自2005年以來，風能產業在我國得到大規模發展，近年來發展尤為迅速。根據國家能源局數據，2019年，全國風電新增并網裝機2574萬千瓦，其中陸上風電新增裝機2376萬千瓦、海上風電新增裝機198萬千瓦；到2019年底，全國風電累計裝機2.1億千瓦，其中陸上風電累計裝機2.04億千瓦、海上風電累計裝機593萬千瓦，風電裝機占全部發電裝機的10.4%。

復合材料葉片作為風電機組的關鍵部件之一，近些年隨著裝機量的提升，卻不時發生開裂、斷裂、折損等事故，對風場運行產生了較大的影響。由于葉片復合材料結構復雜和服役載荷多變，確定誘發葉片失效的原因存在難度。如何追溯葉片失效原因，降低葉片失效事故率，是風電各方重點關注的核心點之一，我司技術中心葉片專業團隊經過數年積累，在葉片失效原因分析方面經驗日趨成熟。本文選取了幾例近年來我司接觸到的具有代表性的典型案例，分析了事故失效原因，著重總結了幾類風場業主和葉片設計方關注度較低，但易誘發葉片失效的原因，并給出葉片失效分析的一般流程及側重點，以期引起風電行業內人士關注，提升葉片設計和管理質量，降低葉片事故率，降低運維成本。

近些年隨著裝機量的提升，發生事故的葉片數量也在逐年增加。葉片失效的原因復雜多樣，一般表現為多種失效模式和行為相耦合的結果。

圖1：葉片失效分析流程

雖然葉片失效的原因復雜而多樣，但分析葉片失效原因的過程有規律可循。經過對近年來葉片失效原因分析過程的總結，一個相對比較完整的葉片失效原因分析流程如圖1所示，包括受損現場勘查、材料取樣、生產現場勘察等九個步驟，具體流程如下：

（1）受損葉片現場勘察

受損葉片現場勘察是葉片失效分析的首要環節，通過現場勘察葉片的受損狀態，可以獲取葉片運行環境、機組狀態、斷口信息等第一手資料，并且對葉片損傷原因進行表觀判斷，初步判斷受損原因大致類型。經總結，葉片損傷原因大致分為四類，即制造性缺陷、運行損傷、外來損傷以及其他原因，如圖2所示；通過損傷表象的勘察和初步損傷原因的研判，明確后續失效分析工作的重點，引導后續失效分析的方向。由于導致失效原因的多樣性和復雜性，該環節需要經驗豐富的工程師主導，工程師經驗越豐富，越能明確后續的調查方向。

圖2：葉片失效原因

（2）材料取樣及檢測

此環節主要是在現場勘察過程中，對斷口部位及有懷疑的部位取樣，進行測試，以驗證葉片材料及工藝等的相關質量，常用的檢測方法有：Tg值檢測、膠粘劑測試，玻璃鋼含膠量測試、力學性能測試等。

（3）生產現場勘查

主要目的在于排查葉片制造過程是否滿足工藝要求，葉片是否存在制造性缺陷。

（4）相關設計文件審查

主要目的在于排查風場選址，葉片選型，葉片設計是否滿足標準要求，是否匹配使用要求；葉片的運輸、吊裝及運維過程是否存在能夠造成損傷的可能性。

（5）機組運行數據分析

通過分析風機在事故前后一段時間內的SCADA數據，分析機組的運行狀態以及環境條件的變化，來判斷導致故障發生的因素。

（6）風資源分析

近些年開發了很多的山地風電場，如果在風場選配機組時沒有充分考慮復雜地形影響，那么風資源分析就是葉片失效分析的一個必要環節，通過測風數據以及風資源軟件仿真分析，獲取復雜的地形條件下機位點的實際風資源特性。

（7）葉片載荷計算

基于風資源分析結果，計算葉片的實際受載情況，如果在機組運行數據分析階段，發現了機組有超出設計工況的異常動作，還可以計算這些異常工況下的載荷。

（8）葉片結構校核

通過有限元軟件模擬仿真分析，判斷葉片結構是否能承受實際載荷，葉片結構設計薄弱點是否與破壞形式一致。一般校核的葉片失效模式有極限承載失效、疲勞失效、屈曲失穩等。

（9）出具結論

綜上各步驟的分析結果，判斷葉片失效發生的主次原因及發展演化過程，給出失效分析結論，并提出相關改進建議。

在進行葉片失效分析時，上述9個步驟在特定情況下，無需全部執行，在某一環節獲得充分的證據后，即可得出結論，判斷出葉片失效的原因。根據我們對接觸到的葉片失效案例統計的結果，63%的案例通過葉片事故現場勘察和斷口分析即可得到結論，19%的案例需要通過計算分析判斷，6%的案例通過檢測手段獲得結論，6%的案例通過生產現場勘察發現問題，另有6%的案例通過其他綜合分析得到結論，如圖3所示，現場勘察和斷口分析是判斷葉片失效原因的最有效方式。通過對上述案例失效原因的歸納和統計可以得出，在葉片失效原因中，制造失誤導致葉片失效的概率是56%，設計失誤導致葉片失效的概率是19%，自然災害導致葉片失效的概率是13%，其他原因導致葉片失效的概率是12%，如圖4所示，導致葉片失效最主要的問題是制造失誤。

本節分享三個由于在葉片設計、生產、運輸中關注度較低環節的疏忽導致的葉片失效案例，以期說明葉片向大型化發展后，在縮減成本的大背景下，原本短葉片相對粗放的設計、生產模式不再適用，葉片的每一個環節均需要趨于精細化，稍有疏忽就會為葉片的安全持續運行，埋下隱患。

3.1吊裝損傷

案例概況：

某風場葉片掛機一個月后出現折損，如圖5所示。從葉片事故現場圖片可以看出，葉片受損情況比較嚴重，葉片整體被折斷，斷口處外蒙皮發生部分撕裂，離開葉片主體。

圖5：現場葉片折損圖

失效原因排查：

根據葉片受損現場事故排查，通過受損特征排除褶皺、Tg值、沖擊、雷電等原因，檢查同批次其他葉片，未發現制造缺陷，設計、氣象、選址葉片企業也做了檢查，葉片廠對材料性能做了全套的檢驗，均未發現問題。

檢查葉片吊裝現場操作過程，發現吊裝工裝存在問題。圖6所示是吊裝工裝的一部分，此工裝早期吊裝葉片為50米，隨著風電葉片越來越長，吊裝工裝卻未同步更新，此工裝依舊用于吊裝70米葉片，對于長葉片而言，工裝相對跨距明顯小，會導致吊裝可靠性降低。

在一次吊裝卸車時，現場人員采用此工裝吊裝葉片時，吊帶把葉片一個區域勒凹陷，但葉片落地后凹陷回彈，外表沒發現任何傷痕。圖7為采用此工裝吊裝另一葉片時產生的葉片損傷，可以看到內蒙皮尤其是左偏下部分有受損痕跡，這種受損表相不很嚴重，但夾心材料已經破壞，會產生嚴重的后果。

圖7：現場葉片內蒙皮損傷圖

由此可推論，葉片受損發生在總檢之后送往堆場到完成掛機這段時間，由于吊裝工裝的局限性，跨距較小，長葉片在吊裝過程中不能保證良好的穩定性，導致某時刻葉片位移較大，從而導致某點受載過大，產生了局部屈曲失穩，但因此發生的結構內部失效在葉片表面并不明顯，未能引起現場人員重視，已產生內部結構實質性缺陷的葉片依舊被安裝在風場運轉，其后果可想而知。

本次葉片失效非設計和工廠制造問題，屬于偶然事件，本支葉片受損不影響同批次其他葉片的安全運行。

行業性建議：

隨著風機發電量的提升，葉片長度不斷增加，相應吊裝工裝要與時俱進，否則事故率會大大提高；由于受損不易被發現，葉片發生運行事故后也難于找到早期受損痕跡，葉片的吊裝過程建議加強監控，一旦發現異常情況，需立即中止吊裝，檢查葉片是否受損。

3.2鋪層設計缺陷

事故概況：

某廠新生產的葉片，在進行少量試生產掛機運行時，有一支葉片出現損傷，如圖8所示。葉片受損位置發生在壓力面、最大弦長后緣、最厚一塊夾心向葉根方向厚度過渡的斜面上、內蒙皮及內側后緣梁。

失效原因排查：

由現場葉片損傷圖可以看到破壞核心表現為褶皺疲勞特征。圖9-圖11為葉片破壞位置示意圖。圖9為所在位置弦向截面圖，可以看到，此處的結構設計把后緣梁設計在了夾心材料的兩側，且后緣梁此處的截面形狀被設計為等腰梯形，而不是矩形。夾心下層的后緣梁的層鋪拐點恰好與夾心后緣過渡拐點在厚度方向發生了重合，形成疊加，實際生產中，這種疊加問題表現往往比設計圖紙更嚴重。

圖9：破壞位置弦向截面圖

如圖10中可以看到夾心上面的后緣梁在此出現了一個較大的層鋪彎折。由圖11中可以看到，上面的后緣梁單向布較大的彎折與夾心厚度展向過渡垂直相交，由于后緣梁是由單向織物構成，而且是多層，變形能力很差，所以產生了褶皺。其他同批葉片相應位置存在褶皺感，但尚無受損跡象，說明批量制造存在個體差異，受損葉片褶皺較重，發生了實質性損壞。

圖10：葉片破壞位置示意圖

圖11：葉片受損處三維示意圖

解決方案：

葉片設計方在做結構設計時，建議考慮減緩坡度設計，錯開拐點疊加，必要的時候改變交叉棱線的走向。通過結構設計更新，此款葉片目前沒有再發生問題。

行業性建議：

隨著風電產品競爭愈發激烈日趨大型化，葉片行業技術人員尤其是設計師需要精細關注，除了傳統的葉片設計方面，層鋪彎折處、粘結過渡處等的細節設計也是重要關注點。

3.3設計與工藝水平不匹配

如今在葉片減重降本的大背景下，葉片設計與工藝水平不匹配導致葉片失效的問題已逐步凸顯。由于葉片外形復雜，鋪層復雜，導致其生產工序復雜，其制造過程相對粗放，正因如此，早期的葉片設計比較保守，設計裕量比較大，但隨著葉片減重降本的要求越來越高，葉片設計階段的安全裕度逐漸降低，而工藝水平卻維持原狀，這就造成了設計與工藝水平不匹配的問題，而這類問題最終多以褶皺失效的形式表現出來。

葉片三維外形曲率變化是導致鋪層褶皺的重要原因之一。一般來說，在葉片的鋪層中，褶皺不可避免，葉片外形曲率或曲率的變化率越大，越容易產生較大尺度的褶皺。葉片在全生命周期能容忍多大尺度的褶皺，取決于葉片結構的安全裕度。在早期的設計中，這些位置的安全裕度相應較大，如葉根圓往最大弦長處的過渡段，但現在這些位置卻成了減重降本的“重災區”，隨著設計安全裕度的降低，此處產生的褶皺對葉片安全運行或會產生較大影響。圖12是比較典型的后緣梁最大弦長附近褶皺，圖中有兩處明顯的褶皺。

圖12：制造性褶皺

如何解決設計與工藝水平不匹配導致葉片失效的問題，減少葉片鋪層褶皺量，一方面是提高葉片設計精度，如通過外形的精準設計，減少外形的曲率變化；另一方面通過注重工藝細節，提高工藝水平來改善鋪層質量。

如圖13和圖14為兩個葉根過渡段的示意圖。從圖中可以看出，中間有一個截面外形相似但展向位置不同，這會導致過渡段外形有細微變化，在結構設計階段兩者沒有較大的區別，但這會導致生產時的實際層鋪難度差異。隨著減重降本的要求，葉片設計者需進一步重視葉片外形過渡設計細節，要與工藝水平更優的協調匹配，在設計階段盡量減小褶皺產生的可能性。

圖15所示，葉根鋪層為三幅布寬度，但是如果采用四幅布進行層鋪，減小三軸布的層鋪幅寬，可以大幅度降低過渡段層鋪褶皺的發生率。

圖15：葉片層鋪圖

行業性建議：

通過對近年來風電葉片失效案例的匯總和歸納，對容易引發葉片失效的幾個方面，進行了著重分析，總結了相關經驗，需引起重視的方面如下：

隨著葉片越來越長，吊裝工裝需與時俱進，否則因不合適吊裝帶來的葉片損傷會成為嚴重的事故隱患；

除了傳統的葉片設計方面，層鋪彎折處、粘結過渡處等的細節不嚴謹設計也是導致葉片事故高發率、影響葉片安全性的重要方面；

設計階段優化葉片外形設計，生產階段重視并提升工藝和質量管理，減少制造性褶皺，才能在減重降本的要求下，仍能保證葉片安全運行，降低后期維修成本和事故率。

通過以上葉片失效分析的經驗，希望可以各方人員重視，提高質量管理，降低葉片故障率，從而降低運維成本。

參考文獻：

[1]唐荊,大型風電復合材料葉片主承力部件結構失效研究[D].北京：中國科學院大學，2019

[2]黃吉，GFRP風電葉片段結構強度三維有限元分析[J].復合材料學報，2019，36：1864-1872

作者：中國船級社質量認證公司技術中心 傅程 朱雷 穆丹