某風電場機組葉片斷裂原因分析

文 | 劉文斌，李時華

隨著風力發(fā)電規(guī)模和技術(shù)的不斷發(fā)展，風電機組大型化趨勢越來越明顯。而葉片長度的增加，在增大風能捕獲效率的同時，也增大了葉片斷裂損壞的概率。通常葉片發(fā)生斷裂的主要原因包括生產(chǎn)過程中工藝控制不良，葉片根部局部區(qū)域樹脂固化不完全導致的強度、剛度降低，風速超限，風電機組失速，電氣故障以及雷擊等。本文針對某風電場機組葉片斷裂事故，從風速超限、電氣故障、雷擊、生產(chǎn)工藝等方面進行深入分析，確定了葉片斷裂失效原因。

葉片斷裂事故概述

某風電場6#風電機組于2018年2月25日0時32分左右因葉片斷裂停機。葉片型號：##96-2000/A5，葉片編號：1201-149；葉片套號：097；制造時間：2012年8月12日。葉片斷裂初始折斷位置：葉片前緣L4.5m至后緣L6m，其他折斷位置判斷為二次斷裂點。

事故現(xiàn)場細節(jié)描述

葉根位置：葉根避雷導線于L2m處斷開并失蹤。

后緣粘接：葉根外部自L6m至L15.5m處后緣開裂，自SS面L32m至葉尖開裂。

前緣粘接：前緣粘接角保存完整，自L4.5m處發(fā)生一次斷裂；自L7m處發(fā)生二次折斷。粘接處未發(fā)生分離，前緣粘接厚度及寬度無法測量。

腹板粘接：整個腹板粘接面未發(fā)生剝離，因葉片折斷導致葉根部位粘接膠與主梁剝離。觀察葉片內(nèi)部，腹板未發(fā)生膠層開裂現(xiàn)象。

葉尖部分：鋁葉尖全部甩出丟失，葉尖部位33m至葉尖部分碎裂。根據(jù)對葉片的整體檢查結(jié)果，未發(fā)現(xiàn)明顯的雷擊痕跡。經(jīng)現(xiàn)場勘查，葉尖位置的碎裂為葉片墜落時的二次損傷。

主梁部分：PS和SS面主梁均自葉根L2.5m處與蒙皮分離，主梁部分整體保存完整。PS面與SS面主梁與蒙皮均結(jié)合良好。經(jīng)現(xiàn)場勘查，主梁處的折斷是由于葉片斷裂失效后，因重力作用導致的主梁與殼體發(fā)生分離，主梁本身并未斷裂。

后緣輔梁（UD）：PS面輔梁與外蒙皮結(jié)合完整，只是在斷裂后與殼體發(fā)生抽離。SS面后緣輔梁在L6m處折斷。

芯材及蒙皮：葉根處、前緣L12m處、后緣L13m處均撕裂露出PVC芯材，殘存PVC芯材表明粘接無異常。經(jīng)現(xiàn)場勘察，芯材和蒙皮處均為撕裂，這是由于葉片在斷裂后受重力影響，導致蒙皮與芯材發(fā)生撕裂。

事故現(xiàn)場調(diào)研及分析

通過逐一分析導致葉片失效的各種外部因素對葉片失效的影響，判定葉片失效的原因。導致葉片失效的外部影響因素及判定方法如表1所示。

一、事故發(fā)生時風電機組狀態(tài)分析

根據(jù)SCADA監(jiān)控系統(tǒng)信息，在事故發(fā)生前后，發(fā)現(xiàn)6#風電機組異常，經(jīng)過分析數(shù)據(jù)庫內(nèi)1s數(shù)據(jù)（見表2），葉片出現(xiàn)斷裂的時間為2018年2月25日0時32分32秒。

圖1 事故葉片斷裂位置示意圖

圖2 葉片斷口圖

由圖3可知，葉片發(fā)生斷裂時，機艙振動較大，最大值達到3.4mm左右，風電機組持續(xù)擺振約2分鐘，之后振幅逐漸減小。

葉片發(fā)生斷裂事故后，3支葉片均正常順槳且保持同步，具體過程見圖4。

二、事故發(fā)生時風速及轉(zhuǎn)速分析

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，2016年該風電機組的最大風速為24.3m/s，未超過設(shè)計風速。葉片斷裂前后，風速未超過極限風速，2018年2月25日0時30分至0時40分的最大風速為15.5m/s，處于正常運行風速范圍內(nèi)。

表1 葉片失效外部影響因素及判定方法表

表2 SCADA系統(tǒng)1s監(jiān)控數(shù)據(jù)

圖3 機艙振動值分析

圖4 事故后槳葉動作過程圖

圖5 事故前后風速分析圖

由圖5可知，在葉片斷裂前的一小段時間內(nèi)，機艙風速儀所測得的風速切變尚可，未出現(xiàn)較快的風速變化。該風電機組在葉片斷裂事故發(fā)生前后的最大轉(zhuǎn)速為 17.42rpm（2018年2月25日 0∶32∶02），未發(fā)生超速。

三、雷擊分析

如雷電對電網(wǎng)或風電機組沖擊較大，應出現(xiàn)短時間的系統(tǒng)過電壓；如雷電沖擊能量較小，可能僅導致葉片損壞而無法引起系統(tǒng)過電壓。由事故前后系統(tǒng)電壓變化情況圖（圖6）可知，葉片斷裂前后系統(tǒng)電壓無明顯波動。

綜合分析可知：（1）排除故障時風速超過設(shè)計值導致葉片斷裂的可能；（2）排除風電機組飛車的可能；（3）排除雷擊因素導致葉片斷裂的可能。

四、葉片解剖測量、取樣試驗

葉片各截面測量明細見表3，發(fā)現(xiàn)的主要缺陷見表4。綜合分析如下：

（1）葉根處存在2處褶皺：葉根L2.5m處軸向褶皺（L=600mm，W=32mm，H=8mm，高寬比為0.25）；葉根L1.8m處軸向褶皺（L=480mm，W=27mm，H=6mm，高寬比為0.22）。由于葉根L2.5m 折斷截面并未發(fā)現(xiàn)褶皺分層，且L2.5m折斷截面呈弦向折斷與2處軸向褶皺沒有直接關(guān)聯(lián)，判定2處褶皺均為質(zhì)量缺陷。

（2）后緣L23m 和L24m 處的斷面上均發(fā)現(xiàn)有空膠現(xiàn)象，葉片局部空膠風險較小，可以排除。

圖6 事故發(fā)生前后系統(tǒng)電壓變化圖

表3 葉片各截面測量明細表

表4 發(fā)現(xiàn)的主要缺陷

表5 彎曲試驗測試結(jié)果

（3）抽檢了10處葉片后緣粘接厚度，存在4處超標，部分膠層存在空膠現(xiàn)象。除后緣L8m 位置超標嚴重（超標275%）外，其余3處最大超標為16.67%。但膠層超厚的缺陷并未在葉片初始斷口位置，因此，后緣膠層缺陷不能作為本次葉片斷裂事故的主要原因，可以排除。

（4）L6m 處后緣輔梁（UD）弦向褶皺，長度為320mm，寬度為25mm，高度為5mm，高寬比為0.20。葉片在L6m 處發(fā)生折斷，現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)L6m 折斷截面存在褶皺分層的現(xiàn)象，弦向褶皺對葉片折斷的影響因素很大，初步判定該缺陷是造成葉片折斷的主要因素。

五、輔梁弦向褶皺材料力學性能測試、拉伸測試

因葉根外部自L6m至L15.5m處后緣開裂，在輔梁褶皺位置取三個樣塊：第一塊為L6m 處后緣輔梁斷口位置樣塊，標記為A樣塊；第二塊為L7.5m 處后緣輔梁弦向45°褶皺樣塊，標記為B樣塊；第三塊為正常狀態(tài)的輔梁，標記為C 樣塊，作為對比樣塊。

彎曲試驗是將一定形狀和尺寸的試樣放置于彎曲裝置上，以規(guī)定直徑的彎心將試樣彎曲到要求的角度后，卸除試驗力，檢查試驗承受的變形性能（由于樣品 A 尺寸較小且缺陷過大，導致試驗機無法做力學性能測試，因此，本次力學性能試驗用樣塊B 和C 做對比測試）。由彎曲試驗數(shù)據(jù)（表5）可知，缺陷樣塊的彎曲強度僅為正常樣塊彎曲強度的67.97%；而彎曲模量比正常樣塊大9.13%。彎曲強度降低，使得輔梁的抗剪切能力嚴重下降；而彎曲模量值越大，表示材料在彈性極限內(nèi)抵抗彎曲變形能力相對越小，實驗數(shù)據(jù)表明輔梁出現(xiàn)褶皺后，降低了本身的抗變形能力。

表6 拉伸試驗測試結(jié)果

拉伸試驗是檢測強度和剛度最主要的試驗方法之一，通過拉伸試驗可以觀察材料的變形行為。由表6可知，褶皺缺陷導致輔梁抗拉強度下降了9.18%。

結(jié)論

結(jié)合試驗數(shù)據(jù)分析可知：缺陷樣塊的彎曲強度僅為正常樣塊彎曲強度的 67.97%；褶皺缺陷導致輔梁抗拉強度下降了9.18%；而彎曲模量比正常樣塊大 9.13%；以上數(shù)據(jù)充分說明，葉片L6m處的后緣輔梁（UD）弦向褶皺是造成葉片折斷失效的主要誘發(fā)因素。

綜合分析，該事故風電機組葉片的失效過程是由葉片L6m處后緣輔梁（UD）弦向褶皺誘發(fā)葉片開始斷裂，葉片在離心力的作用下，蒙皮及主梁發(fā)生撕扯分層開裂，在葉片開裂后，葉片穩(wěn)定性大幅下降，當葉片載荷傳遞到根部后，因根部結(jié)構(gòu)強度較大，在葉片 L6m 處應力積聚，導致后緣L6m 處由內(nèi)向外撕裂，迎風面和背風面主梁折斷，進而導致葉片瞬間失效。