风电后市场微平台风电叶片典型失效案例分析

自2005年以来，风能产业在我国得到大规模发展，近年来发展尤为迅速。根据国家能源局数据，2019年，全国风电新增并网装机2574万千瓦，其中陆上风电新增装机2376万千瓦、海上风电新增装机198万千瓦；到2019年底，全国风电累计装机2.1亿千瓦，其中陆上风电累计装机2.04亿千瓦、海上风电累计装机593万千瓦，风电装机占全部发电装机的10.4%。

复合材料叶片作为风电机组的关键部件之一，近些年随着装机量的提升，却不时发生开裂、断裂、折损等事故，对风场运行产生了较大的影响。由于叶片复合材料结构复杂和服役载荷多变，确定诱发叶片失效的原因存在难度。如何追溯叶片失效原因，降低叶片失效事故率，是风电各方重点关注的核心点之一，我司技术中心叶片专业团队经过数年积累，在叶片失效原因分析方面经验日趋成熟。本文选取了几例近年来我司接触到的具有代表性的典型案例，分析了事故失效原因，着重总结了几类风场业主和叶片设计方关注度较低，但易诱发叶片失效的原因，并给出叶片失效分析的一般流程及侧重点，以期引起风电行业内人士关注，提升叶片设计和管理质量，降低叶片事故率，降低运维成本。

近些年随着装机量的提升，发生事故的叶片数量也在逐年增加。叶片失效的原因复杂多样，一般表现为多种失效模式和行为相耦合的结果。

图1：叶片失效分析流程

虽然叶片失效的原因复杂而多样，但分析叶片失效原因的过程有规律可循。经过对近年来叶片失效原因分析过程的总结，一个相对比较完整的叶片失效原因分析流程如图1所示，包括受损现场勘查、材料取样、生产现场勘察等九个步骤，具体流程如下：

（1）受损叶片现场勘察

受损叶片现场勘察是叶片失效分析的首要环节，通过现场勘察叶片的受损状态，可以获取叶片运行环境、机组状态、断口信息等第一手资料，并且对叶片损伤原因进行表观判断，初步判断受损原因大致类型。经总结，叶片损伤原因大致分为四类，即制造性缺陷、运行损伤、外来损伤以及其他原因，如图2所示；通过损伤表象的勘察和初步损伤原因的研判，明确后续失效分析工作的重点，引导后续失效分析的方向。由于导致失效原因的多样性和复杂性，该环节需要经验丰富的工程师主导，工程师经验越丰富，越能明确后续的调查方向。

图2：叶片失效原因

（2）材料取样及检测

此环节主要是在现场勘察过程中，对断口部位及有怀疑的部位取样，进行测试，以验证叶片材料及工艺等的相关质量，常用的检测方法有：Tg值检测、胶粘剂测试，玻璃钢含胶量测试、力学性能测试等。

（3）生产现场勘查

主要目的在于排查叶片制造过程是否满足工艺要求，叶片是否存在制造性缺陷。

（4）相关设计文件审查

主要目的在于排查风场选址，叶片选型，叶片设计是否满足标准要求，是否匹配使用要求；叶片的运输、吊装及运维过程是否存在能够造成损伤的可能性。

（5）机组运行数据分析

通过分析风机在事故前后一段时间内的SCADA数据，分析机组的运行状态以及环境条件的变化，来判断导致故障发生的因素。

（6）风资源分析

近些年开发了很多的山地风电场，如果在风场选配机组时没有充分考虑复杂地形影响，那么风资源分析就是叶片失效分析的一个必要环节，通过测风数据以及风资源软件仿真分析，获取复杂的地形条件下机位点的实际风资源特性。

（7）叶片载荷计算

基于风资源分析结果，计算叶片的实际受载情况，如果在机组运行数据分析阶段，发现了机组有超出设计工况的异常动作，还可以计算这些异常工况下的载荷。

（8）叶片结构校核

通过有限元软件模拟仿真分析，判断叶片结构是否能承受实际载荷，叶片结构设计薄弱点是否与破坏形式一致。一般校核的叶片失效模式有极限承载失效、疲劳失效、屈曲失稳等。

（9）出具结论

综上各步骤的分析结果，判断叶片失效发生的主次原因及发展演化过程，给出失效分析结论，并提出相关改进建议。

在进行叶片失效分析时，上述9个步骤在特定情况下，无需全部执行，在某一环节获得充分的证据后，即可得出结论，判断出叶片失效的原因。根据我们对接触到的叶片失效案例统计的结果，63%的案例通过叶片事故现场勘察和断口分析即可得到结论，19%的案例需要通过计算分析判断，6%的案例通过检测手段获得结论，6%的案例通过生产现场勘察发现问题，另有6%的案例通过其他综合分析得到结论，如图3所示，现场勘察和断口分析是判断叶片失效原因的最有效方式。通过对上述案例失效原因的归纳和统计可以得出，在叶片失效原因中，制造失误导致叶片失效的概率是56%，设计失误导致叶片失效的概率是19%，自然灾害导致叶片失效的概率是13%，其他原因导致叶片失效的概率是12%，如图4所示，导致叶片失效最主要的问题是制造失误。

本节分享三个由于在叶片设计、生产、运输中关注度较低环节的疏忽导致的叶片失效案例，以期说明叶片向大型化发展后，在缩减成本的大背景下，原本短叶片相对粗放的设计、生产模式不再适用，叶片的每一个环节均需要趋于精细化，稍有疏忽就会为叶片的安全持续运行，埋下隐患。

3.1吊装损伤

案例概况：

某风场叶片挂机一个月后出现折损，如图5所示。从叶片事故现场图片可以看出，叶片受损情况比较严重，叶片整体被折断，断口处外蒙皮发生部分撕裂，离开叶片主体。

图5：现场叶片折损图

失效原因排查：

根据叶片受损现场事故排查，通过受损特征排除褶皱、Tg值、冲击、雷电等原因，检查同批次其他叶片，未发现制造缺陷，设计、气象、选址叶片企业也做了检查，叶片厂对材料性能做了全套的检验，均未发现问题。

检查叶片吊装现场操作过程，发现吊装工装存在问题。图6所示是吊装工装的一部分，此工装早期吊装叶片为50米，随着风电叶片越来越长，吊装工装却未同步更新，此工装依旧用于吊装70米叶片，对于长叶片而言，工装相对跨距明显小，会导致吊装可靠性降低。

在一次吊装卸车时，现场人员采用此工装吊装叶片时，吊带把叶片一个区域勒凹陷，但叶片落地后凹陷回弹，外表没发现任何伤痕。图7为采用此工装吊装另一叶片时产生的叶片损伤，可以看到内蒙皮尤其是左偏下部分有受损痕迹，这种受损表相不很严重，但夹心材料已经破坏，会产生严重的后果。

图7：现场叶片内蒙皮损伤图

由此可推论，叶片受损发生在总检之后送往堆场到完成挂机这段时间，由于吊装工装的局限性，跨距较小，长叶片在吊装过程中不能保证良好的稳定性，导致某时刻叶片位移较大，从而导致某点受载过大，产生了局部屈曲失稳，但因此发生的结构内部失效在叶片表面并不明显，未能引起现场人员重视，已产生内部结构实质性缺陷的叶片依旧被安装在风场运转，其后果可想而知。

本次叶片失效非设计和工厂制造问题，属于偶然事件，本支叶片受损不影响同批次其他叶片的安全运行。

行业性建议：

随着风机发电量的提升，叶片长度不断增加，相应吊装工装要与时俱进，否则事故率会大大提高；由于受损不易被发现，叶片发生运行事故后也难于找到早期受损痕迹，叶片的吊装过程建议加强监控，一旦发现异常情况，需立即中止吊装，检查叶片是否受损。

3.2铺层设计缺陷

事故概况：

某厂新生产的叶片，在进行少量试生产挂机运行时，有一支叶片出现损伤，如图8所示。叶片受损位置发生在压力面、最大弦长后缘、最厚一块夹心向叶根方向厚度过渡的斜面上、内蒙皮及内侧后缘梁。

失效原因排查：

由现场叶片损伤图可以看到破坏核心表现为褶皱疲劳特征。图9-图11为叶片破坏位置示意图。图9为所在位置弦向截面图，可以看到，此处的结构设计把后缘梁设计在了夹心材料的两侧，且后缘梁此处的截面形状被设计为等腰梯形，而不是矩形。夹心下层的后缘梁的层铺拐点恰好与夹心后缘过渡拐点在厚度方向发生了重合，形成叠加，实际生产中，这种叠加问题表现往往比设计图纸更严重。

图9：破坏位置弦向截面图

如图10中可以看到夹心上面的后缘梁在此出现了一个较大的层铺弯折。由图11中可以看到，上面的后缘梁单向布较大的弯折与夹心厚度展向过渡垂直相交，由于后缘梁是由单向织物构成，而且是多层，变形能力很差，所以产生了褶皱。其他同批叶片相应位置存在褶皱感，但尚无受损迹象，说明批量制造存在个体差异，受损叶片褶皱较重，发生了实质性损坏。

图10：叶片破坏位置示意图

图11：叶片受损处三维示意图

解决方案：

叶片设计方在做结构设计时，建议考虑减缓坡度设计，错开拐点叠加，必要的时候改变交叉棱线的走向。通过结构设计更新，此款叶片目前没有再发生问题。

行业性建议：

随着风电产品竞争愈发激烈日趋大型化，叶片行业技术人员尤其是设计师需要精细关注，除了传统的叶片设计方面，层铺弯折处、粘结过渡处等的细节设计也是重要关注点。

3.3设计与工艺水平不匹配

如今在叶片减重降本的大背景下，叶片设计与工艺水平不匹配导致叶片失效的问题已逐步凸显。由于叶片外形复杂，铺层复杂，导致其生产工序复杂，其制造过程相对粗放，正因如此，早期的叶片设计比较保守，设计裕量比较大，但随着叶片减重降本的要求越来越高，叶片设计阶段的安全裕度逐渐降低，而工艺水平却维持原状，这就造成了设计与工艺水平不匹配的问题，而这类问题最终多以褶皱失效的形式表现出来。

叶片三维外形曲率变化是导致铺层褶皱的重要原因之一。一般来说，在叶片的铺层中，褶皱不可避免，叶片外形曲率或曲率的变化率越大，越容易产生较大尺度的褶皱。叶片在全生命周期能容忍多大尺度的褶皱，取决于叶片结构的安全裕度。在早期的设计中，这些位置的安全裕度相应较大，如叶根圆往最大弦长处的过渡段，但现在这些位置却成了减重降本的“重灾区”，随着设计安全裕度的降低，此处产生的褶皱对叶片安全运行或会产生较大影响。图12是比较典型的后缘梁最大弦长附近褶皱，图中有两处明显的褶皱。

图12：制造性褶皱

如何解决设计与工艺水平不匹配导致叶片失效的问题，减少叶片铺层褶皱量，一方面是提高叶片设计精度，如通过外形的精准设计，减少外形的曲率变化；另一方面通过注重工艺细节，提高工艺水平来改善铺层质量。

如图13和图14为两个叶根过渡段的示意图。从图中可以看出，中间有一个截面外形相似但展向位置不同，这会导致过渡段外形有细微变化，在结构设计阶段两者没有较大的区别，但这会导致生产时的实际层铺难度差异。随着减重降本的要求，叶片设计者需进一步重视叶片外形过渡设计细节，要与工艺水平更优的协调匹配，在设计阶段尽量减小褶皱产生的可能性。

图15所示，叶根铺层为三幅布宽度，但是如果采用四幅布进行层铺，减小三轴布的层铺幅宽，可以大幅度降低过渡段层铺褶皱的发生率。

图15：叶片层铺图

行业性建议：

通过对近年来风电叶片失效案例的汇总和归纳，对容易引发叶片失效的几个方面，进行了着重分析，总结了相关经验，需引起重视的方面如下：

随着叶片越来越长，吊装工装需与时俱进，否则因不合适吊装带来的叶片损伤会成为严重的事故隐患；

除了传统的叶片设计方面，层铺弯折处、粘结过渡处等的细节不严谨设计也是导致叶片事故高发率、影响叶片安全性的重要方面；

设计阶段优化叶片外形设计，生产阶段重视并提升工艺和质量管理，减少制造性褶皱，才能在减重降本的要求下，仍能保证叶片安全运行，降低后期维修成本和事故率。

通过以上叶片失效分析的经验，希望可以各方人员重视，提高质量管理，降低叶片故障率，从而降低运维成本。

参考文献：

[1]唐荆,大型风电复合材料叶片主承力部件结构失效研究[D].北京：中国科学院大学，2019

[2]黄吉，GFRP风电叶片段结构强度三维有限元分析[J].复合材料学报，2019，36：1864-1872

作者：中国船级社质量认证公司技术中心 傅程 朱雷 穆丹