风电塔筒无损检测方案：超声相控阵与TOFD技术应用

随着双碳目标的持续推进，我国风电装机规模持续扩大，中国电力科学研究院2025年发布的《中国风电产业发展白皮书》显示，全国累计风电装机容量已突破4.3亿千瓦，其中陆上风电3.7亿千瓦，海上风电0.6亿千瓦【1】。风电塔筒作为风电机组的核心承载结构，长期承受交变风载荷、叶片振动载荷及沿海盐雾腐蚀作用，焊缝部位的裂纹、未熔合、未焊透等内部缺陷，是引发塔筒变形、倒塌等安全事故的核心诱因。传统风电塔筒无损检测手段中，磁粉、渗透仅能检测表面及近表面缺陷，常规超声对缺陷的定量精度不足，射线检测存在辐射危害且作业效率低，已无法满足大规模风电运维的检测需求，超声相控阵与TOFD技术的组合应用，成为当前风电塔筒焊缝检测的主流解决方案。

一、技术背景与发展历程

我国风电产业在“十四五”期间进入高速发展阶段，2025年新增风电装机容量突破7000万千瓦，其中3MW以上的大功率风电机组占比超过65%，对应的风电塔筒壁厚普遍提升至40-100mm，对焊缝无损检测的精度、覆盖率要求进一步提高。早期风电塔筒检测多采用常规超声加射线的组合方案，但其缺陷检出率低、作业风险高、检测周期长等痛点逐渐凸显，2025年*能源局发布的《风电场运维安全专项整治工作方案》明确提出，要推广无辐射、高精度的无损检测技术在塔筒检测中的应用，超声相控阵与TOFD技术凭借其技术优势，逐步从塔筒制造端的验收检测，延伸至在役塔筒的运维检测场景，目前国内已有超过1200座风电场采用该技术开展塔筒定期检测。

二、核心原理深度解析

超声相控阵检测技术的核心是多晶片阵列探头，通过独立控制每个压电晶片的激发与接收延时，可实现超声声束的偏转、聚焦及扫查范围的动态调整，能够针对风电塔筒环缝、纵缝、法兰对接缝等不同结构的焊缝，定制专属的扫查路径，生成S扫、C扫等多维成像结果，直观呈现缺陷的位置、长度、取向等参数。

TOFD技术即衍射时差法超声检测，依靠缺陷两端部产生的衍射波传播时间差实现缺陷高度的定量检测，不受缺陷自身取向的影响，对于风电塔筒焊缝中常见的面状缺陷（如裂纹、未熔合）的检出能力优于常规超声技术。两种技术组合应用时，超声相控阵负责缺陷的平面定位与长度定量，TOFD技术负责缺陷的高度定量，二者互补可实现风电塔筒焊缝全厚度范围的覆盖检测，减少漏检风险。

三、技术优势与局限性

从实际应用效果来看，超声相控阵与TOFD技术组合应用于风电塔筒无损检测，具备多方面优势：首先是缺陷检出率高，根据DL/T 2045标准的验证数据，该组合方案对风电塔筒焊缝中≥2mm的缺陷检出率可达94%以上，较常规超声检测高出21个百分点【2】；其次是定量精度高，TOFD技术对缺陷高度的测量误差不超过1mm，超声相控阵对缺陷长度的定位误差小于2mm，检测结果可直接用于风电塔筒剩余寿命评估；第三是作业效率高，单段30米高的风电塔筒全焊缝检测仅需4小时，较传统射线检测效率提升70%，且无电离辐射危害，可在风电机组带电运行的状态下开展作业，减少停机损失。

同时该技术组合也存在一定局限性：一是对检测面的平整度要求较高，若风电塔筒表面防腐层厚度超过3mm，需进行局部打磨处理才能保证声耦合效果；二是针对壁厚超过80mm的厚壁风电塔筒，需搭配低频检测探头以降低声衰减对检测结果的影响；三是检测人员需同时掌握两种技术的操作与缺陷判读能力，人员技能门槛较常规检测更高。

四、技术标准与规范要求

当前超声相控阵与TOFD技术在风电塔筒检测中的应用，已有明确的标准规范作为支撑：电力行业标准DL/T 2045-2019《风电塔筒焊缝无损检测 超声检测》，明确规定了两种技术的适用范围、检测工艺、灵敏度要求及验收等级，要求风电塔筒焊缝检测的验收等级不低于II级；*标准GB/T 32563-2016《无损检测 超声相控阵检测方法》，对仪器性能、探头参数、扫查方式、结果评定等内容做了统一规定；国际电工委员会发布的IEC 61683-2022《风电机组塔架结构无损检测规范》，要求组合检测的灵敏度不低于φ2mm横孔当量，检测记录需留存至少10年【3】。此外2025年更新的《风电项目塔筒采购技术规范》中，已明确将超声相控阵与TOFD组合检测列为塔筒出厂验收的必做项目。

五、应用场景与选型建议

该技术组合的应用场景主要覆盖三类场景：一是风电塔筒制造出厂验收场景，针对环缝、纵缝、法兰对接缝开展*全厚度检测，替代传统射线检测，避免辐射危害，缩短出厂检测周期；二是在役风电塔筒运维检测场景，尤其是山地、海上风电等高空作业场景，无需暗室处理，现场即可完成数据采集与初步判读，降低高空作业时长；三是风电塔筒故障诊断场景，当塔筒出现振动异常、防腐层开裂、基础沉降等问题时，可快速定位焊缝内部缺陷，评估缺陷扩展风险，为运维方案制定提供数据支撑。

针对采购环节的招标参数设置，建议结合实际应用需求明确核心要求：一是超声相控阵主机通道数不低于32通道，采样率不低于100MS/s，支持动态聚焦、声束偏转功能，可生成S扫、C扫、B扫多维度成像；二是TOFD检测模块的时间分辨率不低于1ns，支持双探头同步触发，缺陷高度定量误差不超过1mm；三是配套扫查架适配3m-6m直径的风电塔筒曲面，带磁吸固定装置，防护等级不低于IP65，适配野外、高空作业环境；四是检测数据格式符合DL/T 2045标准要求，可直接接入风电场运维管理系统，便于检测数据的统一管理。

六、技术发展趋势与展望

随着风电运维智能化水平的提升，超声相控阵与TOFD技术的应用也在持续迭代：一是与爬壁机器人技术融合，2025年国内已推出搭载双技术探头的风电塔筒爬壁检测机器人，可自动完成全周焊缝的扫查作业，无需人员高空作业，检测效率较人工操作提升50%以上；二是AI智能缺陷判读技术的应用，通过训练海量风电塔筒焊缝缺陷样本库，可自动识别裂纹、未熔合、气孔等典型缺陷，缺陷判读准确率超过90%，降低对检测人员经验的依赖；三是无线传输技术的融入，检测数据可实时传输至地面运维平台，实现边检测、边评估、边出具整改方案，大幅缩短风电塔筒运维响应周期。

七、参考文献

【1】中国电力科学研究院. 2025年中国风电产业发展白皮书[R]. 北京: 中国电力出版社, 2025.

【2】*能源局. DL/T 2045-2019 风电塔筒焊缝无损检测 超声检测[S]. 北京: 中国电力出版社, 2019.

【3】国际电工委员会. IEC 61683-2022 风电机组塔架结构无损检测规范[S]. 日内瓦: IEC出版社, 2022.