虹科案例|太赫茲技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電渦輪機(jī)葉片涂層厚度與涂層內(nèi)缺陷檢測

1.挑戰(zhàn)：渦輪機(jī)葉片涂層損壞導(dǎo)致高額維護(hù)成本

為了應(yīng)對氣候危機(jī)，從電力和熱能到運(yùn)輸和重工業(yè)，經(jīng)濟(jì)的各個方面都脫碳至關(guān)重要。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，作為綠色能源的風(fēng)能，已經(jīng)逐漸成為人類能源的來源之一。

風(fēng)電應(yīng)用中，通常采用風(fēng)電渦輪機(jī)這種裝置來實(shí)現(xiàn)風(fēng)的動能到電能的轉(zhuǎn)變。而葉片是風(fēng)電渦輪機(jī)最關(guān)鍵的部件，它的結(jié)構(gòu)長期暴露在環(huán)境條件下，由此可能產(chǎn)生一些損傷，因此通常要對葉片采用涂層保護(hù)。這些涂層由多層先進(jìn)材料組成，必須滿足高質(zhì)量要求，以確保渦輪機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。

然而，渦輪機(jī)的葉片涂層損壞是當(dāng)前渦輪機(jī)產(chǎn)生故障的主要來源之一，由此會導(dǎo)致長時間的停機(jī)和昂貴的運(yùn)營維護(hù)（O&M）費(fèi)用，使得風(fēng)能行業(yè)面臨重大的經(jīng)濟(jì)損失，這是目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量控制流程中的技術(shù)還無法檢測到的。

實(shí)際上，風(fēng)能行業(yè)30%的O&M成本都用于葉片涂層的檢查或維護(hù)上。因此，為了降低這些成本，在安裝之前確保任何風(fēng)電渦輪機(jī)葉片的質(zhì)量水準(zhǔn)至關(guān)重要，以避免過早失效。除此以外，還需要現(xiàn)場定期檢測風(fēng)電渦輪機(jī)葉片上的涂層缺陷，以防止意外停機(jī)。

通常，葉片涂層的質(zhì)量控制只能通過目視檢查進(jìn)行。但是實(shí)際檢測的情況會更加復(fù)雜，由于渦輪機(jī)的葉片暴露于高熱、機(jī)械和化學(xué)應(yīng)力下，涂層的內(nèi)部完整性經(jīng)常有所損傷，肉眼無法察覺。此外，微小的外部缺陷往往預(yù)示著內(nèi)部隱藏著更大的問題，基于目視檢查的維修活動并不能解決根本問題。目前，至少有1/3已維修的渦輪機(jī)零件最終仍然需要再次進(jìn)行維修操作。對于涂層內(nèi)部的質(zhì)量控制，有時只能使用破壞性的統(tǒng)計(jì)分析方法，但是這樣的檢查方式花費(fèi)時間長，對葉片可能造成明顯損傷，反而增加了維護(hù)成本。

因此，風(fēng)電行業(yè)迫切需要一種全新的檢測技術(shù)，能夠探測葉片涂層的內(nèi)部是否存在缺陷，檢測過程不會對被測葉片及涂層造成損傷，并且適應(yīng)生產(chǎn)制造與現(xiàn)場維護(hù)等多場景的應(yīng)用。

2. 太赫茲無損檢測技術(shù)

太赫茲波具有優(yōu)異的穿透性，通過太赫茲時域光譜技術(shù)的反射式、無接觸、非電離輻射的檢測方式不會對葉片涂層造成任何可能的損傷，專業(yè)算法可以實(shí)現(xiàn)厚度與粘附性檢測，具體包括涂層厚度檢測、吸附控制、磨砂缺陷檢測、孔隙檢測、空洞缺陷檢測與氣泡檢測，從而對涂層的內(nèi)部損傷實(shí)現(xiàn)快速的評估與檢測。

太赫茲技術(shù)可以對任何涂層結(jié)構(gòu)和任何風(fēng)車葉片的涂層進(jìn)行深入表征，適用于任何基材：復(fù)合材料（碳或玻璃）和金屬（鋼、鋁、鈦、鎂等）。這種可以量化涂層間粘附性的無損檢測工具，能夠預(yù)測可能的缺陷，從而防止已安裝的渦輪風(fēng)車的停機(jī)和葉片更換，還可以應(yīng)用于船舶與航空航天領(lǐng)域的零部件生產(chǎn)檢測與部件維護(hù)等。

虹科提供的 Notus 無損檢測系統(tǒng)，是市場上唯一能夠有效檢測風(fēng)電渦輪機(jī)的葉片涂層內(nèi)部缺陷的無損檢測工具。特別的是，基于相同的太赫茲探測原理，Notus 系統(tǒng)針對不同的使用場景開發(fā)了不同的版本，適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室、工廠制造與現(xiàn)場維護(hù)的特定場景的應(yīng)用需求。

3、結(jié)果：更可靠、成本更低的葉片涂層控制

西門子歌美颯（Siemens-Gamesa）是世界風(fēng)能行業(yè)的先驅(qū)，致力于為世界范圍提供利用風(fēng)能的尖端技術(shù)釋放風(fēng)能的未來潛力，以應(yīng)對當(dāng)今最大的挑戰(zhàn)：氣候危機(jī)。西門子-歌美颯目前已經(jīng)在約90個國家開展風(fēng)電業(yè)務(wù)，提供廣泛的陸上風(fēng)能渦輪機(jī)技術(shù)，涵蓋所有風(fēng)力能級與現(xiàn)場條件，還提供海上風(fēng)力發(fā)電的解決方案與服務(wù)。

遍布世界的風(fēng)電渦輪機(jī)對西門子-歌美颯的運(yùn)營維護(hù)能力而言是一個巨大的挑戰(zhàn)，同樣地，風(fēng)能行業(yè)普遍存在的渦輪機(jī)葉片涂層損害造成的停機(jī)與維護(hù)成本也是西門子歌美颯面臨的難題。

太赫茲技術(shù)成為了西門子歌美颯的首要選擇。通過在風(fēng)車葉片制造質(zhì)量控制過程中利用基于太赫茲技術(shù)的 Notus 系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)更可靠、更低成本的葉片涂層控制。自2017年以來，西門子歌美颯一直依靠 Notus 系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)電渦輪機(jī)葉片涂層的制造質(zhì)量控制。

通過利用不同版本的 Notus 系統(tǒng)，材料研究部門能夠利用 Notus-lab 實(shí)現(xiàn)對涂層材料的快速準(zhǔn)確表征與研究，以選擇出最優(yōu)的涂層材料，并深入了解材料的性質(zhì)與損傷情況。葉片制造工廠能夠利用 Notus-factory 檢測大面積的葉片涂層情況，通過厚度優(yōu)化與減少返工來達(dá)到節(jié)省材料的目的。最為重要的是，Notus-field 是一種便攜式設(shè)備，不僅可以用于制造工廠，還可以移動到物流中心和風(fēng)電現(xiàn)場進(jìn)行預(yù)防性或糾正性維護(hù)的檢測，降低了返工成本與維修的時間與難度。

得益于太赫茲技術(shù)，西門子歌美颯可以在生產(chǎn)過程中和整個使用壽命期間獲得有關(guān)風(fēng)車葉片涂層狀況的實(shí)時數(shù)據(jù)。Notus 的使用表明，風(fēng)電場運(yùn)營商每年可能節(jié)省10%的運(yùn)維成本，考慮到目前風(fēng)能行業(yè)每年的運(yùn)維支出為150億，這是一個巨大的節(jié)省成本的機(jī)會。

審核編輯黃宇