Soluzioni a ultrasuoni a bassa frequenza per applicazioni specifiche per l'ispezione di pale di turbine eoliche GFRM e CFRM

Panoramica sulle esigenze di ispezione dei fissaggi delle pale delle turbine eoliche

Durante la sua vita operativa una pala eolica è soggetta a considerevoli sollecitazioni. Per assicurare una fondamentale resistenza trasversale del gruppo della pala, la componente superiore e inferiore della pala sono assemblate insieme attraverso le anime dei longheroni. La soletta del longherone, la parte della struttura che è fissata alle anime dei longheroni, è in genere costituita di GFRM (materiali rinforzati con fibre di vetro) o CFRM (materiali rinforzati con fibre di carbonio) spessa per una maggiore solidità strutturale. In questo modo l'integrità della pala eolica è fortemente dipendente dalla qualità della giunzione tra le solette e le anime dei longheroni.

Per verificare l'integrità del materiale e del fissaggio, Olympus ha sviluppato una serie di strumenti per completare la propria gamma di soluzioni di ispezioni a ultrasuoni phased array (PA) e ultrasuoni convenzionali (UT). Queste soluzioni sono completamente compatibili con i rilevatori di difetti OmniScan™ e possono inoltre essere usati con gli strumenti di acquisizione dei dati FOCUS PX (fino a 4 contemporaneamente) per assicurare una maggiore produttività.

Tipica sezione trasversale di una pala di una turbina eolica

Problematiche con le ispezioni dei fissaggi delle solette e delle anime dei longheroni delle pale mediante gli ultrasuoni

Visto che le solette e le anime dei longheroni sono fissate insieme attraverso uno strato adesivo di vari spessori, esistono due interfacce che devono essere esaminate: tra la soletta del longherone e l'adesivo; tra l'adesivo e l'anima del longherone.

Oltre alla complessità strutturale delle pale eoliche, le scarse proprietà acustiche dei materiali di assemblaggio può rappresentare un limite per le ispezioni. Le strutture delle pale eoliche sono in genere costituite da fibre di vetro e l'adesivo è costituito da resine epossidiche. Questi materiali attenuano molto velocemente i fasci ultrasonori, rendendo complicata l'ispezione ad ultrasuoni.

Visto che le sonde e i supporti standard non sono idonee alle ispezioni delle pale eoliche, abbiamo sviluppato delle soluzioni phased array e UT migliorate che possiedono un design ottimizzato delle sonde e dei supporti.

Mentre il rilevatore di difetti OmniScan™ X3 rappresenta lo strumento preferenziale per le ispezioni manuali o semi-automatizzate in fase di produzione o di manutenzione di sistemi in servizio, lo strumento di acquisizione FOCUS PX può essere usato nell'ambito di un sistema di ispezione automatizzato o personalizzato in fase di produzione.

Soluzioni

La gamma di soluzioni ultrasonori Olympus integra i seguenti strumenti:

• Sonda rotante phased array RollerFORM™ XL da 1 MHz
• Sonde phased array I5 da 0,5 MHz e 1 MHz e supporti SI5
• Sonda M2008 UT da 0,5 MHz e supporti SM2008

Scanner e sonda rotante phased array RollerFORM XL

Lo scanner RollerFORM XL rappresenta l'ultimo arrivato delle soluzioni di ispezione per pale eoliche Olympus. Con una bassa frequenza di 1 MHz e un'apertura di 13 mm, la sonda integrata dello scanner RollerFORM XL aggiunge, la maggiore capacità di penetrazione in materiali a alta attenuazione e la maggiore copertura, a tutti i vantaggi offerti dal collaudato scanner RollerFORM standard per il settore energetico eolico:

• Pacchetto trasportabile e di facile uso
• Confortevole da utilizzare, riducendo l'affaticamento, grazie al suo ergonomico design
• Encoder e guida laser integrati
• Pulsanti integrati per avviare l'acquisizione dei dati e per l'indicizzazione, permettono la mappatura 2D senza manipolare lo strumento OmniScan.
• Rullo riempito d'acqua costituito di un materiale con impedenza acustica simile all'acqua rende superfluo un sistema di accoppiamento che eroghi un costante flusso d'acqua.

Grazie ai 128 elementi con passo di 1 mm caratterizzati da multiplexing durante la scansione, lo scanner RollerFORM XL offre la copertura più ampia tra le nostre soluzioni per pale eoliche. Questo permette di incrementare l'efficienza di scansione su ampie pale eoliche, richiedendo un minore numero di passaggi per coprire l'area da ispezionare.

Sonda phased array I5 e supporti delle sonde SI5

Questa soluzione è basata su una sonda phased array a bassa frequenza con ampia apertura installata su un supporto. La sonda è disponibile con frequenze di 0,5 e 1 MHz con un altezza di 22 mm e un passo di 1,5 mm, permettendo una maggiore trasmissione di energia attraverso materiali spessi e ad elevata attenuazione. Il supporto è compatibile con un encoder per le ispezioni con encoding manuali oppure può essere installato su uno scanner GLIDER™ per la mappatura su due assi semiautomatizzata. Come nel caso dello scanner RollerFORM, gli elementi della sonda permettono il multiplexing del fascio ultrasonoro durante la scansione della pala.

Esistono due principali supporti della sonda: quello a semi-contatto in grado di posizionare la superficie della sonda in prossimità della superficie della componente e l'AQ25 che integra una linea di ritardo in Aqualene di 25 mm.

Il supporto con semi-contatto è ideale per l'ispezione di sezioni della pala più spesse. Il suo fascio a ultrasuoni a alta intensità energetica penetra più in profondità nella componente da ispezionare senza ripetizione dell'eco sulla superficie. Lo svantaggio è rappresentato da una zona morta più estesa in prossimità della superficie.

Il supporto di Aqualene migliora la risoluzione in prossimità della superficie ed è pertanto più indicato per componenti più sottili (fino a 40 mm di spessore).

Entrambe le tipologie di supporto sono disponibili nella variante piana o sagomata. Mentre il modello sagomato è ideale per la scansione nel senso della lunghezza della pala, il modello piano può essere usato per la scansione nel senso della larghezza.

Trasduttore a linea di ritardo M2008 e supporti SM2008

Questa soluzione di controllo a ultrasuoni (UT) rappresenta un'opzione conveniente per verificare l'integrità delle pale eoliche quando la copertura e la risoluzione C-scan sono fattori più trascurabili. Questa soluzione può inoltre essere usata con un encoder Mini-Wheel™ o installato sullo scanner GLIDER per l'acquisizione mediante encoding. Tuttavia esistono dei limiti da considerare. La mappatura di un'ampia superficie richiederà più tempo rispetto alle nostre soluzioni a ampia apertura, inoltre la probabilità di rilevamento (POD - probability of detection) dei difetti non è così elevata come con gli ultrasuoni phased array.

Come nel caso dei supporti SI5, il supporto SM2008-SC permette l'esecuzione di un'ispezione a semi-contatto delle componenti più spesse mentre il supporto SM2008-AQ25 con la linea di ritardo di Aqualene si 25 mm consente di ottenere una migliore risoluzione in prossimità della superficie su componenti spesse al massimo 40 mm.

Casi di studio utilizzando soluzioni di ispezione PA e UT per pale eoliche

Test 1: Ispezione volumetrica di soletta del longherone spessa

Campione

Questo test è stato eseguito su un campione sezionato di una pala di turbina eolica con due FBH (flat-bottom hole) di 12,5 mm posizionati a una profondità di 16 mm e 32 mm. Questi difetti creati appositamente per il test simulano la delaminazione nel volume della soletta del longherone.

Configurazione

Per le sonde phased array, le leggi focali a 0 gradi lineari sono stati usati con una focalizzazione a 25 mm nel materiale. La tensione è stata definita a 115 V e il guadagno corretto in funzione del tempo (TCG) stato usato per portare le due indicazioni a circa l'80% di ampiezza. La lunghezza dell'apertura attiva usata per ogni fascio è stata definita approssimativamente a 16 mm, corrispondente a 16 elementi con lo scanner RollerFORM XL e a 12 elementi con la sonda I5. La risoluzione è stata definita con incrementi di 1 elemento nel caso della I5 per una risoluzione di 1,5 mm e con incrementi di 2 elementi nel caso della sonda RollerFORM XL per una risoluzione di 2 mm La tensione nel trasduttore M2008 è stata definita a 295 V.

Risultati

Scanner RollerFORM XL

Dati A-scan, S-scan e C-scan dell'ampiezza acquisiti con uno scanner RollerFORM da 1MHz su un rilevatore di difetti OmniScan X3

Sonda I5 e supporto SI5

Sebbene il supporto a semi-contatto SI5 sarebbe stato l'opzione più logica per questo tipo di campione, è stato usato il supporto SI5-AQ25 per produrre dei risultati più confrontabili con lo scanner RollerFORM XL.

La seguente figura illustra i risultati ottenuti con il supporto SI5-AQ25 e la sonda I5 da 1 MHz.

Le indicazioni sono facilmente rilevati e rappresentati graficamente nell'S-scan e nel C-scan dell'ampiezza.

Dati A-scan, S-scan e C-scan dell'ampiezza acquisiti con un supporto I5 e SI5-AQ25 su un rilevatore di difetti OmniScan X5

Supporto M2008 e SM2008

Nuovamente, è stato scelto il supporto AQ25 invece del supporto a semi-contatto per produrre dei risultati che possano essere confrontati con lo scanner RollerFORM XL. La minore frequenza di 0,5 MHz, sebbene abbia prodotto una risoluzione della profondità leggermente ridotta, ha assicurato un eccellente rapporto del segnale-rumore (SNR, signal-to-noise ratio) visto che è meno influenzato dai layer multipli del materiale.

Dati A-scan, S-scan e C-scan dell'ampiezza acquisiti con un trasduttore UT M2008 e un supporto SM2008-AQ25 su un rilevatore di difetti OmniScan X3

Test 2: Ispezione del fissaggio delle anime dei longheroni

I test sono stati eseguiti su una pala eolica in produzione mediante uno scanner personalizzato con encoding su due assi simile alo scanner GLIDER™. I dati sono stati acquisiti con un rilevatore di difetti OmniScan MX2 con una sonda I5 PA da 1 MHz e un supporto a semi-contatto.

Il C-scan è usato per avere una vista completa del fissaggio delle anime dei longheroni. Le due linee blu rappresentano le interfacce di fissaggio delle anime dei longheroni con le solette dei longheroni. Il fascio a ultrasuoni si propaga nelle anime dei longheroni producendo una minore ampiezza nel segnale di ritorno. Il C-scan può inoltre essere usato per misurare l'ampiezza del fissaggio mediante i cursori di misura. In questo test, l'ampiezza è di circa 130 mm. Le aree rosse rappresentano i punti in cui il fissaggio è assente. In questi punti è possibile osservare che il segnale riflesso dall'eco di fondo della soletta del longherone è forte.

In questa applicazione lo strato adesivo è sufficientemente spesso da poter distinguere entrambe le interfacce. Mediante i cursori di misura nelle viste S-scan e A-scan, lo spessore dell'adesivo è stato determinato in 15 mm. di 25,4 mm.

Per l'ispezione di ampie aree in pale eoliche, l'uso di uno con encoding su 2 assi può rappresentare un vantaggio. Lo scanner GLIDER è disponibile in un formato ottimizzato per le applicazioni con pala eolica. L'asse lungo dello scanner GLIDER, avente una corsa di 1,8 m, viene posizionata lungo la lunghezza della pala eolica. La lunghezza del secondo asse è di 0,6 m in modo che possa essere idoneo per le tipiche configurazioni delle anime dei longheroni.

Test 3: Ispezione volumetrica di soletta del longherone

Questo test è stato eseguito su un campione con un FBH (flat-bottom hole) di 12,5 mm, il quale simula la laminazione nella soletta del longherone. In questo caso la soletta del longherone è relativamente sottile (7,7 mm). Per questa ragione, il supporto Aquelene (AQ25) è stato scelto per la sua capacità di rilevare i difetti in prossimità della superficie. La sonda è una I5 da 1 MHz.

Nella seguente immagine abbiamo una chiara rappresentazione del difetto simulato posizionato a 3,6 mm sotto la superficie.

Sintesi dei vantaggi delle soluzioni di ispezione delle pale eoliche a ultrasuoni Olympus

Olympus ha sviluppato una soluzione completa di controllo a ultrasuoni convenzionali (UT) e ultrasuoni phased array (PA) dedicate alle ispezioni di fissaggi delle solette e delle anime dei longheroni Sebbene l'attenuazione acustica, la forma e la struttura delle pale eoliche, rendono le loro ispezioni di difficile esecuzione, il design di questa soluzione, concepito attentamente, permette di risolvere queste problematiche producendo dei dati e delle immagini a alta risoluzione.

L'ispezione dell'integrità strutturale delle pale eoliche può beneficiare di tutti i vantaggi degli ultrasuoni phased array, permettendo un maggiore probabilità di rilevamento e una minore dipendenza dall'operatore. Quando si decide quale soluzione soddisfa le proprie esigenze, considera che lo scanner RollerFORM XL rappresenta l'opzione più conveniente per componenti con spessore massimo di 40 mm, mentre la soluzione I5-SI5 offre le migliori prestazioni in materiali più spessi e a maggiore attenuazione. La soluzione M2008 completa la serie come opzione conveniente per le ispezioni su aree target delle pale delle turbine eoliche.

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