Soluções ultrassônicas de baixa frequência específicas de aplicações para a inspeção de pás de turbina eólica de PRFV e PRFC

Visão geral dos requisitos de inspeção da união da pá da turbina eólica

Ao longo de sua vida operacional, uma pá eólica está sujeita a forças de elevação consideráveis. Para garantir a resistência ao cisalhamento essencial do conjunto da pá, as cascas superior e inferior da pá são unidas em torno de um conjunto de almas. A longarina, a parte da casca que é unida às almas, é geralmente feita de PRFV (polímeros reforçados com fibra de vidro) ou PRFC (polímeros reforçados com fibra de carbono) para maior solidez estrutural. A integridade da pá eólica depende muito da qualidade da união entre as almas e as longarinas.

Para verificar a integridade do material e da união, a Olympus desenvolveu um conjunto de ferramentas para completar sua linha de soluções de inspeção de Phased Array (PA) e testes ultrassônicos (UT). Essas soluções são totalmente compatíveis com os detectores de falhas OmniScan™ e podem ser usadas com instrumentos de aquisição de dados FOCUS PX, até 4 por vez, para obter um rendimento mais alto.

Seção transversal típica de uma pá de turbina eólica

Problemas na inspeção da união da longarina e da alma usando ultrassom

Como a alma e a longarina são unidas por uma camada de adesivo de espessuras variáveis, há duas interfaces que devem ser examinadas: (1) entre a longarina e o adesivo e (2) entre o adesivo e a alma.

Além da complexidade estrutural das pás eólicas, a natureza acusticamente hostil dos materiais de montagem pode ser um obstáculo para a inspeção. As cascas das pás eólicas são normalmente fabricadas com fibra de vidro e o adesivo é feito de epóxi. Esses materiais atenuam o feixe ultrassônico muito rapidamente, tornando o exame ultrassônico um desafio.

Como as sondas e suportes padrão não são adaptados para inspeções de pás eólicas, desenvolvemos soluções aprimoradas de Phased Array e UT que apresentam um design otimizado de sonda e suporte.

Embora o detector de falhas OmniScan™ X3 seja o instrumento de escolha para inspeção manual ou semiautomática durante a fabricação ou inspeção em serviço, o instrumento de aquisição FOCUS PX pode ser usado como parte de um sistema de inspeção automatizado personalizado na fabricação.

Soluções

A linha de soluções ultrassônicas da Olympus é composta pelas seguintes ferramentas:

• Sonda Phased Array em forma de rolo RollerFORM™ XL de 1 MHz
• Sondas Phased Array I5 de 0,5 MHz e 1 MHz e suportes SI5
• Sonda UT M2008 de 0,5 MHz e suportes SM2008

Escâner e sonda Phased Array em forma de rolo RollerFORM XL

O escâner RollerFORM XL é a mais recente adição às soluções de inspeção de pás eólicas da Olympus. Com sua baixa frequência de 1 MHz e abertura de 13 mm (0,51 pol.), a sonda integrada do escâner RollerFORM XL adiciona melhor penetração em materiais atenuantes e cobertura mais ampla para todas as vantagens oferecidas pelo escâner RollerFORM padrão comprovado em campo para o setor de energia eólica:

• Pacote transportável e fácil de usar
• Confortável de operar, reduz a fadiga devido ao seu design ergonômico
• Codificador incorporado e guia de laser
• Os botões integrados para iniciar a aquisição de dados e para indexação permitem o mapeamento 2D sem manipular o instrumento OmniScan.
• O pneu com enchimento de líquido feito de material com uma impedância acústica semelhante à da água elimina a necessidade de um sistema de acoplamento para fornecer um fluxo constante de água.

Graças aos seus 128 elementos com passo de 1 mm (0,04 pol.) que são multiplexados durante o escaneamento, o escâner RollerFORM XL oferece a maior cobertura de nossas soluções para pás eólicas. Isso ajuda a aumentar a eficiência do escaneamento em pás eólicas grandes, exigindo menos passagens para cobrir a área a ser inspecionada.

Sonda Phased Array I5 e suportes de sonda SI5

Esta solução é baseada em uma sonda Phased Array de baixa frequência e grande abertura, que é montada em um suporte. A sonda está disponível em frequências de 0,5 e 1 MHz e apresenta uma elevação de 22 mm e um passo de 1,5 mm, permitindo que mais energia se desloque por materiais espessos e atenuantes. O suporte pode ser equipado com um codificador para inspeção manual codificada ou montado em um escâner GLIDER™ para mapeamento semiautomático de 2 eixos. Assim como no escâner RollerFORM, o feixe ultrassônico é multiplexado pelos elementos da sonda enquanto é movido ao longo da pá.

Existem dois suportes principais de sonda: o design de semicontato posiciona a superfície da sonda perto da superfície da peça, enquanto o design AQ25 apresenta uma linha de atraso Aqualene de 25 mm (1 pol.).

O suporte de semicontato é ideal para inspecionar seções mais espessas da pá. Seu feixe ultrassônico de alta energia penetra mais profundamente na peça sem qualquer repetição de eco na superfície. A desvantagem é um aumento da zona morta próxima à superfície.

O suporte Aqualene melhora a resolução perto da superfície e, portanto, é mais adaptado para componentes mais finos (até 40 mm [1,6 pol.] de espessura).

Ambos os designs vêm em uma variação plana ou contornada. Enquanto o modelo contornado é ideal para o escaneamento ao longo do comprimento da pá, o modelo plano pode ser usado para escanear ao longo da largura.

Transdutor de linha de atraso M2008 e suportes SM2008

Esta solução de teste ultrassônico (UT) representa uma opção acessível para avaliar a integridade da pá eólica quando a cobertura e a resolução do C-scan são menos preocupantes. Esta solução também pode ser usada com um codificador Mini-Wheel™ ou montada no escâner GLIDER para aquisição codificada. No entanto, há limitações a serem consideradas. Mapear uma grande superfície levará mais tempo do que com nossas soluções de abertura maior e a probabilidade de detecção (POD) de defeitos não é tão alta quanto ao usar Phased Array.

Da mesma forma que os suportes SI5, o suporte SM2008-SC oferece uma inspeção de semicontato para peças mais espessas e o SM2008-AQ25 com sua linha de atraso Aqualene de 25 mm (1 pol.) de altura oferece melhor resolução próxima à superfície em peças de até 40 mm (1,6 pol.) de espessura.

Estudos de caso usando soluções de inspeção de pás eólicas com PA e UT

Teste 1: Inspeção de volume de longarina espessa

Amostra

Este teste foi realizado em uma amostra seccionada de uma pá de turbina eólica com dois orifícios de fundo plano (FBH) de 12,5 mm (0,5 pol.) de diâmetro, posicionados a 16 mm (0,6 pol.) e 32 mm (1,2 pol.) de profundidade. Essas falhas fabricadas simulam a delaminação dentro do volume da longarina.

Configuração

Para sondas Phased Array, foram usadas leis focais lineares de 0 graus com um foco a 25 mm (1 pol.) no material. A tensão foi definida para 115 V e o ganho corrigido pelo tempo (TCG) foi usado para levar as duas indicações para aproximadamente 80% de amplitude. O comprimento de abertura ativa usado para cada feixe foi definido em aproximadamente 16 mm (0,6 pol.), o que representa 16 elementos com o escâner RollerFORM XL e 12 elementos com a sonda I5. A resolução foi definida para incrementos de 1 elemento na I5 para uma resolução de 1,5 mm (0,06 pol.) e para incrementos de 2 elementos na sonda RollerFORM XL para uma resolução de 2 mm (0,08 pol.). A tensão no transdutor M2008 foi definida como 295 V.

Resultados

Escâner RollerFORM XL

Dados de A-scan, S-scan e C-scan de amplitude adquiridos com um escâner RollerFORM XL de 1 MHz em um detector de falhas OmniScan X3

Sonda I5 e suporte SI5

Embora o suporte de semicontato SI5 fosse uma escolha mais lógica para esta amostra, o suporte SI5-AQ25 foi usado para fornecer resultados mais comparáveis ao escâner RollerFORM XL.

A figura a seguir mostra os resultados obtidos com o suporte SI5-AQ25 e a sonda I5 de 1 MHz.

Ambas as indicações são facilmente detectadas em imagens no S-scan e no C-scan de amplitude.

Dados de A-scan, S-scan e C-scan de amplitude adquiridos com uma I5 e um suporte SI5-AQ25 em um detector de falhas OmniScan X3

M2008 e suporte SM2008

Novamente, o suporte AQ25 foi escolhido em vez do suporte de semicontato, para fornecer resultados que podem ser comparados com o escâner RollerFORM XL. A frequência inferior de 0,5 MHz, embora tenha resultado em uma resolução de profundidade ligeiramente reduzida, forneceu uma excelente relação sinal-ruído (SNR), pois foi menos afetada pelas várias camadas do material.

Dados de A-scan, B-scan e C-scan de amplitude adquiridos com um transdutor UT M2008 e suporte SM2008-AQ25 em um detector de falhas OmniScan X3

Teste 2: Inspeção da união da alma

Os testes foram realizados em uma pá eólica em fabricação usando um escâner codificado de 2 eixos personalizado semelhante ao escâner GLIDER™. Os dados foram adquiridos com um detector de falhas OmniScan MX2, com uma sonda PA I5 de 1 MHz e um suporte de semicontato.

O C-scan é usado para ter uma visão abrangente da união das duas almas. As duas linhas azuis representam as interfaces de união das almas com a longarina. O feixe de ultrassom se propaga nas almas, resultando em uma amplitude menor para o sinal de retorno. O C-scan também pode ser usado para medir a largura da união usando cursores de medição. Neste teste, a largura foi de aproximadamente 130 mm (5,1 pol.). As áreas vermelhas representam onde não há união. Observamos ali que o sinal refletido da parede traseira da longarina é forte.

Nesta aplicação, a camada adesiva era espessa o suficiente para que ambas as interfaces pudessem ser distinguidas. Usando os cursores de medição nas visualizações S-scan e A-scan, o adesivo foi determinado como sendo de 15 mm (0,6 in.) de espessura.

Para inspecionar grandes áreas em pás eólicas, o uso de um escâner codificado de 2 eixos pode ser benéfico. O escâner GLIDER está disponível em um formato otimizado para aplicação em pá eólica. O eixo longo do escâner GLIDER, que apresenta um curso total de 1,8 metros (72 pol.), é colocado ao longo do comprimento da pá eólica. O comprimento do segundo eixo é de 0,6 metros (24 pol.) para que ele possa cobrir configurações típicas da alma.

Teste 3: Inspeção do volume de longarina fina

Este teste foi realizado em uma amostra com um orifício de fundo plano (FBH) de 12,5 mm (0,5 pol.), simulando laminação na longarina. Nesse caso, a longarina é relativamente fina (7,7 mm [0,3 pol.]). Por esse motivo, o suporte Aqualene (AQ25) foi escolhido devido à sua capacidade de detectar defeitos mais próximos da superfície. A sonda é uma I5 de 1 MHz.

Na imagem abaixo, temos uma visão clara do defeito simulado localizado a 3,6 mm (0,14 pol.) abaixo da superfície.

Resumo das vantagens das soluções ultrassônicas de inspeção de pás eólicas da Olympus

A Olympus desenvolveu uma solução completa de Phased Array (PA) e testes ultrassônicos (UT) dedicada à inspeção da união da longarina e da alma. Embora a atenuação acústica, a forma e a estrutura das pás eólicas as tornem um desafio para a inspeção, o design cuidadosamente concebido desta solução resolve esses problemas, ao mesmo tempo que fornece dados e imagens de alta resolução.

A inspeção da integridade estrutural das pás eólicas pode se beneficiar de todas as vantagens do ultrassom Phased Array, permitindo maiores probabilidades de detecção (PODs) e menos inspeções dependentes do operador. Ao decidir qual solução atende às suas necessidades, considere que o escâner RollerFORM XL é a opção mais conveniente para peças com até 40 mm de espessura, enquanto a solução I5 e SI5 oferece o melhor desempenho em materiais mais espessos e mais atenuantes. A solução M2008 completa a série como uma opção acessível para inspeções em áreas específicas da pá da turbina eólica.

Baixe o folheto para obter mais informações.