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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-11-26 15:44
全球?qū)稍偕茉吹男枨笕找嬖鲩L，海上風(fēng)電作為一種清潔、高效的能源形式，得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。
海上風(fēng)電機(jī)組通常安裝在遠(yuǎn)離陸地的海域，長期暴露在高溫、高濕、高鹽度的海洋環(huán)境中，風(fēng)電機(jī)組的金屬零部件難以避免地會受到腐蝕。
腐蝕的類型多種多樣，主要包括海水腐蝕、海洋微生物腐蝕、疲勞腐蝕、應(yīng)力腐蝕等。腐蝕會導(dǎo)致零部件的強(qiáng)度降低、性能退化，甚至引發(fā)安全事故。
因此，了解風(fēng)電機(jī)組零部件腐蝕的類型和機(jī)制，對于制定針對性的防腐措施和檢測方法至關(guān)重要。
風(fēng)電機(jī)組零部件腐蝕過程通常會影響材料的熱傳導(dǎo)性能，從而對其溫度產(chǎn)生影響。一般情況下，腐蝕部位的金屬表面會表現(xiàn)出與周圍未腐蝕區(qū)域不同的熱傳導(dǎo)性能，溫度分布異常，同時(shí)腐蝕部位局部熱量增加。
利用紅外熱成像儀能夠捕捉零部件表面的熱量分布情況，及時(shí)定位腐蝕區(qū)域?；诖耍瑖W(wǎng)冀北張家口風(fēng)光儲輸新能源有限公司聯(lián)合東方電氣新能科技（成都）有限公司的技術(shù)人員提出了高溫高濕環(huán)境下大規(guī)模海上風(fēng)電機(jī)組零部件防腐檢測方法，利用紅外相機(jī)對零部件表面進(jìn)行監(jiān)測，通過熱點(diǎn)圖確定腐蝕區(qū)域，為及時(shí)維護(hù)或更換腐蝕零部件提供可靠指導(dǎo)。
1、海上風(fēng)電機(jī)組零部件防腐檢測方法設(shè)計(jì)
基于紅外熱成像的數(shù)據(jù)采集
紅外熱成像技術(shù)是一種基于紅外輻射原理的無損檢測方法，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測被檢測物體的表面溫度變化。
當(dāng)腐蝕發(fā)生時(shí)，金屬表面形成氧化物、氫氧化物或其他化合物，其熱傳導(dǎo)性能通常低于原始金屬。同時(shí)，腐蝕過程伴隨著氧化反應(yīng)，反應(yīng)中熱量釋放使腐蝕區(qū)域溫度升高，高溫高濕環(huán)境下的化學(xué)反應(yīng)更為劇烈，產(chǎn)生的熱量也更多。
腐蝕還可能引起金屬材料塑性變形或斷裂等，造成金屬內(nèi)部應(yīng)力分布不均，從而產(chǎn)生溫度梯度。上述缺陷處為熱量集中區(qū)域，在紅外圖像中會呈現(xiàn)出明顯的溫度異常。
在紅外相機(jī)型號與規(guī)格選擇上，需要確保其能夠適應(yīng)海上高溫高濕的惡劣環(huán)境，同時(shí)在靈敏度、分辨率和響應(yīng)速度方面能夠滿足檢測需求。
為此，將基于分辨率為256×192晶圓級紅外模組開發(fā)而成，集成紅外熱成像儀與可見光攝像機(jī)為一體的NC200NW紅外相機(jī)作為監(jiān)測裝置，具體布設(shè)方式如圖1所示。
圖1 紅外相機(jī)布設(shè)方式
考慮風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)間和天氣的擾動(dòng)影響，設(shè)定拍攝時(shí)間間隔Δt為：
式中：xij為采集到的海上風(fēng)電機(jī)組零部件的表面狀態(tài)數(shù)據(jù)；T1為當(dāng)前的定時(shí)拍攝時(shí)間間隔；N為采集到的海上風(fēng)電機(jī)組零部件表面狀態(tài)數(shù)據(jù)xij的規(guī)模。
為了確保相機(jī)能夠自動(dòng)拍攝，使用GPS模塊對每張照片拍攝位置進(jìn)行標(biāo)記，即：
式中：D(xij) 為采集到的海上風(fēng)電機(jī)組零部件表面狀態(tài)數(shù)據(jù)xij對應(yīng)的位置標(biāo)記；a為GPS定位功能對于紅外相機(jī)的跟蹤常量；κ為紅外相機(jī)的響應(yīng)元延遲偏差系數(shù)。
基于熱點(diǎn)圖分析的防腐檢測
采用高斯濾波去除海上風(fēng)電機(jī)組零部件紅外數(shù)據(jù)噪聲，即：
式中：G(xij)為去噪后的海上風(fēng)電機(jī)組零部件表面狀態(tài)紅外數(shù)據(jù)；k為常數(shù)，主要決定高斯函數(shù)的濾波強(qiáng)度；m為原始海上風(fēng)電機(jī)組零部件表面狀態(tài)紅外數(shù)據(jù)均值；σ為原始海上風(fēng)電機(jī)組零部件表面狀態(tài)紅外數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差參量。
基于區(qū)域平均法將像素值轉(zhuǎn)換為溫度值，將平均溫度值對應(yīng)為海上風(fēng)電機(jī)組零部件表面區(qū)域中心像素的溫度，即：
式中：Ta為溫度值參量；xij(s)為海上風(fēng)電機(jī)組零部件表面區(qū)域s內(nèi)的紅外熱像數(shù)據(jù)信息；tn為區(qū)域內(nèi)每個(gè)像素的溫度參數(shù)；n為區(qū)域內(nèi)的像素?cái)?shù)量規(guī)模。
根據(jù)像素溫度值生成零部件表面的熱點(diǎn)圖，通過提取溫度梯度特征計(jì)算相鄰像素點(diǎn)之間的溫度差值，反映零部件表面溫度變化的劇烈程度，即：
式中：ΔTo、ΔTt和ΔTr分別為根據(jù)像素溫度值生成零部件表面熱點(diǎn)圖的一階溫度梯度參數(shù)、二階溫度梯度參數(shù)以及三階溫度梯度參數(shù)；Ta,i為熱點(diǎn)圖溫度梯度參數(shù)計(jì)算的基準(zhǔn)區(qū)域溫度參數(shù)；Ta,i+1、Ta,i+2和Ta,i+3分別為基準(zhǔn)區(qū)域的鄰居、次鄰域以及三級鄰域溫度參數(shù)。
通過提取溫度峰值特征，即熱點(diǎn)圖中溫度最高的區(qū)域，判斷風(fēng)電機(jī)組零部件腐蝕區(qū)域中心位置g(s)，即：g(s)=maxTa→s。
熱點(diǎn)圖中溫度最高區(qū)域即為腐蝕區(qū)域，但是其存在約束條件，即：
由此完成海上風(fēng)電機(jī)組零部件防腐狀態(tài)的檢測，從而保障海上風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。
2、測試結(jié)果與分析
測試環(huán)境
海水是一種復(fù)雜的電解質(zhì)，含有高鹽度、微生物和溶解氣體等成分，這些物質(zhì)會與金屬表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的腐蝕。
同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中會經(jīng)歷周期性的載荷變化，其金屬表面會產(chǎn)生疲勞裂紋，在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下，也會出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。
因此，選定海水腐蝕、海洋微生物腐蝕、疲勞腐蝕、應(yīng)力腐蝕的主要缺陷作為測試所用的檢測目標(biāo)。各腐蝕缺陷圖像如圖2所示。
(a) 海水腐蝕 (b) 海洋微生物腐蝕
(c) 疲勞腐蝕 (d) 應(yīng)力腐蝕
圖2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組零部件腐蝕缺陷圖像
選擇某海上風(fēng)電場作為測試對象，其總裝機(jī)容量為400 MW，共安裝60臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，單臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組平均裝機(jī)容量為6.67 MW，協(xié)同工作以產(chǎn)生電力。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組切入風(fēng)速為3~4 m/s，切出風(fēng)速為20~25 m/s，效率為40%~50%。
將海水腐蝕、海洋微生物腐蝕、疲勞腐蝕、應(yīng)力腐蝕缺陷轉(zhuǎn)換為固定點(diǎn)，共選取5000張高分辨率、低噪聲、高質(zhì)量的圖像，其中4500張用于訓(xùn)練，500張（海水腐蝕120張、海洋微生物腐蝕100張、疲勞腐蝕140張、應(yīng)力腐蝕140張）用于測試。具體測試指標(biāo)及參數(shù)設(shè)置如表1所示。
表1 測試指標(biāo)及參數(shù)設(shè)置
測試結(jié)果
1、腐蝕缺陷類型識別分析
張軼東等對海上風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承電腐蝕原因進(jìn)行分析并提出了檢測方法，在闡明軸承電腐蝕和軸電流產(chǎn)生的基礎(chǔ)上，通過發(fā)電機(jī)振動(dòng)、軸電壓和接地電阻等數(shù)據(jù)完成電腐蝕檢測，該方法記為方法1。
BRIJDER等提出了基于切換卡爾曼濾波的海上風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕檢測方法，利用切換卡爾曼濾波算法對渦輪機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)濾波結(jié)果結(jié)合腐蝕檢測模型，判斷結(jié)構(gòu)腐蝕現(xiàn)象，該方法記為方法2。
將海上風(fēng)電機(jī)組零部件腐蝕缺陷類型識別準(zhǔn)確率作為測試指標(biāo)，采用本文所提的方法和方法1（海上風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)軸承電腐蝕檢測方法）、方法2（基于切換卡爾曼濾波的海上風(fēng)力渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕檢測方法）進(jìn)行對比試驗(yàn)。采用3種方法分別對500幅測試圖像展開缺陷類型識別，具體測試結(jié)果如表2所示。
表2 不同方法的腐蝕缺陷類型識別結(jié)果
由表2可知，文章方法能夠有效識別不同風(fēng)電機(jī)組零部件腐蝕缺陷類型，且識別準(zhǔn)確率最高，均值為98.1%。這主要是因?yàn)槲恼路椒ㄍㄟ^提取溫度梯度特征和溫度峰值特征，捕捉腐蝕缺陷在溫度場中的空間分布特性和溫度變化的關(guān)鍵點(diǎn)，從而確定防腐狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對腐蝕缺陷類型的準(zhǔn)確識別。
2、腐蝕缺陷信號抑制分析
腐蝕缺陷振動(dòng)信號能夠反映風(fēng)電機(jī)組零部件腐蝕狀態(tài)，減少或消除腐蝕缺陷信號中的噪聲，提高信號的質(zhì)量和可靠性，以利于更準(zhǔn)確地分析腐蝕缺陷。
信噪比是指信號中的有效信息與噪聲的比值，是評估抑制效果的指標(biāo)。較高的信噪比表明信號中的有效信息更為突出，噪聲干擾較小，更有助于后續(xù)腐蝕缺陷位置的定位。
文章方法、方法1和方法2的腐蝕缺陷信號抑制結(jié)果如圖3所示?？梢婏L(fēng)電機(jī)組零部件在進(jìn)行腐蝕缺陷類型識別時(shí)，文章方法能夠保持較為平穩(wěn)的峰值，在26~33 dB的范圍內(nèi)，有效抑制了信號中的噪聲干擾。方法1和方法2的峰值幅度波動(dòng)較大，最高值為58 dB和61 dB。
圖3 不同方法的腐蝕缺陷信號抑制結(jié)果
這是因?yàn)槲恼路椒ú捎昧烁咚篂V波對信號進(jìn)行平滑處理，去除噪聲因素的同時(shí)保留了信號中的關(guān)鍵特征，進(jìn)而減少了紅外數(shù)據(jù)中的噪聲干擾，使腐蝕缺陷信號更加清晰。
3、腐蝕缺陷位置定位分析
為進(jìn)一步驗(yàn)證文章方法的有效性，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組零部件腐蝕缺陷圖像作為測試對象，對腐蝕缺陷進(jìn)行標(biāo)注，并記錄缺陷坐標(biāo)信息，腐蝕缺陷位置定位結(jié)果如圖4所示。
圖4 腐蝕缺陷位置定位結(jié)果
由圖4可知，文章方法能夠有效檢測海上風(fēng)電機(jī)組零部件腐蝕，完成對腐蝕缺陷位置的標(biāo)注，并記錄缺陷坐標(biāo)信息。
結(jié)語
文章提出高溫高濕環(huán)境下大規(guī)模海上風(fēng)電機(jī)組零部件防腐檢測方法，利用紅外相機(jī)采集風(fēng)電機(jī)組零部件數(shù)據(jù)，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對腐蝕的有效檢測。該方法在以下幾個(gè)方面表現(xiàn)出了較為明顯的應(yīng)用優(yōu)勢：
(1) 利用紅外相機(jī)捕捉物體表面的紅外輻射獲取溫度信息，無需直接接觸設(shè)備即可進(jìn)行檢測，有效避免了對設(shè)備的直接接觸和潛在的損壞。
(2) 能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測設(shè)備的溫度變化，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常發(fā)熱、泄漏或其他故障，提高維修效率。
(3) 紅外輻射具有較高的靈敏度和精度，能夠有效檢測微小溫度變化，快速定位腐蝕部位，為風(fēng)電機(jī)組零部件防腐檢測提供了技術(shù)支持。
作者：吳勁芳1，齊驥1，劉玉龍2，王德偉1，魏宏杰1
工作單位：1. 國網(wǎng)冀北張家口風(fēng)光儲輸新能源有限公司
2. 東方電氣新能科技（成都）有限公司
第一作者簡介：吳勁芳，工程師，主要研究方向?yàn)樾履茉磳I(yè)運(yùn)維及并網(wǎng)技術(shù)研究等。
來源：《無損檢測》2024年9期
來源：無損檢測NDT
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