某風(fēng)電場機(jī)組葉片斷裂原因分析

隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模和技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組大型 化趨勢越來越明顯。而葉片長度的增加，在增大風(fēng)能捕獲效 率的同時(shí)，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(dǎo)致的強(qiáng)度、剛度降低，風(fēng)速超限，風(fēng) 電機(jī)組失速，電氣故障以及雷擊等。本文針對某風(fēng)電場機(jī)組 葉片斷裂事故，從風(fēng)速超限、電氣故障、雷擊、生產(chǎn)工藝等 方面進(jìn)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(fēng)電場 6# 風(fēng)電機(jī)組于 2018 年 2 月 25 日 0 時(shí) 32 分 左右因葉片斷裂停機(jī)。葉片型號：##96-2000/A5，葉片編號： 1201-149；葉片套號：097；制造時(shí)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(diǎn)。

事故現(xiàn)場細(xì)節(jié)描述

葉根位置：葉根避雷導(dǎo)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(gè)腹板粘接面未發(fā)生剝離，因葉片折斷 導(dǎo)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(shí)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)致葉片失效的外部影響 因素及判定方法如表 1 所示。

二、事故發(fā)生時(shí)風(fēng)速及轉(zhuǎn)速分析 

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

由圖 5 可知，在葉片斷裂前的一小段時(shí)間內(nèi)，機(jī)艙風(fēng) 速儀所測得的風(fēng)速切變尚可，未出現(xiàn)較快的風(fēng)速變化。該 風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組沖擊較大，應(yīng)出現(xiàn)短時(shí)間的 系統(tǒng)過電壓；如雷電沖擊能量較小，可能僅導(dǎo)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(shí)風(fēng)速超過設(shè)計(jì)值導(dǎo)致 葉片斷裂的可能；

（2）排除風(fēng)電機(jī)組飛車的可能；

（3）排除雷擊因素導(dǎo)致葉片斷裂的可能。

四、葉片解剖測量、取樣試驗(yàn) 

葉片各截面測量明細(xì)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(fēng)險(xiǎn)較小，可以排除。

（3）抽檢了 10 處葉片后緣粘接厚度，存在 4 處超標(biāo)， 部分膠層存在空膠現(xiàn)象。除后緣 L8m 位置超標(biāo)嚴(yán)重（超標(biāo) 275%）外，其余 3 處最大超標(biāo)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。

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(xué)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(gè)樣塊：第一塊為 L6m 處后緣輔梁斷口位置樣 塊，標(biāo)記為 A 樣塊；第二塊為 L7.5m 處后緣輔梁弦向 45° 褶皺樣塊，標(biāo)記為 B 樣塊；第三塊為正常狀態(tài)的輔梁，標(biāo) 記為 C 樣塊，作為對比樣塊。

彎曲試驗(yàn)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(yàn)力，檢查試驗(yàn)承受的變形性能（由于樣品 A 尺寸較小 且缺陷過大，導(dǎo)致試驗(yàn)機(jī)無法做力學(xué)性能測試，因此，本 次力學(xué)性能試驗(yàn)用樣塊 B 和 C 做對比測試）。由彎曲試驗(yàn) 數(shù)據(jù)（表 5）可知，缺陷樣塊的彎曲強(qiáng)度僅為正常樣塊彎 曲強(qiáng)度的 67.97%；而彎曲模量比正常樣塊大 9.13%。彎曲強(qiáng)度降低，使得輔梁的抗剪切能力嚴(yán)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(shí)驗(yàn)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。

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

結(jié)論

結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：缺陷樣塊的彎曲強(qiáng)度僅為正 常樣塊彎曲強(qiáng)度的 67.97%；褶皺缺陷導(dǎo)致輔梁抗拉強(qiáng)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(fēng)電機(jī)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(dāng)葉片載荷傳遞到根部后， 因根部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較大，在葉片 L6m 處應(yīng)力積聚，導(dǎo)致后緣 L6m 處由內(nèi)向外撕裂，迎風(fēng)面和背風(fēng)面主梁折斷，進(jìn)而導(dǎo) 致葉片瞬間失效。