風(fēng)場葉片故障診斷分析與維護(hù)探討

毛水蓮，楊朋飛，李 東

（1.華銳風(fēng)電科技（集團(tuán)）股份有限公司，北京 100872；2.國材（北京）檢測認(rèn)證服務(wù)有限公司，北京 100037）

0 引言

風(fēng)電是一種綠色的可再生能源，是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的主力軍。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國風(fēng)機(jī)累計裝機(jī)量超過3億kW[1]，龐大的在役機(jī)組催生了大規(guī)模的運(yùn)維市場。葉片作為風(fēng)機(jī)最核心的部件，也是運(yùn)維中重點(diǎn)維護(hù)的對象，而且由于其為旋轉(zhuǎn)部件，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中受到重力、離心力、湍流風(fēng)、雷擊、振動、交變載荷等復(fù)雜外界作用的影響[2]，極易產(chǎn)生故障，因此，研究風(fēng)機(jī)葉片的故障產(chǎn)生原因和維護(hù)方法對于保證風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行具有重要的要義。

國內(nèi)外學(xué)者對葉片故障模式和修理方案進(jìn)行大量的研究。Philipp 等[3]研究了極限載荷作用下葉片后緣屈曲失效模式?？追睍缘萚4]和靳交通等[5]研究發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)屈曲會導(dǎo)致葉片進(jìn)一步破壞。吳光軍等[6]對葉片提出了葉片結(jié)構(gòu)損傷的原因及修復(fù)方法。陳維江等[7]分析了葉片雷擊損傷原因和防護(hù)措施。左天強(qiáng)[8]研究了葉片螺栓斷裂原因，指出葉根平面度是導(dǎo)致螺栓應(yīng)力幅值異常的原因。C Soutis 等[9]通過試驗研究了層合板貼補(bǔ)修理方法在壓縮載荷作用下的破壞情況，進(jìn)行有效的修理可以恢復(fù)未損傷層合板80%的壓縮強(qiáng)度。Hart Smith L J 等[10]建立了斜切型挖補(bǔ)修理和階梯型修理的解析模型，可以實現(xiàn)連接強(qiáng)度的最大化。李想等[11]研究了階梯型修理不同階梯數(shù)目于層合板拉伸性能的影響。上述文獻(xiàn)雖然在風(fēng)機(jī)葉片故障分析以及玻璃鋼維修方法方面做了大量的研究，但是針對葉片的故障、原因分析以及維修方案的系統(tǒng)全面總結(jié)方面并沒有涉及。

本文將從風(fēng)機(jī)葉片常見的故障問題進(jìn)行討論，基于歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，對葉片故障問題原因進(jìn)行分析，提出針對性的解決方案。

1 葉片結(jié)構(gòu)

葉片為環(huán)氧樹脂及玻璃纖維制作復(fù)合材料產(chǎn)品，具備高比強(qiáng)度、輕質(zhì)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、工藝性好等優(yōu)點(diǎn)[12]，同時也具備了可設(shè)計性、修復(fù)性能好等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)葉片各部件受力狀態(tài)不同，葉片不同的區(qū)域具備不同的結(jié)構(gòu)形式，主要為葉根、主梁、腹板、蒙皮等結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 葉片結(jié)構(gòu)

主梁是葉片的主要承載部件，主要承受葉片的彎曲載荷，一般使用高強(qiáng)、高模的單向纖維織物制成。殼體蒙皮主要作用是提供葉片的氣動外形，多采用雙軸或多軸織物。為了提高葉片的剛度同時實現(xiàn)輕量化的目的，在蒙皮和腹板部分使用了PVC、Balsa等夾芯材料。

2 葉片故障

葉片在生產(chǎn)制造過程中，受制造工藝等隨機(jī)因素的影響，葉片不可避免產(chǎn)生纖維發(fā)白、結(jié)構(gòu)膠缺失甚至分層等缺陷。在運(yùn)輸、吊裝等過程中，不合理的受力也會導(dǎo)致葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損。風(fēng)機(jī)日常運(yùn)行中，受到復(fù)雜載荷、湍流風(fēng)、雨雪、冰凍等的侵襲，這些因素疊加會導(dǎo)致葉片逐漸出現(xiàn)表面受損、前緣雨蝕、螺栓斷裂等故障。

2.1 葉片結(jié)構(gòu)損傷

風(fēng)場中在役葉片的損傷形態(tài)是多種多樣的，常見的損傷包括葉片開裂、葉片裂紋、葉片屈曲鼓包、葉片折斷等。葉片損傷可能源于生產(chǎn)過程中，存在缺陷出廠時沒有經(jīng)過有效維修，也可能在運(yùn)輸、吊運(yùn)過程中不合理的受力狀態(tài)導(dǎo)致葉片局部應(yīng)力集中造成葉片受損，或是由于葉片設(shè)計未經(jīng)過充分驗證，導(dǎo)致葉片在特定工況下葉片出現(xiàn)局部失效。

2.2 前緣腐蝕

風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時，葉片前緣受到雨水、沙塵、鹽霧等的沖擊，尤其是葉尖1∕3 長度范圍內(nèi)，由于該區(qū)域葉片旋轉(zhuǎn)線速度極快，受到的腐蝕最為嚴(yán)重。葉片前緣產(chǎn)生腐蝕后，會影響葉片的前緣外形，影響葉片氣動效率。據(jù)統(tǒng)計，運(yùn)行4 年以上的葉片發(fā)電量最高可下降20%[13]。葉片前緣問題如果不及時修復(fù)，隨著時間的進(jìn)展，葉片會產(chǎn)生更為嚴(yán)重的開裂等損傷。

2.3 葉片雷擊

風(fēng)機(jī)裝機(jī)地點(diǎn)通常位于空曠地區(qū)或者山區(qū)相對高點(diǎn)[14]，防雷問題尤為突出。據(jù)統(tǒng)計，20世紀(jì)90年代歐洲地區(qū)風(fēng)電設(shè)備每年約有5%會遭受不同程度雷擊事故。雷擊事故嚴(yán)重影響風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的安全運(yùn)行。葉片防雷擊問題一直以來都是困擾行業(yè)的難題，尤其是在高海拔、高雷暴地區(qū)裝機(jī)量日趨增多，葉片遭受雷擊的現(xiàn)象也越來越多，葉片雷擊主要帶來的問題是修復(fù)難度大、責(zé)任認(rèn)定難等問題。

葉片遭遇雷擊后，雷電產(chǎn)生瞬時超高溫的電弧有時超過20 000 ℃，內(nèi)部殘存的水分在此情況下，水分迅速變成水蒸氣，葉片內(nèi)部壓力瞬間大幅升高，進(jìn)而膨脹，導(dǎo)致葉片殼體分層、開裂、脫膠及梁與蒙皮的分離。雷擊時的大電流也會導(dǎo)致葉片鋁葉尖、防雷導(dǎo)線產(chǎn)生熔融、斷裂等問題，造成葉片防雷系統(tǒng)失效。

2.4 螺栓斷裂

在葉輪旋轉(zhuǎn)過程中，葉片根部連接螺栓會受到周期性的交變載荷。當(dāng)螺栓安裝不規(guī)范、或設(shè)計不足時，高強(qiáng)螺栓會產(chǎn)生局部松動、變形甚至斷裂（圖2）。螺栓斷裂嚴(yán)重威脅機(jī)組運(yùn)行安全，增大機(jī)組檢修成本。葉片螺栓斷裂的常見原因有螺栓性能不合格、加工質(zhì)量工藝不符合要求、熱處理不合格等原因，也有葉片螺栓設(shè)計不合理、安裝工藝不規(guī)范以及葉片葉根平面度不滿足要求導(dǎo)致的螺栓斷裂。

圖2 葉片螺栓斷裂

螺栓失效絕大多數(shù)為施工時初始預(yù)緊力不足或過高導(dǎo)致的[15]。

式中：FKerf為螺栓的最小夾緊力；FKQ為通過剪切力傳遞橫向載荷或扭轉(zhuǎn)力矩的最小夾緊力；FKP為確保密封時的最小夾緊力；FKe為防止被連接件開口的最小夾緊力。

對于控制集成模型復(fù)雜度，在分類問題中，通過屬性選擇或剪枝方法控制分類樹的規(guī)模，典型方法如CART，同時控制基分類器數(shù)量，提升基分類器間的差異化；對于回歸問題，則是通過控制參數(shù)參與度，即各參數(shù)系統(tǒng)比重來實現(xiàn)，常見方法包括約束函數(shù)，魯棒損失函數(shù)等，典型算法如前向階梯線性回歸算法；對于提升基分類器的差異化，一般通過對訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的重采樣，參數(shù)設(shè)置，特征空間和引入隨機(jī)擾動四個方面開展工作。

螺栓斷裂問題主要為疲勞斷裂，螺栓軸力的下降導(dǎo)致螺栓在交變載荷下應(yīng)力幅值增加，是產(chǎn)生螺栓斷裂的主要原因。通過測試某3 MW 葉片葉根螺栓軸力（圖3），設(shè)計預(yù)緊力為390 kN，使用Ifast 公司超聲波軸力測試儀實測葉片預(yù)緊力為300～410 kN，部分螺栓存在嚴(yán)重的松動問題。

圖3 某型葉片葉根軸力實測

3 維護(hù)建議

由于外場條件限制，葉片維修通常采用手工濕法成型工藝，葉片結(jié)構(gòu)維修的主要要求如下：

（1）滿足葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求，需要以恢復(fù)葉片原始設(shè)計承載能力為主要目標(biāo)；

（2）修復(fù)需滿足增加重量最小，不會對葉片質(zhì)量矩平衡造成影響；

（3）葉片外表面修復(fù)要保證氣動外形過渡光順，變化要小；

（4）葉片修復(fù)材料與原鋪層相同，滿足載荷穿載荷要求；

（5）滿足葉片表面防護(hù)要求。

3.1 葉片結(jié)構(gòu)損傷維護(hù)

針對葉片開裂問題，及時的維修能夠降低操作難度，確保維修后葉片強(qiáng)度不降低。葉片內(nèi)腔結(jié)構(gòu)膠、殼體的開裂問題，通過維修人員進(jìn)入葉片內(nèi)腔將開裂處缺陷打磨去除，重新恢復(fù)鋪層或填補(bǔ)結(jié)構(gòu)膠，加熱固化后可恢復(fù)機(jī)組運(yùn)行。葉片外表面的開裂問題，需要使用操作平臺至缺陷處，對開裂區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的維修。當(dāng)葉片開裂長度超過2～3 m 時，不僅會增大維修難度，維修處除涉及殼體鋪層，可能還需要對芯材進(jìn)行維修，維修后葉片強(qiáng)度可能會有一定程度的降低。

針對殼體表面裂紋，維修時首先需檢查裂紋處于表面涂層、還是屬于結(jié)構(gòu)層的裂紋，葉片玻璃鋼外表面包覆有聚氨酯膩?zhàn)?、油漆保護(hù)玻璃鋼免受紫外線的侵蝕，如果膩?zhàn)雍穸冗^大，在外界條件作用下表面會出現(xiàn)裂紋，當(dāng)裂紋僅為涂層裂紋時，僅對玻璃鋼表面的涂層進(jìn)行修理即可。若裂紋涉及葉片結(jié)構(gòu)鋪層時，需對葉片表面鋪層進(jìn)行打磨至缺陷消失，并進(jìn)一步檢查，排查葉片是否存在褶皺等問題后，方可對結(jié)構(gòu)鋪層進(jìn)行搭接維修。

當(dāng)葉片發(fā)生殼體鼓包、或葉片折斷時，需將葉片下架處理，并對損傷葉片進(jìn)行勘察和技術(shù)分析，判斷葉片損傷原因。

3.2 前緣雨蝕維護(hù)

目前，針對前緣腐蝕，主要有兩種方案。一種是在前緣增涂專用的前緣保護(hù)涂層，葉片前緣保護(hù)油漆價格較高，但是具備施工簡單，防護(hù)效果好等優(yōu)點(diǎn)。另一種方式是在前緣粘貼前緣保護(hù)膜，前緣保護(hù)膜初始機(jī)械強(qiáng)度高，但是也施工復(fù)雜，操作不當(dāng)容易脫落。

3.3 葉片雷擊維護(hù)

葉片設(shè)計時，需要考慮葉片防雷問題，對葉片接閃系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和針對性設(shè)計。葉片的防雷系統(tǒng)通常由葉尖接閃器、葉身接閃器、引下線、連接系統(tǒng)等構(gòu)成。防雷系統(tǒng)需通過電磁仿真及實際的大電流沖擊試驗，電流傳導(dǎo)不會造成葉片防雷系統(tǒng)和葉片結(jié)構(gòu)的破壞。

對于在役風(fēng)機(jī)葉片，當(dāng)防雷系統(tǒng)不能有效降低雷擊事件的概率時，首先測試防雷系統(tǒng)是否導(dǎo)通、阻值是否異常。其次，可以對葉片加裝雷電導(dǎo)流條[15]，雷電導(dǎo)流條可以引導(dǎo)雷電流沿導(dǎo)流條傳導(dǎo)至葉片接閃器，保護(hù)葉片主體不被雷電流擊穿造成二次損傷。

3.4 葉片螺栓斷裂維護(hù)

風(fēng)機(jī)葉片螺栓的安裝多采用扭矩法，通過力矩轉(zhuǎn)化為螺栓預(yù)緊力，而轉(zhuǎn)化過程會受到工具設(shè)備精度、潤滑油脂的狀態(tài)及施工因素的影響導(dǎo)致螺栓的預(yù)緊力離散比較大。因此，檢測螺栓安裝后實際的預(yù)緊力是解決螺栓斷裂問題的關(guān)鍵。目前市場上有基于電磁超聲、基于聲監(jiān)測、基于螺栓角位移監(jiān)測以及基于計算機(jī)視覺等的監(jiān)測手段，都是通過測試各種參量來表征螺栓軸力，具備測量速度快、精度高的特點(diǎn)。

通過在線測試各個螺栓的預(yù)緊力變化情況，監(jiān)測落實是否松動和破壞，進(jìn)而找到螺栓松動的原因，才能有針對性地解決葉片螺栓斷裂問題。

4 結(jié)束語

本次研究討論了風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)行過程中常見的故障模式，包括葉片結(jié)構(gòu)損傷、前緣雨蝕、葉片雷擊、葉根連接螺栓斷裂等多種類型的葉片損傷問題。通過分析葉片損傷的原因，針對性地制定了維修方案，積極有效的維修可以避免缺陷的擴(kuò)張，避免葉片結(jié)構(gòu)失效、降低運(yùn)維成本。同時，葉片損傷的原因分析能夠幫助提高葉片的設(shè)計、制造水平，而新的設(shè)計方法又有利于風(fēng)場葉片損傷難題高效、快速、可靠的修復(fù)。隨著風(fēng)機(jī)葉片先進(jìn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的陸續(xù)應(yīng)用，如葉片光纖載荷傳感器、葉片螺栓健康監(jiān)測系統(tǒng)、葉片聲音監(jiān)測系統(tǒng)等，能夠?qū)崿F(xiàn)葉片狀態(tài)的實時監(jiān)測，有利于葉片損傷的快速識別和及時維修，實現(xiàn)機(jī)組及葉片的安全運(yùn)行。