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浅谈风电叶片失效原因

来源:千尧科技

时间:2024-04-02 阅读:8029

引言

风电叶片是风电系统的核心部分,造价成本占机组成本的20%以上,它的转动可以将风的动能转化为可用能源。叶片基体材料主要是环氧树脂和不饱和聚酯树脂,环氧树脂由于其优良的力学性能、耐热性能、与纤维界面的黏结性能及成型工艺性能而成为风机叶片最为主要的基体材料。叶片在高空、全天候条件下工作,承受载荷较大,运行环境恶劣,风吹、日晒、雨淋、雷击、腐蚀等等,时刻受各种介质侵蚀或影响,不可避免地会出现缺陷和损伤,对叶片的性能和寿命造成巨大影响。本文将对风电叶片的失效原因进行分析。

一、 叶片老化

1、化学介质老化

主要体现在对树脂基体、增强纤维和它们的界面侵蚀破坏,进而对树脂基复合材料性能的影响。化学介质除向叶片复合材料内部渗透、扩散、使基体溶胀外,还会引发树脂主价键破坏、降解、裂解等老化现象。

2、紫外老化

叶片中的所有纤维,都是靠表面树脂和涂层的遮蔽作用来阻挡紫外线。因此,树脂基体的情况决定着增强纤维对紫外辐射的响应。当强紫外线照射到环氧树脂表面时,会导致链的裂解和氧化反应。随着时间的推移,这些化学反应会导致叶片的硬化、变脆、颜色变化和其他质量问题。

3、物理磨损老化

叶片在多数正常运行情况下,叶片叶尖的速度超过70m/s,在这个速度下,旋转的叶片与空气中的颗粒(沙尘、水汽等)碰撞摩擦,其作用效果相当于拿粗糙的砂纸在叶片前缘上摩擦,长时间持续会导致叶片前缘磨损,初期表现为叶片麻面,麻面其实就是细小的砂眼。随着风机运行时间增长,砂眼会逐步的扩大,特别是有冰冻灾害的区域,雨水浸入砂眼反复结冰,扩散速度成倍增加。

图1 叶片物理磨损老化

4、盐雾腐蚀老化

叶片,尤其是安装在海洋环境下,浓烈盐雾与空气中的其他颗粒物在叶片静电的作用下,会在叶片表面形成覆盖层,严重影响叶片气动性能,产生噪音污染并影响美观。

二、叶片损坏

1、 断裂

多发生在叶片根部、中部,呈折断形式。导致断裂失效的原因有:

(1)设计缺陷。设计时安全冗余系数选择过低,叶片根部及叶片中部断面积过小,断面形状不符合强度、刚度要求;叶片实际运行载荷超出设计时的预测极限,过负荷导致叶片毁损;另外,进行极限设计时,风电机组各部件与叶片的空间间距等冗余量设计过小。

(2)叶片材料质量不符合要求。叶片制造中涉及的上百种主辅材料、工具、工装、模具与设备。生产厂家使用不合格的材料或生产工艺不够成熟,生产过程控制不到位,导致风电机组叶片质量差,未达到叶片应有的性能。

(3)修复不及时。由于叶片发生腐蚀、老化等问题,未及时修复,会使叶片的损失产生累积效应,在恶劣环境条件下容易发生断裂。

图2 叶片断裂

2、雷击

风机叶片处于高位,极易遭受雷击造成损坏。雷击可能造成接雷器处以及叶片其他部位发生失效。叶片受雷击损坏的原因总结为以下几点:

(1)引雷器与叶片接触处存有裂隙,雨水或吸潮浸湿后,当雷电击中叶片时,雷电释放的巨大能量使叶片结构内的浸水材料温度急剧升高,分解气体高温膨胀,压力上升,引起损伤。

(2)随着风电机组服役时间延长,叶片表面污浊程度加深,叶片积尘腐蚀其表面,加速叶片表面风化、出现毛刺和弹性减弱,使叶片产生微细裂纹,再加上静电灰尘形成的混合物会使叶片加速老化。阴雨天气时叶片表面湿度较大,如遇雷电天气,极易造成雷电误导现象。

(3)叶片接闪器处遇雷击。叶片在雷雨季节过后损伤增加的现实无疑与雷击有着直接关系。

图3叶片遭受雷击

3、运输和安装造成的损伤

该损伤在不同的阶段都有可能发生。在运输过程中装车、捆绑以及碰擦导致的伤痕,在叶片到场后卸车、吊装过程中壳体受绳具、夹具损伤后,经过一段时间后就会在叶片的表面形成凹陷现象。有些叶片在运输、吊装过程中由于作业不规范而直接被毁损。

总结与展望

本文对风电叶片的失效原因进行分析。叶片是风机的重要组成部分,在自然环境条件下,叶片长期受到高湿、盐雾、强紫外线、雨雪等多种因素影响,会产生不同程度的腐蚀与磨损,从而影响风电机组的发电效率。当叶片受损严重时,甚至会出现断裂情况,危及风电机组的安全,导致重大安全事故。因此,风电机组正式投产运行以后,需要对叶片进行定期检测维护,早期发现问题并尽快采取措施,是减少风险、避免事故、降低维修成本的有效方式。


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