江蘇省地方標準《風電機組螺栓相控陣超聲導波成像檢測技術導則》（報批稿）編制說明一、目的意義近年來，隨著國家能源戰略落地，我國風力發電產業取得了快速發展，風力發電機組安裝投運數量急速增長，截止2021年底僅江蘇省內風電機組裝機總容量即達11000MW。風力發電機組由葉片、輪轂、主軸、機艙和塔筒等組成，塔筒、葉片、機艙等部件均由高強螺栓連接，在運行中受振動、沖擊、扭轉等疲勞載荷作用，經常發生松動、變形和斷裂等嚴重危害風機安全運行的現象。2020年7月，河北某風電場發生一起風機倒塔事故，其直接原因是風機第一節與第二節塔筒連接螺栓斷裂導致，現場對128根斷裂螺栓檢查發現其中12根螺栓存在疲勞裂紋，2021年江蘇省內揚州、淮安等地亦發生了風機倒塔事故。由此可見，風電機組的大量投運，加大了江蘇省內風電機組安全運行風險，而高強螺栓作為風電機組主要連接和承載部件，其質量情況直接影響連接可靠性進而影響整臺風電機組的安全運行，因此對于風電機組在役螺栓缺陷的檢測至關重要。同時，風電機組因其自身特點，在檢修時不便對葉片等部件高強螺栓進行拆卸檢測，而目前高強螺栓常規超聲檢測方法往往需要在拆卸情況下進行，致使風電機組在役螺栓在不拆卸情況下難以實施有效檢測，導致上述螺栓僅能在斷裂發現后被動更換，難以有效保障風電機組葉片等重要部件的安全運行。目前，國內尚無風電機組連接螺栓專用相控陣檢測相關國家標準和行業標準。電力行業螺栓超聲檢測標準主要為DL/T694-2012《高溫緊固螺栓超聲檢測技術導則》，該標準僅適用于火力發電機組汽缸、汽門、各種閥門和蒸汽管道法蘭等直徑不小于M32的高溫緊固螺栓的超聲檢測，主要采用A型脈沖反射式超聲波探傷儀，探頭為小角度縱波斜探頭、縱波直探頭和橫波斜探頭，相控陣超聲檢測僅為輔助手段，以扇形掃查為主，僅關注螺紋區域，不能滿足風電機組在役螺栓不拆卸原位整體檢測要求。國內電力行業對直徑M≤32mm的螺栓還沒有相關的檢驗方法和導則；對于M＞32mm的高溫緊固件檢測依據DL/T694-2012《高溫緊固螺栓超聲檢測技術導則》實施，一般采用直射縱波或小角度縱波檢測方法進行，上述方法需要螺栓拆卸進行檢測，無法滿足風電機組在役螺栓不拆卸原位檢測要求；同時檢測效率相對較低，且由于超聲側壁干涉、波形轉換等因素易造成缺陷漏檢，不能完全解決小直徑螺栓的裂紋檢測問題，不適用于全部風電機組螺栓規格范圍。目前，國外存在螺栓超聲相控陣檢測研究的相關報道，但多采用縱波扇掃描方式進行檢測，該檢測方法只能檢測有限的距離（約為3倍近場區不能有效檢測較長螺栓整體缺陷，且檢測效率低。風電機組在役高強螺栓相控陣超聲導波檢測實施僅需要2名檢測人員登塔作業，平均一天可完成3~5基風電機組螺栓的檢測，相對于拆卸螺栓使用常規超聲波檢測方法，檢測效率提高約60倍，檢測費用節省約80%，具有較好的直接經濟效益。同時，風電機組在役高強螺栓相控陣超聲導波檢測大大縮短了螺栓檢測所需時間，減短了風電機組整體檢修工期，能夠節約間接檢修費用，具有較好的簡介經濟效益。另外，風電機組在役高強螺栓相控陣超聲導波檢測能夠有效檢測出螺栓前期因疲勞失效產生的裂紋等危害缺陷，有力防范因裂紋等危害缺陷導致的螺栓斷裂風險，進而避免螺栓斷裂引發的風機倒塔事故，有極強的社會安全效益。本標準的制定為風電機組螺栓的相控陣超聲檢測提供了和質量評價提供統一的技術依據和技術規范，使檢驗人員在進行此項作業時能夠規范化的選擇和使用檢測工藝，做到有據可依。提高了檢測的準確性和可靠性。二、任務來源根據江蘇省市場監督管理局《省市場監督管理局關于下達2022年度江蘇省地方標準項目計劃的通知》（蘇市監標〔2022〕192號）要求，立項標準名稱為《風電機組螺栓相控陣超聲導波成像檢測技術導則》，由江蘇省特種設備安全檢驗與節能標準化技術委員會提出并歸口。由江蘇方天電力技術有限公司、南京華中檢測有限公司、武漢中科創新技術股份有限公司、南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院、國家電投集團江蘇新能源有限公司、江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院等機構承擔完成。三、編制過程2022年3月江蘇方天電力技術有限公司通過江蘇省特種設備檢驗與節能標準化委員會提出編制地方標準《風電機組螺栓相控陣超聲導波成像檢測技術導則》并進行前期調研，2022年6月29日該標準正式納入江蘇省地方標準立項計劃，計劃下達后，江蘇方天電力技術有限公司、南京華中檢測有限公司、武漢中科創新技術股份有限公司、南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院、國家電投集團江蘇新能源有限公司、江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院等機構成立了標準起草小組，啟動了標準（1）前期項目調研階段江蘇方天電力技術有限公司前期針對風電機組在役螺栓原位檢測特點進行了專項研究，應用相控陣超聲導波檢測技術解決此類檢測難題，提出在役風電機組連接螺栓不拆卸原位檢測方法，研制適用于風電機組在役高強螺栓現場檢測的一維環形線陣換能器，能夠僅從端面加載即可實現螺栓全方位、無死角檢測。2021年至2022年，江蘇方天電力技術有限公司在江蘇省內多家風電場開展了大量風電機組在役高強螺栓現場檢測工作，取得良好成效。經工作實踐，在役風電機組每根高強螺栓檢測時間約3~5秒，檢測結果直接以成像方式展現和存儲，形象直觀，靈敏度高，具有較強可操作性。（2）標準起草階段2022年7月~10月江蘇方天電力技術有限公司和起草小組成員多次召開標準起草組研討會，對標準立項稿進行深入討論，主要討論以下事宜：1、提出標準制修訂原則，并進行討論；2、審核《風電機組螺栓相控陣超聲導波成像檢測技術導則》討論稿，并提出具體修改意見；3、針對提出的意見，討論提出修改建議，并進行分工；4、確定下一步工作周期。（3）專家研討、意見征求階段2022年11月至2023年9月，標準起草組擬定了在江蘇省范圍內的調研方案，選取有代表性的風力發電企業、無損檢測單位、科研院所、材料制造單位、風電機組安裝單位開展調研，邀請蒂森克虜伯羅特艾德（徐州）環鍛有限公司、蘇州熱工研究院有限公司、南京鋼鐵股份有限公司、江蘇江南檢測有限公司、常州市常超電子研究所、溧陽華能檢測有限公司、華能江蘇清潔能中國石化集團資產經營管理有限公司金陵石化分公司、南京金建無損檢測有限公司、華電重工股份有限公司、中國能源建設集團江蘇省電力建設第三工程有限公司、鹽城國豐海上風力發電有限公司、江蘇聯能電力科學研究院有限公司、南通貝卡迪電力科技有限公司、紫泉能源技術股份有限公司、江蘇瑞盈智拓電力科技發展有限公司、淮安市奇力風電有限公司、北京金風慧能技術有限公司、如東和風海上風力發電有限公司、江蘇新能海力海上風力發電有限公司、江蘇中光通訊技術有限公司、南京振翮電力技術有限公司、中國能源建設集團江蘇省電力建設第一工程有限公司、蘇州電力建設工程有限公司、暢達峰電力科技有限公司等27家單位作為調研對象，通過網絡、發函、集中會議等形式，充分征集相關單位人員對標準討論稿的修改意見。標準起草組對標準逐章逐條進行了認真細致地研討，就標準部分內容提出具體的修改意見。經過多輪征求意見，共收到45條反饋意見，其中完全采納17條，部分采納13條，不采納15條。起草組不斷完善標準討論稿，形成送審稿。（4）送審稿專家評審經充分征求意見后，本標準由江蘇省特種設備安全檢驗與節能標準化委員會組織召開地方標準送審稿專家評審會。邀請了江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院、南京市標準化研究院、南京航空航天大學、國網冀北電力科學研究院有限公司、江蘇江南檢測有限公司5家單位的專家組成評審組。評審組經最終討論，形成了5條會議意見。起草單位根據會議意見對本標準進行修訂，于2023年12月將送審稿提交至江蘇省特種設備安全檢驗與節能標準化技術委員會。（5）送審稿標準審查2024年9月27日由江蘇省市場監督管理局標準化管理處組織召開江蘇省地方標準審查會。會議邀請國家能源集團科學技術研究院有限公司、南京大學、工信部高速載運設施無損檢測和監控技術重點實驗室/南京航空航天大學、國家風電設備質量檢驗檢測中心/江蘇省風電裝備標準化技術委員會、國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院、江蘇江南檢測有限公司、江蘇電力裝備有限公司7家單位的專家組成審查組，江蘇省市場監督管理局特種設備安全監察處代表作為行業主管部門列席參加。本次審查會由國家能源集團科學技術研究院有限公司胡先龍正高級工程師擔任審查組長。專家聽取了標準起草單位匯報后，經質詢與討論后一致同意該標準通過審查，并建議對提出的11條意見修改完善后報批，審查組現場簽署審查會會議紀要。起草單位根據會議紀要對本標準進行修訂，于2024年12月將報批稿提交至江蘇省特種設備安全檢驗與節能標準化技術委員會。四、主要內容技術指標確立本標準的編制遵循“面向市場、服務產業、自主制定、適時試驗驗證、產業推進、應用推廣相結合，本著先進性、科學性、合理性和可操作性以及標準的目標、統一性、協調性、適用性、一致性和規范性的原則來進行本標準的制定工作。在制定過程中，本文件參照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規則》給出的規則起草。在確定本標準主要技術指標時，綜合考慮國內火風力發電機組的具體發展情況，尋求最大的經濟、社會效益，充分體現了標準在技術上的先進性和合理性。（1）完整性和準確性本標準制訂時力求內容完整，所規定的條款清楚、準確、無歧義，能被未參加標準編制工作的專業人員所理解。（2）統一性標準結構、文體和用詞前后保持一致。（3）標準間的協調性本標準與國家及電力行業相關標準之間保持協調、統一，避免本標準與相關標準間產生相互矛盾的現象。（4）適用性標準的內容便于實施，并易被其它標準引用。（5）先進性《風電機組螺栓相控陣超聲導波成像檢測技術導則》為無損檢測方法和缺陷評價方法的標準，本標準規定了人員、設備、安全相關要求，統一了標準化的檢測靈敏度和判廢方法，使檢驗人員做到有據可依，為風電機組螺栓相控陣超聲檢測提供標準支撐，充分體現了檢測技術先進性。本標準主要內容包括：本文件適用于外徑不小于10mm且不大于100mm，長度不大于1500mm，長度與外徑比值不小于10的碳鋼及低合金鋼制在役風電機組螺栓周向缺陷的不拆卸檢測。檢測范圍來源于GB/T43480-2023無損檢測相控陣超聲柱面成像導波檢測。2規范性引用文件本文件規范性引用文件而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日3術語和定義本文件使用術語和定義包括GB/T12604.1和GB/T12604.界定的術語，同時給出了周向線陣、柱面B掃描圖像、柱面C掃描圖像術語和定義。4檢測原理相控陣超聲柱面掃描是一種針對周向線陣超聲探頭的相位控制技術。該技術通過合成沿圓柱面掃描的聲束實現成像顯示。縱波以接近90度的入射角在圓柱側面產生掠射現象,其中部分縱又部分轉換為縱波,如此反復。這些超聲波在圓柱結構件中受圓柱面約束,沿圓柱結構件長度方向傳導,即超聲柱面導波,可實現遠距離傳輸并用于檢測。5人員要求人員要求包括檢測人員基本要求以及專項培訓要求。6安全要求從事檢測的人員應遵守安全工作的有關規定，當檢測條件符合安全作業條件時，方可進行檢測。7檢測工藝規程檢測工藝規程包括檢測工藝規程和涉及的相關因素。8檢測設備和器材包括檢測儀器、探頭、檢測儀器和探頭的組合性能的要求、對比試塊加工制作要求。9檢測準備包括資料查閱、檢測面準備、探頭選擇。探頭推薦頻率及尺寸來源于GB/T43480-2023無損檢測相控陣超聲柱面成像導波檢測。10檢測設置掃查范圍設置、儀器檢查、靈敏度設置包括利用對比試塊設置、利用螺栓工件自身設置。11檢測實施實施檢測、缺陷長度的測定及檢查與復核包括檢測過程中儀器和探頭組合系統的復核、檢測結束時儀器和探頭組合系統的復核。12缺陷評定檢測到最大反射波幅大于檢測靈敏度或柱面B掃圖像中超過標定顏色色標的顯示信號，當其指示長度不小于5mm時，應判定為裂紋。指示長度小于5mm的顯示信號不判定缺陷性質，可通過拆卸方式進行輔助判斷。。13檢測記錄及報告應按照現場檢測實際情況詳細、客觀記錄檢測過程的有關信本標準的全部內容，經過標準起草工作組協商一致。超聲導波檢測技術一直是無損檢測領域中的重要方法。圓柱結構件是典型的波導結構，而超聲波在圓柱波導中是以超聲柱面導波的形式傳播的，該導波信號包含傳播過程中的全部信息。基于該檢測原理，本標準將導波檢測方法與圖形成像技術相結合，以回波傳播時間對缺陷定位，以回波幅度對應的色帶對缺陷定量，直接將圓柱結構件內部結構進行成像顯示，使檢測人員對圓柱結構件質量情況一目了然，易于分析缺陷的大小和定位，大大降低了誤判和漏判。本方法標準提出的檢測方法操作簡單，不需要人工轉動探頭，只需將探頭放置在圓柱結構件端面上，即可完成檢測，檢測效率高，檢測靈敏度高，信噪比好。試驗論證過程：1）檢測能力驗證：（2）探頭：周向線陣探頭1個，探頭型號：5C64-8×26。（3）對比試塊：按照標準中適用范圍要求，選取風電機組無缺陷的葉片螺栓制作人工缺陷，螺栓規格為M30×430，螺栓材質為42CrMo，強度等級為10.9。根據試驗需要，1根不加工缺陷作為對照，另外2根參照圖1在螺栓外表面不同位置加工相應深度的線切割槽,相鄰線切割槽沿螺栓周向方向間隔120度且線切割槽方向垂直于螺栓軸線方向用以模擬裂紋，試樣實物如圖2所示，線切割槽的具體位置參數如表1所示。表1螺栓試塊線切割槽的位置參數（mm）試塊編號缺陷編號切向深度切槽距探測端距離#180230380#22-13802-23802-32.0380#3無缺陷- （4）設備參數設置：根據標準相關工藝要求，設置儀器參（5）缺陷判定：反射波B掃描圖像達到或超過人工刻槽B掃描圖像顏色色標和A掃描信號幅度達到或超過滿屏20%的信號應注意其在工件上位置并結合結構特征作出綜合判定。（6）驗證結果匯總與分析：分別對#1、#2、#3試樣進行檢測，檢測結果如圖3、圖4、圖5所示，檢測出的缺陷信息匯總#1試塊掃描圖像可見，底波前有3處明顯信號顯示區域，分別位于83mm-180mm、230mm-350mm、380mm深度范圍內。我們對其中一個深度區域展開分析，在深度83mm-180mm區域線掃圖像上出現了5個比較明顯的回波信號，5個信號深度依次為89mm、111mm、133mm、156mm、178mm，相鄰回波信號之間間距約22mm，計算可得此間距正好約為螺栓光桿處直徑的0.7倍，所以后方4個信號為遲到波信號。B掃描圖像上顏色的深淺反映了反射信號的大小，我們發現部分遲到波信號比缺陷直入射信號還要強，這是因為螺栓圓柱面有聚焦作用，導致側壁干涉效應增強，所以遲到波顯示比直達入射波還強。因此我們進行缺陷深度定位時，應以聲程最短的第一個直達縱波信號為準。我們知道隨著檢測深度的增加，超聲波束能量會不斷衰減，但我們從圖中可以看出缺陷1-1反射波幅反而比缺陷1-2反射回波幅度低，這是由于在缺陷1-1深度范圍超聲導波受到菲涅耳區的影響，聲波相互疊加干涉，其橫切面上聲能分布不均勻而造成反射波幅降低。#2試塊掃描圖像可見，底波前在深度約383mm處可見3處明顯缺陷信號顯示，3處缺陷的深度位置及B掃描圖像顏色色標與我們人工刻槽位置及尺寸大小完全吻合。#3試塊掃描圖像可見：無缺陷時儀器底波前除始波外無其他信號顯示。由上述缺陷檢測結果分析可知，該工藝對2個試樣中的人工刻槽缺陷均能有效檢出，且具有很高的信噪比。表2缺陷信息匯總如表試樣編號缺陷編號深度位置最高波幅#180.258dB+75%232.758dB+97%382.158dB+56%#22-1383.058dB+57%2-2383.157dB+80%2-3382.956dB+80%#3無缺陷--2）自然裂紋缺陷檢測及可靠性驗證：采用該工藝對存在自然裂紋的葉片螺栓進行檢測試驗，螺栓規格為M30×550mm。檢測結果如圖6所示，在517.7mm深度位置出現缺陷信號顯示，波幅56dB+90%。常規超聲檢測對比，采用常規脈沖反射法對該自然裂紋缺陷進行檢測，常規超聲結果如圖7。由常規超聲和相控陣超聲導波成像檢測結果對比可以看出，對于同當量大小缺陷，常規超聲增益70dB時缺陷波高約35%，而相控陣超聲導波增益46dB時缺陷波高約90%。由此可知，相控陣超聲導波成像技術檢測靈敏度高，缺陷信噪比好。對螺紋處進行清洗后進行磁粉檢測，結果如圖8，在第五圈螺紋齒根位置可見明顯裂紋缺陷，用鋼直尺測量缺陷深度位置與相控陣超聲導波檢測結果進行對比，測得實際裂紋深度位置與相控陣超聲導波檢測結果吻合。裂紋缺陷切向深度的驗證，選取裂紋中部位置對螺栓取樣解剖，解