風電齒輪箱內窺鏡檢查

2017-11-28 15:42:22 第三屆中國風電后市場專題研討會論文集　點擊量：評論 (0)

1 風電機組的維護和成本　　雖然風電機組是以20 年的使用壽命為前提設計出來的，但是如果不定期地進行維護點檢以及維修的話，就無法保證20 年的使用壽命。整個風電機組里面，風電齒輪箱的占的成本比例較高

1 風電機組的維護和成本

　　雖然風電機組是以20 年的使用壽命為前提設計出來的，但是如果不定期地進行維護點檢以及維修的話，就無法保證20 年的使用壽命。整個風電機組里面，風電齒輪箱的占的成本比例較高，也是比較容易出現故障的地方。在這里，我將根據使用工業內窺鏡對齒輪箱進行檢查的例子，介紹一些有效的檢查方法。

　　對齒輪箱的狀態，進行定期、持續的監控，在發生較大的破損前有計劃地進行維修，是歐美國家及中國一般采取的方法。檢查齒輪箱狀態的方法，主要有以下幾種。

　　·檢查人員進入風電機組內，對齒輪箱是否有異音、異常進行確認

　　·對冷卻油的抽樣調查，對所含的金屬進行分析

　　·齒輪箱冷卻油溫度中心數據的確認

　　·對更換后的濾油器進行金屬和異物的分析

　　·根據振蕩監控，確認是否發生異常

　　·采用紅外照相，確認出現異常高溫的部分

　　但是以上這些檢查方法，在齒輪箱的維修期間以及零部件的更換等特定時期是無法進行的。包括工業內窺鏡檢查在內的預警式維護，對維修時間的推斷以及及時地準備必要的零部件是非常有效的。經過以上的確認和分析，確定齒輪箱有異常時，采用工業內窺鏡對齒輪箱以及冷卻散熱器的狀態進行確認，此后定期地使用工業內窺鏡進行持續的檢查，準備軸承、齒輪等必要的零部件，在齒輪箱損壞前對現場的風電機組進行零部件的更換，使風電機組停止運轉的時間降低到最短，同時又可以維持風電機組的發電收益。

　　上面這張圖是將美國一位ISP （Independent Service Provider）的Frontier 教授幾年前在AWEAWind O&M 研討會上發表的數據經過翻譯而成的。根據Frontier 教授的數據，與風電機組出現問題后進行修理的對應式維護相比，把風電機組運行狀態下的觀測和內窺鏡檢查相結合的預警式維護，將25年總的維護費用減少到了原來的1/3。

　　上面這張圖表中縱軸是維護費用，以10 萬日元為單位，橫軸是風電機組運轉的25 年。將100 臺以上風電機組的總的維護費用除以風電機組的數量得到的是每年的費用。對應式維護下，風電機組運轉6年后齒輪箱更換頻繁，維護費用飛漲。過了保修期后，齒輪箱的更換費用全部由風電機組業主承擔。另外，維護費用在第14 年達到了最高值，這也意味著很多風電機組的使用壽命到了。也就是說，齒輪箱在第5-7 年有一部分損壞，第13-15 年很多齒輪箱都破損了。另一方面，預警式維護的費用，同樣在第6 年有一個較小的峰值，在第14 年達到了最大值。在發生嚴重的破損前，因為進行了預防性局部的修理，預警式的維護費用比應對式的維護費用減少了1/3。與預警式維護25 年總共9000 萬日比的費用相比，對應式維護的費用則高達3 億1000 萬日元。這個費用因為沒有包含由于修理期間無法進行發電的損失，對應式維護實際的損失應該是更大的。像這樣一邊減少維護費用一邊又能保障風電機組的運轉、提高收益，定期地進行檢查和維護是十分必要的。定期檢查和維護分為如下三種：風電機組業主設立維護隊伍、風電機組以及齒輪箱廠家在現場設立辦事處、專門進行維護的ISP 在現場設立辦事處。無論是哪個方法都有優缺點，能夠滿足電電機組業主的要求的選擇是十分必要的。

　　2 奧林巴斯工業內窺鏡的種類

　　奧林巴斯根據客戶不同的檢查要求提供以下這些內窺鏡。

　　IPLEX NX

　　IPLEX NX 是4 月份剛剛引入市場的最新機型，是引進了HD 高清畫質和激光二極管光源等眾多最新技術的工業內窺鏡。配備了標準的InHelp 檢查支援功能，能夠容易地進行記錄圖像的分類，自動生成檢查后的報告。同時，能可選擇性地搭載高精度的傷痕計測功能。8.4 英寸的LCD 觸摸屏，大大提高了檢查作業和觀察的效率。主體和插入管單元可更換，根據檢查部分的不同，可以更換直徑6mm、4mm 的插入管。

　　IPLEX RT/RX

　　IPLEX RT 是充分實現畫質、操作性、持久性、可攜帶功能的適應風力市場的內窺鏡。6.4 英寸的LCD主件在齒輪箱的任意位置都能輕松安置，以及獨的操作部分，實現了舒適的檢查姿勢和操作性能的完美結合。TrueFeel 的彎曲構造，使得檢查人員能夠得心應手地進行彎曲操作。配備了標準的InHelp 檢查支援功能，能夠容易地進行記錄圖像的分類，自動生成檢查后的報告。IPLEX RT 可實現到IPLEX RX 的升級、對應圖像的清晰度、色彩強調、高溫警報、可選擇缺陷測量功能。有直徑6mm、4mm 兩種機型。

　　IPLEX TX

　　齒輪箱里面也有4mm 觀測器無法完成檢查的細小的縫隙。IPLEX TX 是插入管直徑僅為2.4mm，同時配備彎曲功能的業界最為視頻的工業內窺鏡、能夠實現4mm 工業內窺鏡無法對應的檢查。也可用于直驅風機內發電機線圈接頭的檢查和主軸承的檢查。

　　Series C

　　Series C 是無論何時都能實現快速檢查的，集合了“移動、插入、觀察、拍攝、報告”等內窺鏡基本功能于一身的產品。外側直徑6mm，具備了能進行持久的檢測工作和攜帶比較便攜的特點。畫質和亮度雖不如IPLEX TR，但也能夠對軸承的傷痕進行觀察和記錄。因為也配備了InHelp 檢查支援功能，像IPLEX RT 和IPLEX NX 一樣，能容易地對記錄圖像進行分類，自動生成檢查后的報告。

　　3 齒輪箱檢查的常規順序

　　3.1 關停風電機組和準備器材

　　風電機組的檢查由于伴隨著一定的危險性，出于安全考慮，一般由兩人以上的檢查人員進行作業。首先，一個人爬上風機關停風電機組，為了換氣需要打開機艙的換氣窗。出于安全考慮，需要利用繩索將檢查器材和工具提拉上去，先從機艙將提拉用的繩索放下來。因為器材在向上提拉過程中容易受風吹影響，所以要把器材裝到配有緩沖墊的袋子里，再進行提拉。提拉完成以后在地面上看守器材的作業人員可以爬上風電機組。這個過程大概需要30 分鐘。齒輪箱的上部檢查板和行星檢查板打開后，會有汽化的油噴出。因為這個蒸汽吸入人體內的話有害于健康，打開檢查板后，可以在機艙下面的空間稍作等待換氣。同時齒輪箱也可進行一定程度的冷卻。由于剛剛停止運轉的齒輪箱的內部溫度高達60 度、因此需要等溫度下降到一定程度時方可開始內窺鏡的檢查。

　　3.2 內窺鏡檢查順序和配件種類

　　高速旋轉的高速級和接受負荷較大的行星級都相對比較容易破損，根據齒輪箱過去的狀況，就能夠決定從哪里開始檢查。一般來說高速級冷卻比較快，所以一般來說先檢查高速部的比較多。平行級（高速級、中速級、低速級）的齒輪可以從檢查孔直接用眼睛進行確認。高速軸承、中速軸承、低速軸承則要插入內窺鏡進行探傷的檢查。因為軸承上有殘留的潤滑油，為了使其不黏附在內窺鏡鏡頭前端，必須要小心謹慎地插入工業內窺鏡的探頭。在鏡頭前端使用彎曲的金屬或樹脂導管，避免黏著的同時將工業內窺鏡的探頭插入軸承。如果準備好用于固定導管的魔術手臂，可以使檢查作業更為輕松，也能節省檢查時間。檢查軸承時，需要使用直視近焦的廣角鏡頭（視角120 度左右）。因為如果使用焦距再20mm以上的觀察鏡頭無法清晰地觀察到軸承表面的細微缺陷，所以必須要注意鏡頭的選擇。工業內窺鏡探頭的外側直徑要根據軸承的種類來決定。通過齒輪箱前方的小檢查孔可以與行星齒輪、軸承、齒圈、載體齒輪連接。檢查齒圈和行星齒輪時，由于是大空間檢查，很容易照明不足。這種情況下使用廣角的遠焦鏡頭比較好。使用80 度視角的遠焦鏡頭可以更好地提高照明亮度。如果是IPLEX RX 和IPLEX NX 的話，因為配備了WiDER 圖像增幅處理功能，可以得到更加明亮的圖像。此外，因為行星齒輪有三個，檢查完一個后，需要旋轉一下風電葉片，從檢查孔找到下一個行星齒輪的位置繼續檢查，但如果使用在前端安裝了環狀LED 照明的導管，可以在不更換光學鏡頭的情況下，實現齒輪和軸承雙方的高效率檢查。

　　3.3 InHelp 檢查支援功能的活用方法

　　用工業內窺鏡檢查一個齒輪箱一般需要半天到一天，拍攝的圖像有150 張——300 張。因為齒輪箱內的齒輪和軸承形狀都很相似，就算是拍照的檢查人員光看圖像也很難回憶出來具體的檢測位置。因為對齒輪箱的檢查是定期且持續的，這次的檢查情況有利于下一次的檢查，因此將檢查記錄完好地進行保存是非常必要的。另外，如果除了檢查人員以外的其他人員能看懂檢查圖像的部位的話，就可以實現檢查后制作檢查報告以及有利于同事間的日常交流。正是為了實現以上這些想法，奧林巴斯推出了工業內窺鏡獨有的InHelp 圖像管理及報告制作系統。InHelp 功能使用前的準備，先給要檢查的各個部位制定好相應的名稱，在記錄媒體里以檢查的各個部位分類名稱創建新的文件夾。這樣一來在檢查的時候只要選擇檢查部位的文件夾進行記錄，部位的名稱就會自然而然成為圖像的文件名。拍攝時各自缺陷的種類以及問題的嚴重程度能夠簡單地進行附加，檢查后可以馬上回放。如果將記錄媒體與PC 相連接，可以自動生成檢查報告。

　　InHelp 文件夾的分類可參考如下，根據齒輪箱的構造和檢查的優先順序，可以自由地進行設定或改變順序，具有很高的靈活性。

　　在InHelp 上記錄圖像時，可以產生作為選擇檢查圖像的判斷結果的選項。檢查人員可以自由設定選項，在AWEA 上討論的一般的判斷如下：

　　4 風電齒輪箱的檢查圖片

　　5 油樣的采集和分析

　　就算不進行內窺鏡檢查也要采集油樣，對油里面含有的金屬的種類和含量進行分析，記錄齒輪箱狀態的變化。特定金屬的含量增加時，就算沒有出現異音也可以推測正在發生磨損或破損。根據金屬的種類，可以推測是齒輪出現了問題，還是軸承出現了問題。將尚未經過濾油器的油作為樣本進行采集。如果要對金屬的種類和含量進行分析的話，可以在現場使用X 線熒光分析儀只需2 分鐘左右就可以進行分析。首先用熒光分析儀對所含的金屬進行分析，再使用工業內窺鏡對疑似出現問題的部位進行進一步檢測工作，這樣可以得到更好的檢測效果。如果要對油里面除了水分和金屬以外的物質、油的粘度等進行分析的話，可以將油樣送到專門的分析研究所，2 周左右可以得到分析結果。

　　6 齒輪箱以外的檢查

　　風電機組的檢查不光光只是齒輪箱。風電葉片或是風電機組塔發生破損的話也會造成嚴重的損失，因此也是檢查的對象。

　　風電葉片由于在惡劣的環境下運轉，很可能因為暴風雨、打雷、結冰等天氣原因產生破損。打雷過后如果放置不理的話很容易發生斷裂事故，因此需要進行檢查。對長度超過50 米的風電葉片可以將長尺內窺鏡從根部插入進行內部檢查。也可以從槳葉前端的排水孔插入內窺鏡確認排水孔的堵塞和內部破損狀況。也可以在槳葉的中間開一個5mm 的孔，插入直徑4mm 的工業內窺鏡來檢查內部的粘合狀況。使用超聲探傷可以對風電葉片內玻璃纖維內部的脫落狀況進行檢查。對用來固定風電葉片的很多螺栓是否發生疲勞損傷也可使用超聲探傷進行檢查。

　　風塔的焊接部以及用來固定風塔的螺栓也可以使用超聲探傷進行檢查。