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摘要：近年来，低温环境下出现的风电叶片损伤问题急剧增加，特别是早期部分整机配套的叶片在低温环境运行多年后损伤问题尤为严重。风机叶片损伤不仅会极大的影响工作效率，同时也给电厂运营带来极大的安全隐患。就早期风机损伤进行了统计，分析了损伤的主要原因，并提出了相关对策。
关键词：低温环境；风机叶片；损伤原因；对策
1.低温环境下风机叶片损伤问题概述
低温环境下风机叶片损伤问题的频发引起了业界的广泛重视。特别是早期投产的部分风机尤为明显。如内蒙某风电场于2008年投产，200台风机中有198台风机配套某品牌叶片，共计594支。自2011年以来，该型叶片共计发生30次损坏导致停机，基本呈逐年上升趋势，仅2017年一年维修12次。可见，当前低温环境下风机叶片损伤的问题是非常突出的，应该引起人们的广泛注意，以期查找该问题出现的原因并及时提出有效的解决措施，才能在一定程度上改善该问题，助推风机叶片的发展，为行业发展贡献力量。
通过对该风电场风机叶片的损坏情况进行统计分析，发现风机叶片的损坏形式主要有表面裂纹、叶尖风蚀、内部褶皱、叶片折断等这几个方面的问题。
2.低温环境下风机叶片损伤原因分析
2.1叶片损伤排查情况
自2017年11月10日截止2017年12月4日，共巡检200台机组，其中发现58台机组内部问题比较严重需尽快维修。198台机组594支叶片共计内部损伤需立即维修的叶片84支，占总装机台数的29%，约占总叶片数的14%。
机组叶片开裂、褶皱、掉漆等问题不断，折断、大面积开裂时有发生，严重影响机组安全稳定运行。84支叶片中严重损伤24支叶片，横向裂纹损伤60支叶片。
2.2叶片结构设计简述
叶片是风力发电机组有效捕获风能的关键部件，涉及气动、复合材料结构、工艺等领域。叶片结构设计时既要保证叶片的轻量，又要满足强度与刚度要求。
目前，大型风力发电机组的叶片基本上是由聚酯树脂、乙烯基树脂和环氧树脂等热固性基体树脂与E-玻璃纤维、S-玻璃纤维、碳纤维等增强材料，通过开模手工铺放，预浸料或闭模树脂真空导入等成型工艺复合而成。原材料在选择过程中，需要综合考虑结构、工艺、成本等因素，纤维选择包括玻璃纤维、碳纤维，芯材选择包括PVC、BALSA，树脂选择（热固性）包括环氧树脂、不饱和聚酯。
复合材料层合板设计的原则是在满足连接设计和层合板设计的要求下，要满足强度和刚度的要求，满足复合材料失效准则的要求，满足工艺性的要求。同时，在结构设计过程中，我们主要采用了载荷计算软件Bladed进行载荷计算，采用有限元软件ANSYS和ABAQUS进行结构分析与优化设计。
2.3叶片损伤原因分析
通过上面的分析，我们得出，低温条件下风机叶片损伤的形式主要表现为：前后缘开裂、涂层脱落、横向竖向裂纹、结构缺陷、断裂等。
在结合叶片设计相关理论的基础上，我们又对叶片损伤的原因进行了深入的分析，可以得出造成叶片损伤的原因有以下几点：
（1）材料选择不当，叶片主要构成材料包括纤维、芯材、树脂，材料本身选择不当或匹配不当均可能造成叶片不满足强度要求而损伤；
（2）制造工艺欠佳，叶片通过开模手工铺放，预浸料或闭模树脂真空导入等成型工艺复合而成，铺层有褶皱，固化参数问题均可能造成叶片不满足强度要求而损伤；
（3）测试验证不足，前期风电叶片大多未进行疲劳测试，设计寿命为理论计算值，随运行年限增加，叶片因疲劳而损伤；
（4）运行环境异常，如雷击、低温、冰冻、工况不匹配等运行工况异常造成叶片损伤。
其中，裂纹产生的原因主要是因为在叶片制造过程中，工作人员手工工艺不达标而使得叶片内部产生布褶。同时，由于该叶片材料是聚酯树脂，聚酯树脂的弯曲强度和抗压强度较高，但是断裂伸长率远低于环氧树脂，不饱和聚酯自由体积较低，在本体受到拉伸时无法通过分子内链段的运动来降低体系内拉应力，所以本体脆性增大，导致材料在变形量较大时使用受限。在寒冷冬季极易脆化，叶片运转将近10年，脆化度增加。另外，叶片在刷涂胶衣后褶皱痕迹被覆盖，长期运转布褶位置就会逐渐发生开裂。而折断现象的产生主要是因为因叶片承重梁先受到损坏，最终导致内部受力不均而造成折断。
3.低温环境下风机叶片损伤问题应对措施
低温下叶片损伤是早期风电叶片材料选择不当，制造工艺过程质量把控不严，测试验证严重不足，未考虑叶片运行环境差异等多因素综合作用的结果。结合现有叶片技术进展和国外DNVGL等认证机构的经验，对低温环境下风机叶片损伤问题提出的应对措施如下：
3.1叶片材料选择上
在叶片材料选择上，材料需经过GL认证，针对低温环境的具体要求如下：
（1）对于环境温度低于零下30℃的风电场，通过附加的DMA（动态力学分析，参见ISO6721-1），起始温度为θmin，叶片≤10°C，应保证在低温下不发生任何性质的会影响层压和粘合树脂的结构性能的意外转变；
（2）对于在给定的θmin容易改变的所有结构性能，需进行进一步的材料测试（或任何其他适当的材料性能证明）和结构验证。其中应至少包括以下内容的检测：芯材剪切静力测试和屈曲分析、芯材面板附着强度测试、垂直于纤维方向的层压板张力测试，以及纤维间失效分析、层压板面内剪切强度测试，以及纤维间失效分析、粘合剂静态强度测试和粘合剂接头分析、预埋根部粘结静态强度测试（或基于适当的试验测试进行验证）和验证分析。同时，在分析的过程中，还应该提供证据，证明叶片在给定的θmin，叶片处的全局力学特性不应超过规定的公差，以保持与载荷假设的一致性。
此外，在叶片制造工艺上，要严格参照DNVGL-ST-0376 附件G要求来执行；在叶片测试验证上，则要求随机组采购的叶片必须经过疲劳测试，且具有权威第三方的完整型式认证报告；在叶片运行维护上，要制定相关运维规程，定期安排隐患排查和叶片检测工作。只有做好这几个方面的内容，才能有效保证叶片的整体质量。
3.2叶片缺陷修复上
在叶片缺陷修复上，要确保所用的修复材料与原始材料结构与固化过程相同，或具有相同或更好的性能。如果修补材料与原叶片结构中使用的材料不相同，则应进证明其性能相同或更好，特别是在机械性能和温度稳定性方面。此外，修复材料与原材料的相容性也应得到验证。应确保使用的修复材料和粘合树脂对邻近材料没有任何有害影响。未经进一步验证的材料（除使用原热固性树脂），修补用热固性树脂的断裂伸长率应至少为2.5%，使用高活性快速固化树脂时，应考虑与维修区残余应力有关的风险。同时，针对不同结构的修复，也应该要制定相应的维修技术方案，如此才能保证维修工作的有效性。
结束语：
综上所述，我国早期风机叶片在低温条件下的损伤情况十分突出，值得我们进行深入的研究和分析，找出相对应的解决对策，以不断改善当前低温条件下风机叶片的损伤情况，助益风机叶片的良性发展，让其作业变得更加安全牢靠。
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