基于声发射的风电塔筒缺陷诊断监测技术研究

发布时间：2021-04-25 02:07

风能是大自然中普遍存在的绿色、清洁新能源,受到世界各国人们的广泛关注和大力发展。风电塔筒作为风机的主要组成部件,长期服役于恶劣的自然环境中,因受周期性复杂载荷的激励及焊接接头缺陷的影响,塔筒很容易产生破坏性裂纹,从而导致塔筒结构的失效,严重威胁着风机系统的运行安全。塔筒一旦发生倒塌事故,会给企业带来巨大的经济损失,并且还可能会造成人员伤亡,因此对在役风电塔筒缺陷的实时在线监测显得尤为重要。通过对塔筒破坏性裂纹诱因的定性和定位研究,可及时对其采取有效的防范及补救措施,从而避免了塔筒倒塌事故的发生,为风电企业挽回巨大的经济损失。声发射检测作为一种新型的动态实时检测技术,可通过传感器的有效分布来实现大型结构件的整体检测,能够检测到在役塔筒存在的动态缺陷,且检测效率普遍高于常规的无损检测方法。声发射技术在工程检测领域的应用具有美好前景,并且将声发射检测技术应用于在役风电塔筒健康状态的评估及在线监测是可靠的。本文从在役风电塔筒检测的工程应用和实时监测出发,以塔筒本身及制造材料为研究主体,利用声发射仪采集了Q345E钢不同焊缝缺陷的特征AE信号,以及塔筒不同环焊缝处所产生的裂纹源AE信号,对其进行了处理和分析,探讨了引发破坏性裂纹产生的焊缝缺陷类型,通过缺陷图谱分析可实现焊缝不同类型缺陷的识别,并采用神经网络对缺陷的位置进行了准确定位,验证了声发射检测技术应用于风电现场塔筒监测的可行性。主要的研究工作及成果如下:针对塔筒制造过程中,焊接接头缺陷对风电塔筒运行安全的危害问题,本文通过对预制有内部缺陷的塔筒原材料(Q345E钢)焊缝试件进行三点弯曲试验,获取了不同类型缺陷的Q345E焊缝在弯曲损伤过程中的特征声发射信号。除了对不同缺陷焊缝原始声发射信号进行小波降噪和重构外,还对重构后不同焊缝缺陷的声发射信号进行了特征参量分析、FFT变换的频谱分析、小波时频分析、三维HHT变换的幅值分析,提取了不同类型缺陷特征信号在相同频率段内所占的能量比例系数。研究结果表明,在相同实验条件下,不同类型缺陷的AE信号在特征参数、频率及相同频率段内能量所占比例方面存在差异;对缺陷原始特征信号的降噪和重构,在降低了噪声信号的同时,提高了缺陷信号的信噪比,使特征信号更能反映缺陷的真实特征;对处理后的AE信号进行多种处理方法的比较,发现三维HHT变换的幅值图谱具有更好的局部分析能力和高分辨率,能更很好地反映出不同焊缝缺陷声发射信号的特征,可以有效识别出焊缝缺陷的类型。针对声发射传感器分布及信号衰减对神经网络定位输出结果的影响,此次研究以酒泉水电四局在建的2WM风电机组的下段塔筒为实验平台,通过断铅模拟裂纹声发射源的产生,在该平台上开展了信号传播衰减试验和缺陷声发射源定位试验。采用信号参数的能量、上升计数、幅值和RMS值描述了声发射信号的衰减性能,研究结果表明:声发射信号在塔筒中的有效传播距离在8米左右,将声发射监测技术应用于在役塔筒的实时监测是可行的;缺陷特征信号经过3条焊缝后,信号的幅值、上升计数、能量及RMS等特征参数符合衰变规律,随着其经过环焊缝条数的增多,声发射信号的波形在传播过程中发生了转换,使特征信号部分参数发生改变,这种变化会导致裂纹源定位的不准确。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM614

文章目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 研究背景

1.2 风电塔筒的常规无损检测技术

1.2.1 超声波检测

1.2.2 TOFD检测

1.2.3 磁粉检测

1.2.4 涡流检测

1.2.5 渗透检测

1.3 声发射技术研究现状

1.4 研究内容及意义

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究意义

1.5 本章小结

第二章声发射检测技术原理

2.1 声发射技术概述

2.2 声发射技术的特点

2.3 声发射信号的特征参数

2.4 声发射信号的分析及处理方法

2.4.1 声发射信号的类型

2.4.2 声发射信号的降噪

2.4.4 声发射信号波形分析

2.5 本章小结

第三章 Q345E钢缺陷焊缝的静载损伤声发射特性研究

3.1 焊接加工及常见缺陷

3.1.1 常见焊接方法

3.1.2 焊接接头形式

3.1.3 常见焊接缺陷

3.2 焊缝缺陷的预制

3.3 试验目的

3.4 试验系统及试验过程

3.4.1 试验系统

3.4.2 试验过程

3.5 Q345E钢试件弯曲损伤过程的声发射信号分析

3.6 缺陷焊缝声发射信号的快速傅里叶分析

3.7 缺陷焊缝声发射信号的小波分析

3.7.1 小波分析理论

3.7.2 声发射信号小波分析结果

3.8 缺陷焊缝声发射信号的希尔伯特黄分析

3.8.1 希尔伯特黄变换理论

3.8.2 希尔伯特黄变换分析结果

3.9 本章小结

第四章声发射信号在风电塔筒中衰减特性的研究

4.1 声发射源及声发射波

4.1.1 声发射源及波的产生

4.1.2 声发射波的传播模式

4.1.3 声发射波的传播速度

4.1.4 声发射波的折射、反射与模式转换

4.1.5 声发射波的衰减

4.2 衰减试验的目的

4.3 衰减试验系统及试验方案

4.3.1 衰减试验系统

4.3.2 衰减试验方案

4.4 衰减试验过程及分析

4.4.1 衰减试验过程

4.4.2 衰减声发射信号分析

4.5 本章小结

第五章神经网络在风电塔筒焊缝缺陷定位中的研究

5.1 声发射源的定位

5.1.1 区域定位

5.1.2 时差定位

5.2 试验目的

5.3 塔筒裂纹源定位试验系统及试验过程

5.3.1 试验系统

5.3.2 试验过程

5.4 BP神经网络的风电塔筒缺陷定位

5.4.1 BP神经网络理论

5.4.2 BP神经网络的设计与测试

5.5 本章小结

第六章结论与展望

6.1 主要结论

6.2 研究展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士期间所发表的论文

【参考文献】