Solutions d’inspection par ultrasons à basse fréquence des pales d’éoliennes renforcées de fibres de verre ou de carbone

Nécessité d’inspecter les joints de collage sur les pales d’éoliennes

Pendant toute leur durée de vie, les pales d’éoliennes sont soumises à des forces ascensionnelles considérables. Pour assurer leur résistance au cisaillement, les demi-coques sont assemblées par des joints de collage apposés de chaque côté d’un ensemble d’âmes de cisaillement. La semelle de longeron, soit la partie de la coque qui est collée aux âmes de cisaillement, est généralement constituée de matériaux épais renforcés de fibres de verre ou de carbone, ce qui apporte une solidité structurelle supplémentaire. L’intégrité de la pale dépend en grande partie de la qualité des joints de collage entre les âmes de cisaillement et les semelles de longeron.

Pour vérifier l’intégrité des matériaux et des joints de collage, Olympus a conçu divers outils qui viennent s’ajouter à sa gamme de solutions d’inspection par ultrasons multiéléments (PA) et conventionnels (UT). Ces solutions sont entièrement compatibles avec les appareils de recherche de défauts OmniScan™ et peuvent également être utilisées avec les unités d’acquisition de données FOCUS PX (jusqu’à 4 à la fois) pour obtenir un rendement supérieur.

Coupe transversale classique d’une pale d’éolienne

Problèmes liés à l’inspection par ultrasons des joints de collage entre les semelles de longeron et les âmes de cisaillement

Comme l’âme de cisaillement et la semelle de longeron sont liées par une couche d’adhésif d’épaisseur variable, il y a deux interfaces à examiner, soit (1) l’interface entre la semelle de longeron et l’adhésif et (2) celle entre l’adhésif et l’âme de cisaillement.

En plus de la complexité structurelle des pales d’éoliennes, la nature acoustiquement défavorable des matériaux d’assemblage peut constituer un obstacle à l’inspection. Les coques des pales d’éoliennes sont généralement composées de fibre de verre, et l’adhésif est en époxyde. Ces matériaux atténuent très rapidement le faisceau ultrasonore, ce qui rend difficile l’inspection par ultrasons.

Comme les sondes et les supports de sondes standards ne sont pas adaptés aux inspections des pales d’éoliennes, nous avons développé des solutions PA et UT améliorées qui présentent un design de sondes et de supports optimisé.

Alors que l’appareil de recherche de défauts OmniScan™ X3 est idéal pour l’inspection manuelle ou semi-automatisée pendant la fabrication et pour l’inspection en service, l’unité d’acquisition FOCUS PX peut quant à elle être intégrée à un système d’inspection automatisé sur mesure utilisé pendant la fabrication.

Solutions

La gamme de solutions à ultrasons d’Olympus comprend les outils suivants :

• Sonde multiélément montée sur roue RollerFORM™ XL de 1 MHz
• Sondes multiéléments I5 de 0,5 MHz et de 1 MHz et supports SI5
• Sonde UT M2008 de 0,5 MHz et supports SM2008

Scanner à sonde multiélément montée sur roue RollerFORM XL

Le scanner RollerFORM XL constitue le plus récent ajout aux solutions d’inspection de pales d’éoliennes d’Olympus. Offrant une basse fréquence de 1 MHz et une ouverture de 13 mm, la sonde intégrée au scanner RollerFORM XL permet une meilleure pénétration dans les matériaux à forte atténuation et une couverture plus large en plus de tous les avantages suivants qui sont aussi offerts par le scanner RollerFORM standard éprouvé sur le terrain pour l’industrie de l’énergie éolienne :

• Ensemble transportable et facile à utiliser
• Design ergonomique apportant un excellent confort d’utilisation et réduisant la fatigue
• Codeur et guide laser intégrés
• Boutons intégrés permettant de démarrer l’acquisition de données et d’effectuer l’indexation pour obtenir la cartographie 2D sans qu’il soit nécessaire de manipuler l’appareil OmniScan
• Pneu rempli de liquide et fait d’un matériau dont l’impédance acoustique est similaire à celle de l’eau – il élimine le besoin d’utiliser un système de couplage pour fournir une alimentation en eau constante

Grâce à ses 128 éléments séparés par un pas de 1 mm et multiplexés lors du balayage, le scanner RollerFORM XL est l’appareil qui offre la plus grande couverture parmi nos solutions d’inspection de pales d’éoliennes. Il vous permet donc d’augmenter l’efficacité de votre balayage sur les grandes pales d’éoliennes, car moins de passes sont nécessaires pour couvrir la zone à inspecter.

Sondes multiéléments I5 et supports de sonde SI5

Cette solution est fondée sur une sonde multiélément à basse fréquence et à grande ouverture montée sur un support. La sonde est offerte dans des fréquences de 0,5 MHz et 1 MHz et présente une élévation de 22 mm et un pas de 1,5 mm, ce qui fait en sorte qu’une plus grande quantité d’énergie peut traverser les matériaux épais à forte atténuation. Le support peut être équipé d’un codeur pour la réalisation d’une inspection manuelle codée ou monté sur un scanner GLIDER™ pour la production d’une cartographie semi-automatique à deux axes. Comme avec le RollerFORM, le faisceau ultrasonore est multiplexé sur les éléments de la sonde pendant le déplacement du scanner le long de la pale.

Il y a deux supports de sonde principaux, soit le modèle semi-contact qui positionne la surface de la sonde près de la surface de la pièce, et le modèle AQ25, qui comporte une ligne à retard en Aqualene de 25 mm.

Le support semi-contact est idéal pour l’inspection des sections plus épaisses de la pale. Son faisceau ultrasonore à haute énergie pénètre plus profondément dans la pièce sans que l’écho de surface soit répété. L’inconvénient, c’est qu’il y a une zone morte accrue près de la surface.

Le support en Aqualene améliore la résolution près de la surface et est donc plus adapté pour les composants plus minces (jusqu’à 40 mm d’épaisseur).

Les deux modèles sont disponibles en version plate ou courbée. Alors que le modèle courbé est idéal pour effectuer des balayages sur la longueur de la pale, le modèle plat peut quant à lui être utilisé pour effectuer des balayages sur la largeur.

Sonde à ligne à retard M2008 et supports SM2008

Cette solution d’inspection par ultrasons conventionnels constitue une option abordable pour évaluer l’intégrité des pales d’éoliennes lorsque la couverture et la résolution des C-scans ont moins d’importance. Cette solution peut également être utilisée avec un codeur Mini-Wheel™ ou montée sur le scanner GLIDER pour la réalisation d’une acquisition codée. Il y a toutefois des limites à prendre en compte. La cartographie d’une grande surface prendra plus de temps à se faire qu’avec nos solutions à plus grande ouverture, et la probabilité de détection des défauts n’est pas aussi élevée que lorsqu’on utilise la technologie multiélément.

Tout comme les supports SI5, le support SM2008-SC permet une inspection semi-contact pour les pièces épaisses, alors que le support SM2008-AQ25, avec sa ligne à retard en Aqualene d’une hauteur de 25 mm, offre une meilleure résolution à faible profondeur sur des pièces d’une épaisseur allant jusqu’à 40 mm.

Études de cas où les solutions d’inspection PA et UT de pales d’éoliennes ont été utilisées

Test 1 : Inspection du volume d’une semelle de longeron épaisse

Échantillon

Ce test a été effectué sur un échantillon de pale d’éolienne comportant deux trous à fond plat d’un diamètre de 12,5 mm et positionnés à 16 mm et 32 mm de profondeur. Ces défauts volontairement créés simulent une délamination dans le volume de la semelle de longeron.

Configuration

Pour les sondes multiéléments, des lois focales linéaires droites ont été utilisées avec une focalisation à 25 mm dans le matériau. La tension a été réglée à 115 V et un gain corrigé en fonction du temps (TCG) a été utilisé pour amener les deux indications à environ 80 % d’amplitude. La longueur de l’ouverture active utilisée pour chaque faisceau a été fixée à environ 16 mm, ce qui représente 16 éléments avec le scanner RollerFORM XL et 12 éléments avec la sonde I5. En ce qui concerne la résolution, une incrémentation de 1 élément a été réglée sur la sonde I5 pour une résolution de 1,5 mm, et une incrémentation de 2 éléments a été réglée sur la sonde RollerFORM XL pour une résolution de 2 mm. La tension sur la sonde M2008 a été réglée à 295 V.

Résultat

Scanner RollerFORM XL

Données A-scan, S-scan et C-scan d’amplitude acquises au moyen d’un scanner RollerFORM XL de 1 MHz et affichées sur un appareil de recherche de défauts OmniScan X3

Sonde I5 et support SI5

Bien que le support semi-contact SI5 aurait été un choix plus logique pour cet échantillon, nous avons utilisé le support SI5-AQ25 pour fournir des résultats qui se comparent plus facilement à ceux du scanner RollerFORM XL.

La figure suivante montre les résultats obtenus avec le support SI5-AQ25 et la sonde I5 de 1 MHz.

Les deux indications sont facilement détectées et affichées dans le S-scan et le C-scan d’amplitude.

Données A-scan, S-scan et C-scan d’amplitude acquises au moyen d’une sonde I5 et d’un support SI5-AQ25 et affichées sur l’appareil de recherche de défauts OmniScan X3

Sonde M2008 et support SM2008

Encore une fois, nous avons choisi d’utiliser le support AQ25 plutôt que le support semi-contact pour fournir des résultats qui se comparent plus facilement à ceux du scanner RollerFORM XL. La fréquence inférieure de 0,5 MHz, bien qu’elle ait entraîné une légère réduction de la résolution de la profondeur, a fourni un excellent rapport signal sur bruit, car elle était moins affectée par les multiples couches dans le matériau.

Données A-scan, B-scan et C-scan d’amplitude acquises au moyen d’une sonde UT M2008 et d’un support SM2008-AQ25 et affichées sur l’appareil de recherche de défauts OmniScan X3

Test 2 : Inspection des joints de collage sur les âmes de cisaillement

Des tests ont été effectués sur une pale d’éolienne en cours de fabrication à l’aide d’un scanner à codage sur deux axes personnalisé similaire au scanner GLIDER™. Les données ont été acquises au moyen d’un appareil de recherche de défauts OmniScan MX2, d’une sonde PA I5 de 1 MHz et d’un support semi-contact.

Le C-scan permet d’avoir une vue globale du joint de collage sur les deux âmes de cisaillement. Les deux lignes bleues représentent les interfaces de collage entre les âmes de cisaillement et la semelle de longeron. Le faisceau ultrasonore se propage dans les âmes de cisaillement, ce qui entraîne une plus faible amplitude pour le signal de retour. Le C-scan peut également être utilisé pour mesurer la largeur du joint de collage à l’aide de curseurs de mesure. Dans le cadre de ce test, la largeur du joint était d’environ 130 mm. Les zones rouges représentent les endroits où il n’y a pas d’adhésif. À ces endroits, on peut observer que le signal réfléchi par la paroi arrière de la semelle de longeron est fort.

Dans le cadre de cette application, la couche d’adhésif était suffisamment épaisse pour que les deux interfaces puissent être distinguées. En utilisant les curseurs de mesure dans les vues S-scan et A-scan, on a pu déterminer que la couche d’adhésif avait une épaisseur de 15 mm.

Pour inspecter de grandes surfaces sur les pales d’éoliennes, l’utilisation d’un scanner à codage sur deux axes peut être avantageuse. Le scanner GLIDER est offert dans un format optimisé pour l’inspection de pales d’éoliennes. L’axe long du scanner GLIDER, qui présente une course totale de 1,8 mètre, est placé le long de la pale d’éolienne. La longueur du deuxième axe est de 0,6 mètre; il peut donc couvrir les configurations courantes d’âmes de cisaillement.

Test 3 : Inspection du volume d’une semelle de longeron mince

Ce test a été effectué sur un échantillon comportant un trou à fond plat (FBH) de 12,5 mm, lequel simule un défaut de stratification dans la semelle de longeron. Dans ce cas, la semelle de longeron est relativement mince (7,7 mm). Pour cette raison, le support en Aquelene (AQ25) a été choisi en raison de sa capacité à détecter les défauts plus près de la surface. La sonde est une I5 de 1 MHz.

Dans l’image ci-dessous, nous avons une vue claire du défaut simulé situé à 3,6 mm sous la surface.

Résumé des avantages des solutions d’Olympus pour l’inspection par ultrasons de pales d’éoliennes

Olympus a développé une solution complète composée de dispositifs à ultrasons multiéléments (PA) et conventionnels (UT) et dédiée à l’inspection des joints de collage entre les semelles de longeron et les âmes de cisaillement. Bien que l’atténuation acoustique des pales d’éolienne ainsi que leur forme et leur structure rendent l’inspection difficile, cette solution soigneusement conçue résout ces problèmes tout en fournissant des données et une imagerie à haute résolution.

Lors de l’inspection de l’intégrité structurelle des pales d’éoliennes, on peut bénéficier de tous les avantages des ultrasons multiéléments, notamment des probabilités de détection augmentées et des inspections moins dépendantes de l’opérateur. Lorsque vous devez déterminer quelle solution correspond le mieux à vos besoins, rappelez-vous que le scanner RollerFORM XL est l’option la plus pratique pour les pièces d’une épaisseur allant jusqu’à 40 mm, tandis que la solution avec sonde I5 et support SI5 offre un meilleur rendement sur des matériaux plus épais et à plus forte atténuation. La solution M2008 vient compléter la gamme en tant qu’option abordable pour les inspections sur des zones ciblées des pales d’éoliennes.

Téléchargez la brochure pour obtenir de plus amples renseignements.