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风电齿轮箱内窥镜检查

国际新能源网  来源:第三届中国风电后市场专题研讨会论文集  日期:2017-11-27
  1 风电机组的维护和成本
 
  虽然风电机组是以20 年的使用寿命为前提设计出来的,但是如果不定期地进行维护点检以及维修的话,就无法保证20 年的使用寿命。整个风电机组里面,风电齿轮箱的占的成本比例较高,也是比较容易出现故障的地方。在这里,我将根据使用工业内窥镜对齿轮箱进行检查的例子,介绍一些有效的检查方法。
 
  对齿轮箱的状态,进行定期、持续的监控,在发生较大的破损前有计划地进行维修,是欧美国家及中国一般采取的方法。检查齿轮箱状态的方法,主要有以下几种。
 
  ·检查人员进入风电机组内,对齿轮箱是否有异音、异常进行确认
 
  ·对冷却油的抽样调查,对所含的金属进行分析
 
  ·齿轮箱冷却油温度中心数据的确认
 
  ·对更换后的滤油器进行金属和异物的分析
 
  ·根据振荡监控,确认是否发生异常
 
  ·采用红外照相,确认出现异常高温的部分
 
  但是以上这些检查方法,在齿轮箱的维修期间以及零部件的更换等特定时期是无法进行的。包括工业内窥镜检查在内的预警式维护,对维修时间的推断以及及时地准备必要的零部件是非常有效的。经过以上的确认和分析,确定齿轮箱有异常时,采用工业内窥镜对齿轮箱以及冷却散热器的状态进行确认,此后定期地使用工业内窥镜进行持续的检查,准备轴承、齿轮等必要的零部件,在齿轮箱损坏前对现场的风电机组进行零部件的更换,使风电机组停止运转的时间降低到最短,同时又可以维持风电机组的发电收益。
 
 
  上面这张图是将美国一位ISP (Independent Service Provider) 的Frontier 教授几年前在AWEAWind O&M 研讨会上发表的数据经过翻译而成的。根据Frontier 教授的数据,与风电机组出现问题后进行修理的对应式维护相比,把风电机组运行状态下的观测和内窥镜检查相结合的预警式维护,将25年总的维护费用减少到了原来的1/3。
 
  上面这张图表中纵轴是维护费用,以10 万日元为单位,横轴是风电机组运转的25 年。将100 台以上风电机组的总的维护费用除以风电机组的数量得到的是每年的费用。对应式维护下,风电机组运转6年后齿轮箱更换频繁,维护费用飞涨。过了保修期后,齿轮箱的更换费用全部由风电机组业主承担。另外,维护费用在第14 年达到了最高值,这也意味着很多风电机组的使用寿命到了。也就是说,齿轮箱在第5-7 年有一部分损坏,第13-15 年很多齿轮箱都破损了。另一方面,预警式维护的费用,同样在第6 年有一个较小的峰值,在第14 年达到了最大值。在发生严重的破损前,因为进行了预防性局部的修理,预警式的维护费用比应对式的维护费用减少了1/3。与预警式维护25 年总共9000 万日比的费用相比,对应式维护的费用则高达3 亿1000 万日元。这个费用因为没有包含由于修理期间无法进行发电的损失,对应式维护实际的损失应该是更大的。像这样一边减少维护费用一边又能保障风电机组的运转、提高收益,定期地进行检查和维护是十分必要的。定期检查和维护分为如下三种:风电机组业主设立维护队伍、风电机组以及齿轮箱厂家在现场设立办事处、专门进行维护的ISP 在现场设立办事处。无论是哪个方法都有优缺点,能够满足电电机组业主的要求的选择是十分必要的。
 
  2 奥林巴斯工业内窥镜的种类
 
  奥林巴斯根据客户不同的检查要求提供以下这些内窥镜。
 
  IPLEX NX
 
  IPLEX NX 是4 月份刚刚引入市场的最新机型,是引进了HD 高清画质和激光二极管光源等众多最新技术的工业内窥镜。配备了标准的InHelp 检查支援功能,能够容易地进行记录图像的分类,自动生成检查后的报告。同时,能可选择性地搭载高精度的伤痕计测功能。8.4 英寸的LCD 触摸屏,大大提高了检查作业和观察的效率。主体和插入管单元可更换,根据检查部分的不同,可以更换直径6mm、4mm 的插入管。
 
  IPLEX RT/RX
 
  IPLEX RT 是充分实现画质、操作性、持久性、可携带功能的适应风力市场的内窥镜。6.4 英寸的LCD主件在齿轮箱的任意位置都能轻松安置,以及独的操作部分,实现了舒适的检查姿势和操作性能的完美结合。TrueFeel 的弯曲构造,使得检查人员能够得心应手地进行弯曲操作。配备了标准的InHelp 检查支援功能,能够容易地进行记录图像的分类,自动生成检查后的报告。IPLEX RT 可实现到IPLEX RX 的升级、对应图像的清晰度、色彩强调、高温警报、可选择缺陷测量功能。有直径6mm、4mm 两种机型。
 
  IPLEX TX
 
  齿轮箱里面也有4mm 观测器无法完成检查的细小的缝隙。IPLEX TX 是插入管直径仅为2.4mm,同时配备弯曲功能的业界最为视频的工业内窥镜、能够实现4mm 工业内窥镜无法对应的检查。也可用于直驱风机内发电机线圈接头的检查和主轴承的检查。
 
  Series C
 
  Series C 是无论何时都能实现快速检查的,集合了“移动、插入、观察、拍摄、报告”等内窥镜基本功能于一身的产品。外侧直径6mm,具备了能进行持久的检测工作和携带比较便携的特点。画质和亮度虽不如IPLEX TR,但也能够对轴承的伤痕进行观察和记录。因为也配备了InHelp 检查支援功能,像IPLEX RT 和IPLEX NX 一样,能容易地对记录图像进行分类,自动生成检查后的报告。
 
  3 齿轮箱检查的常规顺序
 
  3.1 关停风电机组和准备器材
 
  风电机组的检查由于伴随着一定的危险性,出于安全考虑,一般由两人以上的检查人员进行作业。首先,一个人爬上风机关停风电机组,为了换气需要打开机舱的换气窗。出于安全考虑,需要利用绳索将检查器材和工具提拉上去,先从机舱将提拉用的绳索放下来。因为器材在向上提拉过程中容易受风吹影响,所以要把器材装到配有缓冲垫的袋子里,再进行提拉。提拉完成以后在地面上看守器材的作业人员可以爬上风电机组。这个过程大概需要30 分钟。齿轮箱的上部检查板和行星检查板打开后,会有汽化的油喷出。因为这个蒸汽吸入人体内的话有害于健康,打开检查板后,可以在机舱下面的空间稍作等待换气。同时齿轮箱也可进行一定程度的冷却。由于刚刚停止运转的齿轮箱的内部温度高达60 度、因此需要等温度下降到一定程度时方可开始内窥镜的检查。
 
  3.2 内窥镜检查顺序和配件种类
 
  高速旋转的高速级和接受负荷较大的行星级都相对比较容易破损,根据齿轮箱过去的状况,就能够决定从哪里开始检查。一般来说高速级冷却比较快,所以一般来说先检查高速部的比较多。平行级(高速级、中速级、低速级)的齿轮可以从检查孔直接用眼睛进行确认。高速轴承、中速轴承、低速轴承则要插入内窥镜进行探伤的检查。因为轴承上有残留的润滑油,为了使其不黏附在内窥镜镜头前端,必须要小心谨慎地插入工业内窥镜的探头。在镜头前端使用弯曲的金属或树脂导管,避免黏着的同时将工业内窥镜的探头插入轴承。如果准备好用于固定导管的魔术手臂,可以使检查作业更为轻松,也能节省检查时间。检查轴承时,需要使用直视近焦的广角镜头(视角120 度左右)。因为如果使用焦距再20mm以上的观察镜头无法清晰地观察到轴承表面的细微缺陷,所以必须要注意镜头的选择。工业内窥镜探头的外侧直径要根据轴承的种类来决定。通过齿轮箱前方的小检查孔可以与行星齿轮、轴承、齿圈、载体齿轮连接。检查齿圈和行星齿轮时,由于是大空间检查,很容易照明不足。这种情况下使用广角的远焦镜头比较好。使用80 度视角的远焦镜头可以更好地提高照明亮度。如果是IPLEX RX 和IPLEX NX 的话,因为配备了WiDER 图像增幅处理功能,可以得到更加明亮的图像。此外,因为行星齿轮有三个,检查完一个后,需要旋转一下风电叶片,从检查孔找到下一个行星齿轮的位置继续检查,但如果使用在前端安装了环状LED 照明的导管,可以在不更换光学镜头的情况下,实现齿轮和轴承双方的高效率检查。
 
  3.3 InHelp 检查支援功能的活用方法
 
  用工业内窥镜检查一个齿轮箱一般需要半天到一天,拍摄的图像有150 张——300 张。因为齿轮箱内的齿轮和轴承形状都很相似,就算是拍照的检查人员光看图像也很难回忆出来具体的检测位置。因为对齿轮箱的检查是定期且持续的,这次的检查情况有利于下一次的检查,因此将检查记录完好地进行保存是非常必要的。另外,如果除了检查人员以外的其他人员能看懂检查图像的部位的话,就可以实现检查后制作检查报告以及有利于同事间的日常交流。正是为了实现以上这些想法,奥林巴斯推出了工业内窥镜独有的InHelp 图像管理及报告制作系统。InHelp 功能使用前的准备,先给要检查的各个部位制定好相应的名称,在记录媒体里以检查的各个部位分类名称创建新的文件夹。这样一来在检查的时候只要选择检查部位的文件夹进行记录,部位的名称就会自然而然成为图像的文件名。拍摄时各自缺陷的种类以及问题的严重程度能够简单地进行附加,检查后可以马上回放。如果将记录媒体与PC 相连接,可以自动生成检查报告。
 
 
  InHelp 文件夹的分类可参考如下,根据齿轮箱的构造和检查的优先顺序,可以自由地进行设定或改变顺序,具有很高的灵活性。
 
  在InHelp 上记录图像时,可以产生作为选择检查图像的判断结果的选项。检查人员可以自由设定选项,在AWEA 上讨论的一般的判断如下:
 
 
  4 风电齿轮箱的检查图片



  5 油样的采集和分析
 
  就算不进行内窥镜检查也要采集油样,对油里面含有的金属的种类和含量进行分析,记录齿轮箱状态的变化。特定金属的含量增加时,就算没有出现异音也可以推测正在发生磨损或破损。根据金属的种类,可以推测是齿轮出现了问题,还是轴承出现了问题。将尚未经过滤油器的油作为样本进行采集。如果要对金属的种类和含量进行分析的话,可以在现场使用X 线荧光分析仪只需2 分钟左右就可以进行分析。首先用荧光分析仪对所含的金属进行分析,再使用工业内窥镜对疑似出现问题的部位进行进一步检测工作,这样可以得到更好的检测效果。如果要对油里面除了水分和金属以外的物质、油的粘度等进行分析的话,可以将油样送到专门的分析研究所,2 周左右可以得到分析结果。
 
  6 齿轮箱以外的检查
 
  风电机组的检查不光光只是齿轮箱。风电叶片或是风电机组塔发生破损的话也会造成严重的损失,因此也是检查的对象。
 
  风电叶片由于在恶劣的环境下运转,很可能因为暴风雨、打雷、结冰等天气原因产生破损。打雷过后如果放置不理的话很容易发生断裂事故,因此需要进行检查。对长度超过50 米的风电叶片可以将长尺内窥镜从根部插入进行内部检查。也可以从桨叶前端的排水孔插入内窥镜确认排水孔的堵塞和内部破损状况。也可以在桨叶的中间开一个5mm 的孔,插入直径4mm 的工业内窥镜来检查内部的粘合状况。使用超声探伤可以对风电叶片内玻璃纤维内部的脱落状况进行检查。对用来固定风电叶片的很多螺栓是否发生疲劳损伤也可使用超声探伤进行检查。
 
  风塔的焊接部以及用来固定风塔的螺栓也可以使用超声探伤进行检查。
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