摘要：风力发电机组叶片经过长期的运行，各类制造缺陷会逐步在表面涂层上以裂纹的形式展现出来,快速辨别和处理这些缺陷，能很好的预防叶片断裂事故的发生。我们通过长期研究叶片表面裂纹与缺陷的对应关系，积累了一些裂纹与缺陷的对应数据，能够快速准确的对叶片缺陷进行判定，极大降低了风电场叶片发生断裂事故的概率。
关键词：风电叶片；缺陷；表面裂纹；叶片涂层
引言
经过十余年的高速发展，风力发电市场已经变得非常庞大，据统计，目前在运行发电的风机已经超过七万台，即有超过20万支叶片在天空运行发电，这些运行的叶片中，每年约有0.05%的叶片会由于各种原因出现断裂损毁事故。
叶片设计寿命都是20年，所有叶片在批量化生产前，都必须经过各种实验，并取得了相关资质认证。叶片在生产过程，只要没有重大质量缺陷，叶片挂机运行前期（1~3年），都是不会出现断裂事故的。但是，叶片运行一旦进入中期，也就是挂机3~5年后，在反复的疲劳载荷作用下，叶片制作时残留的制造缺陷就会展现出来，很多叶片开始出现局部开裂、分层等的问题，部分严重的就会发生断裂。每一次叶片断裂都属于重大事故，将对风电场造成比较大的损失。叶片断裂的原因大多数都是由于缺陷没能及时发现并修复，在疲劳运转下裂纹不断扩展，最后才出现叶片失稳断裂。如果我们能够及时发现这些缺陷，在缺陷没有扩展前进行有效修复，就可以避免大多数叶片断裂事故的发生。
叶片表面裂纹产生的原因主要有以下两种，第一就是涂层本身耐候性（耐紫外、风沙、雨蚀等）不满足设计要求，整体出现龟裂等；第二种就是涂层底部的玻璃钢部分存在缺陷，导致叶片运行过程中出现应力集中，在涂层面上表现出来。本文主要对第二种原因进行了探究。
1实验部分
我们选择了一个位于内蒙古东部的已经发电四年某风电场，该风电场的叶片曾经出现过两起叶片断裂事故。 为了能够预防叶片断裂事故的发生，我们对断裂叶片和在运行的叶片进行了深入研究，获得很多可喜的成果。在对一百多支叶片进行系统的排查后，归纳出如下4种主要的叶片表面裂纹：平行分散裂纹、不规则龟裂、弦向密集裂纹和根端斜向宽裂纹。下面是对这几种裂纹进行详细打磨分析。
1.1分散的平行裂纹
裂纹特征：裂纹间距在5mm~20mm之间，主要裂纹相对平行。这类裂纹在叶片所有区域都存在分布，多发于油漆修补区域。
对裂纹表面油漆进行打磨，出现以下两种主要情况：1）裂纹只存在于表层油漆，底层修型腻子表面可见细纹，但没有扩展到修型腻子底部。2）出现多层表面油漆。 无论是哪一种情况，底层玻璃钢均没有出现发白或者分层迹象。
1.2不规则龟裂
裂纹特征：裂纹纵横交错，没有明显的大小和几何特点。这类裂纹主要分布在油漆修补区域、叶片中部靠近尾缘区域以及叶根。对裂纹表面油漆进行打磨，出现以下两种主要情况：1）底层修型腻子非常厚，龟裂只存在于表面漆层，底漆和腻子上可见裂纹痕迹，还没有向下继续扩展。2）腻子很脆，并与玻璃钢层出现脱离。
1.3弦向密集裂纹
裂纹特征：裂纹集中分布在50mm~100mm的一个狭长地带，裂纹间隙基本小于3mm。这类裂纹主要分布在主梁（也称为大梁）区域；也见于蒙皮区域。如图（1）
图（1）
将裂纹表面油漆打磨后，也分两种主要情况：1）底部玻璃钢严重发白。如图2。2）底部玻璃钢与夹心结构已经分层。如图3.
图（2） 图（3）
可见，这类裂纹的出现一般伴随着玻璃钢层已经出现发白与分层。我们同时还发现，部分发白已经明显扩展到主梁的整个横截面，随时可能出现断裂失稳的可能。
1.4根端斜向宽裂纹
裂纹特征：裂纹条数较少，与轴线呈30~60°夹角，趋于集中。这类裂纹主要分布在叶片根端1m~4m区域。裂纹打磨后，一般为玻璃钢凹槽或者带有富树脂痕迹的玻璃钢。深度打磨也没有发现发白和分层迹象。说明这种裂纹暂时没有危及叶片安全的可能性。
2原因分析
叶片表面涂层裂纹的产生，主要是因为涂层底层玻璃钢受力的结果。但叶片在设计之初，涂层的模量一般都大于玻璃钢的模量，当玻璃钢受力正常时，表面涂层是不会出现裂纹的。只有当受力不均衡或者应变超出最大允许幅值时，涂层表面才会出现裂纹。
对分散的平行裂纹和表面不规则龟裂进行打磨后，底层玻璃钢虽然没有发现缺陷，但是这些裂纹所在区域要么存在修补或者底部修型腻子过厚的情况，要么存在腻子比较脆，与玻璃钢结合界面脱离。所以，这些裂纹产生的主要原因在于涂层本体。修型腻子过厚和腻子与玻璃钢结合面脱离，都会导致表面油漆受力不均，长时间循环受力后，出现了较为分散的裂纹。
而表面弦向密集裂纹和根端斜向宽裂纹在打磨后，发现底部玻璃钢存在分层、发白和褶皱等缺陷。表面涂层裂纹都是单一或者区域密集型，与该区域的玻璃钢存在应力集中是完全对应的。正如大家所熟知的，玻璃钢在循环载荷作用下，其缺陷区域会出现应力集中。如果缺陷在某个时间突然失效，那么，其表面涂层就会出现一个单一的较大裂纹。如果缺陷在受力状态下缓慢失效，那么表面涂层将会在这一区域呈现集中的细小裂纹。
所以，当涂层某一区域出现了单一的大裂纹或者非常集中的细裂纹时，其底部玻璃钢层一般都伴随着已经发生异常的缺陷，需要尽快判定和处理。
3结论
对裂纹与底层玻璃钢的状态进行对比分析，主要结论如下：
3.1叶片表面涂层裂纹可以准确反映出玻璃钢层是否存在严重缺陷；
3.2大范围分散型裂纹一般只存在于叶片表面涂层；
3.3涂层中的集中型裂纹底部都有容易导致玻璃钢应力集中的缺陷，如褶皱、分层。
通过长期的数据积累和打磨研究，我们从叶片表面裂纹的形态中可以获得了很多叶片运行状态的信息。如果能够及时发现并处理，我们是可以预防叶片断裂事故发生的。
参考文献
1羊森林，赵萍，王锋,等．大型风电叶片缺陷及其无损检测技术研究[J]．东方汽轮机，2012(1)：26-34.
2陈祥宝.复合材料结构损伤修理.北京：化学工业出版社.2001
论文作者:迟林,高强
论文发表刊物:《防护工程》2017年第36期
论文发表时间:2018/4/23
标签：裂纹论文; 叶片论文; 玻璃钢论文; 涂层论文; 表面论文; 缺陷论文; 腻子论文; 《防护工程》2017年第36期论文;