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大型风电机组叶片损坏原因及对策郭万龙(中铝宁夏能源集团有限公司，宁夏 银川750002)摘要针对风电机组叶片损坏的情况，梳理分析了叶片损坏的原因，从叶片生产、运输、安装、运行维护等环节提出防范措施，指出在运行维护环节及时修复叶片细微损伤是减少叶片损坏的重要手段。关键词风电机组；叶片；损坏；失效风能作为一种清洁的可再生能源蕴量巨大，越来越受到重视。全球风能总量约为 2.74109 mw，其中可利用的风能为 2107 mw。对风电企业来说， 无论是从风电机组保有量，还是从对电网及社会影 响的角度来看，风电机组保持良好状态，实现较高 的安全、可靠性都显得越来越重要。维护管理情况来看，对叶片维护的重要性认识不足、日常维护过程控制不严、维护投入不足，导致实际 运行中的叶片隐患经年累月不断增多，随时都可能 引发失效事故，影响企业经济效益。2风电机组叶片损坏失效分析1风电机组叶片损坏失效事故叶片损坏可分为断裂失效、开裂失效、雷击损伤、局部表面磨蚀、局部表面裂纹、运输吊装损伤 和运行维护不当损伤等形式。2.1断裂失效断裂失效多发生在叶片根部、叶片中部，呈折 断形式，如图 1 所示。叶片是风电机组的关键部件之一，其性能优劣将影响整个发电机组系统能否可靠运行。因叶片整 体裸露在外，工作条件恶劣，叶片损坏失效事故时 有发生。根据中铝宁夏能源集团有限公司的统计， 该公司 20032012 年期间停机超过 7 天及以上的机组失效停机事故共 75 起，其中因叶片损坏失效导致的停机事故有 24 起，占事故总数的 32 %，且 这些事故多发生在盛风发电期间。当叶片发生失效事故特别是单片断裂事故时， 3 片叶片平衡旋转状态被破坏，发电机组瞬间剧烈 振动；若机组保护失效或刹车装置迟延动作，将对 发电机组轴系以及塔筒带来严重危害，并可能导致 整台机组毁损。而且，断裂叶片在机组制动之前， 极有可能撞击相邻叶片或塔筒，造成事故损失扩大。叶片发生失效事故后，风电场必须进行停机检 修，这需要使用大型起重吊车，而吊车的出场及作 业费用巨大，且需等待天气处于小风或微风、无风 的作业条件。既产生了高额维修费用，又因“弃风” 丧失了发电良机。一台叶片损坏失效风机造成的直 接及间接经济损失近百万元。从当前各风电企业的图 1 断裂失效的叶片 ( 折断处断面 )导致叶片断裂失效的原因有以下 4 点。(1) 设计缺陷。设计时安全冗余系数选择过低， 叶片根部及叶片中部断面积过小、断面形状不符合 强度、刚度要求；叶片实际运行载荷超出设计时的 预测极限，过负荷导致叶片毁损；另外，进行极限 设计时，风力发电机各部件与叶片的空间间距、质 量等冗余量设计过小。近年来，随着国家对风电产业的大力扶持，风10第 16 卷 (2014 年第 5 期)电 力 安 全 技 术电市场急速扩张，由于低端风机叶片技术含量较低，各路厂家纷纷涉足叶片生产。面对竞争压力，为降 低叶片成本追求更高的利润，厂家致力于设计出低 廉的部件。比如，用减小叶片根部直径的方式来减 少轮毂和叶片的成本，但是叶片根部尺寸减小后会 导致叶片强度不够。(2) 叶片材料质量不符合要求。生产厂家使用 不合格的胶衣、树脂或纤维材料，这些材料均质性 差，容易出现局部软肋，导致叶片突然失效。(3) 擅自更改生产工艺。目前国内高质量复合 材料风机叶片多采用从国外引进的的 rim( 聚胺脂 反应注射成型 )、rtm( 树脂传递模塑 )、缠绕及预 浸料 / 热压工艺进行制造，但一些厂家为降低成 本抢占市场采用手糊工艺进行制造。手糊工艺的主 要特点为手工操作、开模成型、生产效率低以及树 脂固化程度偏低，且对工人的操作熟练程度及环境 条件的依赖性较大，产品质量均匀性波动较大，产 品的动静平衡保证性差，废品率较高。工艺生产过 程中的含胶量不均匀、纤维 / 树脂浸润不良及固 化不完全等均会引起叶片变形、出现裂纹和断裂。 (4) 生产商经验不足。一些厂家经验不足，没有完全消化吸收国外生产技术，管控重点原理不清、 方式方法简单，面对叶片制造中涉及的上百种主辅 材料、工具、工装、模具、设备，缺少品质鉴定能 力，生产工艺过程控制不到位，后期工序检测检验 流于形式，无法保障叶片质量。2.2开裂失效开裂失效多发生在叶尖、叶片中部前缘处，呈 纵向分离张口形式，如图 2 所示。间后，起到叶片外固合保护作用的树脂胶衣已被风砂抽磨至最低固合力点，叶片光泽退化、产生麻面， 进而出现纤维布漏出、复合材料气泡破碎，形成大 砂眼，叶片裂纹增宽、增长、加深，小砂眼向深处 扩张的现象，导致风机运行时出现阻力、杂音、哨声。(2) 风沙磨损侵蚀，修复不及时。(3) 叶片呼吸孔堵塞以及雷击损伤。2.3雷击造成的损伤随着风机容量的增大，轮毂高度升至 100 m 左 右，叶片长度超过 30 m。由于风电机组多安装在 开阔地带或者山顶，再加上机组服役时间延长，叶 片表面污浊程度加深，风电机组遭受雷击的几率越 来越大，而叶片是最容易遭受雷击损害的部件。图 3 为受雷击损坏失效的叶片。叶片受雷击导致的失 效显见于接雷器处及叶片其他部位。图 3 受雷击损坏失效的叶片叶片受雷击损坏的原因主要如下。(1) 引雷器与叶片接触不严密，存有裂隙，引 起雷击损伤。引雷器与叶片胶结不牢，雨水或吸潮 浸湿，使引雷路径发生变化。当雷电击中叶片时， 雷电释放的巨大能量使叶片结构内的浸水材料温度 急剧升高 , 分解气体高温膨胀 , 压力上升，造成爆 裂破坏。(2) 叶片表面污浊引起的雷击。叶片积尘腐蚀 叶片表面，加速叶片表面风化、出现毛刺和弹性减 弱，使叶片产生微细裂纹，裂纹进一步积尘腐蚀， 再加上静电灰尘形成的混合物加速叶片老化。阴雨 天气时叶片表面湿度较大，如遇雷电天气，极易造 成雷电误导现象；叶片接闪器处遇雷击，可能在叶 片的另外一处出击，形成“一雷击两创孔”的现象。风电机组叶片在雷雨季节过后损伤增加，无疑 和雷击有着直接关系，至于其损坏机理则还需进一 步进行实验研究。2.4局部表面磨蚀局部表面磨蚀主要发生在叶尖切迎风面、中部图 2 开裂失效的叶片导致叶片开裂失效的原因主要有以下 3 点。(1) 设计、生产制造时对尾边区域及叶片表层 重视不够，胶衣耐磨性不够。风机叶片运转一段时11电 力 安 全 技 术第 16 卷 (2014 年第 5 期)切迎风面、叶片前缘、叶片后缘等部位，如图 4 所示。现迥异发展趋势，有些演变较为缓慢，有些则发展迅速。出现在距叶片根部 8 15 m 处的裂纹会随 风机的每次自振、停车加深加长。叶片裂纹随着空 气中的颗粒物、风沙的侵入进一步加深加宽，进而 导致叶片断裂。尤其需要指出的是：有些叶片裂纹产生的位置 在巡视人员视线盲区，再加上叶片表面油渍、污垢、 积沙尘等遮盖，从地面用望远镜很难发现。如果风 机运转时产生杂音、振动较大就应引起注意，及时 进行检查，确认有无缺陷。2.6运输和吊装造成的损伤运输过程中装车、捆绑以及运输途中碰擦导致 的伤痕，叶片到场后的卸车、吊装过程中绳具夹具 对叶片的损伤，这些细微损伤在运行后会逐步演变 成事故。有些叶片在运输、吊装过程中由于野蛮作 业而直接被毁损。2.7运行维护不当造成的损伤(1) 超额定功率运行，使叶片运行超过设计极 限条件，引起叶片疲劳损坏；另外当机组变桨系统、 刹车故障无法使叶轮停止转动时，叶片旋转失速会 导致叶片拉裂、抛出，造成风机灾难性事故。(2) 对季节性安装的风机遗留的特定缺陷缺少 预防性维护，轻微损伤坚持运行后演变为严重损伤。 如一些在冬季装机的风机叶片常在第 2 年风机叶片 预检时发现隐患，叶片刃处出现细短横向裂纹，导 致叶片磨蚀后，耐冲击能力下降。前缘壳体受绳具、 夹具损伤后，也会出现同样的问题，经过一段时间( 多发生在 2 年以后 ) 就会在叶片的表面形成凹陷 现象。在地面观察，此部分会被误认为是漏油产生 的积灰现象，实则为叶片形成麻面后吸附的静电灰 所致。叶片吸附静电灰，证明此处叶片表面的密封 层、保护层已脱落。最严重的现象是遇雨天、结露 等湿度较大天气时，静电会在此处吸附大量水分， 加速叶片表面风化，使叶片在雨天极易遭受雷击。图 4 局部表面磨蚀的叶片导致叶片局部表面磨蚀的原因主要如下。(1) 风沙、水汽磨蚀。旋转的叶片会与空气中 的颗粒 ( 沙尘、水汽 ) 产生摩擦碰撞。在多数情况 下叶片叶尖速度超过 70 m/s，在这个速度下，空 气中的颗粒会导致叶片前缘磨损 , 后缘涡流磨蚀。 被风沙抽磨的叶片首先出现麻面，麻面其实就是细 小的砂眼，砂眼生成后的演变的速度是惊人的。集 团公司某风电场一叶片上有一个直径为 1.5 mm 的 砂眼，1 年后清洗时发现，此沙眼已变成深 3 mm、 直径 10 mm 的小圆坑。如果此时是雨季，砂眼内 存水，麻面处湿度增加，会大大增加叶片遭受雷击 损坏的可能性。叶片巡查时应注意磨蚀加深的演变过程特征 为：早期叶片表面光泽度呈下降趋势，随着叶片表 面光泽度的下降，叶片外层胶衣的磨蚀，就会出现 麻面，并逐步发展为纤维布漏出、复合材料气泡破 碎，形成大砂眼。随后，叶片裂纹增宽、增长、加 深，小砂眼向深处扩张，风机运行时出现阻力、杂 音、哨声。(2) 高速风、剪切风、恶劣气候、疲劳寿命。 虽然超过极限风速时风机叶片会停止转动，但较强 的高速风、剪切风或大的阵风会使叶片载荷超过设 计载荷，造成叶片损坏。暴雨、大雪、冰雹等恶劣 天气同样可能造成叶片损坏。随着叶片使用周期的 延长，叶片的抗疲劳能力减弱，也会导致叶片损坏。 2.5局部表面裂纹从统计资料来看，局部表面裂纹的分布无明显 的规律性，全叶片均有发生，迎风面分布相对集中。叶片胶衣抗低温脆性应变差、交变拉伸及机组 自振引起胶衣疲劳、飓风冲击损伤等均会引起胶衣 出现裂纹。叶片表面裂纹早期发生较少，一般在风 机叶片运行 2 3 年后开始出现。不同部位裂纹呈3防止叶片损坏失效的措施(1) 叶片选型。风电场建设规划期，需深度搜集风电场历史气象风况资料。测风观测应完整搜集 3 年以上的风况资料，防止盲目确定机组型式，特 别是叶片型式，防止叶片强度、刚度不足，在实际 运行时接近或超过叶片强度运行，同时避免过度富12第 16 卷 (2014 年第 5 期)电 力 安 全 技 术余造成浪费。(2) 严把产品质量。招标选择叶片生产商时应 审查其质量管理体系认证及运行情况。对叶片原材 料的质量及来源、工序管理等提出具体要求。尤其 是叶片胶衣应选用高强度耐磨蚀的优质材料。执行 工艺标准，不得任意压缩单支叶片生产周期而不执 行相应的质量控制手段，导致叶片出现质量事故。 进场待安装叶片应检查其有无明显气泡、色差、针 眼、皱褶、浸渍不良、芯材缺损、错位或芯材对接 缝隙超出要求范围等缺陷。(3) 优化设计。叶片设计、生产应坚持优先保 证强度，并在此基础上优化叶片效能设计。在以最 小的叶片重量获得最大的叶片面积，具有更高的捕 风能力同时，使其具备良好的空气动力学外形及结 构。丹麦的 lm 公司在 61.5 m 复合材料叶片样机 的设计中对其叶片根部固定进行了改进，在保持根 部直径的情况下，能够支撑的叶片长度比改进前增 加了 20 %，并使用叶片预弯曲专有技术，进一步 降低了叶片的重量并提高了其安全性。(4) 加强管理。加强叶片状态巡视检查、检测 监测，建立定期维护制度。保持叶片表面光洁，减 少叶片运转中的震颤。对胶衣脱落、砂眼、漏空、 叶片开裂、避雷器损坏等隐患及时进行维修，重设 表面并进行面层增强处理 ( 如涂刷保护漆 )，以减 少雷击、磨蚀、腐蚀和疲劳失效的发生几率。对污 浊叶片及时进行工业清洗，及早发现叶片的潜在问 题或事故的苗头，采取措施防患于未然。例如叶片 上 1 个砂眼可以很快修复，但是没有修复的砂眼在1 个盛风期后就可转变成通腔大砂眼；1 个早期发 现的横向裂纹，用几小时就可以修复，但如果裂纹 扩展到纤维层深度，则需付出数倍的时间和费用。 (5) 定期检测、消缺。定期 ( 雨季之前 ) 检测 叶片接雷系统正常可靠，接地电阻小于 4 ，确保 将雷电流安全地从雷击点传导到接地轮毂，避免叶 片内部雷电电弧的形成。对在生产过程中产生的有 缺陷的叶片，以及在运输途中、使用中发现的有凹陷、破损、穿伤等问题的叶片，要及时进行修复， 防止雷击损伤。(6) 选择合格的承运企业。选择有运输叶片能 力的企业承揽运输任务，安装前及安装后及时进行 预防性维修，确保叶片处于可靠完好状态，这也是 保证风电机组安全可靠运行的重要环节。(7) 探索风电企业管理模式，健全管理制度。当前多数风电企业安全生产管理借鉴火电厂管理模 式，这一方式为迅速规范风电企业管理取得了积极 成效；但随着分散大容量的大型风力发电厂布局的 形成，探索适应风电机组的安全生产管理模式势在 必行。风电企业应通过健全风电机组管理制度及相 关技术标准，进一步加强对叶片巡检、微损伤维护、 检修的规范管理；对叶片实行定期巡检、状态管控， 并根据状态检查、监测和诊断技术提供的叶片状态 信息安排维修，防止叶片损坏失效。4展望(1) 跟踪国内外叶片实时状态监测检测新技术发展进程，解决目前叶片无可靠监测、检测技术手 段的问题，并进行差异性风电场 (复杂地形、高海拔、 低温、大风、结冰等 ) 机组叶片运行维护模式的研究， 精确实现叶片状态管控。(2) 进一步探索叶片技术监督项目设置、监督 周期、实施办法等相关问题，加强叶片技术管理。叶片是风力发电机组的关键部件、动力源泉， 叶片状态直接影响到整机性能和发电效率。定期、 不定期地对叶片进行检查，识别叶片状态，对细微 缺陷隐患及时进行修复，将叶片损坏失效事故消灭