探头，只需将探头放置在圆柱结构件端面上，即可完成检测，检测效率高，检测灵敏度高，信噪比好。试验论证过程：1）检测能力验证：（2）探头：周向线阵探头1个，探头型号：5C64-8×26。（3）对比试块：按照标准中适用范围要求，选取风电机组无缺陷的叶片螺栓制作人工缺陷，螺栓规格为M30×430，螺栓材质为42CrMo，强度等级为10.9。根据试验需要，1根不加工缺陷作为对照，另外2根参照图1在螺栓外表面不同位置加工相应深度的线切割槽,相邻线切割槽沿螺栓周向方向间隔120度且线切割槽方向垂直于螺栓轴线方向用以模拟裂纹，试样实物如图2所示，线切割槽的具体位置参数如表1所示。表1螺栓试块线切割槽的位置参数（mm）试块编号缺陷编号切向深度切槽距探测端距离#180230380#22-13802-23802-32.0380#3无缺陷- （4）设备参数设置：根据标准相关工艺要求，设置仪器参（5）缺陷判定：反射波B扫描图像达到或超过人工刻槽B扫描图像颜色色标和A扫描信号幅度达到或超过满屏20%的信号应注意其在工件上位置并结合结构特征作出综合判定。（6）验证结果汇总与分析：分别对#1、#2、#3试样进行检测，检测结果如图3、图4、图5所示，检测出的缺陷信息汇总#1试块扫描图像可见，底波前有3处明显信号显示区域，分别位于83mm-180mm、230mm-350mm、380mm深度范围内。我们对其中一个深度区域展开分析，在深度83mm-180mm区域线扫图像上出现了5个比较明显的回波信号，5个信号深度依次为89mm、111mm、133mm、156mm、178mm，相邻回波信号之间间距约22mm，计算可得此间距正好约为螺栓光杆处直径的0.7倍，所以后方4个信号为迟到波信号。B扫描图像上颜色的深浅反映了反射信号的大小，我们发现部分迟到波信号比缺陷直入射信号还要强，这是因为螺栓圆柱面有聚焦作用，导致侧壁干涉效应增强，所以迟到波显示比直达入射波还强。因此我们进行缺陷深度定位时，应以声程最短的第一个直达纵波信号为准。我们知道随着检测深度的增加，超声波束能量会不断衰减，但我们从图中可以看出缺陷1-1反射波幅反而比缺陷1-2反射回波幅度低，这是由于在缺陷1-1深度范围超声导波受到菲涅耳区的影响，声波相互叠加干涉，其横切面上声能分布不均匀而造成反射波幅降低。#2试块扫描图像可见，底波前在深度约383mm处可见3处明显缺陷信号显示，3处缺陷的深度位置及B扫描图像颜色色标与我们人工刻槽位置及尺寸大小完全吻合。#3试块扫描图像可见：无缺陷时仪器底波前除始波外无其他信号显示。由上述缺陷检测结果分析可知，该工艺对2个试样中的人工刻槽缺陷均能有效检出，且具有很高的信噪比。表2缺陷信息汇总如表试样编号缺陷编号深度位置最高波幅#180.258dB+75%232.758dB+97%382.158dB+56%#22-1383.058dB+57%2-2383.157dB+80%2-3382.956dB+80%#3无缺陷--2）自然裂纹缺陷检测及可靠性验证：采用该工艺对存在自然裂纹的叶片螺栓进行检测试验，螺栓规格为M30×550mm。检测结果如图6所示，在517.7mm深度位置出现缺陷信号显示，波幅56dB+90%。常规超声检测对比，采用常规脉冲反射法对该自然裂纹缺陷进行检测，常规超声结果如图7。由常规超声和相控阵超声导波成像检测结果对比可以看出，对于同当量大小缺陷，常规超声增益70dB时缺陷波高约35%，而相控阵超声导波增益46dB时缺陷波高约90%。由此可知，相控阵超声导波成像技术检测灵敏度高，缺陷信噪比好。对螺纹处进行清洗后进行磁粉检测，结果如图8，在第五圈螺纹齿根位置可见明显裂纹缺陷，用钢直尺测量缺陷深度位置与相控阵超声导波检测结果进行对比，测得实际裂纹深度位置与相控阵超声导波检测结果吻合。裂纹缺陷切向深度的验证，选取裂纹中部位置对螺栓取样解剖，解