文 | 唐荊，陳嘯，楊科

風(fēng)電葉片全壽命周期性能研究*

文 | 唐荊，陳嘯，楊科

中國(guó)并網(wǎng)型風(fēng)電產(chǎn)業(yè)始于1990年，2005年進(jìn)入高速發(fā)展階段，經(jīng)過(guò)2011年－2013年間的行業(yè)探索和調(diào)整，目前中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式已基本進(jìn)入到重效益、重質(zhì)量、重電量的穩(wěn)步增長(zhǎng)階段。圖1展示了2005年－2015年中國(guó)風(fēng)電新增和累計(jì)裝機(jī)容量變化趨勢(shì)。由于在2005年－2010年中國(guó)風(fēng)電發(fā)展高峰期大量投入建設(shè)和運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)進(jìn)入5年－20年中后期服役期，普遍超出風(fēng)電制造企業(yè)5年質(zhì)保期，因此風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維市場(chǎng)格局出現(xiàn)了新機(jī)遇和新變化。另一方面，隨著我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量的快速增加，大批兆瓦級(jí)新型風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)品投入規(guī)?；a(chǎn)運(yùn)行，勢(shì)必會(huì)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的質(zhì)量安全和運(yùn)行可靠性提出更高要求。

風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)壽命通常為20年，在其生命周期中，由于受到各種環(huán)境、載荷、材料等因素的不利影響，機(jī)組各個(gè)部件都不可避免地產(chǎn)生累積損傷、抗力衰減和功能退化。而風(fēng)電機(jī)組往往處于氣候變化多端的高山、荒原和海洋，部件出現(xiàn)故障的概率比在普通環(huán)境下更高。英國(guó)凱思內(nèi)斯郡風(fēng)電場(chǎng)信息論壇（Caitness Windfarm Information Forum）發(fā)布了1996年－2015年英國(guó)風(fēng)電機(jī)組在服役期間發(fā)生事故的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，圖2中可看出1996年－2000年風(fēng)電機(jī)組年平均事故次數(shù)為21次，隨后每5年的年平均事故次數(shù)分別為57、118、163。隨著風(fēng)電市場(chǎng)的擴(kuò)大，更多質(zhì)量不一的機(jī)組投入運(yùn)行，并且機(jī)組部件損傷隨著運(yùn)行時(shí)間經(jīng)年累月不斷增多，失效事故更加頻繁。為了滿足風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)壽命和預(yù)期可靠性要求，提高機(jī)組效率，必須定期檢查維修和更換部件。有文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)某50MW風(fēng)電場(chǎng)年度運(yùn)營(yíng)成本情況，發(fā)現(xiàn)維護(hù)和更新成本在質(zhì)保期內(nèi)、外分別占總成本的50%和65%，并隨著損傷累積而逐年增加。因此，減少風(fēng)電機(jī)組部件的故障和損傷是提高風(fēng)電場(chǎng)可靠性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵之一。

風(fēng)電機(jī)組是一個(gè)由多種機(jī)械、電氣和控制部件構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，任一部件出現(xiàn)故障或損傷都將導(dǎo)致機(jī)組性能降低甚至停運(yùn)。E. Echavarria等對(duì)德國(guó)250MW風(fēng)電項(xiàng)目的1500多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組在15年間的運(yùn)行故障情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)在前十年服役期中有538臺(tái)風(fēng)電機(jī)組更換了947個(gè)部件，共發(fā)生了近1400次故障，每年每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組平均的部件更換數(shù)量統(tǒng)計(jì)見圖3。其中，更換次數(shù)最多的機(jī)組部件依次是葉片、發(fā)電機(jī)和齒輪箱。葉片是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，也是風(fēng)電機(jī)組中成本最高的部件，約占15%－20%，其結(jié)構(gòu)性能和服役壽命很大程度上決定著整個(gè)機(jī)組的發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)效益。因此， 研究風(fēng)電葉片的損傷機(jī)理和修補(bǔ)方法對(duì)解決風(fēng)電機(jī)組的可靠性和經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題至關(guān)重要。

風(fēng)電機(jī)組全壽命周期可靠性

風(fēng)電機(jī)組包含的設(shè)備類型和數(shù)量較多，雖然各設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命要求不低于20年，但由于退化機(jī)理、服役環(huán)境、承受載荷和維護(hù)策略的差別，各個(gè)設(shè)備壽命存在差異，難以建立一個(gè)統(tǒng)一的可靠性模型。目前多采用兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的可靠性評(píng)估和預(yù)測(cè)，一種基于可靠性指標(biāo)，另一種基于性能退化分析。前者以風(fēng)電機(jī)組的停運(yùn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為參考，如故障率或停運(yùn)率、平均故障停運(yùn)時(shí)間等；后者通過(guò)設(shè)備或材料在全壽命周期內(nèi)的性能退化規(guī)律進(jìn)行建模分析。由于性能退化規(guī)律考慮了全壽命周期內(nèi)的時(shí)間因素影響，可作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參考；同時(shí)又具有實(shí)時(shí)性，能滿足狀態(tài)維修的需求。因此，本文采用性能退化分析方法，以風(fēng)電葉片為例，來(lái)闡述風(fēng)電機(jī)組的全壽命周期性能。

圖1 2005年-2015年中國(guó)風(fēng)電新增及累計(jì)裝機(jī)容量（數(shù)據(jù)來(lái)源：CWEA）

圖2 1996年－2015年英國(guó)風(fēng)電機(jī)組事故統(tǒng)計(jì)

風(fēng)電葉片全壽命周期性能研究

一、葉片生命周期階段

風(fēng)電葉片一般采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造而成，葉片質(zhì)量和性能受到原材料、制造技術(shù)、生產(chǎn)工藝、服役環(huán)境和人為因素的影響。根據(jù)葉片服役的時(shí)間歷程和性能變化，葉片生命周期一般可分為制造加工、運(yùn)輸安裝、運(yùn)行維護(hù)和退役處理四個(gè)部分，如圖4所示。

（一）制造加工

在葉片制造成型過(guò)程中，往往會(huì)由于材料本身的性能不穩(wěn)定、成型工藝條件掌握不好或者模具設(shè)計(jì)不合理等因素，使葉片出現(xiàn)表面或內(nèi)在缺陷，從而影響葉片性能。例如，目前國(guó)內(nèi)大多使用真空輔助灌注技術(shù)，這種制備方法對(duì)原材料有一定要求，樹脂粘度、膠凝時(shí)間和放熱峰都要合適。但由于對(duì)葉片成型效率的追求、技術(shù)控制不到位等原因，葉片在成型過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很多缺陷，包括氣泡、砂眼、浸漬不良、膠粘空洞、鉆孔偏差等，如圖5。

（二）運(yùn)輸安裝

葉片出廠到正式運(yùn)行發(fā)電期間，還會(huì)經(jīng)歷吊裝－運(yùn)輸－卸車－安裝－調(diào)試－正式運(yùn)行這一系列過(guò)程，在上述環(huán)節(jié)中，若操作不當(dāng)，就可能造成葉片損傷。葉片吊裝、捆綁以及碰擦難免會(huì)使葉片表面出現(xiàn)傷痕，并且由于葉片涂裝，內(nèi)部缺陷也不易發(fā)現(xiàn)，這些將給以后的葉片運(yùn)行埋下安全隱患。

（三）運(yùn)行維護(hù)

在運(yùn)行階段，葉片會(huì)經(jīng)歷多次性能退化－修補(bǔ)－性能回復(fù)的循環(huán)過(guò)程。我國(guó)風(fēng)能資源豐富地區(qū)主要位于“三北”和東部沿海地區(qū)，極端氣象出現(xiàn)頻繁，例如結(jié)冰、沙塵暴、鹽霧、臺(tái)風(fēng)和雷暴等；長(zhǎng)期彎扭受力和周期性振動(dòng)也會(huì)對(duì)葉片疲勞性能產(chǎn)生影響。葉片長(zhǎng)期處于嚴(yán)寒酷暑的冷熱循環(huán)、塵埃碎片侵蝕、極端天氣危害以及反復(fù)疲勞的復(fù)雜服役環(huán)境中，日復(fù)一日加劇葉片磨損、老化和腐蝕，使葉片出現(xiàn)殼體分層、表面開裂、脫膠等損傷，葉片結(jié)構(gòu)性能下降，如圖6（a）。同時(shí)，由于葉片翼型污損和侵蝕，氣動(dòng)參數(shù)發(fā)生變化，氣動(dòng)性能下降，導(dǎo)致機(jī)組發(fā)電效率降低，影響風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益。

為了恢復(fù)葉片性能，延長(zhǎng)葉片服役壽命，需要對(duì)葉片進(jìn)行定期檢查和維修。有研究表明，針對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)輕微損傷的葉片進(jìn)行修補(bǔ)，可使其性能恢復(fù)到原設(shè)計(jì)性能的90%以上。對(duì)于不同類型的葉片缺陷或損傷有不同的修復(fù)方法，盡早修補(bǔ)能減緩損傷擴(kuò)大，最大化地減小維修費(fèi)用，降低發(fā)電損失。例如前緣和后緣損傷在早期容易修補(bǔ)，見圖6（b）；葉根裂紋必須盡早發(fā)現(xiàn)，避免引發(fā)災(zāi)難性破壞；表面裂縫會(huì)使水滲入復(fù)合材料，嚴(yán)冬時(shí)結(jié)冰將加速內(nèi)芯損壞；開裂若不盡快修補(bǔ)，將加劇蒙皮破壞，導(dǎo)致葉片整體失效。

圖3 每年每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的主要部件更換數(shù)量

圖4 風(fēng)電葉片生命周期四個(gè)階段

圖5 葉片制造工藝缺陷

（四）退役處理

風(fēng)能為清潔能源，但目前風(fēng)電葉片所普遍使用的復(fù)合材料屬于熱固性材料，很難自然降解，退役葉片的處理問(wèn)題將會(huì)成為制約風(fēng)電行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵之一。廢棄葉片的處理一般采用填埋、露天堆放或燃燒等方法，基本上不再回收利用。隨著風(fēng)電葉片尺寸越來(lái)越大，數(shù)量激增，它們退役后會(huì)給環(huán)境造成不可忽視的影響。目前，有研究正在探索熱固性復(fù)合材料分離處理技術(shù)的可行性，熱塑性復(fù)合材料葉片也在從概念一步步走向應(yīng)用。

二、葉片性能退化規(guī)律

葉片材料經(jīng)歷了木制、布蒙皮、鋁合金等時(shí)期，隨著風(fēng)電機(jī)組的大型化，具有高比強(qiáng)度的復(fù)合材料葉片發(fā)展起來(lái)。復(fù)合材料與均質(zhì)材料（如金屬）的破壞規(guī)律不同，見圖7。金屬在服役初期沒有明顯的性能退化，而復(fù)合材料在疲勞循環(huán)早期時(shí)就開始出現(xiàn)損傷，隨后會(huì)經(jīng)歷一段漫長(zhǎng)而平緩的破壞演變期；第三階段復(fù)合材料會(huì)出現(xiàn)多種多樣的破壞形式，包括基體開裂、纖維斷裂、分層擴(kuò)展等，在多種因素的共同影響下材料性能快速下降，最終導(dǎo)致災(zāi)難性破壞。

圖7還顯示了復(fù)合材料的剛度、強(qiáng)度隨疲勞周期的退化規(guī)律，可分為三個(gè)階段。剛度退化曲線中，第一和第三階段剛度快速退化，而第二階段剛度退化呈平緩而線性的特征。剛度對(duì)于葉片壽命預(yù)測(cè)和殘余強(qiáng)度計(jì)算有重要作用，剛度退化情況與層壓板組成、材料性能以及疲勞載荷類型有關(guān)，通?？捎奢d荷－位移實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得。復(fù)合材料強(qiáng)度在疲勞壽命早期階段呈緩慢下降趨勢(shì)，隨著損傷積累，強(qiáng)度逐漸降低最后快速下降，直到材料完全破壞。

中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所對(duì)某款葉片進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)測(cè)試，在不同時(shí)間測(cè)得靜力加載的載荷、位移數(shù)據(jù)，得到葉片隨疲勞循環(huán)周期的剛度變化規(guī)律，如圖8所示。葉片經(jīng)過(guò)200萬(wàn)次循環(huán)周期的疲勞加載，剛度總共下降了2.20%。其中，50萬(wàn)次時(shí)，葉片剛度下降了1.43%，占剛度下降總量的65%；而在50萬(wàn)次－200萬(wàn)次循環(huán)周期中，葉片剛度呈穩(wěn)定下降趨勢(shì)，下降幅度占總量的35%。從圖8中可看出，葉片在疲勞循環(huán)初期的剛度下降速度較快，并且在0萬(wàn)次－200萬(wàn)次內(nèi)的剛度退化趨勢(shì)與圖7中復(fù)合材料剛度退化規(guī)律前兩階段相吻合。復(fù)合材料和葉片結(jié)構(gòu)在疲勞載荷作用下的這一相似規(guī)律，是葉片在服役初期發(fā)生破壞較多的原因之一。

三、葉片損傷性能分析

圖6 葉片服役損傷及修補(bǔ)

圖7 復(fù)合材料與金屬性能退化規(guī)律

圖8 葉片結(jié)構(gòu)試驗(yàn)測(cè)試剛度退化規(guī)律

雖然與傳統(tǒng)金屬材料相比，復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高、疲勞性能好、耐腐蝕等許多優(yōu)異特性，且可使風(fēng)電葉片減重25%－30%。但是，葉片復(fù)合材料結(jié)構(gòu)對(duì)損傷較為敏感，在含有損傷的狀態(tài)下剩余強(qiáng)度會(huì)嚴(yán)重降低。

本文以開孔復(fù)合材料層合板為例，分析葉片復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在壓縮載荷下的損傷性能，如圖9。有研究結(jié)果表明，開孔層板的壓縮起始損傷是由孔邊0°纖維的微屈曲引起的。對(duì)于脆性層板，起始損傷將引起整個(gè)層板的迅速失效；而對(duì)于韌性層板，起始損傷將形成穩(wěn)定的損傷擴(kuò)展，并引發(fā)基體壓縮破壞和分層，最終導(dǎo)致層板整體失效。圖9（c）顯示了層合板分別在含損傷和不含損傷情況下的載荷－位移響應(yīng)曲線，有損傷曲線首先因?yàn)槠鹗紦p傷擴(kuò)展而剛度變小，在達(dá)到最大載荷后急劇下降，呈現(xiàn)出分層失效特征。當(dāng)壓縮位移為1.2mm時(shí)，含有損傷的層合板承載能力只有無(wú)損傷情況下的41.0%， 其結(jié)構(gòu)性能大大降低。

因此，準(zhǔn)確檢測(cè)出葉片初始缺陷和服役損傷，并及時(shí)采取合適的修補(bǔ)措施，將減緩葉片的損傷擴(kuò)展，恢復(fù)葉片原有的性能。

四、葉片性能檢測(cè)方法

為確保風(fēng)電葉片在復(fù)雜氣候條件下長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快的國(guó)家和部分葉片制造商都建立了自己的葉片檢測(cè)中心，檢測(cè)內(nèi)容主要包括靜力測(cè)試、模態(tài)測(cè)試、疲勞測(cè)試、雷擊測(cè)試和無(wú)損檢測(cè)等。目前，歐洲已經(jīng)形成了一系列檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證體系。

在葉片的出廠檢查和運(yùn)行維護(hù)中，損傷與缺陷的確定主要是依靠目視檢查和聽敲擊聲的方法。但是，對(duì)于復(fù)合材料的微觀破壞和內(nèi)部缺陷，則需采用專業(yè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。并且目測(cè)檢查具有主觀性和可變性，它所提供的信息只是定性檢測(cè)結(jié)果，不能用于定量評(píng)估葉片結(jié)構(gòu)完整度。由于風(fēng)電葉片缺少比較完善的質(zhì)檢手段和標(biāo)準(zhǔn)，許多葉片生產(chǎn)廠商均迫切提出了建立葉片質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

目前，應(yīng)用到復(fù)合材料葉片檢查的常用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)有超聲波技術(shù)、聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)、紅外線成像檢測(cè)技術(shù)和錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)等，可對(duì)葉片進(jìn)行質(zhì)量控制和結(jié)構(gòu)部件的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)。例如，超聲波定位共振光譜能夠代替人工敲擊測(cè)試，通過(guò)檢測(cè)葉片厚度變化，辨別靠近葉片表面的損傷。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)缺陷敏感，在缺陷產(chǎn)生和擴(kuò)展過(guò)程中能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可用于靜態(tài)試驗(yàn)和破壞試驗(yàn)中。紅外線檢測(cè)技術(shù)將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見圖像，能檢測(cè)材料中不同程度和性質(zhì)的缺陷。錯(cuò)位散斑干涉技術(shù)目前多應(yīng)用于航空和海洋工業(yè)中，能識(shí)別葉片內(nèi)部的各種缺陷，包括褶皺、分層、缺膠、孔隙、芯材損傷等，復(fù)合材料常用的碳纖維、玻璃纖維、蜂窩和泡沫都適用。圖10展示了無(wú)損檢測(cè)技術(shù)識(shí)別葉片缺陷區(qū)域的方法。

除了上述提到的可應(yīng)用于復(fù)合材料葉片的四種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)外，還有一些常規(guī)的設(shè)備運(yùn)行在線監(jiān)測(cè)方法，比如振動(dòng)監(jiān)測(cè)法、應(yīng)變測(cè)量法等。

上述檢測(cè)方法在實(shí)驗(yàn)室已取得一定程度的成功，但還未在風(fēng)電機(jī)組上得到廣泛應(yīng)用。目前風(fēng)電機(jī)組應(yīng)用最為廣泛的在線監(jiān)測(cè)方法是采用風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，通過(guò)預(yù)先安裝于機(jī)組上的各類傳感器，對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。若結(jié)合大數(shù)據(jù)分析手段和互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，充分挖掘數(shù)據(jù)信息，建立機(jī)組狀態(tài)數(shù)據(jù)信息平臺(tái)，可為后續(xù)的運(yùn)維工作提供重要參考。

結(jié)論與建議

圖9 開孔復(fù)合材料層合板壓縮分析

圖10 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用

隨著我國(guó)大量風(fēng)電機(jī)組服役時(shí)間逐步超出質(zhì)保期，風(fēng)電行業(yè)正迎來(lái)新的發(fā)展階段。葉片作為風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，其氣動(dòng)結(jié)構(gòu)性能和服役壽命很大程度上決定著整個(gè)機(jī)組的綜合性能和發(fā)電效率。風(fēng)電葉片全壽命周期經(jīng)歷制造加工、運(yùn)輸安裝、運(yùn)行維護(hù)和退役處理四個(gè)階段，每個(gè)階段都會(huì)對(duì)葉片的性能產(chǎn)生影響。通過(guò)準(zhǔn)確把握葉片性能退化規(guī)律，探明葉片結(jié)構(gòu)在全壽命周期內(nèi)的薄弱環(huán)節(jié)，從而減少制造過(guò)程、服役環(huán)境以及人為因素對(duì)葉片的損傷，準(zhǔn)確檢測(cè)并及時(shí)修補(bǔ)葉片初始缺陷和服役損傷，對(duì)提高葉片全壽命性能具有重要意義。

（作者單位：中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所）

* 國(guó)家自然科學(xué)基金：彎扭組合載荷作用下復(fù)合材料風(fēng)電葉片承力梁非線性破壞機(jī)理研究（項(xiàng)目編號(hào)：51405468）