華電國際寧夏新能源公司 李長軍/文

1 風(fēng)機葉片的失效

風(fēng)機葉片是風(fēng)電機組中的基礎(chǔ)和關(guān)鍵部件之一，其價值占到裝機成本約20%，葉片的性能優(yōu)劣將關(guān)系到整個風(fēng)電機組的安全、可靠運行。因葉片工作在高空，處于易形成疲勞失效的交變載荷，并同時承受嚴(yán)寒、雷電、冰雹、雨雪、沙塵等惡劣自然環(huán)境的考驗，產(chǎn)品的質(zhì)量及可靠性問題也逐漸暴露出來。據(jù)統(tǒng)計，某公司2008—2016年期間因葉片損壞失效停機事故共65 起，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，3片葉片平衡旋轉(zhuǎn)狀態(tài)被破壞，發(fā)電機組瞬間劇烈振動；若機組保護失效或剎車裝置遲延動作，將對發(fā)電機組軸系以及塔筒帶來嚴(yán)重危害，并可能導(dǎo)致整臺機組毀損。而且，斷裂葉片在機組制動之前，極有可能撞擊相鄰葉片或塔筒，造成事故損失擴大。

葉片發(fā)生事故電場必須停止發(fā)電，開始搶修，嚴(yán)重的還必須更換葉片，這必將導(dǎo)致葉片制造商高額的維修費用、發(fā)電量損失賠償費用，存在不可輕視的技術(shù)和經(jīng)濟風(fēng)險。因此風(fēng)電企業(yè)應(yīng)深刻認識到葉片質(zhì)量安全的重要性，以降低失效事故，減少損失，提高企業(yè)經(jīng)濟收益。

2 葉片失效和斷裂原因分析

風(fēng)電機組葉片失效模式可分為葉片褶皺、粘接不牢、運輸和吊裝、螺栓斷裂、飛車失穩(wěn)、雷擊、葉片表面腐蝕磨損等造成的葉片斷裂、開裂等失效。

2.1 葉片褶皺造成的斷裂失效

目前葉片褶皺造成葉片失效主要體現(xiàn)在葉根褶皺、主梁褶皺及后緣鼓包。2010年河北承德某風(fēng)電場葉片因葉片主梁褶皺造成葉片批量折斷。某公司河北、內(nèi)蒙若干項目某型號葉片批量葉根褶皺斷裂，涉及12個項目總共630多臺，直接更換40余臺。某公司若干項目某型號葉片批量葉根褶皺開裂，涉及7個項目總共154臺，直接更換16臺。寧夏某項目某型號葉片批量性后緣鼓包開裂涉及2個項目9套葉片。

圖1 斷裂葉片圖片

圖2 斷裂葉片圖片

圖3 斷裂葉片腹板粘接高度不足

圖4 斷裂葉片后緣粘接厚度不足

圖5 后緣蒙皮變形及開裂

圖6 前緣弦向裂痕

在這些褶皺區(qū)域，褶皺形成富膠區(qū)和起皺布層，使當(dāng)?shù)貜姸燃眲∠陆?，在?fù)雜荷載的交替循環(huán)作用下形成裂紋后迅速擴展，由三維應(yīng)力分量引起的主梁分層破壞和腹板剪切破壞是導(dǎo)致該葉片喪失承載能力的最終原因，而葉片主梁的局部非線性屈曲變形是加速其分層破壞的重要原因。

2.2 粘接不牢造成的斷裂失效

葉片粘接是葉片制造過程中的關(guān)鍵工序，但是由于在前后緣及大梁粘接部位制造過程中的復(fù)雜性，大部分葉片在安裝運行之前包含某種程度的制造缺陷，許多缺陷通過表面用肉眼是無法檢測到的。截至目前，國內(nèi)風(fēng)電行業(yè)已出現(xiàn)多次因粘接問題造成的葉片批量開裂，如國內(nèi)某公司的山東、山西若干項目型號的葉片批量開裂，涉及20個項目400多套葉片，直接斷裂/開裂70余支，主要原因粘接寬度、粘接厚度不滿足要求。

從以上分析得知，葉片粘接不牢易造成重大粘接質(zhì)量問題，從而引起葉片失穩(wěn)破壞，造成該葉片斷裂（見圖1、圖2）。葉片粘接不牢主要體現(xiàn)在粘接高度不足、粘接厚度不足（圖3、圖4）。粘接面未清理方面，主要原因可能為：①涂膠形狀設(shè)計不合理，未能足夠考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計；②沒有根據(jù)涂膠形狀在不同位置設(shè)計不同的涂膠板；③腹板模具與殼體不隨型、腹板粘接法蘭張口的尺寸不合理；④缺膠檢測工具落后，檢驗人員沒有有效手段和方法反饋出產(chǎn)品的實際粘接水平，從而造成葉片缺膠不能快速、真實地反映出來。

2.3 運輸和吊裝造成的開裂失效

葉片運輸過程中葉片的捆綁、防護以及吊裝過程中的吊點方式都可能造成葉片損傷，這些損傷在運行后會逐漸演變成事故。2014年，某風(fēng)場機組運行過程中發(fā)生異常，停機檢查后發(fā)現(xiàn)葉片前緣兩處弦向裂痕、后緣蒙皮發(fā)生屈曲變形、后緣開裂、內(nèi)部夾芯層分層（圖5、圖6）。

造成葉片失效的原因如下：葉片前緣的兩條損傷裂痕為弦向裂痕，為葉片吊裝時殘留的綁帶痕跡，損傷葉片裝機前進行過單點起吊操作，單點起吊一根吊帶正好位于前緣損傷裂痕之間。而葉片使用維護說明書要求葉片使用雙點起吊方法，因此采用單點起吊造成了此葉片的損傷。

2.4 螺栓斷裂造成的失效

2016年湖南某風(fēng)場機組葉片在運行突然報故障，通過勘察發(fā)現(xiàn)，該葉片有10根螺栓批次斷裂（該批螺栓材料為42CrMoA，性能等級為10.9級），存在螺栓撞歪、螺栓松動，大部分從內(nèi)部交叉螺母處斷裂，由于斷裂的螺栓掉出導(dǎo)致變槳卡住輪轂因而風(fēng)機報故障（圖7、圖8）。

通過采用掃描電鏡、金相檢驗、顯微硬度、化學(xué)成分以及力學(xué)性能分析，以及結(jié)合以往斷裂的事故案例，分析得出螺栓主要為疲勞斷裂，具體如下：①螺栓斷裂的主要原因與預(yù)緊力有關(guān)，或是風(fēng)電機組正常工作時產(chǎn)生的振動使得螺栓產(chǎn)生了松動，不斷的振動沖擊產(chǎn)生使得受力較大的螺栓在瞬間沖擊載荷下產(chǎn)生疲勞源，疲勞裂紋在交變載荷下不斷擴展直至最終螺栓失穩(wěn)斷裂；②螺栓安裝及維護方法與施工工藝要求不一致；③不同廠家的螺栓與螺母混裝；④潤滑劑的涂抹方式不一致，半涂抹波動大，容易造成疲勞斷裂；⑤轉(zhuǎn)運過程中造成的螺栓偏移；⑥斷裂螺栓本身材料問題，如材料偏析嚴(yán)重、裂紋源處夾雜物超標(biāo)、疏松等。

圖7 斷裂螺栓圖片

圖8 斷裂螺栓圖片

圖9 飛車開裂葉片

2.5 飛車造成的開裂失效

2014年，某公司的湖南某項目型號的2支葉片開裂損傷嚴(yán)重（圖9），在25m至30m發(fā)生蒙皮屈曲及后緣UD開裂。

根據(jù)風(fēng)場機組葉片事故的描述，風(fēng)機最高轉(zhuǎn)速達26r/min（額定16r/min)，且在25r/min以上高轉(zhuǎn)速狀況下運行超過15分鐘，飛車過程中發(fā)現(xiàn)2片葉片開裂。風(fēng)機飛車的主要原因是變槳系統(tǒng)故障引起的。變槳故障主要有：①變槳通訊故障造成的葉片損壞。由于風(fēng)速變化時，特別是在風(fēng)速瞬間由低風(fēng)速向大風(fēng)速切換過程中，由于通訊故障，風(fēng)機變槳信號不能傳達至變槳系統(tǒng)，不能順利收漿，造成風(fēng)機葉輪失速，最終導(dǎo)致葉片斷裂。②風(fēng)機蓄電池失效。在風(fēng)機運行過程中，若出現(xiàn)風(fēng)機變槳電源失去，或停電檢修過程中，而此時蓄電池饋電或失效，造成風(fēng)機無法收漿，也會造成風(fēng)機失速，葉片斷裂事故發(fā)生。

2.6 雷擊造成的開裂失效

隨著風(fēng)機容量的不斷增大，葉片長度也逐漸加長，由于很多風(fēng)電機組多安裝在山頂，再加上機組服役時間延長，葉片表面受損程度加深，風(fēng)機機組遭受雷擊的幾率越來越大，圖10—圖13為2016年山西某風(fēng)場葉片由于遭受雷擊導(dǎo)致葉尖開裂、導(dǎo)電鋁尖脫落、腹板開裂導(dǎo)線熔斷等。

葉片雷擊損壞的原因主要如下：①隨著葉片運行時間的增加，膠衣出現(xiàn)磨損、脫落現(xiàn)象，繼而出現(xiàn)大量砂眼，通腔砂眼在雨季造成葉片內(nèi)進水，濕度加大，防雷指數(shù)降低，雷擊葉片事故出現(xiàn)；②在葉片彎曲疲勞交變載荷下，由于防雷導(dǎo)線固定位置處于大梁根部，該處載荷和形變較大，加上導(dǎo)線處于點固定狀態(tài)，部分快固膠和包裹的玻璃布粘接不牢產(chǎn)生導(dǎo)線松動乃至脫落，在葉片高速運行過程中自由甩動進而導(dǎo)致導(dǎo)線損失，避雷失效，因此葉片防雷系統(tǒng)布局和固定方式的缺陷是造成雷擊的根本原因；③風(fēng)電場的地理位置、地形特征、礦藏分布、季節(jié)降雨分布等也是產(chǎn)生雷擊的原因，葉片的高頻率接雷，圖13中導(dǎo)線的熔斷也證明了雷電對導(dǎo)線的損傷，因此風(fēng)電場本身的環(huán)境因素是造成葉片雷擊開裂的重要輔助條件。

2.7 葉片表面腐蝕磨損造成的損傷

在西北風(fēng)沙大的區(qū)域，旋轉(zhuǎn)的葉片與空氣中的沙塵長期產(chǎn)生摩擦碰撞，由于葉尖速度大多超過70m/s，在這種速度下，空氣中的沙塵顆粒會導(dǎo)致葉片前緣磨損，后緣渦流磨蝕。膠衣首先出現(xiàn)磨損、脫落現(xiàn)象，后出現(xiàn)大量砂眼，前緣迎風(fēng)面尤為嚴(yán)重，風(fēng)機運行時產(chǎn)生阻力，隱患開始顯示。隨著葉片的運行，葉片外固定材料已被風(fēng)砂磨損至極限，葉片粘合縫已漏出，葉片如同在無外衣的狀態(tài)下運轉(zhuǎn)，橫向裂紋加深延長，這種狀態(tài)下，風(fēng)機的每次停車自振所發(fā)生的彎扭力，都有可能使葉片內(nèi)粘合處開裂，并在橫向裂紋處折斷。

3 防范措施和對策

3.1 機組及葉片選型。風(fēng)電場建設(shè)規(guī)劃期，需詳細了解風(fēng)電場的地理位置、地形特征、礦藏分布、風(fēng)場等級、季節(jié)降雨分布等，防止盲目確定機組型號，特別是葉片型號，以減少雷擊失效或飛車失效。

3.2 加強原材料和加工工藝的監(jiān)督。加強風(fēng)機葉片制造過程中的監(jiān)督監(jiān)造是有效防范不合格葉片的重要手段。葉片在制造過程中，項目公司單位應(yīng)派專人進場監(jiān)造葉片的加工制造過程。①生產(chǎn)葉片所用的原材料必須達到有關(guān)規(guī)定的力學(xué)性能；②加強對葉片制造流程過程中的葉片鋪層、真空灌注固化、葉片合模后固化以及后處理監(jiān)督；③嚴(yán)格把關(guān)，防止帶缺陷的葉片出廠。如常見的缺陷有纖維布褶皺、干纖維布絲、錯模、氣泡、發(fā)白、分層、異物、粘接寬度不夠（或過多）、缺結(jié)構(gòu)膠、結(jié)構(gòu)膠出現(xiàn)裂紋等缺陷。

圖10 雷擊至葉片開裂

圖11 雷擊點擊穿發(fā)黑

3.3 提高粘接質(zhì)量檢測水平。①為了更好地控制粘接質(zhì)量并提高工藝水平，根據(jù)各區(qū)域特點設(shè)計涂膠工裝并進行標(biāo)準(zhǔn)化，通過工裝的使用消除刮膠高度和寬度的波動；并將玻璃鋼腹板模具更改為鐵腹板模具，并在殼體內(nèi)放置間隙控制環(huán)氧板，保證腹板與殼體的隨型性；優(yōu)化粘接角模具制作。②引入葉片的無損檢測提高檢測能力是很有必要的，如：測頻、紅外成像、超聲波、射線等。對于泡沫或輕木夾心結(jié)構(gòu)區(qū)域盡量采用激光散班干涉來探傷，對于玻璃鋼層合板和粘接層部位應(yīng)該采用超聲波的方式來探傷。

3.4 運輸設(shè)計優(yōu)化。葉片的設(shè)計開發(fā)應(yīng)堅持優(yōu)先保證強度，并在此基礎(chǔ)上延伸到生產(chǎn)、運輸、風(fēng)場運行等環(huán)節(jié)，應(yīng)考慮運輸或轉(zhuǎn)運過程中的后工裝位置、單點吊裝、工裝夾持等局部強度，降低葉片的質(zhì)量和安全風(fēng)險。建立健全運輸供方監(jiān)控機制。建立健全運輸供方評價機制，選擇有運輸葉片能力的企業(yè)承攬運輸任務(wù)，安裝前與安裝后及時進行預(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)電機組安全可靠運行的重要環(huán)節(jié)。

圖12 雷擊點大面積損傷鋁尖脫落

圖13 腹板開裂導(dǎo)線熔斷

3.5 加強葉片到場后的驗收。葉片到場后，監(jiān)理公司應(yīng)組織項目公司、施工單位相關(guān)技術(shù)人員對葉片表面質(zhì)量進行肉眼檢查，主要檢查：①制造葉根螺栓預(yù)埋葉片時，葉根褶皺是否較大較多，此處容易在葉根處發(fā)生斷損；②PS面、SS面、葉尖、前緣、后緣、梁帽等部位是否有毛刺、皺褶、脫漆、夾層、開裂等缺陷；③檢查接地片、接地線連接是否牢靠；④葉片到場后的擺放。葉片到場后如果不能及時吊裝，在現(xiàn)場擺放時葉片擺放方向應(yīng)與主導(dǎo)風(fēng)向一致，葉片支架應(yīng)放置在地基穩(wěn)定的地面上，必要時須在葉片支架位置拉設(shè)攬風(fēng)繩，避免大風(fēng)、陣風(fēng)時吹倒葉片。

3.6 提高設(shè)備安裝質(zhì)量。①風(fēng)電機組葉片實現(xiàn)100%力矩抽檢：葉片變槳螺栓、塔筒、法蘭螺栓應(yīng)嚴(yán)格按照安裝說明書的要求進行對角緊固，并進行100%力矩抽檢，避免螺栓運行過程中由于個別螺栓松動、退出，造成連接螺栓斷裂、變槳卡澀、塔筒晃動或震動。②安裝完成后防雷接地系統(tǒng)的驗收。風(fēng)機安裝完成后應(yīng)進行接地電阻在自然氣象下的測試，接地電阻一般不大于3Ω；檢查風(fēng)機防雷系統(tǒng)各連接件，如接地碳刷、連接線等連接牢靠，無松動。

3.7 加強運行期間的設(shè)備定檢工作。①加強葉片的定檢工作。葉片運行一年后應(yīng)將葉片監(jiān)督檢查列為風(fēng)機定檢項目。一般用6～12倍望遠鏡檢查、吊籃人工檢查和無人機檢查等。②加強螺栓的定檢工作。定檢過程中對葉片螺栓、塔筒法蘭等部位螺栓進行宏觀檢查和力矩檢測，發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)擴大檢查、檢測范圍，查找原因，并制定相應(yīng)措施。③加強蓄電池監(jiān)督。結(jié)合定檢工作對蓄電池內(nèi)阻進行測試，對不合格的蓄電池要及時進行更換。④加強防雷接地的檢查。檢查防雷接地系統(tǒng)的連接是否可靠，檢查旋轉(zhuǎn)連接部位碳刷磨損情況，并按廠家說明書及時進行更換。⑤加強沉降觀測檢查。

總之，葉片是風(fēng)力發(fā)電機組的關(guān)鍵部件、動力源泉，葉片的可靠性是保障機組穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)，加強基建、運輸、生產(chǎn)等各個環(huán)節(jié)的監(jiān)督是提高葉片質(zhì)量的有效措施，是避免事故、減少風(fēng)險、提高穩(wěn)定收益的重要方法。