基于FMECA方法的海上浮式風機失效模式分析

周 昊，陳 帥，侯承宇，董曄弘，金偉晨

(1.中國船舶集團海裝風電股份有限公司，重慶401122；2.重慶大學土木工程學院，重慶400044；3.中國船舶集團有限公司第七一四研究所，北京100101)

0 引言

隨著服役水深和離岸距離的不斷加深，固定式海上風電機組的適用性和經濟性有所下降。在現有的復式結構物安裝塔筒、風力發電機以滿足新的應用需求是當前海上風電發展的必然趨勢。與固定式風力機相比，海上浮式風機具有以下優點：采用系泊方式，其施工和安裝過程更為靈活，適用水深范圍更大可有效提升風能利用范圍，適用風速范圍更大，由于深遠海適用對近海的噪聲污染更小，拆除成本更小[1]。

對于發電設備而言其主要目標之一是將電能的水平化成本（LCOE）最小化，其基本計算方法是總壽命成本與整個壽命期內總發電量之比。LCOE可以通過增加發電量或降低壽命成本來最小化。維護和修理費用是典型風力發電機運行費用的重要組成部分[2]。與陸上風機相比，海上風機由于天氣窗口有限，因此，在運行維護的過程中，通過適當的子系統或監控措施進行狀態監測和早期故障檢測，可以防止部件或系統的整體失效，從而有效節約成本。

1 海上浮式風機失效風險源分析

海上風電項目在規劃與設計期、建設期和運營期所面臨的風險都會與陸上項目有較大差異。在項目規劃與設計期，優先考量和評估來自政策與市場、風資源評估等多方風險。項目建設期面臨自然環境、安裝施工等方面的風險[3]。在項目運營期，由于海上項目所處的地理位置和自然條件都相對特殊，對項目運行設備和材料工藝有非常高的要求，一旦設備出現損壞還需投入專業的運維船舶等[4]。我國目前海上風電項目開發與運行體系尚未成熟，作為裝備制造企業需要對這些風險形成系統認識，以便進行裝備升級和產業鏈延伸。

1.1 設計建造風險

設計標準不足。目前針對浮式風機的設計標準體系尚不完善，世界不同地區的不同要求也尚未得到統一。全球主要船級社近年來已經對相關的標準規范進行相應的制修訂，以完善標準體系，其中挪威船級社的相關工作較為突出。目前，在設計過程中，如環境荷載的計算、穩性的校核、浮式基礎設計、系泊系統設計、海纜設計與安裝維護等方面主要參考船舶、海洋油氣和固定式海上風機的規范。具體參考規范包括：挪威船級社DNVGL-RP-0286、DNVGL-SE-0422、美國船級社ABSGuideline#195、法國船級社NI572-FOWT-10-2015等。

模擬仿真和模型試驗手段不完善。目前，浮式風機數值仿真過程大量依賴包括FAST、Sesam等在內的仿真設計軟件，各軟件的使用必須經過驗證，并且其結果要經過水池試驗和模型試驗的驗證才可初步確認其有效性和可靠性。目前業內也有美國國家可再生能源實驗室、Principle Power等通過采用不同設計標準之間進行相互驗證以確保結果的可用性。

生產制造風險。從設計能力來看，目前我國已基本具備大兆瓦級風機的設計能力，但在制造方面，制造商在建設過程中的質量保證（QA）卻始終存在缺陷，由于浮式風機未來海況具有較大的不確定性，復雜風浪流聯合作用的情況頻發，低循環應力的特殊作用對浮式結構提出新的要求。整機制造與配套廠商必須在材料選擇、焊接工藝、防腐措施等關鍵環節做出相應改進，確保建造精度。

1.2 環境威脅風險

在海上浮式風電項目中，可能受到極端氣候條件等特殊自然環境的影響，其中較為典型的包括臺風、極端海浪、潮流印象、海冰與鹽霧等。惡劣的海上環境將可能導致海上風電作業船舶發生傾覆、風機塔筒斷裂、葉片破損或基礎損傷等[5]，延誤建設施工并增加了建設費用，甚至可能造成施工人員的生命危險。

臺風威脅。由于我國海域的特殊性，在風電場運營過程中，臺風問題需要引起特別的注意。臺風是熱帶氣旋較強的形式之一，熱帶氣旋按其中心附近的最大風力分為6級，等級劃分如表1所示。

以我國浙江省為例。浙江海域在1949-2017年共計發生46次，平均每年發生了0.68次，頻率相對較低。統計顯示臺風登陸同樣也集中在7，8，9三個月份，占到了總數的89.13%，其他月份共計僅有4次，如圖1所示。統計顯示72%以上的登陸臺風強度較高（強熱帶風暴及以上風力或風速大于20.8 m/s），該比例相對廣東和福建海域都要高，但是總頻次不高，其中包括：熱帶低壓5次，熱帶風暴4次，強熱帶風暴11次，臺風16次，強臺風2次，如圖2所示。

表1 熱帶氣旋等級劃分Tab.1 Classification of tropical cyclones

圖1 臺風登陸浙江各月份次數統計（1949-2017）Fig.1 Statistics of thenumber of typhoonslanding in Zhejiang in each month(1949-2017)

圖2 不同等級臺風登陸浙江的比例（1949-2017）Fig.2 Proportion of different typhoon landing in Zhejiang Province(1949-2017)

潮流、海冰與海霧。福建、浙江和江蘇的大部分海域均為正規半日潮，渤海灣的潮流分布較為復雜。在建設安裝期，施工船舶出場時間、拋錨就位時間和吊裝作業時間會受到現場潮位變化的影響，因此有必要進行現場驗潮和潮位推算以掌握作業地點的準確潮位變化規律。

隨著春冬兩季冷空氣活動變得頻繁，渤海、黃海北部將出現不同程度的冰凍現象。海冰的出現和漂移將對海上風機的運行構成較大威脅。海冰會對分散排布的海上風電機組塔架推擠撞擊，從而影響后者的安全運行。此外，大面積海冰將阻礙作業船舶的正常通航，嚴重影響海上風電場的建設、安裝、運營和維護。

主要發生在我國春、夏季的海霧會引起近海海域的能見度大為降低，從而影響了海上風電項目實施的船舶作業。我國近海的多霧區域為東海和黃海的部分海域，其中東海霧出現時間主要集中在3～7月份，黃海霧季主要集中在4～8月份，秋、冬季則相對較少。

波浪與海上作業。實施海上風電項目船舶的出海作業時間長短會受到風速和波高的限制。由于季風引起的大風大浪災害天氣情況也會對風機的服役情況產生影響，一般風力超過7級、波高超過1 m就無法出海作業。有些地區的海事部門要求，在滿足作業窗口小于8 m/s的條件下，船舶方可出海作業。作業窗口是海上船舶進行作業的主要前提條件之一。我國近海平均風功率密度在夏季處于比較低的水平，此時平均風速較低，波高也較低，風平浪靜有利于船舶出海作業。

表2 各海域海上風電作業的環境影響因素Tab.2 Environmental impact factorsof offshore wind power operation in varioussea areas

1.3 結構安全風險

浮式風電設備屬于海上柔性結構物，常年在風浪流聯合作用下作業，除垂向載荷外，其水平傾覆力矩將會引起基礎結構出現大幅搖擺運動，甚至存在傾覆風險。浮式風機因環境載荷引發的結構與運動風險有：

波浪引起浮式風電系統基礎塔柱的共振，導致的疲勞風險。在設計上需保證基礎結構六自由度運動的固有比率遠離波浪披綠，從而有效避免共振的發生，與極限載荷相比，共振將加劇風機的振蕩，極大的影響風機疲勞載荷。

浮式基礎運動誘導作用在風輪機上，導致的風機諧振響應。風荷載對浮式結構運動影響較為明顯，增大了平臺在固有頻率處的響應，提高了平臺發生不穩定運動的可能性，影響結構安全。

浮式基礎的大幅搖擺運動。浮式風機與固定式風機的最大區別便在于其基礎結構六自由度的運動全部放開，而由于縱搖與橫搖運動會對分風機葉盤處的氣動載荷和尾流產生影響，因此基礎運動與上部風機運動之間相互耦合。在設計階段，需要考慮其在風浪流聯合作用下的動力響應。

極端海洋環境下的系泊系統失效。系泊纜索長度和位置的設計，會對系泊纜與海上浮式風機的預應力造成影響，提高疲勞風險發生的可能，存在斷纜風險。

沖刷與滲流引發的錨固基礎失效。海上浮式風機的定位除采用系泊方式外，也采用錨固方式。此時，錨固基礎可能存在沖刷或滲流引發的失效問題，具體可能包括腐蝕失效風險、連接疲勞失效、極限強度失效、基礎結構損傷等。

1.4 運營維護風險

項目建成之后，海上運營與維護作業時海上風電場得以順利運行的一項重要技術保障，在維護過程中會面臨眾多風險。浮式風電場運行在深遠海的特殊海洋環境下，對海上機組進行現場檢修的能力常常受到海上可達度的約束。

大部件維修更換。在風機分布廣闊和自然條件特殊的海上進行維修工作非常不易，海上浮式風電場離岸距離較遠，大部件維修和更換面臨的風險主要包括可達性差，吊裝船數量不足，缺乏有在海上操作經驗的專業更換人員。在海上風電機組中，齒輪箱和發電機是大部件維修更換的主要難點。

定期維護。為了到現場實施定期維護，檢查人員必須采用特制的海上交通工具，但由于海洋水文氣象的影響，可達性和作業窗口都大打折扣，即便供助最先進的海上交工具也無法實現全天候人工巡檢的方式對海上風電設備進行維護。

更高的運營監測要求。在運營過程中，浮式風機對風機運行的健康狀態和環境參數變化提出了更高的監測要求。當浮式基礎傾斜角度超過規定值時，浮式風機的運動監測系統需要有效控制系統停機。例如，Principle Power的WindFloat設計是當塔架傾斜角超過10°時停機處理，此外，實時的氣象與環境條件監測也尤為重要，這將對風電機組在極端天氣或巨浪來臨前做出反應提供重要依據。

2 海上浮式風機的FMEA分析

失效與故障模式分析為進一步的可靠性與結構分析打下基礎。故障識別過程的準確性與全面性對于進一步分析計算的準確性與可信度產生影響，并將直接反映在FMEA分析結果上。

通常來說，海上風力機的主要故障類型可以分為機械故障、電力故障和材料故障三大類。其中，機械故障主要表現為：裂紋損傷、結構斷裂、保護層分離、過熱形變、扭損、蒙皮脫落、潤滑不佳、未精確對準等情況；材料故障主要表現為：交變載荷引發疲勞、塑性形變、電化或海鹽腐蝕等情況；電力故障主要表現為：絕緣處理不當、故障引發電力中斷、控制系統失效、輸出功率不足等情況。

2.1 基礎-塔柱系統故障及失效模式分析

破碎波的影響。在破碎波浪的沖擊下，具有柔性特征的大型海上風力機會承受結構共振，嚴重情況下導致塔筒和機艙整體產生劇烈振動。在風電機組服役的整個生命周期中，這種動態載荷的累積效果很有可能導致機組結構疲勞破壞。

海洋環境腐蝕。塔筒與海洋大氣環境直接接觸，處于非常髙的海洋腐蝕環境，與基礎腐蝕環境的海洋大氣區一致，塔筒內壁表面比外壁的腐蝕等級要低一級，仍然是高腐蝕環境。附著在塔筒外壁鋼材表面的水膜溶解二氧化碳、二氧化硫和鹽分形成的電解質溶液具有較強的導電性，鐵在溶液中被氧化之后變成鐵銹，在氯離子的作用下會加速鋼材的腐蝕。

2.2 葉片系統故障及失效模式分析

葉片雷擊損傷。當安裝在開闊海域時，風力發電機葉片處于機組最高端，機組遭受雷擊的概率大大增加，葉片的葉尖末端也就是通常直接遭受雷擊的區域[6]。大部分雷擊事故主要損壞葉片的葉尖部分，在很多情況下雷擊的位置發生在葉尖的背面，少數情況下雷擊會損壞整個葉片。輕則造成葉尖結構爆裂破壞，嚴重時導致各種形式的葉片結構損傷，例如層裂、泄露、邊緣開裂、縱向開裂等失效模式。

葉片腐蝕。葉片性能對風力發電機轉化效率的影響很大，表面光潔度不佳以及流掛物都會影響性能。在海上應用的過程中潮濕空氣中的鹽分容易在葉片表面積聚，影響轉化效率，而且造成腐蝕[7]。目前應用于風力發電機葉片的復合材料主要包括玻璃纖維復合材料、碳纖維復合材料、碳纖維/輕木/玻璃纖維混雜復合材料以及熱塑性復合材料等。若沒有保護涂層，葉片材料很難在這樣惡劣的環境中長時間保持完好。

葉片結冰與低溫。我國近海區域在冬季受到強冷空氣影響導致環境溫度過低，葉片結冰會改變翼型形狀，改變表面粗糙程度、葉片載荷分布和結構特性，影響風力機的氣動特性和結構強度，降低風力機轉化效率及疲勞壽命[8]。由于海水含鹽度高，降低了海水的冰點，全球各大洋海水平均鹽度是3. 448%，海水冰點在-1.9°C左右。由于基體和纖維的不均勻收縮，存在的殘余應力會導致微裂縫的出現，繼而使得葉片整體剛度和抗滲透性能大大降低，葉片出現層剝落現象。

2.3 電氣設備故障及失效模式分析

雷擊損傷。電氣設備主要面臨間接雷擊或感應雷擊的風險。雷電流經由電阻最小的通道直接注入到電力電纜和信號線路，以及相連的發電機、變流器、控制器等電氣設備的電流損壞；由于雷擊會在風機機組內部產生交變電磁場，機組內部與雷電流平行的電力和信號線路，會在瞬間產生感應過電壓，幅值達幾十千伏；雷電電流會在接地體上產生殘余電壓，使電位升高，從而影響機組其他設備，特別是控制系統的穩定性。

鹽霧腐蝕。海上機組的功率普遍比陸上機組更大，散熱需求更高，但是對散熱冷卻需要更有針對性的防腐設計。海上風電機組的像是變壓器采用干式變壓器和直接空氣冷卻的散熱方式，外界鹽霧和潮氣隨著空氣進入設備對高低壓線圈和鐵芯產生腐蝕。海上晝夜溫差大，容易造成半導體開關器件材料和封裝的龜裂，溫度變化引起的凝露甚至會導致開關短路。此外，鹽霧設備電器元件的金屬物觸頭發生化學反應會是原有的電氣性能下降，生成氯化物是電氣接觸不良。

電氣故障引發火災。海上風電機組的機艙、電纜是最容易引發火災的，在狹小的機艙里集中了大量電氣設備，潛在的著火源也比較集中[9]。電氣短路、機械剎車（機組高速運轉時的緊急制動裝置）、潤滑油或液壓系統泄露、短路電弧、接地故障、電路過載之后熱量劇增和溫度急升是引發火災的主要原因[10]。由于海上風機無人值守、可達性差，除非機組存在自動消防系統，否則幾乎無法立刻組織人力進行火災救援。

2.4 傳動系統故障及失效模式分析

就齒輪而言，齒輪嚙合剛度的變化是一個重要的監測條件[11]，扭轉振動和扭矩的監測可作為裂紋損傷、斷齒等故障模式出現的判斷依據，從而有效預防傳動系統的停機時效[12]。就傳動系統而言，常用的傳動系統狀態監測方法包括振動、溫度[13]、噪聲和油粒測量[14]等，這在經典的風力發電機組傳動控制系統中通常沒有集成。已有學者將傳動系統故障狀態監測分為監測、自動保護和控制3個層面[15]，監視和自動保護是基于閾值的方法，其中警報或糾正措施在超過閾值后執行。浮式風機上的傳動系統承受的載荷/運動條件與陸地上的不同。浮式風機中的波浪感應運動產生動力，動力通過傳動系統傳遞。此外，大兆瓦級風機傳動系統采用與小型傳動系統完全不同的設計方法。

在對風機的不同系統不同組件進行故障模式、成因及影響[16]進行分類，從失效模式、產生原因及故障后果幾方面進行分析，將海上浮式風機失效形式及結果分析的情況匯總于表3。

3 海上浮式風機的CA分析

對于風機系統的CA分析是衡量故障事件的發生概率和后果嚴重程度，并對故障事件進行系統分析的過程。通過定性或定量的CA分析，可以清晰地找出系統和子系統在工作中的薄弱環節，從而有效改進保護措施和維護手段的針對性，提高系統的整體可靠性。

表3 海上浮式風機主要失效形式及結果分析情況Tab.3 Main failure modesand result analysis of offshore floating wind turbine

3.1 評估故障模式的影響及嚴重程度

在進行定性CA分析時，其嚴酷度等級通常劃分為四級，從重到輕依次為災難級、致命級、中度級和輕度級，具體定義見表4。

3.2 危害性矩陣

為了更好地對失效模式的嚴酷程度與發生概率之間的關系進行分析，在方法上通常采用危害性矩陣對FMEA分析進行補充。危害性矩陣在表示上，其橫坐標通常表示底事件的嚴重程度，而縱坐標表示低事件的發生概率等級。

按照GJB1391-2006的規定，故障發生概率等級可以劃分為5個等級，具體分級見表5。

綜合考慮海上風機的裝備特點和系統劃分和前文FMEA分析中的有關問題，本文在CA分析中考慮48個風險事件，按照表4和表5嚴酷度與概率等級定義的內容，研究分析確定每一個風險事件的發生概率等級與嚴酷度等級，完成定性分析表并填入危害性矩陣的對應位置。CA分析矩陣的具體含義為：自坐標原點畫出危害性矩陣的對角線，該方向表示危害性增長方向，事件位置越遠離遠點則事件危害性越高，在實際工程中采取維護措施。事件橫軸投影表示事件的嚴酷度等級，而縱軸表示發生概率等級。表6列出海上浮式風機定性CA分析結果，危害性矩陣如圖3所示。

表4 嚴酷度等級定義Tab.4 Definition of severity level

表5 概率等級劃分標準Tab.5 Classification criteria of probability grade

圖3 海上浮式風機危害性矩陣分析圖Fig.3 Hazard matrix analysis of offshore wind turbine

根據表6的分析結果，將各事件的對應位置在危害性矩陣中進行體現，自點a至點h對應的風險事件，其危害度逐步升高，其中點h事件最為危險，即葉片折斷。其他事件統計結果如下：7個a點事件、4個b點事件、5個c點事件、16個d點事件、3個e點事件、5個f點事件、7個g點事件、1個h點事件。

4 結語

本文采用FMECA分析方法對海上浮式風機的風險源、故障與失效模式及其危害性進行了系統分析，根據一系列故障情況對海上浮式風機的系統安全進行了全面的定性分析，以確定高風險的故障模式和故障原因，對基礎-塔柱系統、葉片系統、電氣設備和傳動系統的故障與失效情況進行深入分析。

表6 海上浮式風機CA定性分析結果Tab.6 CA qualitative analysis results of offshore floating wind turbine

1）環境風險是影響海上浮式風機使用壽命和運營成本最為關鍵的因素，其中尤其是鹽霧、極限風況等惡劣天氣條件，對海上浮式風力機的性能影響最為顯著。

2）在各系統的分析中，葉片系統的失效時間危害性最為嚴重，且失效模式最為復雜，應在實際工程應用中對其防雷擊、防腐蝕和極限載荷下的服役與自存能力作出有效的預防和監測。

3）海上浮式風機的失效模式較為復雜，因此，在未來的實際工程中，應積極探索不同信號對風電機組不同故障的檢出效果，綜合分析振動、電氣、形變、應力等不同信號，并進行融合分析，從而通過物理模型和數字模型同時分析風機的故障與失效。