文 | 劉雙，胡斌，黃軍威

風(fēng)能是綠色可再生能源，發(fā)展風(fēng)電對于緩解我國的能源需求壓力具有重要意義，也是實施國家把可再生能源作為可替代能源戰(zhàn)略發(fā)展的必由之路。本文以文獻調(diào)研的形式對風(fēng)電機組葉片的典型缺陷進行了歸納，可為后續(xù)的實驗研究及數(shù)值模擬等科研工作提供理論支撐。

風(fēng)電機組葉片缺陷的產(chǎn)生原因

從制造到運行過程中，每個階段風(fēng)電機組葉片都會出現(xiàn)不同類型的缺陷和不同程度的損傷，可以總結(jié)為以下幾個方面。

一、老化

葉片老化的類型主要有濕熱老化、化學(xué)介質(zhì)老化、紫外老化、物理磨蝕老化、鹽霧腐蝕老化等五種。

（一）濕熱老化：主要包括基體老化、纖維老化、界面老化。產(chǎn)生的原因主要是葉片長期暴露于外面，受惡劣的工作環(huán)境的影響。

（二）化學(xué)介質(zhì)老化：主要體現(xiàn)在對樹脂基體、增強纖維和它們的界面侵蝕破壞，進而對樹脂基復(fù)合材料性能的影響?；瘜W(xué)介質(zhì)除向葉片復(fù)合材料內(nèi)部滲透、擴散、使基體溶脹外，還會引發(fā)樹脂主價鍵破壞、降解、裂解等老化現(xiàn)象。

（三）紫外老化：葉片中的所有纖維，都是靠表面樹脂和涂層的遮蔽作用來阻擋紫外線。因此，樹脂基體的情況決定著增強纖維對紫外輻射的響應(yīng)。在強烈的紫外線作用下，樹脂類材料會產(chǎn)生交聯(lián)、降解、變色等老化現(xiàn)象。

（四）物理磨蝕老化：風(fēng)電機組葉片所處的環(huán)境中存在大量鹽粒及沙粒等各種固體微粒。因此，在風(fēng)電機組長期運行過程中，會產(chǎn)生不同程度的磨蝕，嚴重時會形成凹坑，隨著時間的增長，可能穿透葉片。

（五）鹽霧腐蝕老化：濃烈鹽霧與空氣中的其他顆粒物在葉片靜電的作用下，會在葉片表面形成覆蓋層，嚴重影響葉片氣動性能，產(chǎn)生噪音污染并影響美觀。

二、葉片損壞形式

葉片損壞主要有以下形式：斷裂失效、開裂失效、雷擊造成的損傷、局部表面磨蝕、局部表面裂紋、運輸和吊裝造成的損傷、運行維護不當造成的損傷等。

（一）斷裂失效：多發(fā)生在葉片根部、中部，呈折斷形式。導(dǎo)致斷裂失效的原因有四個方面：（1）設(shè)計缺陷。設(shè)計時安全冗余系數(shù)選擇過低，葉片根部及葉片中部斷面積過小，斷面形狀不符合強度、剛度要求；葉片實際運行載荷超出設(shè)計時的預(yù)測極限，過負荷導(dǎo)致葉片毀損；另外，進行極限設(shè)計時，風(fēng)電機組各部件與葉片的空間間距等冗余量設(shè)計過小。（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）生產(chǎn)工藝不夠成熟。目前國內(nèi)高質(zhì)量復(fù)合材料風(fēng)電機組葉片多采用從國外引進的的聚胺脂反應(yīng)注射成型、樹脂傳遞模塑、纏繞及預(yù)浸料/熱壓工藝進行制造。（4）生產(chǎn)商經(jīng)驗不足。葉片制造中涉及的上百種主輔材料、工具、工裝、模具與設(shè)備，缺少品質(zhì)鑒定能力，生產(chǎn)工藝過程控制不到位，后期工序檢測檢驗趨于形式化，無法保障葉片質(zhì)量。

（二）開裂失效：多發(fā)生在葉尖、葉片中部前緣處，呈縱向分離張口形式。導(dǎo)致葉片開裂失效的原因主要有以下三點：（1）設(shè)計、生產(chǎn)制造時，尾邊區(qū)域及葉片表層處的膠衣耐磨性不夠。風(fēng)電機組葉片運轉(zhuǎn)一段時間后，起到保護作用的樹脂膠衣已被磨損至最低固合力點，致使葉片光澤退化、產(chǎn)生麻面，進而出現(xiàn)纖維布漏出、復(fù)合材料氣泡破碎，形成大砂眼，還會出現(xiàn)葉片裂紋增寬、增長、加深，小砂眼向深處擴張的現(xiàn)象，導(dǎo)致風(fēng)電機組運行時出現(xiàn)阻力、雜音、哨聲。（2）固體顆粒物磨損侵蝕。由于修復(fù)不及時，會使葉片的損失產(chǎn)生累積效應(yīng)，在大風(fēng)速條件下容易發(fā)生損壞。（3）葉片呼吸孔堵塞。

（三）雷擊造成的損傷：接雷器處以及葉片其他部位都是葉片可能發(fā)生失效的位置。葉片受雷擊損壞的原因總結(jié)為以下幾點：（1）引雷器與葉片接觸處存有裂隙，雨水或吸潮浸濕后，當雷電擊中葉片時，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，引起損傷。（2）隨著風(fēng)電機組服役時間延長，葉片表面污濁程度加深，葉片積塵腐蝕其表面，加速葉片表面風(fēng)化、出現(xiàn)毛刺和彈性減弱，使葉片產(chǎn)生微細裂紋，再加上靜電灰塵形成的混合物會使葉片加速老化。陰雨天氣時葉片表面濕度較大，如遇雷電天氣，極易造成雷電誤導(dǎo)現(xiàn)象。（3）葉片接閃器處遇雷擊。葉片在雷雨季節(jié)過后損傷增加的現(xiàn)實無疑與雷擊有著直接關(guān)系。

（四）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。導(dǎo)致葉片局部表面磨蝕的原因主要是風(fēng)沙、水汽磨蝕。旋轉(zhuǎn)的葉片會與空氣中的顆粒摩擦碰撞。在多數(shù)情況下，葉片葉尖速度超過70 m/s時，空氣中的顆粒會導(dǎo)致葉片前緣磨損，后緣渦流磨蝕。葉片被風(fēng)沙抽磨后，首先出現(xiàn)細小的砂眼，砂眼在海水以及霧氣的影響下會逐漸變大。隨著葉片使用周期的延長，葉片的抗疲勞能力減弱，也會導(dǎo)致葉片損壞。

（五）局部表面裂紋：局部表面裂紋主要分布于迎風(fēng)面。由于葉片膠衣抗低溫脆性應(yīng)變差、交變拉伸及機組自振引起的膠衣疲勞、颶風(fēng)沖擊等均會引起膠衣出現(xiàn)裂紋。風(fēng)電機組葉片運行2年至3年后開始出現(xiàn)表面裂紋，不同部位裂紋發(fā)展趨勢、演變速度不一。葉片裂紋隨著空氣中的顆粒物、雜質(zhì)的侵入以及風(fēng)電機組的每次自振、停車等都會造成裂紋的進一步加深加寬，最終導(dǎo)致葉片斷裂。

（六）運輸和吊裝造成的損傷：該損傷在不同的階段都有可能發(fā)生。在運輸過程中裝車、捆綁以及碰擦導(dǎo)致的傷痕，在葉片到場后卸車、吊裝過程中殼體受繩具、夾具損傷后，經(jīng)過一段時間后就會在葉片的表面形成凹陷現(xiàn)象。有些葉片在運輸、吊裝過程中由于作業(yè)不規(guī)范而直接被毀損。

（七）運行維護不當造成的損傷：運行維護不當?shù)闹饕憩F(xiàn)有：（1）超額定功率運行，使葉片運行超過設(shè)計極限條件，引起葉片疲勞損壞；另外，當機組變槳系統(tǒng)、剎車故障無法使葉輪停止轉(zhuǎn)動時，葉片旋轉(zhuǎn)失速會導(dǎo)致葉片拉裂、拋出，造成風(fēng)電機組事故。（2）對特定缺陷缺少預(yù)防性維護，輕微損傷忽略而堅持運行后演變?yōu)閲乐負p傷，葉片出現(xiàn)細短橫向裂紋，導(dǎo)致耐沖擊能力下降。

三、常見缺陷

葉片結(jié)構(gòu)一般分為外殼和主梁兩個主要部分，受制造工藝、黏結(jié)工藝等隨機因素的影響，通常在復(fù)合材料板內(nèi)部及葉片前、后緣及殼梁粘接處容易產(chǎn)生缺陷，常見缺陷有夾雜、氣孔、裂紋、分層等；葉片的缺陷可能只是一種類型，也可能是幾種類型的缺陷同時存在。

（一）夾雜缺陷：夾雜是指葉片生產(chǎn)過程中引入非結(jié)構(gòu)材料。夾雜的產(chǎn)生主要是主觀因素造成的，如：布層鋪設(shè)時不慎落入的異物、灌注樹脂中的異物雜質(zhì)。

（二）氣孔缺陷：氣孔是指葉片在成型過程中形成的孔洞，包括布層內(nèi)纖維束內(nèi)的孔隙、纖維束與纖維束之間的孔隙以及布層層間的孔隙。產(chǎn)生的原因可以歸納為以下幾點：（1）工藝方面：葉片灌注過程中樹脂體系引入的氣泡、灌注工藝缺陷，導(dǎo)致局部纖維未浸透，葉片成型過程中氣泡排擠不完全。（2）原材料方面：樹脂與纖維浸潤不良、芯材導(dǎo)流效果不良。

（三）裂紋缺陷：葉片的裂紋主要出現(xiàn)在粘接區(qū)域，分為膠粘劑本體裂紋和膠粘劑與葉片殼體粘接裂紋。裂紋是在葉片運轉(zhuǎn)一定時間后產(chǎn)生的，而且頻率較高，產(chǎn)生裂紋的主要原因是外界沖擊、環(huán)境驟變和疲勞作用。

（四）分層缺陷：葉片整體是一種復(fù)雜的層合板結(jié)構(gòu)，由于各種干擾因素會產(chǎn)生分層現(xiàn)象。葉片的分層主要指纖維層合板間的分層、芯材與纖維層合板間的分層。形成分層的原因有：樹脂用量不夠、布層污染、真空泄壓、二次成型等。

結(jié)語

葉片是風(fēng)電機組的動力部件，葉片狀態(tài)直接影響到機組性能和發(fā)電效率。采取定期或不定期的方式對葉片進行檢測監(jiān)測，對細微缺陷以及隱患進行修復(fù)，這樣可將葉片損壞失效事故消除在最初狀態(tài)，是減少事故發(fā)生、提高安全系統(tǒng)、穩(wěn)定風(fēng)電產(chǎn)業(yè)效益的有效方法。

當葉片發(fā)生失效事故時，葉片的平衡狀態(tài)被破壞，將會引起風(fēng)電機組劇烈振動；若機組保護失效或剎車裝置發(fā)生延遲，對風(fēng)電機組軸系以及塔筒也會帶來強烈影響，并可能導(dǎo)致整臺機組的破壞。在葉片斷裂瞬間，極有可能撞擊相鄰葉片或塔筒，造成事故影響面積擴大。而且，在葉片發(fā)生失效事故后，風(fēng)電場必須進行停機檢修，這無疑對風(fēng)電場運維連續(xù)性造成嚴重破壞。

因此，針對不同風(fēng)電項目，做好葉片的維護工作，并有針對性的開展葉片的檢測工作，可有效提高風(fēng)電機組的安全性以及可靠性，對風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。