一文读懂风电叶片常见的损伤风险

风力发电机组是通过其各部件协调运转，将风能安全、可靠的转换为机械能，再将机械能转换为电能的机械装置。风轮叶片作为风力机最关键的部件，它的作用是捕捉和吸收风能，其良好的结构设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的关键。

叶片在运行过程中，根据其自身特征和运行环境，时刻承受着空气动力载荷、重力和惯性载荷、离心力、陀螺力等载荷。近几年，随着机组不断大型化的发展以及行业降本的压力，叶片长度越来越长（目前最长叶片143m由明阳智能制造），结构安全裕度越来越低，叶片结构强度面临更严酷的考验，对叶片结构设计和生产制造提出了更高、更精细化的要求。

但是，叶片作为一款工业设计的批量结构性产品，不可避免的，在运行过程中会发生“故障”，即结构损伤或失效。中国船级社质量认证有限公司（以下简称“船级社”）自2007年以来一直致力于风电产品认证和技术服务工作，至今已经完成来自开发商、整机商和叶片制造商委托的百余起叶片损伤事故调查项目。根据发生的损伤原因不同，在近几年叶片事故案例中呈现出的叶片损伤类型主要包括叶片储运吊损伤、因设计问题引起的损伤、因制造质量问题引起的损伤、扫塔、雷击、外部载荷过大及其他原因等。

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叶片储、运、吊损伤

叶片储、运、吊损伤是指叶片在储存、运输、吊装安装过程中发生的损伤，一般这种损伤或属于因外部原因导致的意外损伤，或属于非预见性损伤。近年来，由于叶片越来越长，叶根节圆直径来越大，给叶片运输、吊装提出了更大的挑战，因储运吊发生的损伤越来越多，甚至有一些由于位置隐秘、外观不明显或责任方故意隐瞒等因素导致叶片带伤上天，进而在后期的短期运行过程中发生严重的质量事故的情况。

叶片储存损伤：比如某大型风电项目，叶片提前运输到风场后，临时存放在机位下方，按照规定的两点存放姿态放置。存放期间遭遇到一场大风（风速超过30m/s），叶尖在大风作用下剧烈大幅抖动，造成叶尖长达10m的区域拍到地面上，发生损伤，如下图2所示。

图2 风场叶片存放叶片触地损伤

叶片运输损伤：比如，由于行业百米级叶片运输经验的不足，叶片和运输板车之间的距离预留较小，板车和叶片长度的增加均降低了其刚度，容易发生弹性变形。在运输过程中路过不平整的路面时，板车和叶片同时发生颤动，导致叶片与板车发生磕碰损伤。

图3 叶片运输与板车距离不足导致磕碰

叶片吊装损伤，是指叶片吊装行为或吊装转运过程中因人为操作不规范、意外情况等原因导致的叶片发生吊伤、磕碰损伤。一种典型的吊装损伤，如图4所示，叶片在吊装时前缘吊点未放置保护板，导致叶片前缘壳体塌陷。

图4 叶片典型吊装损伤

对于叶片储运吊过程发生的损伤，只要不是结构性问题，在安排成熟的修复队伍、有详细修复方案的条件下，经过严格的工艺过程质量控制，损伤产生的小缺陷均能合格修复。但是对于涉及结构性缺陷的损伤，在检查和处理方案制定过程中需要非常慎重，虽然有无损探伤等特殊检验方式，但以目前掌握的技术而言，仍然有隐藏损伤无法检测出的风险。

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因设计问题导致的叶片承载能力不足

一款叶片在开发过程中，为保证结构的安全性，会依据现有的国际/家设计标准进行严格的结构设计和工艺设计，以保证叶片的结构强度。但是由于专业技术的快速发展，标准存在一定的滞后性，并且设计标准也存在一定的假设和简化。一款叶片即使满足设计标准和认证要求，也并不代表不会发生设计问题。并且近几年风电叶片发展已经进入百米级的无人区，随之带来的结构设计和工艺设计问题也越来越突出，多家叶片厂商已经出现叶片产品顺利通过认证、但在实际投运后发生批量损伤事故的案例，轻则叶片出现发白分层损伤，重则叶片开裂、折断。

举一个发生在长度超过80米的叶片上的典型特征，如图5所示，在其展向长度距叶根端面四分之一处，叶片前缘端面附近，在叶片投运时间1-2年内，陆续出现宏观弦向扩展的蒙皮法向贯穿性裂纹，确认了案发区域叶片的铺层、材料甚至载荷等基础设计特征没有突变，多数因发现及时，可以被顺利修复。虽然事故调查结果显示，该型号叶片设计都满足现行的设计标准，也顺利通过了相应的型式试验，但批量事故还是发生了。这说明当前行业应用的设计准则和试验方法无法考虑到一些未知的工况，行业亟需开展相应的研究，更新和升级设计标准。

图5 叶片典型开裂损伤特征

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因制造质量问题导致的叶片承载能力不足

一款合格的产品不仅要有合格的设计，还要有合格的质量。由于风电叶片材料是纤维复合增强材料，可以说是手工产品，相对于机械产品，生产过程相对较粗放，质量不易控制。如果叶片存在制造质量缺陷问题，将会直接影响叶片结构的可靠性，导致叶片会发生纤维分层、开裂、断裂等损伤。

在中国风电叶片制造技术的发展过程中，2016年是质量提升的重要节点，在此之前，叶片制造很多技术细节上存在不明晰的问题，相应解决问题的办法也没有妥善整理，直接表现为因制造质量特征的运行损伤案例较2016年以后明显高出很多。自2016年以后，由于行业积累的技术和经验，以及叶片厂商对质量的重视，叶片制造质量得到了明显的提高。但是由于一线工人的操作失误，或者制造设备功能故障，一些制造质量问题仍然不可避免。

如下图所示，是一种典型的叶片制造质量问题引起的壳体开裂，如图6所示，叶片于展向的损伤表现为较强的弦向直线性特征断口，相较于其他位置更为光滑，没有严重的撕裂痕迹。对该位置的内外蒙皮的铺层打磨探查，未发现存在铺层终止线痕迹，且断口刚好与此处铺放的芯材片材拼接缝填充处重合，进一步观察断口的延长线上看到，存在一条两个芯材片材拼缝，表明叶片生产时做了二次填充，而损伤恰恰在该位置发生，至此船级社判断为一起制造缺陷引起的损伤事故，叶片生产时芯材二次填充过程中因操作不当对纤维内蒙皮造成了初始损伤，导致承载能力下降，从而运行中产生开裂。

图6 叶片质量问题开裂损伤特征

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叶片扫塔

叶片扫塔，即风电机组在运行过程中叶片叶尖扫到塔筒表面，导致叶片叶尖损伤，严重的会导致叶片断裂及塔筒凹陷，甚至倒塔。

2016年前的叶片设计，叶片长度集中在60m以下，相对较短，叶片质量、刚度相对较大，发生扫塔的概率较低。2016年以后，随着机组的大型化发展，叶片越来越长，叶片也变得越来越柔软，虽然叶片叶尖都设计有预弯，但在运行过程中已经出现反攻的姿态，如图7所示，无疑也增大了扫塔的风险。

图7 叶片反攻运行姿态

叶片扫塔的原因往往是复杂多样的，设计、生产制造、运输吊装、风电场机组选型、场址适应性、运行维护、外部环境等任何环节出现不满足设计要求或者相关标准的情况均有可能导致叶片直接或间接扫塔。

船级社近两年在调查叶片扫塔事故时发现，如图8所示，发生扫塔的事故机位多数坐落在山脊上，扫塔来风方向面对山谷地形，且机位前方属于高边坡地形，判断扫塔原因是与特定方向和速率的来风直接相关的，由于现场因地形原因存在负风切变的情况，机组底部瞬时风速过大，机舱测风设备不能及时侦测到，相应变桨系统也就没有实施应对措施，从而导致叶尖变形增大，即塔架净空不足，造成扫塔。

图8 叶片扫塔来风方向高边坡地形

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雷击导致的叶片损伤

雷电是自然界的十大灾害之一，也是风力发电机组面临的最大自然威胁。目前的科技水平尚不能完全防控雷击，机组叶片遭受雷击后，如不能成功将雷击电流通过避雷系统引导到地下，强大的雷电流会产生电阻热、电弧热、声压力、磁压力等物理损伤效应，对风力发电机组叶片造成损坏。

虽然叶片设计有接闪器和避雷引下线，用于叶片遭受雷击时泄放大部分雷电流，从而避免其对行经途径附近的零部件的伤害，但是在实际运行中，这种防护方法并不能完全保证叶片不被雷击。

雷击造成的叶片损伤主要有热效应和机械效应损伤，热效应会造成叶片复合材料烧黑灰化，机械效应会造成叶片雷击区域内部结构破坏。所以说并不是所有的雷击损伤都会造成叶片发黑，在调查过程中还需要结合当时的天气、雷击记录卡和机组磁性检查来判断雷击事故的发生。

图9 遭受雷击后的叶片材料烧黑痕迹

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外部载荷过大导致的损伤

即使叶片在满足设计标准要求和无质量缺陷的情况下，叶片在实际运行过程中还可能因为外部风速过大、机组控制问题和人为误操作等原因，导致叶片承受的载荷超出其自身的设计承载能力，从而导致叶片发生损伤，这种情况需要结合风资源和机组控制参数等，对机组进行特定场址载荷复核以确定超载水平。

总之，快速发展中的风电行业，叶片事故时有发生，给风电运营商、风机制造商及相关各方造成了重大经济损失，甚至严重的人身伤亡事故，影响了行业健康发展。由于叶片设计和制造涉及到多个专业学科、多种工艺和材料，且叶片运行长期遭受外部恶劣的环境影响，导致引发叶片损伤事故的原因也是多种多样，不管是人为原因，还是环境因素，叶片发生事故肯定都不是故意为之，为最大程度降低事故发生带来的损失，我们建议相关方在人力、物力、财力允许的情况下，面对每一次的风电事故，都应尽最大可能查明事故原因，并制定有效的措施进行整改，以避免风场更大的损害发生。

▓来源：CCSC风电业务

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