在役風電機組葉片失效原因流程分析

苗 月

(甘肅省特種設備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州 730050)

風能作為一種清潔能源，其開發和利用日益受到世界各國的重視，并成為新能源領域最具商業前景的方向之一。葉片作為風電機組中不可或缺的一部分，其在成本構成中約占 22%。且在風電機組運行故障中，葉片故障比率為50.1%，然而目前仍未形成成熟、規范、可推廣的葉片失效分析流程。

葉片一般由葉根、主梁、腹板、蒙皮等組成，氣動外型由沿軸向分布具有連續的特定翼型的蒙皮組成，其中玻璃鋼復合材料在葉片的質量比重約為90%。具體結構如圖1所示。國內外學者普遍認為葉片常見故障與失效類型主要有整體斷裂、后緣開裂、葉尖開裂、前緣開裂、前緣腐蝕、蒙皮裂紋、涂層損傷、雷擊損傷等。其中F. Lahuerta等[1]對風力機葉片存在不同類型的失效機理和模式與特定荷載條件相關性進行了數值分析研究，并將分析數據與試驗得出結果進行對比分析，得出后緣失效機理。Celso Jaco Faccio Júnior等[2]建立三維幾何精確梁殼單元模型，并對模型進行分析其結果表明，梁殼單元模型呈現出非常相似的全局行為。然而，在局部極端荷載情況導致殼體模型在后緣附近出現局部屈曲失效現象。Ye等[3]通過數值模擬與實驗數據表明，所提出的多尺度方法適用于預測有效地研究復雜復合材料結構的力學性能，為葉片失效分析提供依據。田爽[4]通過分析制造風電葉片的纖維金屬層合板的力學性能，也為葉片失效原因分析提供了有效判據。唐荊[5]應用模擬結合試驗的方式對大型風電復合材料葉片主承力部件結構失效進行研究，評價了幾何參數和邊界條件對結構失效的影響。靳交通等[6]通過對工程實例的模擬仿真計算，得出了結構局部屈曲是導致葉片進一步破壞的結論。郝國文[7]、申戩林團隊[8]、劉文藝[9]、胡忠忠[10]等利用振動信號分析，提取特征信號，實現風電機組的在線故障監測。洪華芳等[11]研究了雷擊對風電機安全運行的危害，并得出其失效機理，最終提出有效的雷電防護措施。

圖1 典型葉片鋪層結構示意圖

從國內外學者的研究成果中不難發現，結構性故障均會造成較大損失，一般病害如不及早識別并采取糾防措施，任其發展有可能演變為嚴重故障進而造成較大損失，所以，開展葉片失效根本原因分析，對于在役葉片災害預防乃至葉片設計、制造可靠性提升都具有較大價值，但目前為止仍未總結出完整的風電機組葉片失效原因全過程分析流程。

基于對大量葉片失效原因分析案例的梳理，并通過對風電企業的深入調查研究，總結出葉片失效原因分析流程，并把流程與具體案例相融合，以實現對流程的完整性、科學性進行完善和驗證。

1 大型葉片失效分析流程

1.1 一般機械失效分析及流程

失效分析是指事后的分析，是判斷產品的失效模式，查找產品失效機理和原因，提出預防再失效的對策的技術活動和管理活動[12]。借鑒普通機械零件失效分析[13]可得出，失效分析的主要內容包括：明確分析對象，確定失效模式，研究失效機理，判定失效原因，提出預防措施，根據主要內容制定具體失效分析步驟和方法。

根據失效分析的定義，一個失效事件分析的全過程一般包括偵測、診斷和事后處理三個階段。即利用各種偵測手段，調查、偵查、測試和記錄有關失效的現場、參數和信息；通過診斷，鑒別和確定產品失效的模式、過程、原因、影響因素和機理；經過事后處理即采取補救措施、預防措施，并進行其他技術管理的反饋活動，以達到預防、提高和開發的目的。偵測、診斷和事后處理是失效分析的三要素。

失效過程中如果只有一個零部件發生失效，則失效分析比較容易進行。但多數情況下，失效過程中不止一個機件發生失效，特別是事故發生時，往往有大量零部件同時遭到破壞，情況相當復雜，而失效原因也是錯綜復雜多種多樣。因此，除了要有正確的分析思路之外，還必須有一個合理的失效分析程序。在一般的失效分析中，都應遵循以下程序[14]：

(1)實地調查現場失效信息，進行詳細現場勘查；

(2)初步確定肇事失效件，確定具體的分析思路和工作程序；

(3)初步判斷肇事件的失效模式；

(4)結合調查結果及初步失效判斷查找具體失效原因；

(5)對事故模擬再現；

(6)綜合分析；

(7)總結報告。

1.2 大型在役風電機組葉片失效分析

大型在役風電機組葉片因其處于全天候野外工況，條件惡劣，運行過程中葉片故障及失效常會導致整個機組停止運行，造成巨大經濟損失。相比一般機械失效分析，風電機組葉片失效分析對現場勘查和材料檢驗、診斷分析要求更高，其分析難度和過程也更為復雜，且需要更加完整的證據鏈。目前國內只有針對大型在役風電機組葉片失效分析或機組失效分析、雷擊故障分析等單個點詳細技術分析手段及方法，但沒有針對大型機組葉片失效全流程分析、整體失效分析案例及流程總結文獻。本文根據大量在役風電機組葉片失效分析案例，結合機械失效分析流程，總結出大型在役風電機組失效原因分析步驟，并加以驗證。該流程圖從現場勘查，診斷分析，事后措施三個階段，整理了大型風電機組如何更全面、有效的進行葉片失效原因分析，具體見圖2。

圖2 葉片失效分析流程圖

2 葉片失效根本原因分析流程的驗證

葉片失效根本原因分析流程來源于實踐經驗的系統梳理和科學總結，在指導實踐中具有現實意義。以下以某風電場失效葉片原因分析為例對圖2分析流程作驗證，同時解析每一步具體分析內容。失效葉片信息：某沿海風電場1支葉片從距離葉根11m左右折斷如圖3，葉尖丟失(箭頭所指位置)，塔架上葉尖對應位置顯現條狀紅色痕跡，對應位置未發現凹陷。依據以上流程，先進行葉片現場勘查，再針對關鍵項目做診斷分析，最后總結出失效的根本原因并進行預防措施修訂。

(a)失效葉片總圖

(b)葉根處斷口

(c)葉尖丟失位置

2.1 現場勘查

現場勘查主要對該失效葉片所在風電機組SCADA運行數據分析，葉片事故前過程追溯與分析、失效時刻現場風資源及天氣分析以初步斷定該葉片失效原因。

2.1.1 機組運行分析

風電機組在發生系統或部件(如葉片)故障時一般均會啟動安全鏈動作，使機組短時間內從運行狀態變為停機狀態，所以分析在役葉片失效原因，必須對風電機組故障停機前后的運行數據和瞬態數據進行全面、深入地分析。風電機組運行數據分析主要包括機組故障文件、振動數據、偏航數據、變槳數據、驅動電機溫度、風速-功率曲線數據等。

(1)機組程序分析，同風場其它機組運行狀況良好，程序配置無異常，見圖3。

(2)故障文件分析，故障時刻風速急劇快速變化，風向角出現大波動。風速變化(11.38m)小于標準風速變化值(15m),風向角偏差(118°)超過最大變化范圍值(90°)，見圖4。

圖4 機組運行分析圖(風向角)

(3)振動數據和變槳電機溫度均未出現異常，葉片角度及變槳時變槳電機間溫度無差別。

2.1.2 葉片事故前過程追溯與分析

葉片制造、物流、吊裝、在役運維等過程的相關因素發生不符合、變異或意外性輸入，均可能導致葉片出現質量缺陷或損傷，成為葉片在役運行期間發生失效或病害的直接原因或誘因。

開展葉片故障前過程追溯與分析，主要為葉片從設計到吊裝完成全過程分析，一般包括葉片型式試驗與認證、工藝驗證、材料檢驗、過程控制、NCR(包括制造、物流、吊裝、在役階段)、失效葉片解剖等方面進行追溯和分析：

(1)葉片型式試驗包括靜力試驗和疲勞試驗，批量商業化運行葉片投產前，為保證葉片質量，新投產葉片需完成國際認證中心型式試驗及認證，經核查該葉片已完成相關實驗驗證和證書獲取。

(2)葉片制造過程質量涉及人員、設備、材料、工藝、環境、檢測、過程控制記錄、工程變更管控、不符合項報告等，在葉片生產工廠審核相關記錄，所有記錄完整且符合標準。

(3)葉片物流、吊裝、在役期間可能出現意外性結構損傷，審核失效葉片相關記錄，均完整且符合標準。

(4)葉片失效狀態的還原與再現對于失效原因分析極其重要。工作過程包括對搜集的葉片殘骸進行尺寸標注、結構拼接、局部解剖、取樣送檢、數據對標、斷面檢查、過程分析、嫌疑評審等進行全面診斷分析。

通過現場勘查，初步確定風速快速變化疊加風向角劇烈波動導致風況急劇惡化、事故期間為雷雨天氣這兩個原因有可能導致葉片失效。

2.1.3 事故期風資源及天氣分析

故障機組現場風資源分析主要包括風頻分布、風速變化、風向-功率關系、湍流系數等方面。

本案例失效葉片現場風資源信息及分析如下：

(1)風頻分布：全場10min平均風速為5m/s～6m/s，滿足機組設計標準。

(2)風速變化：全場半年10min運行數據，得到平均風速、最大風速、最小風速的月變化，故障機組1～7月平均風速和最大風速處于全場中等水平，見圖5。

圖5 事故期風速風向變化

(3)功率曲線分析：從全場機組功率曲線來看，該機組在運行期間機組性能良好。

(4)湍流系數：全場機組湍流水平較為一致，該機組湍流水平在全場范圍內為中等水平。

(5)現場天氣分析：氣象記錄顯示，事故期間為雷雨天氣。氣象檔案顯示當地年雷暴日20～40天，屬于“多雷區”，讀取葉片雷電記錄卡，雷電記錄約10kA。

2.2 診斷分析

通過對機組載荷適應性分析及葉片返廠診斷分析，關鍵項目第三方檢驗，結合現場勘查結果共同確定葉片失效根本原因。

2.2.1 機組載荷適應性分析

使用氣彈動力學模型沿著葉輪徑向在不同距離上定義若干葉片截面，通過仿真計算可以得到不同風況下葉片各截面上的載荷變化時序。針對故障時刻的風速快速變化及風向角的快速變化進行仿真模擬，得出仿真極限載荷低于葉片設計載荷。風速風向耦合變化，風向變化幅值遠超標準設計值?，F場風速風向變化的仿真依據風速儀和風向標測到的風輪平面內的單點數據，整個風輪平面內的復雜變化難以還原。

2.2.2 葉片返廠診斷分析

對返廠葉片各部件按失效前的位置進行了拼接，并對各位置進行了尺寸標注。對關鍵部位進行宏觀及微觀檢驗。

2.2.2.1 宏觀與微觀檢查

(1) 初始斷點檢查，判斷三個主要斷點；對粘接面進行整體檢查，主要發現以下問題，即：粘接膠上存在樹脂、局部粘接膠氣泡、粘接缺口、腹板粘接為固化、撕裂光滑等問題，通過直尺測量厚度及寬度，經葉片廠和整機廠建模校核，參考設計圖紙對粘接厚度的技術要求，得出粘接問題不是主要原因。

(2)避雷系統及雷擊點檢查。葉片蒙皮、接閃器、引下線檢查，重點檢查各斷裂處，蒙皮內外均無熔蝕、碳化、穿孔等情況，未發現雷擊點。為丟失的葉片引下線經自然拉拔、人工切割，已斷裂為多根，每根電纜的電阻正常，主引下線、分支引下線電纜連接處未發現熔蝕、放電現象，但發現葉片開裂后迎風面前緣約L49m左右有一小孔，有可能為雷擊天氣導致。

(3)玻纖布層數完整性測量。根據葉片各段環向切段位置，每2m位置確認布層層數，確認區域為迎風面主梁、背風面主梁、前緣腹板、后緣腹板、迎風面蒙皮、背風面蒙皮、迎風面后緣UD、背風面后緣UD，數出并記錄每一斷面的布層層數，布層測試結果顯示失效葉片可測量的位置布層符合技術要求。

2.2.2.2 關鍵項目檢測

(1)依葉根接口圖對0°標識進行了確認，標識無誤。

(2)依據葉片失效關鍵項目檢測方案，對葉片按照1m間隔進行切割，選取試樣進行玻璃鋼樹脂含量、固化度、玻璃轉變溫度測量。

使用型號為DSC100L差式掃描量熱儀，鋁制40μL不加蓋坩堝，高純氮保護氣體，純度99.999%，氣體流量50mL/min，選取(3×3×3)mm的樣品，依據ISO 11357-2測量葉根蒙皮、腹板、注膠口、補強、?？p、粘接膠和斷裂口的Tg值，同時對生產過程粘接膠抽樣、玻璃鋼抽樣進行留樣復測，重新測定試樣20個，復測試樣37個。經測定葉片玻璃鋼、結構膠玻璃轉變溫度檢測結果符合生產標準流程及設計技術要求，以下是對測量腹板的斷口Tg測試圖，見圖6。

圖6 L15后緣腹板玻璃轉變溫度(Tg)測試圖

使用型號SRJX-4-13高溫箱式電阻爐對斷裂位置葉片選取尺寸為(25×25×5)mm的樣品，依據ISO 1172標準測試樹脂含量，共測定試樣18個，經測定樹脂含量符合設計標準，見圖7(樹脂含量測試后試樣圖)。

(a)測試試樣 (b)測試設備

使用型號BSXT-06索氏提取器對失效葉片斷裂點樹脂不可溶分含量進行測定，共測定試樣18個，依據ISO 368標準測試，經測定樹脂不可溶分含量符合設計標準，見圖8。

(a)測試試樣 (b)測試設備

(3)葉片腹板定位檢測。檢測結果顯示失效葉片可測量的位置腹板定位尺寸均符合技術要求。

2.2.3 原因分析

依據葉片失效原因分析流程，對在役失效葉片現場勘查和診斷分析后得出該風電機組葉片失效分析原因：

(1)風速快速變化疊加風向角劇烈波動導致風況急劇惡化，致使葉片扭曲并發生局部開裂；葉片持續運行開裂持續延伸，蒙皮及主梁分層；初始斷口破壞加劇，腹板局部失穩；扭轉形變持續加大，本體剛度瞬間減小，葉片整體失穩致葉尖掃塔，機械沖擊導致腹板斷裂，葉片整體斷裂，機組故障停機。

(2)失效葉片機組所在海域故障期間存在持續雷暴天氣，葉片葉尖段存在圓形孔洞，不排除葉片前期曾遭受雷擊及雷擊為葉片失效誘因的可能。

2.3 事后措施

依據葉片失效根本原因分析流程圖所覆蓋的內容，較好地指導了案例分析工作并還原了整個葉片失效過程，得出該葉片失效原因。對已更換失效葉片和風機進行了全面檢測和安全評估，同時對該風場其它風機和同批次葉片現場運行過程進行動態監測，對存在隱患的系統或機械構件維修并更換，同時制訂定期檢修計劃。完善了風電場運營商和整機商、葉片生產商失效分析和預測預防數據庫，使涉及到的經濟部門、生產部門、科研部門、教育部門及社會部門做好經驗總結及預防。

3 結束語

葉片是風力機的關鍵部件，其科學的設計、高質量的生產制造、高效及嚴格的檢測都對風電機組安全可靠運行起著至關重要的作用。本文借鑒機械失效原因分析步驟，結合失效原因分析流程圖，根據大量葉片失效原因分析制定了葉片失效分析流程圖，并結合具體案例進行詳細分析及相關數據檢測，得出該葉片失效原因，驗證了該流程可行性，以幫助行業更便捷地分析葉片失效根本原因同時減少葉片事故發生，提高行業葉片質量。