一种风力发电机组桨叶断裂失效分析

刘永志

【摘要】本文对某型号桨叶断裂失效进行分析，给桨叶检查提供指导性意见。桨叶的主要受力部件为主梁帽，宽度为50-70cm，约为50层以上单向玻纤布粘结而成，贯通整个桨叶起到脊柱的作用。主梁帽损坏是导致桨叶断裂失效的主要原因，通过对桨叶结构、材料、生产工艺的分析，掌握桨叶断裂的劣化渐变过程，将桨叶断裂逐步纳入运行管理可控范围。

【关键词】风机桨叶、结构、主梁帽、断裂失效

一、背景

风力发电作为现代社会的新能源发电企业，将会在我国电力事业中发挥越来越重要的角色，风电事业的发展将会对我国能源结构调整以及生态环境的改善做出巨大贡献。我国目前已经建成的风电场大多在戈壁、草原、滩涂、海岛、山区、近海等地区，这些地区气候恶劣，且风电高速发展期集中在2005-2010年，在此期间桨叶作为风机主要部件供不应求，存在质低价高现象，这为以后风机可靠运行埋下隐患。桨叶作为风电机组的关键部件之一，长年工作在气候恶劣的环境当中，并且全天在交变载荷下运行，故障发生率很高。

某风电场地处内蒙古草原地区，风沙大、气温低。风机桨叶为中航惠腾1.5MW-34型桨叶，装机时间超过8年，从风场的运行情况看，该型号桨叶折断概率较高。运行经验告诉我们，运行超过8年的桨叶发生损伤会存在以下几种现象：1、前缘腐蚀，2、叶尖开裂，3、避雷系统损坏，4、表面涂层脱落，5、前尾缘开裂，6、桨叶内有杂物，7、桨叶壳体开裂，8、桨叶连接螺栓折断，9、桨叶断裂。桨叶断裂可能对机舱、塔筒等部件造成损伤，严重时可能发生倒塔事故。

二、桨叶简介

主梁帽：桨叶的主要受力部件，宽度为50-70cm，约为50层以上单向玻纤布粘结而成，贯通整个桨叶起到脊柱的作用。主梁帽边缘采用中间加装PVC板，保证厚度与主梁帽一致。

腹板：连接主梁帽，承受剪切力，玻纤布中间加装PVC板制成。

三、失效分析

下面对桨叶断裂失效原因进行分析，对断裂的渐变过程进行总结。

1、桨叶断裂失效主要原因是桨叶梁帽存在横向裂纹

桨叶梁帽（主梁）是桨叶主要受力部件，约为50层以上单向玻纤布，一般情况下在表层有2层以上玻纤布断裂时，就会造成桨叶外部涂层有裂纹，此时如果对桨叶进行较为专业的检查就能较早的发现问题，避免造成较大的安全事故及经济损失。

以某风电场所用1.5MW-34型桨叶为例，该桨叶是采用聚酯材料体系生产的桨叶，该型号桨叶是目前国内桨叶厂家唯一一款用聚酯体系生产的兆瓦级以上桨叶，其余全部采用环氧体系生产。分析该型号桨叶发生折断及梁帽存在横向裂纹的原因有以下几点：

（1）生产工艺原因：该型号桨叶90%以上的横向裂纹都发生在桨叶的背风面，距离叶根15米范围内。因为桨叶背风面（SS面）的梁帽生产时是处于凹形状态，15米范围内是桨叶梁帽最厚区域，在凹形底部的梁帽易发生布层褶皱，含胶量过高，造成该部位出现应力集中，经过一定的疲劳周期，必然会出现该部位布层断裂。聚酯体系生产的桨叶，先涂胶后铺玻纤布，而且是采用人工注胶，这种生产工艺极易发生褶皱，这就给之后的生产运行埋下安全隐患。

（2）材料原因：由于聚酯体系的玻璃钢本身脆性较大而韧性不足，较低韧性对桨叶设计有较大难度（这也是为什么国内MW级以上桨叶绝大部分采用环氧体系生产的原因），变形量过大势必会造成本体的损坏。另外聚酯体系因为脆性较大，造成聚酯桨叶的抗疲劳性相对较差。

（3）生产原因：在2010年以前，国内桨叶市场是卖方市场，处于供不应求的局面，一些较大的知名桨叶企业更是如此。在这种状况下，企业为了追求产量，造成生产管理、质量管理出现矛盾，一些本来可以避免的缺陷没有引起重视，最终造成有质量缺陷的原材料进厂、有质量缺陷的桨叶出厂。

通过查阅某风电场的检测、维修记录，风场桨叶存在横向裂纹的概率较大（30台风机桨叶有20台存在不同程度的横向裂纹），且发现横向裂纹全部位于距离叶根15米范围内的背风面（SS面）。桨叶横向裂纹的发生、发展并不是突然之间造成的，一般会先出现发白现象、渐变的过程是表面一两层布层折断、较多布层折断、最后造成桨叶折断。所以在裂纹发生的初期进行维修处理会使维修成本降低、维修质量可控。

2、桨叶前缘腐蚀分析

某风电场装机时间超过8年，已经超过了桨叶油漆的质量保证期。2010年前后生产的桨叶是材料国产化替代的初期，原材料的质量及稳定性存在一定缺陷，所以桨叶的前缘腐蚀问题比较突出。如此问题长期得不到解决，易造成桨叶前缘开裂，针对桨叶出现前缘腐蚀的情况，需要选用桨叶专用的前缘保护油漆，专用油漆具有耐腐蚀、硬度高等特点。

四、总结

以某风电场桨叶断裂失效为例，对桨叶断裂的原因进行深入分析，分析结果如下：

（1）桨叶认识：通过此次分析对桨叶内部结构有更深入认识，掌握梁帽在生产过程中存在缺陷及运行过程中产生的损伤未及时进行修复是导致桨叶断裂失效的主要原因。在以后工作中要针对桨叶易损区域（梁帽部位，距离叶根15米范围内）进行专项检查，发现问题及时处理。

（2）桨叶维护与检修方面：对桨叶组成材料进行分析，以后维修桨叶时对维修使用材料提出要求，提高维修质量，延长维修桨叶使用寿命。通过对桨叶结构分析，对以后桨叶检查部位提出要求，检查要有针对性，对发现的缺陷进行分等级处理，节省成本的同时提高风机运行可靠性。

（3）日常工作：现常用桨叶检查方法有望远镜肉眼检查、无人机检查、使用吊篮实地检查及安装在线检查装置检查等。对桨叶结构、损伤情况及各种检查方法分析后，采用望远镜肉眼检查与实地检查相结合的方法，节省成本的同时，提高检查的准确性。另外对日常巡检定检作出更好的规定，加强桨叶薄弱部位定巡检质量。

（4）大部件储备方面：桨叶断裂是一个渐变的过程，通过对损伤程度的分析，可以合理的安排大部件的储备和桨叶维修计划，缩短停机时间。

（5）研究方向：深入研究桨叶各种材料在当前运行环境下的运行使用寿命，对可能发生的问题进行预判。进一步深入研究风机参数与桨叶的联系进行分析，合理调整风机参数，延长桨叶使用寿命。

参考文献:

《东汽风机检修工艺规程》