基于風(fēng)場實(shí)例的風(fēng)力機(jī)葉片失效分析

摘要：風(fēng)力機(jī)葉片是風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)力源泉，葉片的性能及質(zhì)量可靠性是機(jī)組安全運(yùn)行的關(guān)鍵。本文基于華北地區(qū)及東北地區(qū)某兩風(fēng)場葉片失效事故，闡述了葉片失效情況，針對(duì)葉片失效原因做了由表及質(zhì)詳盡的分析。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了常見葉片失效形式及原因，提出避免葉片損壞失效造成更大損失的措施及建議。本文的分析及總結(jié)可為后期葉片設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及運(yùn)行維護(hù)，預(yù)防葉片失效及葉片失效原因分析提供經(jīng)驗(yàn)思路。關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)葉片,失效分析,失效原因1．引言能源生產(chǎn)利用對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響，是中國環(huán)境問題關(guān)注的核心。同時(shí)，隨著煤炭、石油等能源的逐漸減少，人類越來越重視可再生能源的利用。風(fēng)電作為技術(shù)相對(duì)成熟、度電成本優(yōu)勢(shì)日趨顯現(xiàn)、最有希望的“綠色能源”，對(duì)減少常規(guī)能源的消耗，從而減少溫室氣體的排放，對(duì)保護(hù)環(huán)境和生態(tài)平衡，以及改善能源結(jié)構(gòu)具有重要意義。目前，國內(nèi)外風(fēng)電技術(shù)日趨成熟，風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組單機(jī)容量越來越大，從之前的0.7、0.8MW、1MW到現(xiàn)在較大的風(fēng)力機(jī)可以達(dá)到2MW，3MW，對(duì)于海上風(fēng)力機(jī)來講，2015年西門子成功研制7MW直驅(qū)海上風(fēng)電機(jī)組，維斯塔斯則成功制造出8MW永磁風(fēng)電機(jī)組。風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的增大，意味著風(fēng)力機(jī)整體外形結(jié)構(gòu)的增大，風(fēng)力機(jī)葉片長度增長，如維斯塔斯成功制造出的8MW永磁風(fēng)電機(jī)組的葉片長度達(dá)到了80m，而對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說，葉片是其捕獲風(fēng)能最關(guān)鍵的部件，葉片增長明顯提高了風(fēng)力機(jī)捕獲風(fēng)能的能力，增加發(fā)電量，但葉片自身承受的極限、疲勞載荷值及載荷復(fù)雜性也明顯增加，因此對(duì)葉片氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求也越來越高，對(duì)其生產(chǎn)過程、制造工藝，質(zhì)量檢測(cè)等的嚴(yán)格把控顯得尤為重要。葉片展向長，弦向短，柔性較好，是一個(gè)容易發(fā)生振動(dòng)的細(xì)長彈性體，葉片性能優(yōu)劣直接影響風(fēng)力機(jī)組的可靠運(yùn)行，由于風(fēng)力機(jī)葉片運(yùn)行環(huán)境惡劣，常年裸露在外，受力復(fù)雜，不均勻流，陣風(fēng)等都作用于葉片上，葉片損壞、失效事故常有發(fā)生，本文基于東北某風(fēng)電場及華北地區(qū)某一風(fēng)電場的葉片失效事故案例做了詳盡的分析，并提出針對(duì)葉片失效的原因、建議及措施。2葉片制造檢驗(yàn)2.1葉片制造目前，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片基本上多采用E-玻璃纖維、S-玻璃纖維、碳纖維等增強(qiáng)材料，通過開模手工鋪放，預(yù)浸料或閉模樹脂真空導(dǎo)入(RIM)等成型工藝復(fù)合而成。玻璃鋼復(fù)合材料重量輕，強(qiáng)度高，在保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出力的同時(shí)，須保證其在復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境中的可靠性。風(fēng)電機(jī)組在工作過程中，風(fēng)力機(jī)葉片要承受慣性力、重力以及空氣動(dòng)力等風(fēng)載荷、氣體沖刷、砂石粒子沖擊、紫外線照射等外界的作用。為了提高復(fù)合材料葉片的承受極限、疲勞載荷、耐腐蝕等性能，必須對(duì)樹脂基體系統(tǒng)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和改進(jìn)，改善玻璃纖維/樹脂界面的粘結(jié)性能，擴(kuò)大玻璃纖維在大型葉片中的應(yīng)用范圍。同時(shí)，為了提高復(fù)合材料葉片在惡劣工作環(huán)境中長期使用性能，可以采用耐紫外線輻射的新型環(huán)氧樹脂系統(tǒng)。在葉片的制造過程中，從車間環(huán)境控制、模具準(zhǔn)備、鋪層、灌注及固化等殼體成型工藝、腹板制作、合模粘接、前、后緣補(bǔ)強(qiáng)、后固化、脫模、切邊打磨、前后緣外補(bǔ)強(qiáng)、葉片打孔、螺母、螺栓、法蘭及人孔板安裝到最后的稱重、配重等是一套完整而復(fù)雜且對(duì)工藝要求極高的一套流程，每一步工序都要求極為細(xì)致嚴(yán)格。2.2葉片制造過程檢驗(yàn)在過往葉片失效的項(xiàng)目分析中，我們總結(jié)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)葉片生產(chǎn)制造與葉片設(shè)計(jì)是導(dǎo)致葉片失效最的主要原因之一，因此葉片制造過程的檢驗(yàn)與監(jiān)督是保證葉片質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。再者，葉片的生產(chǎn)，不是一兩個(gè)精品質(zhì)量的把控，對(duì)于批量的葉片生產(chǎn)過程更要進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)和監(jiān)督。葉片制造過程復(fù)雜，風(fēng)力機(jī)葉片的質(zhì)量控制須貫穿整個(gè)生產(chǎn)過程，每一道工序均要有專人質(zhì)量把控，并如實(shí)作好檢驗(yàn)記錄。在葉片的生產(chǎn)過程中，首先是對(duì)原材料的檢驗(yàn)，如樹脂、纖維、粘接膠等是否符合制造廠材料分發(fā)規(guī)定，原材料合格證是否與原材料批號(hào)相對(duì)應(yīng)，并且要保證原材料外觀無異常，對(duì)于原材料的儲(chǔ)存是否嚴(yán)格按照存儲(chǔ)規(guī)范和材料說明書來執(zhí)行；生產(chǎn)前要對(duì)車間環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，保證其溫度、濕度均在合格的范圍內(nèi)；模具準(zhǔn)備過程中，須檢查磨具表面是否干凈，無損壞，保證真空管道內(nèi)無雜物，定位塊無破損雜物，并檢查所涂脫模劑是否均勻、有無漏涂；在鋪層階段，檢查使用的材料和鋪層順序是否完全符合圖紙要求，并保證鋪層沒有錯(cuò)層、搭接、褶皺、污染等問題；檢查芯材鋪設(shè)間隙及臺(tái)階是否在技術(shù)要求范圍內(nèi)；樹脂灌注過程應(yīng)檢查樹脂的配比是否正確，樹脂真空度是否滿足工藝要求，保證無漏氣和異常情況；在預(yù)固化階段確保預(yù)固化時(shí)間；殼體清理時(shí)應(yīng)檢查殼體有無氣泡、有無脫模布、真空袋、導(dǎo)流網(wǎng)、膠渣等夾雜物，保證殼體無爆聚發(fā)黃，且粘接面平滑、無水、無油、無大量灰塵；腹板制作過程要求涂粘接膠時(shí)必須均勻、足量，并且不能有氣泡，膠面需充滿膠粘劑，腹板粘接位置應(yīng)符合工藝要求，無缺膠空膠現(xiàn)象；在合模階段，檢查防雷電纜線是否固定牢固；前緣粘接角及后緣粘接面膠粘劑是否充足、無漏涂現(xiàn)象，且在膠粘劑固化后應(yīng)檢查其是否有開裂、暴聚發(fā)黃、缺膠空膠等問題；后固化中應(yīng)嚴(yán)格控制固化時(shí)間，考察Tg樣品的取樣位置是否合適；在對(duì)前、后緣內(nèi)外補(bǔ)強(qiáng)工序的檢查中，應(yīng)保證切割前后緣飛邊時(shí)不得損傷殼體，檢查補(bǔ)強(qiáng)固化后前后緣是否平整、無氣泡、無凸起、無毛刺、無空膠分層等，另外，人孔板不得有碰傷及裂紋；葉片打磨后，應(yīng)用模板確定前緣修型是否符合要求，后緣厚度是否符合風(fēng)電技術(shù)規(guī)格書要求；在螺母和法蘭安裝時(shí)，檢查法蘭表面是否有凸點(diǎn)、生銹、碰傷、膠瘤、雜物等，且法蘭安裝不能有嚴(yán)重錯(cuò)位；噴漆后，應(yīng)確保表面無針孔、漏青、油漆溜、雜質(zhì)等；最后的稱重、配重應(yīng)確保配平后符合風(fēng)電技術(shù)規(guī)格書要求。3風(fēng)力機(jī)葉片失效案例分析3.1葉片失效形式風(fēng)力機(jī)葉片額度設(shè)計(jì)壽命一般不少于20年，在其運(yùn)行壽命期間內(nèi)，隨著運(yùn)行年限的增長，葉片失效的概率會(huì)慢慢增大，近幾年葉片失效事故也在各風(fēng)電場時(shí)有發(fā)生，因此葉片失效問題受到了全行業(yè)越來越多的關(guān)注。葉片失效形式多樣，常見的失效形式有：（1）前、后緣開裂；（2）葉尖開裂；（3）葉片折斷；（4）蒙皮分層、開裂；（5）抗剪腹板粘接膠開裂；（6）雷擊破壞；（7）涂層破壞；（8）局部表面磨蝕；（9）局部表面裂紋；（10）運(yùn)輸和吊裝造成葉片損傷等，失效的葉片常伴隨褶皺、固化不良、布層不平等缺陷，本文所述的東北地區(qū)及華北地區(qū)兩處風(fēng)場的失效葉片均出現(xiàn)了葉片表面蒙皮開裂，弦向褶皺、小腹板端部開裂等現(xiàn)象。3.2葉片失效事故概況風(fēng)力機(jī)運(yùn)行環(huán)境條件惡劣、受載復(fù)雜，葉片失效事故常有發(fā)生，2017年，華北地區(qū)一風(fēng)電場代維人員接到風(fēng)場故障單后在故障消缺途中發(fā)現(xiàn)一機(jī)組一支葉片斷裂，葉片斷裂情況如圖1。據(jù)現(xiàn)場勘察結(jié)果，發(fā)現(xiàn)葉片在距葉根15.86m處，PS(Pressuresurface)面主梁帽外殼體處發(fā)生斷裂，斷裂照片如圖2；同時(shí)，在斷裂處向葉尖方向PS腹板粘接膠存在粘接面寬度不足情況，如圖3；在距葉根8.98m處，SS(Suctionsurface)面主梁帽內(nèi)殼體處發(fā)現(xiàn)有褶皺缺陷，如圖4；此外，同一年，東北某風(fēng)電場多組風(fēng)力機(jī)在葉根處檢查發(fā)現(xiàn)外蒙皮裂紋，開裂現(xiàn)象，如圖5所示。后通過涂層打磨外觀、切割解剖檢查，分析發(fā)現(xiàn)多組葉片上出現(xiàn)弦向褶皺及膩?zhàn)犹钛a(bǔ)現(xiàn)象；當(dāng)對(duì)垂直于裂紋弦向進(jìn)行切割時(shí)，發(fā)現(xiàn)芯材至外殼體有多層纖維布弦向褶皺及富樹脂缺陷，如圖6所示；并在葉片內(nèi)部發(fā)現(xiàn)后緣葉型小腹板端部開裂，如圖7所示。3.3風(fēng)力機(jī)葉片損壞失效原因分析針對(duì)于華北地區(qū)該風(fēng)電場的情況，通過現(xiàn)場對(duì)葉片斷裂區(qū)域打磨、解剖分析，在葉片斷裂葉根段，距葉根15.86m，PS主梁帽外殼體，沿?cái)嗫诮孛姘l(fā)現(xiàn)一處橫向長380mm（與主梁帽等寬）的富樹脂缺陷，如圖8，富樹脂截面寬15.12mm，高3.12mm，如圖9；同時(shí)在缺陷斷口處，表面斷裂纖維布?xì)んw下有黑色灰塵沉積現(xiàn)象，斷口整齊，葉尖段PS面、斷口主梁帽區(qū)域解剖后，出現(xiàn)分層現(xiàn)象，如上圖2?，F(xiàn)場看葉片PS面斷裂附近，前后緣雙腹板粘結(jié)面已開裂，從留存腹板粘結(jié)面粘結(jié)膠情況來看，發(fā)現(xiàn)腹板粘結(jié)膠量，粘接面寬度不足，從而對(duì)葉片斷裂失穩(wěn)產(chǎn)生不利的影響，如上圖3?；诖?，推斷葉片斷裂失效首先從葉片PS面、距葉根15.86m、主梁帽外殼體沿富樹脂處出現(xiàn)橫向裂紋，外殼體層的斷裂會(huì)引起局部應(yīng)力集中，隨著機(jī)組運(yùn)行，葉輪的旋轉(zhuǎn)，在葉片揮舞方向承受較大彎矩載荷的葉片PS面，在循環(huán)彎矩、扭矩、離心力等復(fù)合載荷作用下，葉片斷口纖維布斷裂層數(shù)逐步增加，斷裂區(qū)域逐漸擴(kuò)大，直至葉片最終失穩(wěn)斷裂。

針對(duì)于東北地區(qū)風(fēng)電場的情況，所檢查葉片弦向褶皺、裂紋集中出現(xiàn)于距葉根1.9-2.1m位置，PS面后緣區(qū)域，葉片失效首先從弦向褶皺處出現(xiàn)裂紋。產(chǎn)生裂紋缺陷的主要原因?yàn)檩^大高寬比、較多層數(shù)纖維布弦向褶皺會(huì)引起局部玻纖方向偏離較大、造成應(yīng)力集中，此區(qū)域玻纖強(qiáng)度會(huì)有較大程度降低。隨著機(jī)組運(yùn)行，葉輪的旋轉(zhuǎn)，在葉片根部揮舞方向承受較大彎矩載荷的葉片PS面，循環(huán)施加著極限彎矩、扭矩、離心力等復(fù)合載荷作用；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，葉根弦向褶皺處抗極限、疲勞強(qiáng)度顯著下降，最終導(dǎo)致外部纖維布層開裂。出現(xiàn)裂紋的起始原因是由于葉片弦向褶皺，而褶皺出現(xiàn)的源頭在于：葉片制造工藝復(fù)雜、鋪層過程參與工作人員較多、葉根鋪層數(shù)量大（約140多層）、是芯材、主梁帽鋪設(shè)的起始點(diǎn)，對(duì)芯材高度過度差以及芯材防滑移固定都有著嚴(yán)格的要求、又是葉片圓柱段到翼型的過渡區(qū)，本身鋪設(shè)難度比較大，葉片批量生產(chǎn)制造過程中，工人玻纖布鋪設(shè)、操作手法不熟練，導(dǎo)致鋪層、固化后褶皺出現(xiàn)；同時(shí)，工廠質(zhì)量檢查、監(jiān)督不力，生產(chǎn)工藝過程控制不到位、后續(xù)工序檢測(cè)、檢驗(yàn)形式化，導(dǎo)致葉片生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的褶皺缺陷未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、解決，進(jìn)而導(dǎo)致了最終的葉片失效。3.4葉片失效原因總結(jié)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，受湍流風(fēng)，剪切風(fēng)并且還有上風(fēng)力機(jī)尾流影響，葉片承受載荷大，且載荷具有交變性、隨機(jī)性，風(fēng)吹、日曬、雨淋、雷擊、腐蝕等等都會(huì)對(duì)葉片的壽命造成巨大影響，因此隨著運(yùn)行年限的增長，葉片隨時(shí)都會(huì)出現(xiàn)一些意想不到的損傷甚至事故，直接影響風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行安全和風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)效益。葉片失效形式多樣，本文案例兩處風(fēng)場分別發(fā)生葉片斷裂、表面開裂等現(xiàn)象，除此之外，葉片表面鼓包、凹坑、凸起、麻面、砂眼，葉片異響等問題、包括雷電沖擊等都會(huì)在長年累月的運(yùn)行積累中對(duì)葉片造成損害。葉片最終失效由很多因素造成，可能單個(gè)因素也可能是某幾個(gè)因素的疊加，大致分為兩類：外在不可控和人為可控因素。風(fēng)力機(jī)長期裸露在外，除風(fēng)沙、水汽、暴雨、冰雹磨損外最重要的自然因素就是雷電，風(fēng)力機(jī)多安裝在野外開闊地帶和山頂，這使得風(fēng)力機(jī)遭受雷擊的概率大大增加：由于葉片表面侵蝕，涂層形成很多小孔，水分通過小孔積存在葉片表面，甚至進(jìn)入葉片腔體內(nèi)，當(dāng)雷電通過葉片接閃器時(shí)產(chǎn)生瞬間的高溫，造成孔內(nèi)水汽爆炸，形成葉尖炸裂；雷電擊中風(fēng)力機(jī)葉片葉尖后，雷電釋放的大量能量會(huì)使葉尖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度急劇升高，葉尖內(nèi)部的氣體在高溫下急劇膨脹，葉尖內(nèi)壓力升高，造成葉尖爆炸開裂；另外，引雷器與葉片的接觸不良也會(huì)在雷雨天氣引起雷擊損傷[3]。除不可避免的因素之外，還有一些外在可控因素的影響：（1）葉片材料的不合格，一些生產(chǎn)廠家為降低葉片成本，追求更高利潤使用不合格的樹脂或者纖維，這些材料均質(zhì)性差，風(fēng)力機(jī)開始運(yùn)行后，葉片很容易出現(xiàn)局部缺陷；（2）生產(chǎn)過程質(zhì)量控制不到位，后期檢測(cè)流于形式，無法真正保證葉片質(zhì)量。（3）從當(dāng)前風(fēng)電場對(duì)風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行管理來看，一些風(fēng)電場對(duì)葉片預(yù)防維護(hù)的重要性認(rèn)識(shí)不足，巡檢過程把控不嚴(yán)，葉片運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備空缺；預(yù)防維護(hù)、監(jiān)測(cè)設(shè)備方面投入的人力物力財(cái)力不夠，在日積月累的運(yùn)行中，導(dǎo)致一些細(xì)小產(chǎn)品缺陷隱患因沒能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，最終造成不可逆的失效事故，給運(yùn)行風(fēng)場帶來安全隱患、造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失3.5避免葉片損壞失效的措施及建議（1）風(fēng)電場可行性研究報(bào)告階段，在風(fēng)電場的建設(shè)規(guī)劃期，需深度搜集當(dāng)?shù)貧庀?、地質(zhì)等資料，做好機(jī)組選型、風(fēng)場機(jī)組排布及葉片與機(jī)組的匹配性工作，防止機(jī)組在正常運(yùn)行條件下，葉片因無法承受超設(shè)計(jì)載荷（極限載荷、疲勞載荷等）的作用而發(fā)生斷裂破壞現(xiàn)象。（2）從葉片生產(chǎn)材料方面來講，對(duì)于同一種基體樹脂來講，采用玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料制造的葉片的強(qiáng)度和剛度的性能要差于采用碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料制造的葉片的性能。但是由于價(jià)格的因素，目前的葉片制造采用的增強(qiáng)材料主要以玻璃纖維為主。隨著葉片長度不斷增加，葉片對(duì)增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和剛性等性能也提出了新的要求，玻璃纖維在大型復(fù)合材料葉片制造中逐漸出現(xiàn)性能方面的不足。為了保證葉片能夠安全可靠運(yùn)行，風(fēng)力機(jī)葉片可以采用玻璃纖維/碳纖維混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，尤其是在主梁等對(duì)材料強(qiáng)度和剛度要求較高的區(qū)域，使用碳纖維作為增強(qiáng)材料[2]。這樣，不僅可以提高葉片的承載能力，由于碳纖維具有導(dǎo)電性，也可以有效地避免雷擊對(duì)葉片造成的損傷。（3）葉片制造工藝復(fù)雜、鋪層等制作過程參與工作人員較多、如對(duì)主梁帽鋪設(shè)、芯材高度過渡差以及芯材防滑移固定等都有著嚴(yán)格的要求，因而要加強(qiáng)工人在玻纖布鋪設(shè)操作等關(guān)鍵生產(chǎn)工序方面的培訓(xùn)。同時(shí)，工廠質(zhì)量檢查、監(jiān)督，生產(chǎn)工藝過程控制、后續(xù)工序檢測(cè)、檢驗(yàn)要嚴(yán)格落實(shí)到位，避免葉片生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的褶皺等缺陷不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、解決就進(jìn)入市場流通環(huán)節(jié)。（4）加強(qiáng)風(fēng)電場運(yùn)行機(jī)組葉片的巡視、檢測(cè)，對(duì)砂眼、葉片表面膠衣脫落、葉片開裂等早期缺陷及時(shí)維修，對(duì)雷區(qū)風(fēng)電場，要注意對(duì)避雷系統(tǒng)的檢測(cè)修護(hù)，及早發(fā)現(xiàn)問題并解決，防患于未然；（5）進(jìn)一步改進(jìn)現(xiàn)場葉片巡檢方法，目前葉片現(xiàn)場巡檢多是通過高倍望遠(yuǎn)鏡以及高空吊籃對(duì)葉片表面拍照、目視檢查以及敲擊異音檢查等手段檢查葉片表面，查找葉片外觀缺陷，而葉片內(nèi)部特別是葉尖段，因排查人員無法進(jìn)入，無法及時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)部、葉尖段缺陷。對(duì)此，可用無人機(jī)巡檢或者利用機(jī)器人攜帶高清攝像頭對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片內(nèi)部進(jìn)行拍照錄像，主要檢查：芯材區(qū)域與表層玻璃鋼是否有剝離；葉片避雷導(dǎo)線是否有缺失或折斷；內(nèi)部粘結(jié)膠部位是否開裂；葉片腹板是否有扭曲；內(nèi)部是否有分層等缺陷；葉片內(nèi)部是否有異物等。（6）優(yōu)化后臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在本文所分析的案例中，風(fēng)力