風電葉片全壽命周期性能研究*

文 | 唐荊，陳嘯，楊科

風電葉片全壽命周期性能研究*

文 | 唐荊，陳嘯，楊科

中國并網型風電產業始于1990年，2005年進入高速發展階段，經過2011年－2013年間的行業探索和調整，目前中國風電產業發展模式已基本進入到重效益、重質量、重電量的穩步增長階段。圖1展示了2005年－2015年中國風電新增和累計裝機容量變化趨勢。由于在2005年－2010年中國風電發展高峰期大量投入建設和運行的風電機組已經進入5年－20年中后期服役期，普遍超出風電制造企業5年質保期，因此風電機組運維市場格局出現了新機遇和新變化。另一方面，隨著我國風電裝機容量的快速增加，大批兆瓦級新型風電機組產品投入規模化生產運行，勢必會對風電機組的質量安全和運行可靠性提出更高要求。

風電機組的設計壽命通常為20年，在其生命周期中，由于受到各種環境、載荷、材料等因素的不利影響，機組各個部件都不可避免地產生累積損傷、抗力衰減和功能退化。而風電機組往往處于氣候變化多端的高山、荒原和海洋，部件出現故障的概率比在普通環境下更高。英國凱思內斯郡風電場信息論壇（Caitness Windfarm Information Forum）發布了1996年－2015年英國風電機組在服役期間發生事故的統計數據，圖2中可看出1996年－2000年風電機組年平均事故次數為21次，隨后每5年的年平均事故次數分別為57、118、163。隨著風電市場的擴大，更多質量不一的機組投入運行，并且機組部件損傷隨著運行時間經年累月不斷增多，失效事故更加頻繁。為了滿足風電機組設計壽命和預期可靠性要求，提高機組效率，必須定期檢查維修和更換部件。有文獻統計了國內某50MW風電場年度運營成本情況，發現維護和更新成本在質保期內、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，減少風電機組部件的故障和損傷是提高風電場可靠性和經濟性的關鍵之一。

風電機組是一個由多種機械、電氣和控制部件構成的復雜系統，任一部件出現故障或損傷都將導致機組性能降低甚至停運。E. Echavarria等對德國250MW風電項目的1500多臺風電機組在15年間的運行故障情況進行了統計分析，發現在前十年服役期中有538臺風電機組更換了947個部件，共發生了近1400次故障，每年每臺風電機組平均的部件更換數量統計見圖3。其中，更換次數最多的機組部件依次是葉片、發電機和齒輪箱。葉片是風電機組的關鍵部件之一，也是風電機組中成本最高的部件，約占15%－20%，其結構性能和服役壽命很大程度上決定著整個機組的發電效率和經濟效益。因此， 研究風電葉片的損傷機理和修補方法對解決風電機組的可靠性和經濟性問題至關重要。

風電機組全壽命周期可靠性

風電機組包含的設備類型和數量較多，雖然各設備的設計壽命要求不低于20年，但由于退化機理、服役環境、承受載荷和維護策略的差別，各個設備壽命存在差異，難以建立一個統一的可靠性模型。目前多采用兩種方法來實現風電機組的可靠性評估和預測，一種基于可靠性指標，另一種基于性能退化分析。前者以風電機組的停運統計數據為參考，如故障率或停運率、平均故障停運時間等；后者通過設備或材料在全壽命周期內的性能退化規律進行建模分析。由于性能退化規律考慮了全壽命周期內的時間因素影響，可作為結構設計的參考；同時又具有實時性，能滿足狀態維修的需求。因此，本文采用性能退化分析方法，以風電葉片為例，來闡述風電機組的全壽命周期性能。

圖1 2005年-2015年中國風電新增及累計裝機容量（數據來源：CWEA）

圖2 1996年－2015年英國風電機組事故統計

風電葉片全壽命周期性能研究

一、葉片生命周期階段

風電葉片一般采用纖維增強復合材料制造而成，葉片質量和性能受到原材料、制造技術、生產工藝、服役環境和人為因素的影響。根據葉片服役的時間歷程和性能變化，葉片生命周期一般可分為制造加工、運輸安裝、運行維護和退役處理四個部分，如圖4所示。

（一）制造加工

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

（二）運輸安裝

葉片出廠到正式運行發電期間，還會經歷吊裝－運輸－卸車－安裝－調試－正式運行這一系列過程，在上述環節中，若操作不當，就可能造成葉片損傷。葉片吊裝、捆綁以及碰擦難免會使葉片表面出現傷痕，并且由于葉片涂裝，內部缺陷也不易發現，這些將給以后的葉片運行埋下安全隱患。

（三）運行維護

在運行階段，葉片會經歷多次性能退化－修補－性能回復的循環過程。我國風能資源豐富地區主要位于“三北”和東部沿海地區，極端氣象出現頻繁，例如結冰、沙塵暴、鹽霧、臺風和雷暴等；長期彎扭受力和周期性振動也會對葉片疲勞性能產生影響。葉片長期處于嚴寒酷暑的冷熱循環、塵埃碎片侵蝕、極端天氣危害以及反復疲勞的復雜服役環境中，日復一日加劇葉片磨損、老化和腐蝕，使葉片出現殼體分層、表面開裂、脫膠等損傷，葉片結構性能下降，如圖6（a）。同時，由于葉片翼型污損和侵蝕，氣動參數發生變化，氣動性能下降，導致機組發電效率降低，影響風電場經濟效益。

為了恢復葉片性能，延長葉片服役壽命，需要對葉片進行定期檢查和維修。有研究表明，針對已經出現輕微損傷的葉片進行修補，可使其性能恢復到原設計性能的90%以上。對于不同類型的葉片缺陷或損傷有不同的修復方法，盡早修補能減緩損傷擴大，最大化地減小維修費用，降低發電損失。例如前緣和后緣損傷在早期容易修補，見圖6（b）；葉根裂紋必須盡早發現，避免引發災難性破壞；表面裂縫會使水滲入復合材料，嚴冬時結冰將加速內芯損壞；開裂若不盡快修補，將加劇蒙皮破壞，導致葉片整體失效。

圖3 每年每臺風電機組的主要部件更換數量

圖4 風電葉片生命周期四個階段

圖5 葉片制造工藝缺陷

（四）退役處理

風能為清潔能源，但目前風電葉片所普遍使用的復合材料屬于熱固性材料，很難自然降解，退役葉片的處理問題將會成為制約風電行業可持續發展的關鍵之一。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。隨著風電葉片尺寸越來越大，數量激增，它們退役后會給環境造成不可忽視的影響。目前，有研究正在探索熱固性復合材料分離處理技術的可行性，熱塑性復合材料葉片也在從概念一步步走向應用。

二、葉片性能退化規律

葉片材料經歷了木制、布蒙皮、鋁合金等時期，隨著風電機組的大型化，具有高比強度的復合材料葉片發展起來。復合材料與均質材料（如金屬）的破壞規律不同，見圖7。金屬在服役初期沒有明顯的性能退化，而復合材料在疲勞循環早期時就開始出現損傷，隨后會經歷一段漫長而平緩的破壞演變期；第三階段復合材料會出現多種多樣的破壞形式，包括基體開裂、纖維斷裂、分層擴展等，在多種因素的共同影響下材料性能快速下降，最終導致災難性破壞。

圖7還顯示了復合材料的剛度、強度隨疲勞周期的退化規律，可分為三個階段。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。剛度對于葉片壽命預測和殘余強度計算有重要作用，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，通?？捎奢d荷－位移實驗數據計算獲得。復合材料強度在疲勞壽命早期階段呈緩慢下降趨勢，隨著損傷積累，強度逐漸降低最后快速下降，直到材料完全破壞。

中國科學院工程熱物理研究所對某款葉片進行了疲勞試驗測試，在不同時間測得靜力加載的載荷、位移數據，得到葉片隨疲勞循環周期的剛度變化規律，如圖8所示。葉片經過200萬次循環周期的疲勞加載，剛度總共下降了2.20%。其中，50萬次時，葉片剛度下降了1.43%，占剛度下降總量的65%；而在50萬次－200萬次循環周期中，葉片剛度呈穩定下降趨勢，下降幅度占總量的35%。從圖8中可看出，葉片在疲勞循環初期的剛度下降速度較快，并且在0萬次－200萬次內的剛度退化趨勢與圖7中復合材料剛度退化規律前兩階段相吻合。復合材料和葉片結構在疲勞載荷作用下的這一相似規律，是葉片在服役初期發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

圖7 復合材料與金屬性能退化規律

圖8 葉片結構試驗測試剛度退化規律

雖然與傳統金屬材料相比，復合材料具有比強度和比剛度高、疲勞性能好、耐腐蝕等許多優異特性，且可使風電葉片減重25%－30%。但是，葉片復合材料結構對損傷較為敏感，在含有損傷的狀態下剩余強度會嚴重降低。

本文以開孔復合材料層合板為例，分析葉片復合材料結構在壓縮載荷下的損傷性能，如圖9。有研究結果表明，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。對于脆性層板，起始損傷將引起整個層板的迅速失效；而對于韌性層板，起始損傷將形成穩定的損傷擴展，并引發基體壓縮破壞和分層，最終導致層板整體失效。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－位移響應曲線，有損傷曲線首先因為起始損傷擴展而剛度變小，在達到最大載荷后急劇下降，呈現出分層失效特征。當壓縮位移為1.2mm時，含有損傷的層合板承載能力只有無損傷情況下的41.0%， 其結構性能大大降低。

因此，準確檢測出葉片初始缺陷和服役損傷，并及時采取合適的修補措施，將減緩葉片的損傷擴展，恢復葉片原有的性能。

四、葉片性能檢測方法

為確保風電葉片在復雜氣候條件下長期可靠運行，風電產業發展較快的國家和部分葉片制造商都建立了自己的葉片檢測中心，檢測內容主要包括靜力測試、模態測試、疲勞測試、雷擊測試和無損檢測等。目前，歐洲已經形成了一系列檢測標準和認證體系。

在葉片的出廠檢查和運行維護中，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，對于復合材料的微觀破壞和內部缺陷，則需采用專業設備進行檢測。并且目測檢查具有主觀性和可變性，它所提供的信息只是定性檢測結果，不能用于定量評估葉片結構完整度。由于風電葉片缺少比較完善的質檢手段和標準，許多葉片生產廠商均迫切提出了建立葉片質量無損檢測標準的要求。

目前，應用到復合材料葉片檢查的常用無損檢測技術有超聲波技術、聲發射檢測技術、紅外線成像檢測技術和錯位散斑干涉技術等，可對葉片進行質量控制和結構部件的現場檢驗。例如，超聲波定位共振光譜能夠代替人工敲擊測試，通過檢測葉片厚度變化，辨別靠近葉片表面的損傷。聲發射檢測技術對動態缺陷敏感，在缺陷產生和擴展過程中能實時監測，可用于靜態試驗和破壞試驗中。紅外線檢測技術將不可見的紅外輻射轉換成可見圖像，能檢測材料中不同程度和性質的缺陷。錯位散斑干涉技術目前多應用于航空和海洋工業中，能識別葉片內部的各種缺陷，包括褶皺、分層、缺膠、孔隙、芯材損傷等，復合材料常用的碳纖維、玻璃纖維、蜂窩和泡沫都適用。圖10展示了無損檢測技術識別葉片缺陷區域的方法。

除了上述提到的可應用于復合材料葉片的四種無損檢測技術外，還有一些常規的設備運行在線監測方法，比如振動監測法、應變測量法等。

上述檢測方法在實驗室已取得一定程度的成功，但還未在風電機組上得到廣泛應用。目前風電機組應用最為廣泛的在線監測方法是采用風電場的數據采集與監視控制系統，通過預先安裝于機組上的各類傳感器，對風電機組運行數據和環境數據進行實時采集。若結合大數據分析手段和互聯網系統，充分挖掘數據信息，建立機組狀態數據信息平臺，可為后續的運維工作提供重要參考。

結論與建議

圖9 開孔復合材料層合板壓縮分析

圖10 無損檢測技術應用

隨著我國大量風電機組服役時間逐步超出質保期，風電行業正迎來新的發展階段。葉片作為風電機組的關鍵部件之一，其氣動結構性能和服役壽命很大程度上決定著整個機組的綜合性能和發電效率。風電葉片全壽命周期經歷制造加工、運輸安裝、運行維護和退役處理四個階段，每個階段都會對葉片的性能產生影響。通過準確把握葉片性能退化規律，探明葉片結構在全壽命周期內的薄弱環節，從而減少制造過程、服役環境以及人為因素對葉片的損傷，準確檢測并及時修補葉片初始缺陷和服役損傷，對提高葉片全壽命性能具有重要意義。

（作者單位：中國科學院工程熱物理研究所）

* 國家自然科學基金：彎扭組合載荷作用下復合材料風電葉片承力梁非線性破壞機理研究（項目編號：51405468）