風機葉片失效原因分析和對策

華電國際寧夏新能源公司 李長軍/文

1 風機葉片的失效

風機葉片是風電機組中的基礎和關鍵部件之一，其價值占到裝機成本約20%，葉片的性能優劣將關系到整個風電機組的安全、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，并同時承受嚴寒、雷電、冰雹、雨雪、沙塵等惡劣自然環境的考驗，產品的質量及可靠性問題也逐漸暴露出來。據統計，某公司2008—2016年期間因葉片損壞失效停機事故共65 起，且這些事故多發生在盛風發電期間。

當葉片發生失效事故特別是單片斷裂事故時，3片葉片平衡旋轉狀態被破壞，發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，將對發電機組軸系以及塔筒帶來嚴重危害，并可能導致整臺機組毀損。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。

葉片發生事故電場必須停止發電，開始搶修，嚴重的還必須更換葉片，這必將導致葉片制造商高額的維修費用、發電量損失賠償費用，存在不可輕視的技術和經濟風險。因此風電企業應深刻認識到葉片質量安全的重要性，以降低失效事故，減少損失，提高企業經濟收益。

2 葉片失效和斷裂原因分析

風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、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在葉根褶皺、主梁褶皺及后緣鼓包。2010年河北承德某風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

在這些褶皺區域，褶皺形成富膠區和起皺布層，使當地強度急劇下降，在復雜荷載的交替循環作用下形成裂紋后迅速擴展，由三維應力分量引起的主梁分層破壞和腹板剪切破壞是導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，國內風電行業已出現多次因粘接問題造成的葉片批量開裂，如國內某公司的山東、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量問題，從而引起葉片失穩破壞，造成該葉片斷裂（見圖1、圖2）。葉片粘接不牢主要體現在粘接高度不足、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涂膠形狀設計不合理，未能足夠考慮結構設計；②沒有根據涂膠形狀在不同位置設計不同的涂膠板；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，某風場機組運行過程中發生異常，停機檢查后發現葉片前緣兩處弦向裂痕、后緣蒙皮發生屈曲變形、后緣開裂、內部夾芯層分層（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年湖南某風場機組葉片在運行突然報故障，通過勘察發現，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，大部分從內部交叉螺母處斷裂，由于斷裂的螺栓掉出導致變槳卡住輪轂因而風機報故障（圖7、圖8）。

通過采用掃描電鏡、金相檢驗、顯微硬度、化學成分以及力學性能分析，以及結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緊力有關，或是風電機組正常工作時產生的振動使得螺栓產生了松動，不斷的振動沖擊產生使得受力較大的螺栓在瞬間沖擊載荷下產生疲勞源，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，如材料偏析嚴重、裂紋源處夾雜物超標、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支葉片開裂損傷嚴重（圖9），在25m至30m發生蒙皮屈曲及后緣UD開裂。

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

2.6 雷擊造成的開裂失效

隨著風機容量的不斷增大，葉片長度也逐漸加長，由于很多風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年山西某風場葉片由于遭受雷擊導致葉尖開裂、導電鋁尖脫落、腹板開裂導線熔斷等。

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，膠衣出現磨損、脫落現象，繼而出現大量砂眼，通腔砂眼在雨季造成葉片內進水，濕度加大，防雷指數降低，雷擊葉片事故出現；②在葉片彎曲疲勞交變載荷下，由于防雷導線固定位置處于大梁根部，該處載荷和形變較大，加上導線處于點固定狀態，部分快固膠和包裹的玻璃布粘接不牢產生導線松動乃至脫落，在葉片高速運行過程中自由甩動進而導致導線損失，避雷失效，因此葉片防雷系統布局和固定方式的缺陷是造成雷擊的根本原因；③風電場的地理位置、地形特征、礦藏分布、季節降雨分布等也是產生雷擊的原因，葉片的高頻率接雷，圖13中導線的熔斷也證明了雷電對導線的損傷，因此風電場本身的環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

在西北風沙大的區域，旋轉的葉片與空氣中的沙塵長期產生摩擦碰撞，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致葉片前緣磨損，后緣渦流磨蝕。膠衣首先出現磨損、脫落現象，后出現大量砂眼，前緣迎風面尤為嚴重，風機運行時產生阻力，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下運轉，橫向裂紋加深延長，這種狀態下，風機的每次停車自振所發生的彎扭力，都有可能使葉片內粘合處開裂，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。風電場建設規劃期，需詳細了解風電場的地理位置、地形特征、礦藏分布、風場等級、季節降雨分布等，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督。加強風機葉片制造過程中的監督監造是有效防范不合格葉片的重要手段。葉片在制造過程中，項目公司單位應派專人進場監造葉片的加工制造過程。①生產葉片所用的原材料必須達到有關規定的力學性能；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督；③嚴格把關，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、發白、分層、異物、粘接寬度不夠（或過多）、缺結構膠、結構膠出現裂紋等缺陷。

圖10 雷擊至葉片開裂

圖11 雷擊點擊穿發黑

3.3 提高粘接質量檢測水平。①為了更好地控制粘接質量并提高工藝水平，根據各區域特點設計涂膠工裝并進行標準化，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，并在殼體內放置間隙控制環氧板，保證腹板與殼體的隨型性；優化粘接角模具制作。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構區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該采用超聲波的方式來探傷。

3.4 運輸設計優化。葉片的設計開發應堅持優先保證強度，并在此基礎上延伸到生產、運輸、風場運行等環節，應考慮運輸或轉運過程中的后工裝位置、單點吊裝、工裝夾持等局部強度，降低葉片的質量和安全風險。建立健全運輸供方監控機制。建立健全運輸供方評價機制，選擇有運輸葉片能力的企業承攬運輸任務，安裝前與安裝后及時進行預防性維修，確保葉片處于可靠完好狀態，這也是保證風電機組安全可靠運行的重要環節。

圖12 雷擊點大面積損傷鋁尖脫落

圖13 腹板開裂導線熔斷

3.5 加強葉片到場后的驗收。葉片到場后，監理公司應組織項目公司、施工單位相關技術人員對葉片表面質量進行肉眼檢查，主要檢查：①制造葉根螺栓預埋葉片時，葉根褶皺是否較大較多，此處容易在葉根處發生斷損；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，在現場擺放時葉片擺放方向應與主導風向一致，葉片支架應放置在地基穩定的地面上，必要時須在葉片支架位置拉設攬風繩，避免大風、陣風時吹倒葉片。

3.6 提高設備安裝質量。①風電機組葉片實現100%力矩抽檢：葉片變槳螺栓、塔筒、法蘭螺栓應嚴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的驗收。風機安裝完成后應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；檢查風機防雷系統各連接件，如接地碳刷、連接線等連接牢靠，無松動。

3.7 加強運行期間的設備定檢工作。①加強葉片的定檢工作。葉片運行一年后應將葉片監督檢查列為風機定檢項目。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，發現問題應擴大檢查、檢測范圍，查找原因，并制定相應措施。③加強蓄電池監督。結合定檢工作對蓄電池內阻進行測試，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。檢查防雷接地系統的連接是否可靠，檢查旋轉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，葉片是風力發電機組的關鍵部件、動力源泉，葉片的可靠性是保障機組穩定運行的基礎，加強基建、運輸、生產等各個環節的監督是提高葉片質量的有效措施，是避免事故、減少風險、提高穩定收益的重要方法。