郭萬(wàn)龍

(中鋁寧夏能源集團(tuán)有限公司，寧夏 銀川 750002)

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源蘊(yùn)量巨大，越來(lái)越受到重視。全球風(fēng)能總量約為2.74×109MW，其中可利用的風(fēng)能為2×107MW。對(duì)風(fēng)電企業(yè)來(lái)說(shuō)，無(wú)論是從風(fēng)電機(jī)組保有量，還是從對(duì)電網(wǎng)及社會(huì)影響的角度來(lái)看，風(fēng)電機(jī)組保持良好狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)較高的安全、可靠性都顯得越來(lái)越重要。

1 風(fēng)電機(jī)組葉片損壞失效事故

葉片是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，其性能優(yōu)劣將影響整個(gè)發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)能否可靠運(yùn)行。因葉片整體裸露在外，工作條件惡劣，葉片損壞失效事故時(shí)有發(fā)生。根據(jù)中鋁寧夏能源集團(tuán)有限公司的統(tǒng)計(jì)，該公司2003—2012年期間停機(jī)超過(guò)7天及以上的機(jī)組失效停機(jī)事故共75起，其中因葉片損壞失效導(dǎo)致的停機(jī)事故有24起，占事故總數(shù)的32 %，且這些事故多發(fā)生在盛風(fēng)發(fā)電期間。

當(dāng)葉片發(fā)生失效事故特別是單片斷裂事故時(shí)，3片葉片平衡旋轉(zhuǎn)狀態(tài)被破壞，發(fā)電機(jī)組瞬間劇烈振動(dòng)；若機(jī)組保護(hù)失效或剎車裝置遲延動(dòng)作，將對(duì)發(fā)電機(jī)組軸系以及塔筒帶來(lái)嚴(yán)重危害，并可能導(dǎo)致整臺(tái)機(jī)組毀損。而且，斷裂葉片在機(jī)組制動(dòng)之前，極有可能撞擊相鄰葉片或塔筒，造成事故損失擴(kuò)大。

葉片發(fā)生失效事故后，風(fēng)電場(chǎng)必須進(jìn)行停機(jī)檢修，這需要使用大型起重吊車，而吊車的出場(chǎng)及作業(yè)費(fèi)用巨大，且需等待天氣處于小風(fēng)或微風(fēng)、無(wú)風(fēng)的作業(yè)條件。既產(chǎn)生了高額維修費(fèi)用，又因“棄風(fēng)”喪失了發(fā)電良機(jī)。一臺(tái)葉片損壞失效風(fēng)機(jī)造成的直接及間接經(jīng)濟(jì)損失近百萬(wàn)元。從當(dāng)前各風(fēng)電企業(yè)的維護(hù)管理情況來(lái)看，對(duì)葉片維護(hù)的重要性認(rèn)識(shí)不足、日常維護(hù)過(guò)程控制不嚴(yán)、維護(hù)投入不足，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行中的葉片隱患經(jīng)年累月不斷增多，隨時(shí)都可能引發(fā)失效事故，影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

2 風(fēng)電機(jī)組葉片損壞失效分析

葉片損壞可分為斷裂失效、開(kāi)裂失效、雷擊損傷、局部表面磨蝕、局部表面裂紋、運(yùn)輸?shù)跹b損傷和運(yùn)行維護(hù)不當(dāng)損傷等形式。

2.1 斷裂失效

斷裂失效多發(fā)生在葉片根部、葉片中部，呈折斷形式，如圖1所示。

圖1 斷裂失效的葉片(折斷處斷面)

導(dǎo)致葉片斷裂失效的原因有以下4點(diǎn)。

(1) 設(shè)計(jì)缺陷。設(shè)計(jì)時(shí)安全冗余系數(shù)選擇過(guò)低，葉片根部及葉片中部斷面積過(guò)小、斷面形狀不符合強(qiáng)度、剛度要求；葉片實(shí)際運(yùn)行載荷超出設(shè)計(jì)時(shí)的預(yù)測(cè)極限，過(guò)負(fù)荷導(dǎo)致葉片毀損；另外，進(jìn)行極限設(shè)計(jì)時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)各部件與葉片的空間間距、質(zhì)量等冗余量設(shè)計(jì)過(guò)小。

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的大力扶持，風(fēng)電市場(chǎng)急速擴(kuò)張，由于低端風(fēng)機(jī)葉片技術(shù)含量較低，各路廠家紛紛涉足葉片生產(chǎn)。面對(duì)競(jìng)爭(zhēng)壓力，為降低葉片成本追求更高的利潤(rùn)，廠家致力于設(shè)計(jì)出低廉的部件。比如，用減小葉片根部直徑的方式來(lái)減少輪轂和葉片的成本，但是葉片根部尺寸減小后會(huì)導(dǎo)致葉片強(qiáng)度不夠。

(2) 葉片材料質(zhì)量不符合要求。生產(chǎn)廠家使用不合格的膠衣、樹(shù)脂或纖維材料，這些材料均質(zhì)性差，容易出現(xiàn)局部軟肋，導(dǎo)致葉片突然失效。

(3) 擅自更改生產(chǎn)工藝。目前國(guó)內(nèi)高質(zhì)量復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片多采用從國(guó)外引進(jìn)的的RIM(聚胺脂反應(yīng)注射成型)、RTM(樹(shù)脂傳遞模塑)、纏繞及預(yù)浸料/熱壓工藝進(jìn)行制造，但一些廠家為降低成本搶占市場(chǎng)采用手糊工藝進(jìn)行制造。手糊工藝的主要特點(diǎn)為手工操作、開(kāi)模成型、生產(chǎn)效率低以及樹(shù)脂固化程度偏低，且對(duì)工人的操作熟練程度及環(huán)境條件的依賴性較大，產(chǎn)品質(zhì)量均勻性波動(dòng)較大，產(chǎn)品的動(dòng)靜平衡保證性差，廢品率較高。工藝生產(chǎn)過(guò)程中的含膠量不均勻、纖維/樹(shù)脂浸潤(rùn)不良及固化不完全等均會(huì)引起葉片變形、出現(xiàn)裂紋和斷裂。

(4) 生產(chǎn)商經(jīng)驗(yàn)不足。一些廠家經(jīng)驗(yàn)不足，沒(méi)有完全消化吸收國(guó)外生產(chǎn)技術(shù)，管控重點(diǎn)原理不清、方式方法簡(jiǎn)單，面對(duì)葉片制造中涉及的上百種主輔材料、工具、工裝、模具、設(shè)備，缺少品質(zhì)鑒定能力，生產(chǎn)工藝過(guò)程控制不到位，后期工序檢測(cè)檢驗(yàn)流于形式，無(wú)法保障葉片質(zhì)量。

2.2 開(kāi)裂失效

開(kāi)裂失效多發(fā)生在葉尖、葉片中部前緣處，呈縱向分離張口形式，如圖2所示。

圖2 開(kāi)裂失效的葉片

導(dǎo)致葉片開(kāi)裂失效的原因主要有以下3點(diǎn)。

(1) 設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造時(shí)對(duì)尾邊區(qū)域及葉片表層重視不夠，膠衣耐磨性不夠。風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，起到葉片外固合保護(hù)作用的樹(shù)脂膠衣已被風(fēng)砂抽磨至最低固合力點(diǎn)，葉片光澤退化、產(chǎn)生麻面，進(jìn)而出現(xiàn)纖維布漏出、復(fù)合材料氣泡破碎，形成大砂眼，葉片裂紋增寬、增長(zhǎng)、加深，小砂眼向深處擴(kuò)張的現(xiàn)象，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)阻力、雜音、哨聲。

(2) 風(fēng)沙磨損侵蝕，修復(fù)不及時(shí)。(3) 葉片呼吸孔堵塞以及雷擊損傷。

2.3 雷擊造成的損傷

隨著風(fēng)機(jī)容量的增大，輪轂高度升至100 m左右，葉片長(zhǎng)度超過(guò)30 m。由于風(fēng)電機(jī)組多安裝在開(kāi)闊地帶或者山頂，再加上機(jī)組服役時(shí)間延長(zhǎng)，葉片表面污濁程度加深，風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊的幾率越來(lái)越大，而葉片是最容易遭受雷擊損害的部件。圖3為受雷擊損壞失效的葉片。葉片受雷擊導(dǎo)致的失效顯見(jiàn)于接雷器處及葉片其他部位。

圖3 受雷擊損壞失效的葉片

葉片受雷擊損壞的原因主要如下。

(1) 引雷器與葉片接觸不嚴(yán)密，存有裂隙，引起雷擊損傷。引雷器與葉片膠結(jié)不牢，雨水或吸潮浸濕，使引雷路徑發(fā)生變化。當(dāng)雷電擊中葉片時(shí)，雷電釋放的巨大能量使葉片結(jié)構(gòu)內(nèi)的浸水材料溫度急劇升高,分解氣體高溫膨脹,壓力上升，造成爆裂破壞。

(2) 葉片表面污濁引起的雷擊。葉片積塵腐蝕葉片表面，加速葉片表面風(fēng)化、出現(xiàn)毛刺和彈性減弱，使葉片產(chǎn)生微細(xì)裂紋，裂紋進(jìn)一步積塵腐蝕，再加上靜電灰塵形成的混合物加速葉片老化。陰雨天氣時(shí)葉片表面濕度較大，如遇雷電天氣，極易造成雷電誤導(dǎo)現(xiàn)象；葉片接閃器處遇雷擊，可能在葉片的另外一處出擊，形成“一雷擊兩創(chuàng)孔”的現(xiàn)象。

風(fēng)電機(jī)組葉片在雷雨季節(jié)過(guò)后損傷增加，無(wú)疑和雷擊有著直接關(guān)系，至于其損壞機(jī)理則還需進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2.4 局部表面磨蝕

局部表面磨蝕主要發(fā)生在葉尖切迎風(fēng)面、中部切迎風(fēng)面、葉片前緣、葉片后緣等部位，如圖4所示。

圖4 局部表面磨蝕的葉片

導(dǎo)致葉片局部表面磨蝕的原因主要如下。

(1) 風(fēng)沙、水汽磨蝕。旋轉(zhuǎn)的葉片會(huì)與空氣中的顆粒(沙塵、水汽)產(chǎn)生摩擦碰撞。在多數(shù)情況下葉片葉尖速度超過(guò)70 m/s，在這個(gè)速度下，空氣中的顆粒會(huì)導(dǎo)致葉片前緣磨損,后緣渦流磨蝕。被風(fēng)沙抽磨的葉片首先出現(xiàn)麻面，麻面其實(shí)就是細(xì)小的砂眼，砂眼生成后的演變的速度是驚人的。集團(tuán)公司某風(fēng)電場(chǎng)一葉片上有一個(gè)直徑為1.5 mm的砂眼，1年后清洗時(shí)發(fā)現(xiàn)，此沙眼已變成深3 mm、直徑10 mm的小圓坑。如果此時(shí)是雨季，砂眼內(nèi)存水，麻面處濕度增加，會(huì)大大增加葉片遭受雷擊損壞的可能性。

葉片巡查時(shí)應(yīng)注意磨蝕加深的演變過(guò)程特征為：早期葉片表面光澤度呈下降趨勢(shì)，隨著葉片表面光澤度的下降，葉片外層膠衣的磨蝕，就會(huì)出現(xiàn)麻面，并逐步發(fā)展為纖維布漏出、復(fù)合材料氣泡破碎，形成大砂眼。隨后，葉片裂紋增寬、增長(zhǎng)、加深，小砂眼向深處擴(kuò)張，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)阻力、雜音、哨聲。

(2) 高速風(fēng)、剪切風(fēng)、惡劣氣候、疲勞壽命。雖然超過(guò)極限風(fēng)速時(shí)風(fēng)機(jī)葉片會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，但較強(qiáng)的高速風(fēng)、剪切風(fēng)或大的陣風(fēng)會(huì)使葉片載荷超過(guò)設(shè)計(jì)載荷，造成葉片損壞。暴雨、大雪、冰雹等惡劣天氣同樣可能造成葉片損壞。隨著葉片使用周期的延長(zhǎng)，葉片的抗疲勞能力減弱，也會(huì)導(dǎo)致葉片損壞。

2.5 局部表面裂紋

從統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看，局部表面裂紋的分布無(wú)明顯的規(guī)律性，全葉片均有發(fā)生，迎風(fēng)面分布相對(duì)集中。

葉片膠衣抗低溫脆性應(yīng)變差、交變拉伸及機(jī)組自振引起膠衣疲勞、颶風(fēng)沖擊損傷等均會(huì)引起膠衣出現(xiàn)裂紋。葉片表面裂紋早期發(fā)生較少，一般在風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)行2～3年后開(kāi)始出現(xiàn)。不同部位裂紋呈現(xiàn)迥異發(fā)展趨勢(shì)，有些演變較為緩慢，有些則發(fā)展迅速。出現(xiàn)在距葉片根部8～15 m處的裂紋會(huì)隨風(fēng)機(jī)的每次自振、停車加深加長(zhǎng)。葉片裂紋隨著空氣中的顆粒物、風(fēng)沙的侵入進(jìn)一步加深加寬，進(jìn)而導(dǎo)致葉片斷裂。

尤其需要指出的是：有些葉片裂紋產(chǎn)生的位置在巡視人員視線盲區(qū)，再加上葉片表面油漬、污垢、積沙塵等遮蓋，從地面用望遠(yuǎn)鏡很難發(fā)現(xiàn)。如果風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生雜音、振動(dòng)較大就應(yīng)引起注意，及時(shí)進(jìn)行檢查，確認(rèn)有無(wú)缺陷。

2.6 運(yùn)輸和吊裝造成的損傷

運(yùn)輸過(guò)程中裝車、捆綁以及運(yùn)輸途中碰擦導(dǎo)致的傷痕，葉片到場(chǎng)后的卸車、吊裝過(guò)程中繩具夾具對(duì)葉片的損傷，這些細(xì)微損傷在運(yùn)行后會(huì)逐步演變成事故。有些葉片在運(yùn)輸、吊裝過(guò)程中由于野蠻作業(yè)而直接被毀損。

2.7 運(yùn)行維護(hù)不當(dāng)造成的損傷

(1) 超額定功率運(yùn)行，使葉片運(yùn)行超過(guò)設(shè)計(jì)極限條件，引起葉片疲勞損壞；另外當(dāng)機(jī)組變槳系統(tǒng)、剎車故障無(wú)法使葉輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，葉片旋轉(zhuǎn)失速會(huì)導(dǎo)致葉片拉裂、拋出，造成風(fēng)機(jī)災(zāi)難性事故。

(2) 對(duì)季節(jié)性安裝的風(fēng)機(jī)遺留的特定缺陷缺少預(yù)防性維護(hù)，輕微損傷堅(jiān)持運(yùn)行后演變?yōu)閲?yán)重?fù)p傷。如一些在冬季裝機(jī)的風(fēng)機(jī)葉片常在第2年風(fēng)機(jī)葉片預(yù)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，葉片刃處出現(xiàn)細(xì)短橫向裂紋，導(dǎo)致葉片磨蝕后，耐沖擊能力下降。前緣殼體受繩具、夾具損傷后，也會(huì)出現(xiàn)同樣的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間(多發(fā)生在2年以后)就會(huì)在葉片的表面形成凹陷現(xiàn)象。在地面觀察，此部分會(huì)被誤認(rèn)為是漏油產(chǎn)生的積灰現(xiàn)象，實(shí)則為葉片形成麻面后吸附的靜電灰所致。葉片吸附靜電灰，證明此處葉片表面的密封層、保護(hù)層已脫落。最嚴(yán)重的現(xiàn)象是遇雨天、結(jié)露等濕度較大天氣時(shí)，靜電會(huì)在此處吸附大量水分，加速葉片表面風(fēng)化，使葉片在雨天極易遭受雷擊。

3 防止葉片損壞失效的措施

(1) 葉片選型。風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)規(guī)劃期，需深度搜集風(fēng)電場(chǎng)歷史氣象風(fēng)況資料。測(cè)風(fēng)觀測(cè)應(yīng)完整搜集3年以上的風(fēng)況資料，防止盲目確定機(jī)組型式，特別是葉片型式，防止葉片強(qiáng)度、剛度不足，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)接近或超過(guò)葉片強(qiáng)度運(yùn)行，同時(shí)避免過(guò)度富余造成浪費(fèi)。

(2) 嚴(yán)把產(chǎn)品質(zhì)量。招標(biāo)選擇葉片生產(chǎn)商時(shí)應(yīng)審查其質(zhì)量管理體系認(rèn)證及運(yùn)行情況。對(duì)葉片原材料的質(zhì)量及來(lái)源、工序管理等提出具體要求。尤其是葉片膠衣應(yīng)選用高強(qiáng)度耐磨蝕的優(yōu)質(zhì)材料。執(zhí)行工藝標(biāo)準(zhǔn)，不得任意壓縮單支葉片生產(chǎn)周期而不執(zhí)行相應(yīng)的質(zhì)量控制手段，導(dǎo)致葉片出現(xiàn)質(zhì)量事故。進(jìn)場(chǎng)待安裝葉片應(yīng)檢查其有無(wú)明顯氣泡、色差、針眼、皺褶、浸漬不良、芯材缺損、錯(cuò)位或芯材對(duì)接縫隙超出要求范圍等缺陷。

(3) 優(yōu)化設(shè)計(jì)。葉片設(shè)計(jì)、生產(chǎn)應(yīng)堅(jiān)持優(yōu)先保證強(qiáng)度，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化葉片效能設(shè)計(jì)。在以最小的葉片重量獲得最大的葉片面積，具有更高的捕風(fēng)能力同時(shí)，使其具備良好的空氣動(dòng)力學(xué)外形及結(jié)構(gòu)。丹麥的LM公司在61.5 m復(fù)合材料葉片樣機(jī)的設(shè)計(jì)中對(duì)其葉片根部固定進(jìn)行了改進(jìn)，在保持根部直徑的情況下，能夠支撐的葉片長(zhǎng)度比改進(jìn)前增加了20 %，并使用葉片預(yù)彎曲專有技術(shù)，進(jìn)一步降低了葉片的重量并提高了其安全性。

(4) 加強(qiáng)管理。加強(qiáng)葉片狀態(tài)巡視檢查、檢測(cè)監(jiān)測(cè)，建立定期維護(hù)制度。保持葉片表面光潔，減少葉片運(yùn)轉(zhuǎn)中的震顫。對(duì)膠衣脫落、砂眼、漏空、葉片開(kāi)裂、避雷器損壞等隱患及時(shí)進(jìn)行維修，重設(shè)表面并進(jìn)行面層增強(qiáng)處理(如涂刷保護(hù)漆)，以減少雷擊、磨蝕、腐蝕和疲勞失效的發(fā)生幾率。對(duì)污濁葉片及時(shí)進(jìn)行工業(yè)清洗，及早發(fā)現(xiàn)葉片的潛在問(wèn)題或事故的苗頭，采取措施防患于未然。例如葉片上1個(gè)砂眼可以很快修復(fù)，但是沒(méi)有修復(fù)的砂眼在1個(gè)盛風(fēng)期后就可轉(zhuǎn)變成通腔大砂眼；1個(gè)早期發(fā)現(xiàn)的橫向裂紋，用幾小時(shí)就可以修復(fù)，但如果裂紋擴(kuò)展到纖維層深度，則需付出數(shù)倍的時(shí)間和費(fèi)用。

(5) 定期檢測(cè)、消缺。定期(雨季之前)檢測(cè)葉片接雷系統(tǒng)正常可靠，接地電阻小于4 Ω，確保將雷電流安全地從雷擊點(diǎn)傳導(dǎo)到接地輪轂，避免葉片內(nèi)部雷電電弧的形成。對(duì)在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的有缺陷的葉片，以及在運(yùn)輸途中、使用中發(fā)現(xiàn)的有凹陷、破損、穿傷等問(wèn)題的葉片，要及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，防止雷擊損傷。

(6) 選擇合格的承運(yùn)企業(yè)。選擇有運(yùn)輸葉片能力的企業(yè)承攬運(yùn)輸任務(wù)，安裝前及安裝后及時(shí)進(jìn)行預(yù)防性維修，確保葉片處于可靠完好狀態(tài)，這也是保證風(fēng)電機(jī)組安全可靠運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。

(7) 探索風(fēng)電企業(yè)管理模式，健全管理制度。當(dāng)前多數(shù)風(fēng)電企業(yè)安全生產(chǎn)管理借鑒火電廠管理模式，這一方式為迅速規(guī)范風(fēng)電企業(yè)管理取得了積極成效；但隨著分散大容量的大型風(fēng)力發(fā)電廠布局的形成，探索適應(yīng)風(fēng)電機(jī)組的安全生產(chǎn)管理模式勢(shì)在必行。風(fēng)電企業(yè)應(yīng)通過(guò)健全風(fēng)電機(jī)組管理制度及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)葉片巡檢、微損傷維護(hù)、檢修的規(guī)范管理；對(duì)葉片實(shí)行定期巡檢、狀態(tài)管控，并根據(jù)狀態(tài)檢查、監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)提供的葉片狀態(tài)信息安排維修，防止葉片損壞失效。

4 展望

(1) 跟蹤國(guó)內(nèi)外葉片實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)檢測(cè)新技術(shù)發(fā)展進(jìn)程，解決目前葉片無(wú)可靠監(jiān)測(cè)、檢測(cè)技術(shù)手段的問(wèn)題，并進(jìn)行差異性風(fēng)電場(chǎng)(復(fù)雜地形、高海拔、低溫、大風(fēng)、結(jié)冰等)機(jī)組葉片運(yùn)行維護(hù)模式的研究，精確實(shí)現(xiàn)葉片狀態(tài)管控。

(2) 進(jìn)一步探索葉片技術(shù)監(jiān)督項(xiàng)目設(shè)置、監(jiān)督周期、實(shí)施辦法等相關(guān)問(wèn)題，加強(qiáng)葉片技術(shù)管理。

葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件、動(dòng)力源泉，葉片狀態(tài)直接影響到整機(jī)性能和發(fā)電效率。定期、不定期地對(duì)葉片進(jìn)行檢查，識(shí)別葉片狀態(tài)，對(duì)細(xì)微缺陷隱患及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，將葉片損壞失效事故消滅在萌芽狀態(tài)，是避免事故、減少風(fēng)險(xiǎn)、穩(wěn)定風(fēng)電企業(yè)收益的有效方法。

1 王鳳玲，李亞濱，劉春生．黑龍江省極端最低氣溫對(duì)風(fēng)電工程的影響評(píng)估分析[J]．黑龍江氣象，2012(2)．

2 王乾坤．國(guó)內(nèi)外風(fēng)電棄風(fēng)現(xiàn)狀及經(jīng)驗(yàn)分析[J]．華東電力，2012(10)．

3 趙秋晨．淺談風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的設(shè)計(jì)制造工藝[J]．科技縱橫，2010(10)．

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