海上風電齒輪箱故障精細化管理初探

文 | 施惠慶，劉碧燕

海上風電齒輪箱故障精細化管理初探

文 | 施惠慶，劉碧燕

齒輪箱作為風電機組傳動鏈中的核心部件，是風電機組重要的部件之一，對整機的安全、高效運行起著至關重要的作用，必須正確使用和維護，以延長使用壽命。齒輪油良好的潤滑性能能夠對齒輪和軸承起到足夠保護作用，是齒輪箱持續穩定運行的保證；反之，將造成齒面點蝕、膠合、磨損和軸承的損壞。

目前風電行業應用普遍的三級齒輪箱，在近二十年時間里質量已實現巨大跨越，但齒輪箱故障導致的停機時間仍是最長的。齒輪箱故障精細化管理很有必要。

齒輪箱工作原理、常見故障及油品監測

一、齒輪箱工作原理

齒輪箱采用行星－平行軸混合傳動結構，結構原理如圖1所示。低速級轉速低、扭矩大，采用行星傳動，以太陽輪浮動均載為主；第二、三級扭矩小得多，采用斜齒傳動，能有效保證葉尖高壓油通道。齒輪油潤滑系統由供油裝置、油/風冷卻裝置及中間連接膠管組成。

齒輪箱與相聯接部分須可靠緊固、軸線同心；轉動靈活；齒面接觸狀態正常；潤滑良好。運行應平穩，無振動或異常噪音；無滲漏，無松動；油溫、軸承間溫差正常。應定期檢測和更換齒輪油。

二、齒輪箱常見故障及油品監測的重要性

齒輪箱故障，多為軸承、供油系統、密封及齒輪的失效。齒輪失效多為齒面損壞，從微點蝕擴大到剝落、磨損。供油系統故障，齒面油膜減少、熱量增加，導致點蝕、膠合、磨損和軸承損壞。據統計：斷齒和點蝕是齒輪故障的主要方式，各占41%、31%，磨損、其他各占10%、8%。齒輪箱故障原因中，設計、制造、材料占40%；維護、操作占43%；其他占17%。

齒輪斷齒、磨損、點蝕軸承及齒輪箱變形等故障，都可能導致聲音異常、振動增大、溫升過高、漏油、能耗增大。齒輪油監測是重要的早期故障診斷方法之一。

齒輪油溫高，可能導致散熱系統不正常，需檢查異聲、齒面、軸承、取油送檢，分析油中的金屬成分、雜質來源、頻譜分析，更換油品；齒輪油壓力低，可能油泵工作不穩定，油溫、粘度異常，機組滿負荷，壓力開關老化；齒輪油位低，可能管路滲漏，油溫高；齒輪油泵過載，可能北方冬季長時間停機、粘度大；油封老化。

海上風電場齒輪油配置、分析項目及判斷標準

一、海上風電場齒輪油配置

目前風電齒輪油多為美孚SHC XMP 320、嘉實多X320或A320、殼牌HD320或Omala S4 GX320、福斯CLP320。海上龍源風電場目前有155臺機組，其中雙饋機組115臺，本文將分析投運3年以上的52臺雙饋機組。由于主機廠家多，齒輪油選用較多，涵蓋了三種型號：美孚SHC XMP 320、嘉實多X320、殼牌HD320。

圖1 齒輪箱的結構原理圖

二、風電齒輪油檢測、分析項目及控制標準

風電齒輪油檢測，目前多采用人工取樣檢測，檢測周期為6個月。

齒輪油分析項目包括：外觀、運動粘度、酸值、水分含量、添加劑含量、磨損元素（鐵、銅、鋁）、清潔度、分析鐵譜、氧化指數、PQ指數。指標控制標準，以Shell HD320為例，如表1所示。

不同品牌齒輪油，判斷標準不同的主要是水分、酸值和氧化值。嘉實多的水分、酸值比其他油品高；氧化值的控制指標也各不相同，如表2所示。

海上風電場齒輪箱及齒輪油運行現狀

一、歷年齒輪箱故障及更換記錄

海上龍源如東風電投運4年以上的雙饋機組52臺，其中試驗風電場14臺，示范風電場38臺。2011年－2016年期間齒輪箱故障次數，試驗風電場共計133臺次，臺均1.5次/年/臺；示范風電場共計118臺次，年臺均故障次數0.5次/年/臺，如表3所示。

圖2 齒輪箱更換前后故障次數及占比（試驗風電場4臺）

圖3 齒輪箱更換前后故障次數及占比（示范風電場5臺）

（一）齒輪箱更換前后故障次數及占比分析

歷年更換齒輪箱9臺，其中試驗風電場4臺、示范風電場5臺。這9臺齒輪箱的更換記錄、更換前后的故障次數及占比，按試驗風電場、示范風電場分開比較，如圖2、圖3、表3、表4所示。

由圖2、表3可見：H14機組，2011年更換齒輪箱后，故障率降低，2015、2016年故障又劇增。因此需要高度重視，及時維護或者更換。

H07、H08機組，2011、2013年故障較多，2013年更換齒輪箱后，運行趨于平穩。

H16機組，2015年故障較多，2015年更換齒輪箱后，無明顯改善。需進行有效檢查、分析，找到根本原因，進行維護。

表1 Shell HD320風電齒輪油指標控制標準

表2 不同品牌齒輪油判斷標準比較

表3 試驗風電場歷年齒輪箱更換記錄

由圖3、表4可見：E35、F46、F50機組，齒輪箱故障次數，均在2014年達到最高值，更換齒輪箱后，未出現齒輪箱故障。

C19機組，2013年故障次數最高，2015年1月、7月共3次齒輪箱故障，2015年8月更換齒輪箱后，未出現故障；

D29機組，在2015年故障次數最高，2、3月份累計故障次數12次，7月更換齒輪箱后，未出現齒輪箱故障。

（二）齒輪箱故障與齒輪箱更換對應情況

比較發現，試驗風電場齒輪箱更換的4臺機位，有2臺在歷年故障前5名，對應關系不明顯。表5 為試驗風電場齒輪箱故障與齒輪箱更換對應表。

示范風電場齒輪箱更換的5臺機位，有4臺在歷年故障前5名，對應率達到80%。表6 為示范風電場齒輪箱故障與齒輪箱更換對應表。

二、海上風電場歷年齒輪油檢測、換油記錄

（一）試驗風電場

運行3年的齒輪油檢測結果如下：警告10次，涉及機位6臺，占比42.9%；異常3次，涉及機位3臺，占比21.4%。運行5年后，警告33次，涉及機位13臺，占比92.9%；異常10次，涉及機位6臺，占比42.9%。

（二）示范風電場

運行3年的齒輪油檢測結果如下：警告45次，涉及機位17臺，占比44.7%；異常4次，涉及機位3臺，占比7.9%。運行5年后，警告54次、涉及機位18臺，異常7次、涉及機位5臺。

試驗風電場14臺參與比較機組中，歷年更換齒輪油機位有6臺，占比42.9%；示范風電場38臺雙饋機組中，歷年更換齒輪油機位有8臺，占比21.1%。

以C19為例，2013年齒輪油取樣送檢3次，磨損指數明顯升高，檢測結論“報警”，鐵譜分析報告潤滑與磨損綜合狀態“警告”；2014年鐵譜分析顯示磨損嚴重，綜合狀態“嚴重”，2015年換齒輪箱。

D29，2013年7月PQ指數升高、樣品底部可見鐵屑，鐵譜分析報告有少量正常磨粒，潤滑與磨損綜合狀態“警告”。2014年，在用油中磨損鐵元素含量和鐵磁顆粒含量均超標，鐵譜分析報告顯示少量磨損顆粒。

表7、表8可見：對于齒輪油檢測警告、異常機組，一半以上可以通過及時更換齒輪油、改善齒輪箱潤滑情況得以緩解和解決，避免故障擴大。

更換齒輪箱的9臺中，齒輪油檢測出5臺，查出率55.6%。

表4 海上風電場歷年齒輪箱更換記錄

表5 試驗風電場齒輪箱故障與齒輪箱更換對應表

表6 示范風電場齒輪箱故障與齒輪箱更換對應表

三、海上風電場歷年齒輪箱振動檢測、內窺鏡檢查記錄

（一） 振動檢測

2014年－2015年，對試驗風電場14臺雙饋機組分別進行齒輪箱離線、在線振動檢測。查出軸承故障5臺，輪齒損傷8臺，其中3臺建議及時維護或更換，如表9所示。

示范風電場離線振動檢測，查出：D29軸承早期磨損，C17高速軸齒輪齒面點蝕磨損。

試驗風電場在線監測，查出：1臺高速端軸承損傷（H15）；2臺中、高速端輪齒損傷（H07、H08）；2臺齒圈或行星輪系損傷（H05、H06），1臺二級行星輪系損傷（H16）。

示范風電場在線監測，查出：3臺（E35、F46、F50）振動異常，停機檢查發現齒輪箱本體有微裂紋，確定更換齒輪箱。

更換齒輪箱的9臺中，離線振動檢測出4臺，查出率44.4%；在線振動檢測出6臺，查出率66.7%。

（二）內窺鏡檢查

對振動檢測有問題的機位，進一步進行齒輪箱內窺鏡檢查。

試驗風電場，查出軸承、齒輪均有問題的7臺，包括更換齒輪箱的3臺（H14、H07、H08）；軸承問題的1臺，齒輪問題的3臺。軸承故障內容，主要包括：壓痕、點蝕、磨損、鐵屑、劃傷；齒輪故障內容，主要包括：劃痕、磨損、點蝕、剝落、灰變、停車痕、壓痕、銹跡。檢查后建議：加強軸溫、油溫監測，內窺鏡檢查，返廠維修，更換齒輪箱。

示范風電場，檢查4臺機位，查出齒輪問題3臺，包括更換齒輪箱的1臺（D29）。

更換齒輪箱的9臺中，內窺鏡查出4臺，查出率44.4%。

綜上所述，齒輪油檢測、振動監測、內窺鏡檢查的報警機位與齒輪箱更換機位的對應率分別為55.6%、66.7%、44.4%，加上互補區域，故障診斷率高達88.9%。綜合分析對故障的早期預判和診斷顯示其優越性和重要性。

齒輪箱故障精細化管理建議方向

一、加強齒輪箱日常維護

齒輪箱運行中的日常維護和狀態監測，包括在持續大風、登機巡視、離開機艙前檢查。檢查內容：外觀、噪音、油位、滲漏、異聲，濾芯、電氣接線。監控指標：同心度、振動、油溫、軸溫、齒輪泵出口壓力、油質，油溫低于零度時開啟加熱；突然升溫時，及時查詢和處理，避免故障擴大；檢修時，盡量避免采用緊急制動，降低沖擊。

作為風電齒輪箱狀態監測和故障預警的有效技術手段之一的齒輪油液監測，也需重視出質保驗收、新油驗收、按質換油等管理環節，運行中加強跟蹤油位、油品指標。

二、建立、健全故障及維護臺賬，綜合分析、及時處理

包括：齒輪箱安裝、調試、故障臺賬，齒輪油檢測、振動監測、內窺鏡檢查臺賬，齒輪油、齒輪箱更換臺賬等。

要重視齒輪油、振動、內窺鏡等所有監檢測報警，全面、綜合分析監檢測報警信息，力爭做到準確判斷、快速反應、及時處理。

三、運用現代化遠程監測技術分析、管理

在齒輪油液監測中，目前以人工取樣檢測模式為主，可分次轉變為在線監測模式，則可有效解決海上風電取樣周期長、通達性差、監測滯后、不能及時發現問題的狀態。齒輪油在線監測、齒輪箱磨損狀態在線監測，是齒輪箱故障精細化管理的技術發展方向。

隨著科技發展，齒輪油監測、振動監測這兩種設備狀態監測的常用技術手段，也可聯合應用于風電齒輪箱故障預警管理系統。齒輪油監測和振動監測都在國內風電運維領域得到廣泛應用，兩者相結合，更利于綜合分析、預判風電齒輪箱故障。

表7 歷年齒輪油檢測警告、異常機組

表8 歷年鐵譜分析報告警告、異常匯總

表9 試驗風電場離線振動檢測報警位置統計（2014年－2015年）

結論

綜上所述，為了保證齒輪箱的潤滑性能、確保機組高效穩定運行，必須做到以下幾點：

（一）加強風電設備的日常檢查、維護和管理。建立、健全設備故障及維護檔案。

（二）充分重視齒輪油檢測、振動監測、內窺鏡檢測中的報警、異常，將齒輪油監測和振動檢測、內窺鏡檢查結果相結合，綜合判斷齒輪箱運行、磨損狀況。

（三）需利用現代化科技技術，結合生產實踐，開發出對齒輪箱運行中特征數據在線監測系統，以實現連續、及時監測，科學、有效分析，準確評估、處理的專家診斷功能，確保機組安全、穩定運行。

（作者單位：江蘇海上龍源風力發電有限公司）