1、风电叶片维护研究进展一 风电叶片维护的必要性我国风电快速发展始于 2006 年，当时国内风机以 600kw，700kw 机型为主，2007 年 3 月，我国首台 1.5MW 直驱永磁发电机组在新疆投运，拉开了兆瓦级风力发电发展的序幕。随着风电市场的逐渐成熟，大型风力发电机组相继出现，叶片长度也由原来的 30-40m 增加至 60-70m。叶片长度的不断增长，同时带来叶片重量的增加，但是叶片设计使用寿命为 20 年，如何在叶片 20 年的生命周期内保持其高效运行至关重要。风力发电叶片一般安装于偏远的地区，运行环境恶劣，如较大的风沙侵袭，-30至 50 的循环温差，以及强紫外光的老化等。目前 2.
2、5MW-50.3m 的叶片，叶尖运行速度高达 300 公里/小时，在这样高转速下，风沙和雨滴对风电叶片的侵蚀相当于等离子切割，叶片表面容易形成空洞。研究表明，叶片表面粗糙度的增加以及缺陷的累积将导致发电效率降低 5%-30%，还可能导致叶片运行失稳造成齿轮箱的故障。叶片小的缺陷如果没有及时发现并进行专业修复，将导致裂纹延伸至叶尖，造成叶片大面积的开裂，不得不进行大型修补或者返厂处理，给风场业主带来重大经济损失。二 风电叶片常见的损伤风电叶片虽然在设计时，赋予它足够的强度和刚度，但是在其 20 年的使用寿命中，也会像其他复合材料部件一样，出现各种各样的问题。风电叶片从生产厂家生产，通过长距离的运
3、输到达风场，使用大吨位吊车进行安装。风电叶片在上述每一个步骤都可能发生损伤破坏。一旦风电叶片开始运行，将受到雨水，风沙以及大气的腐蚀，同时还要经受强紫外的老化。在风压和旋转持续疲劳载荷的作用下，隐藏在叶片内部的缺陷，如分层，气泡，叶片组件之间的粘合缺陷将会逐渐显现出来。风机正常运行情况下，叶片会在不同年限出现相应的受损状况：2 年：表面胶衣出现磨损，脱落现象，甚至出现小的砂眼。3 年：叶片出现大量砂眼，叶片前缘尤为严重，风机运行产生阻力，事故隐患开始显示。4 年：表面胶衣脱落至极限，叶片前缘出现通透的砂眼，横向裂纹开始出现，运行阻力增加，叶片防雷指数降低。5 年：是叶片事故高发年，叶片外部补强
4、材料磨损严重，叶片合模缝已露出，叶片在疲劳载荷下，横向裂纹加深延长，内粘合处出现裂纹，防雷指数降低等。2.1 根据损伤产生原因进行分类2.1.1 生产原因1为了降低制造成本，设计部门减少安全余量。2由于成本压力，生产厂家纷纷更换为价格低廉的不满足设计要求的原材料。3由于生产提速，树脂固化不良产生的“早产儿”叶片。4生产过程中，未探测出的加工缺陷，如叶片内部的分层，白斑，粘接过程中的虚粘等。2.1.2 运输原因1运输过程中，叶片与周边物体的碰撞刮擦。2由于操作不当，造成的叶片跌落撞击。3叶片调运过程中，叶片工装位置的损伤。4叶片吊装时容易造成叶片后缘损伤。2.1.3 自然原因1雷击是造成叶片运行
5、过程中损伤的主要原因之一。雷击这种自然现象是不可避免的，但是避雷系统工作不正常和叶尖排水孔堵塞是造成叶片雷击破坏的主要原因。2叶片在高速运行过程中，雨滴，沙石和气流对叶片前缘的磨损不可避免，特别是叶尖位置。研究表明，叶片的叶尖每年以 0.5cm 的速度缩减。3主机产生的油污，一方面会附着在叶片表面，影响叶片气动性能，另一方面，可能渗入叶片内部微裂纹，造成叶片分层，开裂。2.2 叶片产生缺陷的类型2.2.1 前缘腐蚀前缘腐蚀导致翼型的变化，造成发电效率降低，应尽早进行修补。2.2.2 前缘开裂如果前缘腐蚀得不到及时修复，湿气将侵入前缘空洞中，一旦结冰将导致前缘出现开裂。前缘出现开裂，必须进行停机
6、进行修复，不然将造成蒙皮大面积的撕裂，导致叶片报废。一般来说，超过 2m 以上的开裂就需要对叶片进行大型的修补或者直接导致叶片报废。2.2.3 后缘损伤由于叶片后缘厚度较薄，特别是叶尖区域，小于 3mm。所以，叶片运输和安装过程中，稍不注意，将会造成叶片后缘分层或者开裂。此类缺陷一般范围较小，但需要及时进行修补，不然损伤位置会沿着叶片弦向撕开，直至梁的位置，这样叶片距离灾难性的实效也就不远了。2.2.4 表面裂纹当叶片表面出现裂纹以后，水或者湿气将会渗入复合材料中，对复合材料产生一定的影响。特别是叶片 balsa 三明治夹心区域，水分会腐蚀 balsa 芯材，导致叶片结构失稳，叶片破坏。2.2
7、.5 雷击损伤叶片雷击会导致叶片的损伤，同时也会导致避雷器的丢失或者避雷系统的损坏，当雷击再度发生时，叶片很容易遭到破坏。所以叶片遭受雷击后，对叶片避雷系统的检查必不可少。三 国内外风电叶片维护现状3.1 叶片维护类型风电叶片的维护分成两种。一种是头痛医头，脚痛医脚的机动修补；另一种是定期维护。国外成熟风电场的统计数据表明，定期维护的费用比机动修补节省 66%。3.1.1 机动修补当叶片在运行过程中发现非常明显的缺陷后，停运机组，解决叶片的问题。这种方式虽然节省了日常的检查费用，但是问题很可能发生的盛风期，机组的停机将减少风电场的收入。另外，由于损伤较大，需要高额的修补费用才能完成修复，还有可
8、能缺陷发现的不及时导致叶片需要返厂修补，这样造成的经济损失将不可估计。3.1.2 定期维护在风较小的季节，对风电场的叶片定期进行检查，并形成维护台账。针对前缘腐蚀以及叶片避雷系统进行检查，维护和修补。这样，叶片的损伤程度较为轻微，修补费用相对较低。同时，由于叶片表面的修补，提高了叶片的气动性能，使盛风期具有更高的发电效率。3.2 国内风电叶片维护现状虽然中国风电装机容量规模增长迅速，但是由于风电入网难，发电能力受风速限制等问题的影响，风电利用率不足 1/3。从第一台兆瓦级叶片下线至今，兆瓦级叶片运行时间不足 5 年，风电叶片的质保期为 5 年，兆瓦级叶片的事故多发期还没有到来，即使 3,5 支
9、叶片出现问题，叶片生产厂家也负责包干。以上两个原因造成，国内风电场运行不成熟，风电业主也还没有真正感受风机停机和叶片维修给他们带来的经济上的巨大损失。国内绝大多数风电场，采用机动修补解决叶片运行过程中出现的问题。目前，由于大部分兆瓦级叶片还在保质期内，叶片运行时间较短，叶片的质量问题还没有完全暴露出来，所以国内风场主要以叶片的售后厂家为主，但是大型的叶片厂均没有把叶片维护保养作为一个重要的业务来做，企业的宣传资料很少提及此部分业务，只有内蒙古航天亿久在网站有所提及，还展示部分案例。专门从事叶片维护和修补的企业比较典型的企业有 3S Lift，沈阳绿新风能设备维护有限公司和上海长知实业有限公司三
10、家公司。3S lift 从事叶片检修平台的生产，获得欧盟颁发的 CE 安全认证和 ISO9000质量管理体系的认证，在北美和欧洲拥有全球合作公司，凭借此平台，成为LM 全球战略合作伙伴，Repower 长期合作伙伴，其客户还包括TPI，GE ，Acciona，Dawntine，华锐，金凤，东汽，北重等。沈阳绿新风能设备维护有限公司具有十余年的从事风机维修和维护的经验，制定了叶片维修企业标准，发明叶片维修和维护方面的专利四项，公司总经理王玉良在风能设备和风能资源做过风机叶片维护方面的专题报告，是国内风机维护私营企业代表之一。上海长知实业有限公司从事风机叶片维修 6 年以上，成功维修叶片 1000
11、 支以上，所有维修工程师均通过世界上最大的叶片生产厂商的专业培训。2012 年8 月 24 日通过了 TUV 颁发的 ISO9001 质量管理体系认证证书，是龙源风电公司在叶片维修领域的长期合作伙伴。3.3 国外风电叶片维护现状欧洲的风电场运行时间最久，也是世界上最成熟的风电场。欧洲风电业主普遍认为，每两年需要对叶片进行一次检查十分必要，合适的维护从定期对叶片进行检查做起。叶片的预防性检查和外形管理是保证风力发电机在额定功率发电的必要条件。据丹麦一项研究表明：一套风机每年平均维护费用约为1.5%-2%风电设备投资。如果风机定期进行保养，每年将规律支出固定的费用，但是换来的是风机在其寿命周期内保
12、持高效的运行。所以这是一个支出与产出的平衡问题。损伤的修补和缺陷的处理没有统一的维修模式，也不能仅仅凭以往的经验进行。它需要充分理解叶片结构，叶片的制造工艺以及叶片气动原理。风电叶片的检查，清洁和修补必须由专业人员完成。大部分风电叶片是复合材料制作的，许多情况下，叶片的缺陷是不能够凭肉眼观测发现的，但是内部缺陷很容易在材料内部扩展，导致叶片报废。目前，在风电叶片的维护和维修方面，技术人员引进了大量先进的技术，降低叶片的维护费用的同时，提高叶片维护和维修的效率，保证风电业主的最大收益。叶片修补的过程中，保证叶片修补效率和修补质量非常重要，但是，随着叶片的不断增大，维修作业人员的安全越来越引起人们
13、的关注。Bladefence 作为专业的叶片检测，维护和维修公司，是北欧第一家获得 GL认证的维修公司。GL 认证要求其维修质量，维修人员素质，工作方式，维修用材料以及文档系统均符合 GL 的标准。WES 是美国最大的叶片维护公司之一，专注叶片维护 25 年，进行叶片定期维护，叶片质保期检查，吊装前检查，专业叶片停机维修和叶片返厂维修等业务。拥有先进的测试设备用于叶片检测，继承 MFG64 年复合材料加工制造经验和 25 年叶片代工经验，拥有自己的研发中心和检测中心，自主的复合材料设计能力。数码透镜摄像机 热像检测仪数显式低阻欧姆计 超声波转化器德国弗劳恩霍恩研究所（Fraunhofer in
14、stitute for factory operation and Automation）开发的 RIWEA-叶片清洁机器人，用一条绳子维持自己在叶片的移动，自动喷水清洁叶片表面的污垢，机器人还配备了多种高性能的传感器，包括红外辐射，高清热成像设备以及超声波检测设备等。这样仅需要 64min 就可以清洁并检测一片叶片，比人工清洁叶片节省 3 小时的时间。美国 Rope partner 公司将错位散斑干涉法应用与叶片表面的检查。这种方法广泛应用于航空航天领域，它克服了超声波检测法需要与叶片进行接触，检查效率低的不足，提高了叶片无损检测的效率。其技术人员经过世界领先叶片公司针对叶片表面缺陷和结构缺
15、陷的修补培训，对叶片的结构和载荷非常了解，所以它们知道如何处理发现的缺陷，并保证修补的可靠性。3M 公司发现挂机两年的叶片，前缘就会出现腐蚀，此缺陷会影响叶片气动性能，从而降低发电效率。3M 公司针对叶片前缘腐蚀开发了一款聚氨酯胶带，3M Wind Protection Tapes，具有良好的耐老化和耐腐蚀特性，并且适用于复杂的型面，施工方便，广泛应用于叶片的维护。Gurit 公司为叶片维护开发了紫外光固化的 RENUVO 修补材料，其通过了GL 认证。它包括紫外光固化单组份树脂和玻纤预浸料，紫外线灯及相关设备。该产品使用温度可低至 5，通过紫外光的照射，可以在 90S 内固化，大大缩短了叶片
16、维修时间。在较差的环境条件下实现快速修补是一个最大的挑战，对客户快速响应促使 Renewable advice 公司和 BS rotor technic 公司使用 RENUVO叶片修补产品。四 风电叶片维护技术叶片维护主要包括叶片的定期检查和叶片损伤的修补两个方面的内容，叶片维护的目标是服务的可靠，安全和快捷。4.1 无损检测技术叶片给无损检测技术提供了一系列的挑战。主要是叶片的铺层为 20-60mm渐变铺层，再加上叶片不断变化的几何外形，使无损探测很难对至关重要的粘接线进行探测。立足于事业部现有设备超声波探测仪，对复合材料叶片无损探伤技术进行研究。4.2 叶片修补技术叶片修补技术的难点是叶片
17、设计来源于不同的设计公司，所以各家叶片的结构，铺层方式，原材料使用以及所受载荷情况各不相同。国外的叶片维护厂家绝大多数接受过世界顶级叶片生产厂家的培训，如LM，Vestas， Enercon 等，保证叶片修补的可靠性。考虑到目前国内大部分叶片厂家来源于德国 Aerodyn 公司的设计，同我事业部叶型相同或者相似，所以从 Aerodyn 叶片入手，研究叶片修补技术。1 叶片修补用原材料研究叶片快速修补技术。虽然目前风电业主对叶片修补时间没有严格的要求，但是需要从现在开始对叶片快速修补材料进行研究，以备不时之需。主要从低温修补工艺参数，材料基础力学参数，以及修补可靠性的研究。（1）紫外固化树脂体系
18、和紫外固化预侵料体系，（2）快速固化聚氨酯修补胶黏剂，（3）3M 前缘保护胶带的使用，（4） 高性能修补涂料以及防结冰涂料体系。2叶片修补设计。叶片修补除了考虑原材料的选 择，叶片缺陷位置的铺层结构和应力状态十分关键，为叶片修补铺层设计和验证提供依据。（1） 利用有限元分析对叶片局部缺陷进行分析，并对缺陷修补进行铺层设计，（2） 选择修补原材料体系以及修补工艺，（3）通过实验验证修补的可靠性。五 结束语2011 年中国新增装机风电机组 11409 台，装机容量 17630.9MW，累积安装风电机组 45894 台，装机容量 62364.2MW，年增长 39.4%。从 2007 年第一台兆瓦级叶
19、片的挂机至今，兆瓦级风电叶片运行将近 5 年，各个风场叶片的保质期将陆续过期，所以叶片维护将具有很广阔的市场。虽然由于风电并网还存在一些问题，业主对风电叶片的维护和修补时间没有要求，但是随着国内风电场运行的逐渐成熟，业主将越来越会关注。所以我认为我们要从现在开始进行技术储备，将快速响应，服务优异作为我们的目标，按照国外企业为标杆，打造我们自己品牌的售后队伍。5.1 市场方面选择 2 个风电场进行定期进行监控，一方面可以进行数据积累，另一方面针对出现缺陷跟业主协商进行处理，创造一定的收益。最好满足一下条件：1 运行 1 年，3 年的风电场；2 我们自己挂机的风电场，同时存在其他厂家的叶片；3 每
20、年进行两次的叶片检查。数据收集：1 叶片在不同年限惯性损伤的情况，并对损伤位置，损伤程度和损伤时间进行记录。2 针对每年每台风电机组发电效率进行记录。5.2 文档方面1完善售后表格，分别针对叶片维护，叶片修复建立两套档案，并进行归档。2完善售后业务流程，检查-发现缺陷-业主意见-修补方案评审-实施修补-修补验收- 后期跟踪- 文件归档，形成闭环。3针对实施的叶片修补方案，利用有限元和实验相结合的方法进行验证，随后形成标准化的修补文件。5.3 人员方面1根据年度售后任务，培养专门的售后人员。2定期进行安全作业培训，培养安全意识，杜绝安全质量事故的发生。3对于成熟的叶片修补工艺，定期进行操作培训，提升修补标准化，保证修补质量。5.4 资质方面1取得相关登高作业安全认证工作2取得 ISO9001 质量认证3取得中国船级社关于叶片维护和修复方面的认证。
