叶片常见复合材料缺陷现场调查与对策探讨

0 引言
　　风力发电产业作为清洁能源产业的一个重要发展方向，在2003年以后经历了前所未有的高速发展。尤其是中国作为风电产业的后起之秀，2010年后的风机产量、风电装机量及风电保有量的增长速度均已达到世界第一[1]。预计2020年风电的发电成本将接近常规的能源，如煤电。风电将作为一种潜在的常规能源而持续发展。
　　在风力发电的初期阶段，由于发电机的功率较小，需要的复合材料叶片、机舱罩和导流罩尺寸也比较小，制造基本采用简单易行的手糊成型工艺。但是随着大兆瓦级的风机关键技术的突破，复合材料叶片、机舱罩和导流罩等产品的成型工艺技术越来越倾向于真空导入模塑技术，由此产生的复合材料维修问题也就越来越多。本文对叶片和风机用复合材料构件的现场失效模式及其对策进行综合探讨。
　　1 叶片的复合材料维修成本
　　有统计表明[2]，叶片的成本占整机成本的30%左右，其性能直接影响到整个系统的性能。叶片工作在高空，环境十分恶劣，空气中各种介质几乎每时每刻都在侵蚀着叶片，春夏秋冬、酷暑严寒、雷电、冰雹、雨雪、沙尘随时都有可能对风机产生危害，隐患每天都有可能演变成事故。尤其是叶片的工作状况是：处于易形成疲劳失效的交变载荷，并同时承受上述的恶劣自然环境的考验。据统计，风电场的事故多发期是在盛风发电期，而由叶片产生的事故要占到事故的34%[3]（见图1：风机各部分故障导致停机的时间分布），叶片发生事故电场必须停止发电，开始抢修，严重的还必须更换叶片，这必将导致高额的维修费用，也给风电场带来很大的经济损失。
　　在我国风电开发还处于一个发展阶段，风场管理和配套服务机制尚不完善，尤其是风电企业对叶片的维护重视不够，投入严重不足；风电场运转存在许多隐患，随时都会出现许多意想不到的事故，直接影响到风电场的经济效益。因此，系统地开展对叶片损伤、缺陷及科学维修的研究已成为当务之急。
　　2 叶片的失效模式举例
　　叶片的失效模式，按照实际故障情况，主要有以下几种形式：
　　2.1 层间开裂 据相关企业的多年风机维护实践，叶片、机舱罩等风机使用的复合材料构件，一半以上的缺陷都表现为不同程度的开裂。这里“开裂”是指复合材料层间的剥离失效模式。层间开裂的处理一定要先找到导致开裂的根本原因，并针对性进行维修。后缘粘接区域的空洞、胶黏剂失效、渗水并局部浸泡等都有可能导致复合材料分层开裂。这种损伤维修相对复杂，原因查找也较困难，较难有通用的维修方案。
　　2.2 横向开裂 叶片的横向开裂，微观上是复合材料的纵向纤维断裂，这种故障较层间开裂少得多。但是由于外界因素造成这种开裂的特点是偶发性、严重性，如严重的风沙或石块撞击等。横向开裂维修相对容易。严重的横向开裂会导致叶片折弯，甚至是彻底断裂的严重事故。
　　2.3 砂眼及表面缺陷 从严重程度说，污物附着、划伤、小面积砂眼、凹坑、大面积系统性砂眼等是叶片常见的表面故障。表面故障往往在故障初期并不影响风机的运行和发电效率，也不一定会立即维护和维修。但是经年累月的表面损伤，会使叶片表面按照上述的顺序依次发展，导致整个叶片在运行中产生了严重的翼端湍流，并且影响到了风机的发电效率。撞击（图2）、静电灰（图3）、胶衣脱落、表面粉化等都是表现不同的表面缺陷。几乎所有的叶片均不同程度的遭受表面缺陷的困扰。
　　2.4 雷击[4] 风机遭雷击部件的维修费用很高，其中叶片损坏的维修费用最昂贵。雷击故障的研究目前是最系统的，国际上已经形成了叶片防雷的标准和技术要求。如何科学维修并制定合理的维修方案，相对研究较少。
　　还有一些磨损、腐蚀情况，比如玻纤布外露，酸雨侵蚀，风沙磨损，盐雾腐蚀，叶缘磨损等故障模式。将这些故障模式进行分类深入研究，达到系统化、理论化和标准化，是叶片现场维护的重要基础。
　　3 叶片现场失效维修对策
　　随着国内风场装机越来越多，叶片的缺陷维修也在日益受到重视。但是，大多数风场内没有配备专业叶片检查、维修人员，许多风电场的叶片经常处于带病工作状态。目前虽有少数风电场与专门维修公司签定了维修合同，维修公司按照合同要求定期、不定期的对风场叶片进行检查，记录并报告叶片的状况，作出评估，给出了维修方案。
　　一般而言，叶片的维修应包含以下内容[5]：
　　①叶片定期检查与维护，检查磨损、腐蚀情况，对叶片表面进行抛光，可以延长叶片寿命；②叶片表面定期清洗，清除昆虫残骸，清洗静电灰；③叶片损坏修复：对叶片开裂、雷击缺损、叶尖开裂进行修复，对叶尖加固、砂眼修堵、胶衣修复、横向竖向裂纹阻断等，必要的情况下还需要对风机叶片进行整体翻新、叶脊加固。
　　另外，还有的叶片供应商在叶片表面增加特别涂层，减少冬季叶片结冰的可能性。
　　复合材料缺陷和损伤的科学维修方案研究及应用是风电时代呼唤我们急需开展的课题，包括较常见的复合材料损伤如：自身结构缺陷伤、撞击及机械损伤、表面缺陷伤、雷击损伤和大面积严重损伤的科学方案的研究，包括提出一套可以现场实用的复合材料损伤维修指南文件，以期在复合材料损伤维修和维护领域做出既有专业性，又有开创性的工作。笔者呼吁各有关单位尽快开展相关课题研究，对风机维护进行科学指导，对风电运行维护这一全新的领域提出专业性的指导意见。
　　4 结论
　　本文综合分析了复合材料的典型构件：风机叶片的现场失效模式，包括层间开裂、横向开裂、表面缺陷、雷击等损伤的形态，并列举了叶片现场失效的对策。复合材料缺陷损伤是一门已经较为成熟的学术，但是叶片的维修和维护及科学维修方案的制定还亟待相关单位和学者开启开创性的工作。