风机桨叶损坏情况分析与处理
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摘要：风能作为清洁与可再生能源，受到了整个社会的关注并成为传统化石能源的主要代替品之一。近年来，风场建设不断深入，风机装机容量不断上升。风机桨叶作为风机能量转换的重要部件，对整个风机安全运行起着关键作用。桨叶工作环境特别恶劣，长期受日照、风雪、雷电及沙尘等的侵蚀，叶片材料容易损坏或老化，导致事故发生，本文在一次桨叶损坏事故的基础上进行桨叶损坏情况分析并给出相关处理建议。
关键词：风电场；风机桨叶；损坏
1 引言
风能作为自然界最重要的绿色可再生能源之一，具有巨大的蕴藏量，近年来世界风能利用率均成两位数增长。截止到2009年，全球风电占发电总量比例为2%左右[1]。风力发电机组是由风轮、传动系统、发电机、塔架及电器控制设备等组成的发电装置[2]。其中风机桨叶是使风机叶轮旋转并产生空气动力的部件，将风能转变为机械能，同时又是风机的主要承载部件，能否正常运行将直接影响风机的安全和风场的发电效率[2]。
桨叶工作环境特别恶劣，受到气动载荷、重力载荷和惯性载荷的叠加作用，而且长期不停的运转在自然环境中，外界气候对叶片运行会造成很大影响，尤其是台风、雷雨、冰雪、沙尘等恶劣气候随时都可能对叶片造成危害，从而对风力发电造成经济损失。如现场的沙尘对桨叶表面日积月累的侵蚀而造成桨叶出现表面砂眼；桨叶运行不可避免的产生扭转、弯曲、振动等致使风机桨叶出现裂纹或断裂；因风机桨叶安装位置过高而使得桨叶遭受雷击等。为此，本文总结常见桨叶损坏类型，并针对发生的风机叶片损坏事故进行原因分析，提出相应处理建议。
2 桨叶常见损伤类型
（1）表面磨损
磨损是两物体表面接触随时间增加和载荷作用损伤的累积过程，两物体接触做复合运动时由于交变接触力的作用，使表面材料形成点蚀或剥落的现象。在风力机叶片运行时，会与风沙之类的硬物相接触而产生摩擦，从而导致叶片表面逐渐被磨损。还有种情况是由于风力机叶片暴露在自然环境中，受到雨雪冰霜等物质的化学作用而引起表面腐蚀，而摩擦中的机械作用又有加速了腐蚀的过程，从而造成表面磨损，这种情况称为氧化磨损和化学腐蚀磨损。
（2）表面剥蚀与脱落
大型风力机长期暴露在风沙、雨雪、温度骤变等恶劣环境，在风沙、雨雪的侵袭下，保护层会出现脱落现象，而叶片表面磨损的地方经过一段时间后也容易会发生叶片的保护层脱落现象，保护层脱落后，叶片会变得比较脆弱，更容易在自然环境的影响下造成更进一步的损害，如出现小砂眼。
（3）材料脆化
长期运行的风力发电机组叶片会有脆化现象，而且机组在太阳辐射作用下运行，叶片材料塑性会下降，脆性增加。随着时间的增加，脆化会越来越严重，脆性的增加，有可能导致叶片发生断裂。
（4）裂纹与开裂
造成风力机叶片裂纹的主要原因是低温和机组振动。叶片的振动和停车都会使裂纹加深加长，裂纹在扩张的同时空气中的污垢、风沙乘虚而入，使得裂纹加深加宽，风沙和污垢其实起到的是扩张裂纹的作用。裂纹可导致叶片的开裂，横向裂纹可导致叶片的断裂。同时，风力发电机组塔架上的风轮运转时，会对塔架系统产生激振力，塔架系统的运动反过来又对风轮产生激励，这样两者之间相互激励，就会使系统在耦合振动中变得不稳定，还会反作用在叶片上，也会使叶片出现断裂现象[5]。
3 桨叶损坏事故简述
2010年7月24日17时，某风场工作人员从主控室发现某风机桨叶上好像挂有异物，经仔细查看，初步确定桨叶损坏，立即将该风机停运。就地检查后，确认风机桨叶严重损坏，桨叶脱落，叶尖断裂。随后进入风机内部，对风机各部件特别是导雷系统进行了详细检查，未发现任何雷击、烧伤等异常痕迹。再对周边进行详细检查，除发现大量风机桨叶碎片外，还在距风机约50米左右的草场上发现了一块桨叶叶尖。叶尖所连接的导雷导线，有明显旋转导致的缠绕现象。断裂的边缘参差不齐，连接导线被扯断，致使叶尖被甩出脱落，继而叶片表面粘层被撕裂。损坏情况如图1、图2所示。
4 事故原因分析
在风机桨叶的运转期间，由于现场所受的载荷复杂多样，并且工作环境恶劣，导致桨叶故障的原因通常有如下几种：遭受雷击、极端风况、风机振动、刹车故障和检查维护缺失等。现从这几个方面深入分析桨叶损坏的可能原因。
（1）遭受雷击
雷击是自然界中对风力发电机组安全运行危害最大的一种灾害。闪电释放的巨大能量会造成叶片严重损坏。据统计，遭受雷击的风电机组中桨叶损坏的占21%。特别是建在高山或沿海的风电场，该问题更为突出。雷击造成桨叶损坏的原因是：一是闪电击中桨叶叶尖后释放大量能量，瞬间使叶尖内部结构温度急剧升高，引起气体高温膨胀，压力上升，造成叶尖爆炸开裂。其次雷击的巨大声波也会对叶片造成冲击破坏[2]。
在本文提到的事故中，发现桨叶损坏时，风机所在区域为雷雨天气，但雷电情况并不严重。经过对风机导雷系统进行详细检查，导雷系统连接良好，LCTU、跳线等正常，回路无任何烧伤痕迹；经对脱落桨叶的接闪器认真检查，接闪器边缘颜色自然，无任何灼伤痕迹；叶尖的接闪器及连接导线无发黑变色现象。故排除雷击致使桨叶损坏的可能。
（2）极端风况
由于风机桨叶设计有规定的使用坏境条件，在正常条件下具有足够的强度和韧度。但如果遇到异常极端风况将对桨叶造成损伤。如内陆地区存在大阵风或强剪切风、沿海的台风，都会使桨叶运行超出其设计承载能力，严重情况将导致桨叶折断事故。2006年8月10日的“桑美”台风登陆造成了浙江某风电场大量风机叶片折断甚至倒塔事故。
本次事故发生时风机所在地区风速约为9m/s，该风速完全处于风机桨叶正常运转时的风速范围之内，故排除大风外力因素导致事故的可能性。
（3）风机振动
风力机组在运行过程中，受到方向不同、大小不同的风载荷的作用，由于风流方向不是一成不变的，并且叶片的结构不相同，这就使叶片产生不同方向、不同形式的运动，其中便包括一些振动。桨叶受到的激振力越大并且激振力频率越接近桨叶固有频率时，桨叶变形就越明显，因此在运行过程中振动也会对桨叶造成伤害[3]。
本次受损伤的桨叶和折断叶尖上均无形变现象，并且断裂的边缘参差不齐，这并不是形变过度导致断裂的边缘情况，故排除桨叶所受激振力振动原因导致事故发生。
（4）刹车故障
正常运转风机桨叶停止主要靠桨叶空气动力刹车系统控制，系统根据判断及时收桨刹车。当风机叶片空气动力刹车系统出现故障时，刹车装置不起作用，导致桨叶转速持续上升，出现失控状态即“飞车”，叶片因严重超载而发生断裂。
事故发生后工作人员进入风机内部检查各系统和设备，并未发现任何设备故障。故排除此种可能。
（5）检查维护缺失
大型风力机长期暴露在风沙、雨雪、温度骤变和雷电等恶劣环境，在风沙雨雪的侵袭下，叶片会加速老化，从而出现表面磨损、材料碳化、自然开裂、表面剥蚀和砂眼等现象。然而，桨叶处在数十米高空，在日常检查维护工作中很难检查并及时维护到叶片，所以长期积累导致桨叶损坏的事故时有发生。
在本次事故检查叶尖时发现叶尖与叶片主体仅有很小一部分连接，其余部分均为一独立整体，与主体并无连接。故分析由于风机叶片可能存在质量问题，致使叶尖与叶片主体连接不牢固，长时间的运行，致使叶尖与叶片连接处断裂。由于日常检查维护时未能及时发现，叶片继续旋转，连接导线被扯断，致使叶尖被甩出脱落，继而叶片表面粘层被撕裂。
5 总结
经过对风机各部件、导雷系统、桨叶接闪器、叶尖等进行详细检查，并对可能导致的原因进行综合分析，得出导致本文所述事故发生的原因为风机叶片可能存在质量问题，并且日常检查维修不当，未能及时发现故障隐患，导致风机叶片损坏。在风机桨叶的服役期间，由于现场所受的载荷复杂多样，难免会造成桨叶的累积故障或突然故障，如现场的沙尘对桨叶表面日积月累的侵蚀而造成桨叶出现表面砂眼；桨叶运行不可避免的产生扭转、弯曲、振动等致使风机桨叶出现裂纹或断裂；因风机桨叶安装位置过高而使得桨叶遭受雷击。因此，风机桨叶日常巡检，保证桨叶处于健康状态，是风电检修维护日常管理过程中的重要环节，应加强风机巡检力度，提高风机桨叶巡检效率，不放过任何一个可能存在的故障隐患，早发现问题，及时采取有效措施，做到“应修必修”，将隐患排除在初起状态，从而避免事故，确保风机安全稳定运行。
参考文献：
[1] 战培国，赵昕. 大型风机桨叶技术研究[J]. 航空科学技术，2011，02：16-19.
[2] 赵明安，李占龙. 大型风力机叶片技术现状及发展趋势的研究[J]. 现代物业（上旬刊），2011，10：19-20.
[3] 陈斌杰. 浅析风机叶片常见故障原因及处理措施[J]. 科技创业家， 2012， 10： 76.
[4] 李芒芒. 风力机叶片机械损伤动态监测方法与技术研究[D]. 长沙理工大学， 2012.
[5] 杨钦慧.风力发电设备雷害的状况及对策[J].华通技术，2007，1：33-36