風電場金屬技術監督檢查問題及措施研究

王文濤，高 揚，王巍麟

(華電電力科學研究院有限公司，杭州 310030)

0 引 言

風力發電作為一種清潔環保型發電方式，近年來發展迅速,但隨著機組運行時間延長甚至脫離質保期，缺陷事故的發生頻次及嚴重程度亦隨之增大，螺栓斷裂、齒輪斷齒、軸承斷裂甚至機艙著火時有發生[1]。金屬技術監督作為一種有效的技術手段，通過對設備部件的跟蹤和診斷,及時了解并掌握設備部件的質量狀況，可防止機組設備部件提前失效而造成的各類事故，從而提高設備安全運行的可靠性，延長設備的使用壽命。

1 機組概況

2018年、2019年通過查閱檔案資料、實地檢查、溝通交流等方式對集團公司黑吉遼、京津冀、內蒙共7省區(直轄市)風電機組進行了金屬專業技術監督檢查。46家風電場合計3 453臺風機，機組容量總計5 434.969 MW。經統計，單機容量1.5 MW型在機組數量及容量上占比最高(6成)，其次為2 MW型，見表1。兩者占據絕對比重，為此次監督對象的主要類型。

表1 風電機組基本情況Table 1 Basic conditions of wind turbines

2 問題及建議

風電場金屬技術監督范圍的設備部件主要包含塔筒、齒輪箱、偏航系統、制動系統、變槳系統、葉片、輪轂、發電機等[2]。對發現的問題分析研究，并提出針對性措施與建議。

2.1 部件失效原因分析不清，處理及防范措施不到位

檢查發現部件失效案例共計47項，其中齒輪箱、螺栓斷裂分別以19項、10項位居前二，軸承與偏航系統問題以5項排名并列第三。

1)齒輪箱斷齒、磨損、點蝕。齒輪箱是將葉片的動力傳遞給發電機并使其得到相應轉速的重要裝置。齒輪箱承受著無規律的變向變負荷風力作用和極端溫差的惡劣環境。據統計，在風機失效故障中，齒輪箱占比最高，約40%[3]，其常見失效形式有齒輪損傷、斷齒、疲勞、膠合、軸承損壞等[4-5]。檢查中發現多臺機組齒輪箱斷齒、磨損、點蝕等失效及損傷案例，見圖1～2。

圖1 一級內齒圈磨損、密集凹坑Fig.1 The primary internal gear ring is worn and has dense pits

圖2 一級行星輪齒面嚴重損傷凹坑Fig.2 Serious damage to the surface of the first stage planetary gear

齒輪箱多級齒輪嚴格嚙合結構復雜，受技術條件限制，目前現場不具備箱體拆卸條件，由此使得檢驗手段有限，檢測效果不理想，對日常檢修檢查、失效原因分析造成了較大困難。為解決上述問題，首先，日常檢查及定期檢測尤為關鍵：運行期間檢查齒輪箱是否存在明顯異響及振動，必要時，可利用狀態在線監測系統實時監測各項指標參數[6]；檢修期間利用內窺鏡檢查齒面、軸承等部件的損傷、磨損及點蝕程度并通過拍照、錄像、文字等方式準確記錄，對歷次檢查情況匯總梳理，估算磨損點蝕速率。其次，發生斷齒、軸承斷裂等嚴重事故而不能繼續運行的齒輪箱，應選取損傷嚴重失效典型的齒輪箱返廠拆卸檢修。返廠處理期間，派遣技術人員全程參與，總結故障特點，分析失效原因，制定后續專門的運行檢修計劃。舉一反三，對風電場同批次機組、不同風場同類型齒輪箱提供準確科學的檢修運行技術支持。

2)螺栓斷裂失效。作為重要的連接緊固件，螺栓斷裂等失效問題嚴重影響機組安全穩定運行。此次檢查發現風電機輪轂、塔筒、收縮盤、葉片、變槳減速機等部件螺栓多次發生斷裂失效，見圖3。如某風電場投運5年21臺風機47條螺栓發生斷裂，風電場分析認為葉片法蘭與楔形塊存在錯位導致螺栓斷裂。監督檢查發現風電場在原因分析中，未對錯位量科學準確測量，缺乏科學數據有力支撐。另外，斷裂螺栓未進行材質、力學性能試驗分析，僅通過出廠質量證明文件佐證，且該質量文件中螺栓性能試驗為按批次抽檢而非逐根檢驗，試驗數據不能全面反映制造質量真實狀態。風電場在采取相關措施后螺栓再次頻繁斷裂也說明此次失效原因分析不準確、不徹底。鑒于上述情況，建議對失效及鄰近螺栓進行化學成分、力學性能、金相、無損檢測及必要情況下的掃描電鏡、能譜等試驗分析，結合斷裂位置、受力環境、歷次斷裂特點、運行及檢修情況對失效原因進行綜合分析，根據斷裂原因提出運行建議、檢修措施、檢驗方案。

圖3 變槳系統螺栓斷裂Fig.3 Bolt fracture of pitch system

3)其他部件失效。此次檢查發現部分風機主軸斷裂，見圖4；中速級下風向軸承磨損嚴重；偏航大齒斷齒、開裂，偏航剎車底座拼接部分焊縫開裂、焊縫余高低于母材；某風場14臺風機20支葉片開裂；某風場7臺風機導流罩10根支撐桿斷裂；某風場6臺風電機剎車盤開裂；發電機內部點蝕；變槳齒輪、偏航剎車盤磨損嚴重，行星齒損壞；風電機多組錨桿斷裂，個別機組甚至發生多個錨桿斷裂等問題。以上問題，未進行失效原因分析或分析不徹底，除更換失效部件外，后續防范處理措施缺失、不科學規范。上述失效問題類型多樣，進行原因分析時，應準確記錄部件失效信息，聯系設備廠家、科研院所，結合機組的檢修及運行情況，并利用試驗室取樣分析綜合判斷失效原因。根據失效原因制定針對性處理措施，減少、避免同類型問題再次發生。

圖4 主軸斷裂Fig.4 Main bearing fracture

2.2 檢驗試驗不到位，不符合標準細則要求

檢測試驗可有效監督部件實際狀態、排查缺陷隱患，是技術監督工作的重要一環，但在檢查中發現檢驗不符合情況較為常見。

1)新螺栓安裝前未進行無損檢測，合金螺栓未見光譜及硬度檢測，高強螺栓未進行抽樣試驗分析。安裝前進行無損檢測，可有效排除缺陷螺栓，避免帶病運行。高強螺栓抽樣送往試驗室進行拉伸、沖擊等力學性能試驗，可彌補現場檢測的不足，較為全面地反映螺栓各項力學性能等狀態參數，為綜合判斷螺栓質量狀態提供數據支撐。

2)螺栓力矩檢查不符合要求。檢查發現以下代表性問題：某機組制動系統螺栓力矩檢查日期分別為2018年9月、2019年8月，檢查周期為10個月；部分機組變槳與輪轂固定連接螺栓力矩定期檢驗比例為60%。上述問題不符合集團公司監督實施細則中該部位螺栓檢查周期為3個月、力矩檢查比例為100%的技術要求。檢查間隔時間過長，檢查比例不足，將不能及時發現缺陷隱患，增大設備風險。

3)螺母標記混亂不規范。螺母力矩標記線是判斷螺栓力矩是否發生變化的最簡單有效方式之一，檢查發現力矩標記線標示混亂，歷次標線重合分辨不清，已不能憑其準確判斷力矩情況，力矩檢查、螺母標記工作失去意義。建議采用不同顏色標記歷次檢查情況。若出現因檢查次數過多導致標記線重合等混亂情形時，應清除較早時間標記線，保留最近2年(或3次)檢查記錄，以便觀察力矩變化情況。

4)主變構架立桿對接焊縫未進行無損檢測；新更換的剎車盤、齒輪箱空心軸安裝前未進行檢驗驗收。上述部件為機組的重要部位，未進行無損檢測，將不清楚設備部件是否存在安全隱患，影響機組安全穩定運行。

以上問題建議依據相關標準及技術監督實施細則要求，編寫件檢驗試驗計劃，取樣方法、檢測比例及周期、檢驗位置等嚴格執行標準要求。

2.3 超標缺陷未處理

檢查中發現多臺機組存在多項超標缺陷，較為典型普遍的缺陷如下：

1)螺栓硬度偏高。如某臺機組11條螺栓實測硬度381～402(HV)，高于標準320～380(HV)要求。螺栓硬度偏高，將增加脆性，提高斷裂風險。建議對該批不合格螺栓進行更換或重新熱處理，新更換的螺栓在安裝前進行合金成分分析、硬度、超聲波等檢驗檢測。

2)塔筒環焊縫超標缺陷未處理。針對焊縫缺陷，應利用超聲波、磁粉或滲透檢測等方式判定缺陷性質及數量，分析缺陷可能產生的危害程度及缺陷消除、補焊熱處理等對部件整體的影響，制定詳盡處理措施。

3)變槳回轉軸承保持架開裂，風機基礎混凝土與基礎環之間開裂未處理。未及時處理，裂縫極易擴展加重失效程度。建議對保持架開裂處補焊，填充混凝土夯實基礎，并對其他機組相同位置擴大檢查。

4)塔筒材料力學性能不合格。某風機塔筒材料材質為S355NL-Z25，屈服強度實測值為310、315 MPa，低于標準要求下限值345 MPa。屈服強度是材料力學性能重要技術參數之一，該指標偏低不合格，將造成設備提前失效，釀成事故。針對此類問題，采取更換處理為首要選擇，但也應充分考慮實際情況，若更換處理困難，應委托第三方機構對該材料進行安全狀態評估，根據分析結果決定進一步處理措施。

5)塔筒內部、螺栓及墊片、齒輪箱銹蝕。長期銹蝕狀態下，將嚴重腐蝕金屬部件，造成壁厚減薄、產生裂紋、螺紋咬死等缺陷，進而導致部件提前失效。為此可采用加設防護罩、涂刷油漆等方式改善運行環境，提高部件防腐能力。對已銹蝕部件表面可利用滲透、超聲波方法檢查可能產生的裂紋缺陷、壁厚減薄情況。

2.4 金屬監督檔案不完善

現場檢查發現風電場缺少金屬部件監造資料、材質證明書、制造和安裝階段缺陷統計和閉環信息、運維階段金屬檢驗情況統計等。該問題在各風場中均不同程度存在，問題率100%。突出表現為：

1)未建立健全包含螺栓種類、材質、規格、型號、安裝位置等信息在內的數據庫臺賬。各位置螺栓種類及數量眾多，不同類型螺栓技術要求差異大，未對各類螺栓進行精確定位、編號及科學記錄存檔，不利于開展螺栓檢驗、力矩檢查及更換處理等動態管理工作，更對螺栓斷裂等失效事故的原因分析造成阻礙。

2)部件維修與更換記錄、失效(事故)記錄不完善。詳細的記錄等資料可以為部件的狀態及失效分析、處理措施及防事故方案提供依據。

針對以上問題，應對現有技術資料按科學原則集中整理歸檔，缺失資料應聯系供應廠家補齊，并統一建立與紙質資料一致的電子檔案資料，備份多份，避免發生因技術人員崗位變動、計算機故障等因素造成的資料丟失風險，及時更新臺賬，實施動態管理。

2.5 技術人員專業水平欠缺、培訓力度不足

作為金屬技術監督的負責主體，技術人員在金屬監督工作中起著關鍵性作用。經現場檢查了解，風電場各技術人員對風電機與節能、絕緣與電氣二次、熱工、化學、金屬等專業均有了解，基本滿足日常的機組檢修運行需要。但在某一技術領域的專業深度方面嚴重欠缺，專業性不夠，表現為對金屬監督概念模糊，事件事故分析處理能力差，不具備開展全面技術監督工作的能力。

風電場多地處偏遠，值班班組人員數量有限，工作任務量大，由此造成技術人員學習時間及精力嚴重不足。為提高人員專業水平，應定期組織員工參加公司內部、外單位組織的技術培訓，系統全面地學習專業知識，提高專業能力水平。建議在注重培養全專業基本技能以解決一般工作問題的同時，還應科學安排各技術人員在某一專業上有針對性地深入學習研究，培養“一專多能”復合型人才。如此有利于提高整個風場的專業技術水平，顯著提高解決專業疑難問題的能力。

2.6 檢測報告不規范

本次檢查各項檢測報告發現：射線探傷報告未見級別判定和結論；定檢報告中，螺栓力矩校驗缺少檢驗比例、螺栓位置及力矩設定值等基本信息；焊縫、螺栓報告中未說明被檢位置，缺少檢測記錄圖等必要的檢測記錄；超聲波檢查報告未見檢驗及審核人簽字。檢測報告是檢測試驗的科學客觀記錄，報告信息錯誤、缺失、不規范將嚴重影響對設備狀態的準確判斷。建議風電場加強檢測報告的審核力度，提高檢測報告的科學性、規范性。

3 結 語

經此次現場技術監督全面檢查，發現各風電場在技術、管理方面存在多項嚴重問題。監督檢查結果表明，風電場檢修檢驗各環節工作不完善，異常事件分析處理能力不足，技術監督水平薄弱，嚴重滯后于風電機組的迅猛發展。因此，應全面分析各項暴露問題，編制差異化、附有針對性的問題整改方案，嚴格執行，并對整改結果進行復查，及時存檔，施行全過程閉環管理。