某风电场机组叶片断裂原因分析

文 | 刘文斌，李时华

随着风力发电规模和技术的不断发展，风电机组大型化趋势越来越明显。而叶片长度的增加，在增大风能捕获效率的同时，也增大了叶片断裂损坏的概率。通常叶片发生断裂的主要原因包括生产过程中工艺控制不良，叶片根部局部区域树脂固化不完全导致的强度、刚度降低，风速超限，风电机组失速，电气故障以及雷击等。本文针对某风电场机组叶片断裂事故，从风速超限、电气故障、雷击、生产工艺等方面进行深入分析，确定了叶片断裂失效原因。

叶片断裂事故概述

某风电场6#风电机组于2018年2月25日0时32分左右因叶片断裂停机。叶片型号：##96-2000/A5，叶片编号：1201-149；叶片套号：097；制造时间：2012年8月12日。叶片断裂初始折断位置：叶片前缘L4.5m至后缘L6m，其他折断位置判断为二次断裂点。

事故现场细节描述

叶根位置：叶根避雷导线于L2m处断开并失踪。

后缘粘接：叶根外部自L6m至L15.5m处后缘开裂，自SS面L32m至叶尖开裂。

前缘粘接：前缘粘接角保存完整，自L4.5m处发生一次断裂；自L7m处发生二次折断。粘接处未发生分离，前缘粘接厚度及宽度无法测量。

腹板粘接：整个腹板粘接面未发生剥离，因叶片折断导致叶根部位粘接胶与主梁剥离。观察叶片内部，腹板未发生胶层开裂现象。

叶尖部分：铝叶尖全部甩出丢失，叶尖部位33m至叶尖部分碎裂。根据对叶片的整体检查结果，未发现明显的雷击痕迹。经现场勘查，叶尖位置的碎裂为叶片坠落时的二次损伤。

主梁部分：PS和SS面主梁均自叶根L2.5m处与蒙皮分离，主梁部分整体保存完整。PS面与SS面主梁与蒙皮均结合良好。经现场勘查，主梁处的折断是由于叶片断裂失效后，因重力作用导致的主梁与壳体发生分离，主梁本身并未断裂。

后缘辅梁（UD）：PS面辅梁与外蒙皮结合完整，只是在断裂后与壳体发生抽离。SS面后缘辅梁在L6m处折断。

芯材及蒙皮：叶根处、前缘L12m处、后缘L13m处均撕裂露出PVC芯材，残存PVC芯材表明粘接无异常。经现场勘察，芯材和蒙皮处均为撕裂，这是由于叶片在断裂后受重力影响，导致蒙皮与芯材发生撕裂。

事故现场调研及分析

通过逐一分析导致叶片失效的各种外部因素对叶片失效的影响，判定叶片失效的原因。导致叶片失效的外部影响因素及判定方法如表1所示。

一、事故发生时风电机组状态分析

根据SCADA监控系统信息，在事故发生前后，发现6#风电机组异常，经过分析数据库内1s数据（见表2），叶片出现断裂的时间为2018年2月25日0时32分32秒。

图1 事故叶片断裂位置示意图

图2 叶片断口图

由图3可知，叶片发生断裂时，机舱振动较大，最大值达到3.4mm左右，风电机组持续摆振约2分钟，之后振幅逐渐减小。

叶片发生断裂事故后，3支叶片均正常顺桨且保持同步，具体过程见图4。

二、事故发生时风速及转速分析

根据历史数据，2016年该风电机组的最大风速为24.3m/s，未超过设计风速。叶片断裂前后，风速未超过极限风速，2018年2月25日0时30分至0时40分的最大风速为15.5m/s，处于正常运行风速范围内。

表1 叶片失效外部影响因素及判定方法表

表2 SCADA系统1s监控数据

图3 机舱振动值分析

图4 事故后桨叶动作过程图

图5 事故前后风速分析图

由图5可知，在叶片断裂前的一小段时间内，机舱风速仪所测得的风速切变尚可，未出现较快的风速变化。该风电机组在叶片断裂事故发生前后的最大转速为 17.42rpm（2018年2月25日 0∶32∶02），未发生超速。

三、雷击分析

如雷电对电网或风电机组冲击较大，应出现短时间的系统过电压；如雷电冲击能量较小，可能仅导致叶片损坏而无法引起系统过电压。由事故前后系统电压变化情况图（图6）可知，叶片断裂前后系统电压无明显波动。

综合分析可知：（1）排除故障时风速超过设计值导致叶片断裂的可能；（2）排除风电机组飞车的可能；（3）排除雷击因素导致叶片断裂的可能。

四、叶片解剖测量、取样试验

叶片各截面测量明细见表3，发现的主要缺陷见表4。综合分析如下：

（1）叶根处存在2处褶皱：叶根L2.5m处轴向褶皱（L=600mm，W=32mm，H=8mm，高宽比为0.25）；叶根L1.8m处轴向褶皱（L=480mm，W=27mm，H=6mm，高宽比为0.22）。由于叶根L2.5m 折断截面并未发现褶皱分层，且L2.5m折断截面呈弦向折断与2处轴向褶皱没有直接关联，判定2处褶皱均为质量缺陷。

（2）后缘L23m 和L24m 处的断面上均发现有空胶现象，叶片局部空胶风险较小，可以排除。

图6 事故发生前后系统电压变化图

表3 叶片各截面测量明细表

表4 发现的主要缺陷

表5 弯曲试验测试结果

（3）抽检了10处叶片后缘粘接厚度，存在4处超标，部分胶层存在空胶现象。除后缘L8m 位置超标严重（超标275%）外，其余3处最大超标为16.67%。但胶层超厚的缺陷并未在叶片初始断口位置，因此，后缘胶层缺陷不能作为本次叶片断裂事故的主要原因，可以排除。

（4）L6m 处后缘辅梁（UD）弦向褶皱，长度为320mm，宽度为25mm，高度为5mm，高宽比为0.20。叶片在L6m 处发生折断，现场勘查发现L6m 折断截面存在褶皱分层的现象，弦向褶皱对叶片折断的影响因素很大，初步判定该缺陷是造成叶片折断的主要因素。

五、辅梁弦向褶皱材料力学性能测试、拉伸测试

因叶根外部自L6m至L15.5m处后缘开裂，在辅梁褶皱位置取三个样块：第一块为L6m 处后缘辅梁断口位置样块，标记为A样块；第二块为L7.5m 处后缘辅梁弦向45°褶皱样块，标记为B样块；第三块为正常状态的辅梁，标记为C 样块，作为对比样块。

弯曲试验是将一定形状和尺寸的试样放置于弯曲装置上，以规定直径的弯心将试样弯曲到要求的角度后，卸除试验力，检查试验承受的变形性能（由于样品 A 尺寸较小且缺陷过大，导致试验机无法做力学性能测试，因此，本次力学性能试验用样块B 和C 做对比测试）。由弯曲试验数据（表5）可知，缺陷样块的弯曲强度仅为正常样块弯曲强度的67.97%；而弯曲模量比正常样块大9.13%。弯曲强度降低，使得辅梁的抗剪切能力严重下降；而弯曲模量值越大，表示材料在弹性极限内抵抗弯曲变形能力相对越小，实验数据表明辅梁出现褶皱后，降低了本身的抗变形能力。

表6 拉伸试验测试结果

拉伸试验是检测强度和刚度最主要的试验方法之一，通过拉伸试验可以观察材料的变形行为。由表6可知，褶皱缺陷导致辅梁抗拉强度下降了9.18%。

结论

结合试验数据分析可知：缺陷样块的弯曲强度仅为正常样块弯曲强度的 67.97%；褶皱缺陷导致辅梁抗拉强度下降了9.18%；而弯曲模量比正常样块大 9.13%；以上数据充分说明，叶片L6m处的后缘辅梁（UD）弦向褶皱是造成叶片折断失效的主要诱发因素。

综合分析，该事故风电机组叶片的失效过程是由叶片L6m处后缘辅梁（UD）弦向褶皱诱发叶片开始断裂，叶片在离心力的作用下，蒙皮及主梁发生撕扯分层开裂，在叶片开裂后，叶片稳定性大幅下降，当叶片载荷传递到根部后，因根部结构强度较大，在叶片 L6m 处应力积聚，导致后缘L6m 处由内向外撕裂，迎风面和背风面主梁折断，进而导致叶片瞬间失效。