風(fēng)電場(chǎng)金屬技術(shù)監(jiān)督檢查問(wèn)題及措施研究

王文濤，高 揚(yáng)，王巍麟

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔環(huán)保型發(fā)電方式，近年來(lái)發(fā)展迅速,但隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)甚至脫離質(zhì)保期，缺陷事故的發(fā)生頻次及嚴(yán)重程度亦隨之增大，螺栓斷裂、齒輪斷齒、軸承斷裂甚至機(jī)艙著火時(shí)有發(fā)生[1]。金屬技術(shù)監(jiān)督作為一種有效的技術(shù)手段，通過(guò)對(duì)設(shè)備部件的跟蹤和診斷,及時(shí)了解并掌握設(shè)備部件的質(zhì)量狀況，可防止機(jī)組設(shè)備部件提前失效而造成的各類事故，從而提高設(shè)備安全運(yùn)行的可靠性，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

1 機(jī)組概況

2018年、2019年通過(guò)查閱檔案資料、實(shí)地檢查、溝通交流等方式對(duì)集團(tuán)公司黑吉遼、京津冀、內(nèi)蒙共7省區(qū)(直轄市)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了金屬專業(yè)技術(shù)監(jiān)督檢查。46家風(fēng)電場(chǎng)合計(jì)3 453臺(tái)風(fēng)機(jī)，機(jī)組容量總計(jì)5 434.969 MW。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，單機(jī)容量1.5 MW型在機(jī)組數(shù)量及容量上占比最高(6成)，其次為2 MW型，見(jiàn)表1。兩者占據(jù)絕對(duì)比重，為此次監(jiān)督對(duì)象的主要類型。

表1 風(fēng)電機(jī)組基本情況Table 1 Basic conditions of wind turbines

2 問(wèn)題及建議

風(fēng)電場(chǎng)金屬技術(shù)監(jiān)督范圍的設(shè)備部件主要包含塔筒、齒輪箱、偏航系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、葉片、輪轂、發(fā)電機(jī)等[2]。對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題分析研究，并提出針對(duì)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(fā)現(xiàn)部件失效案例共計(jì)47項(xiàng)，其中齒輪箱、螺栓斷裂分別以19項(xiàng)、10項(xiàng)位居前二，軸承與偏航系統(tǒng)問(wèn)題以5項(xiàng)排名并列第三。

1)齒輪箱斷齒、磨損、點(diǎn)蝕。齒輪箱是將葉片的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)并使其得到相應(yīng)轉(zhuǎn)速的重要裝置。齒輪箱承受著無(wú)規(guī)律的變向變負(fù)荷風(fēng)力作用和極端溫差的惡劣環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在風(fēng)機(jī)失效故障中，齒輪箱占比最高，約40%[3]，其常見(jiàn)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(fā)現(xiàn)多臺(tái)機(jī)組齒輪箱斷齒、磨損、點(diǎn)蝕等失效及損傷案例，見(jiàn)圖1～2。

圖1 一級(jí)內(nèi)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(jí)行星輪齒面嚴(yán)重?fù)p傷凹坑Fig.2 Serious damage to the surface of the first stage planetary gear

齒輪箱多級(jí)齒輪嚴(yán)格嚙合結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受技術(shù)條件限制，目前現(xiàn)場(chǎng)不具備箱體拆卸條件，由此使得檢驗(yàn)手段有限，檢測(cè)效果不理想，對(duì)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(wèn)題，首先，日常檢查及定期檢測(cè)尤為關(guān)鍵：運(yùn)行期間檢查齒輪箱是否存在明顯異響及振動(dòng)，必要時(shí)，可利用狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)[6]；檢修期間利用內(nèi)窺鏡檢查齒面、軸承等部件的損傷、磨損及點(diǎn)蝕程度并通過(guò)拍照、錄像、文字等方式準(zhǔn)確記錄，對(duì)歷次檢查情況匯總梳理，估算磨損點(diǎn)蝕速率。其次，發(fā)生斷齒、軸承斷裂等嚴(yán)重事故而不能繼續(xù)運(yùn)行的齒輪箱，應(yīng)選取損傷嚴(yán)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(shù)人員全程參與，總結(jié)故障特點(diǎn)，分析失效原因，制定后續(xù)專門(mén)的運(yùn)行檢修計(jì)劃。舉一反三，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)同批次機(jī)組、不同風(fēng)場(chǎng)同類型齒輪箱提供準(zhǔn)確科學(xué)的檢修運(yùn)行技術(shù)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(wèn)題嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。此次檢查發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)輪轂、塔筒、收縮盤(pán)、葉片、變槳減速機(jī)等部件螺栓多次發(fā)生斷裂失效，見(jiàn)圖3。如某風(fēng)電場(chǎng)投運(yùn)5年21臺(tái)風(fēng)機(jī)47條螺栓發(fā)生斷裂，風(fēng)電場(chǎng)分析認(rèn)為葉片法蘭與楔形塊存在錯(cuò)位導(dǎo)致螺栓斷裂。監(jiān)督檢查發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)在原因分析中，未對(duì)錯(cuò)位量科學(xué)準(zhǔn)確測(cè)量，缺乏科學(xué)數(shù)據(jù)有力支撐。另外，斷裂螺栓未進(jìn)行材質(zhì)、力學(xué)性能試驗(yàn)分析，僅通過(guò)出廠質(zhì)量證明文件佐證，且該質(zhì)量文件中螺栓性能試驗(yàn)為按批次抽檢而非逐根檢驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)不能全面反映制造質(zhì)量真實(shí)狀態(tài)。風(fēng)電場(chǎng)在采取相關(guān)措施后螺栓再次頻繁斷裂也說(shuō)明此次失效原因分析不準(zhǔn)確、不徹底。鑒于上述情況，建議對(duì)失效及鄰近螺栓進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相、無(wú)損檢測(cè)及必要情況下的掃描電鏡、能譜等試驗(yàn)分析，結(jié)合斷裂位置、受力環(huán)境、歷次斷裂特點(diǎn)、運(yùn)行及檢修情況對(duì)失效原因進(jìn)行綜合分析，根據(jù)斷裂原因提出運(yùn)行建議、檢修措施、檢驗(yàn)方案。

圖3 變槳系統(tǒng)螺栓斷裂Fig.3 Bolt fracture of pitch system

3)其他部件失效。此次檢查發(fā)現(xiàn)部分風(fēng)機(jī)主軸斷裂，見(jiàn)圖4；中速級(jí)下風(fēng)向軸承磨損嚴(yán)重；偏航大齒斷齒、開(kāi)裂，偏航剎車(chē)底座拼接部分焊縫開(kāi)裂、焊縫余高低于母材；某風(fēng)場(chǎng)14臺(tái)風(fēng)機(jī)20支葉片開(kāi)裂；某風(fēng)場(chǎng)7臺(tái)風(fēng)機(jī)導(dǎo)流罩10根支撐桿斷裂；某風(fēng)場(chǎng)6臺(tái)風(fēng)電機(jī)剎車(chē)盤(pán)開(kāi)裂；發(fā)電機(jī)內(nèi)部點(diǎn)蝕；變槳齒輪、偏航剎車(chē)盤(pán)磨損嚴(yán)重，行星齒損壞；風(fēng)電機(jī)多組錨桿斷裂，個(gè)別機(jī)組甚至發(fā)生多個(gè)錨桿斷裂等問(wèn)題。以上問(wèn)題，未進(jìn)行失效原因分析或分析不徹底，除更換失效部件外，后續(xù)防范處理措施缺失、不科學(xué)規(guī)范。上述失效問(wèn)題類型多樣，進(jìn)行原因分析時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)確記錄部件失效信息，聯(lián)系設(shè)備廠家、科研院所，結(jié)合機(jī)組的檢修及運(yùn)行情況，并利用試驗(yàn)室取樣分析綜合判斷失效原因。根據(jù)失效原因制定針對(duì)性處理措施，減少、避免同類型問(wèn)題再次發(fā)生。

圖4 主軸斷裂Fig.4 Main bearing fracture

2.2 檢驗(yàn)試驗(yàn)不到位，不符合標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則要求

檢測(cè)試驗(yàn)可有效監(jiān)督部件實(shí)際狀態(tài)、排查缺陷隱患，是技術(shù)監(jiān)督工作的重要一環(huán)，但在檢查中發(fā)現(xiàn)檢驗(yàn)不符合情況較為常見(jiàn)。

1)新螺栓安裝前未進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，合金螺栓未見(jiàn)光譜及硬度檢測(cè)，高強(qiáng)螺栓未進(jìn)行抽樣試驗(yàn)分析。安裝前進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，可有效排除缺陷螺栓，避免帶病運(yùn)行。高強(qiáng)螺栓抽樣送往試驗(yàn)室進(jìn)行拉伸、沖擊等力學(xué)性能試驗(yàn)，可彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的不足，較為全面地反映螺栓各項(xiàng)力學(xué)性能等狀態(tài)參數(shù)，為綜合判斷螺栓質(zhì)量狀態(tài)提供數(shù)據(jù)支撐。

2)螺栓力矩檢查不符合要求。檢查發(fā)現(xiàn)以下代表性問(wèn)題：某機(jī)組制動(dòng)系統(tǒng)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(gè)月；部分機(jī)組變槳與輪轂固定連接螺栓力矩定期檢驗(yàn)比例為60%。上述問(wèn)題不符合集團(tuán)公司監(jiān)督實(shí)施細(xì)則中該部位螺栓檢查周期為3個(gè)月、力矩檢查比例為100%的技術(shù)要求。檢查間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，檢查比例不足，將不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷隱患，增大設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)。

3)螺母標(biāo)記混亂不規(guī)范。螺母力矩標(biāo)記線是判斷螺栓力矩是否發(fā)生變化的最簡(jiǎn)單有效方式之一，檢查發(fā)現(xiàn)力矩標(biāo)記線標(biāo)示混亂，歷次標(biāo)線重合分辨不清，已不能憑其準(zhǔn)確判斷力矩情況，力矩檢查、螺母標(biāo)記工作失去意義。建議采用不同顏色標(biāo)記歷次檢查情況。若出現(xiàn)因檢查次數(shù)過(guò)多導(dǎo)致標(biāo)記線重合等混亂情形時(shí)，應(yīng)清除較早時(shí)間標(biāo)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(gòu)架立桿對(duì)接焊縫未進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)；新更換的剎車(chē)盤(pán)、齒輪箱空心軸安裝前未進(jìn)行檢驗(yàn)驗(yàn)收。上述部件為機(jī)組的重要部位，未進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，將不清楚設(shè)備部件是否存在安全隱患，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

以上問(wèn)題建議依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)監(jiān)督實(shí)施細(xì)則要求，編寫(xiě)件檢驗(yàn)試驗(yàn)計(jì)劃，取樣方法、檢測(cè)比例及周期、檢驗(yàn)位置等嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 超標(biāo)缺陷未處理

檢查中發(fā)現(xiàn)多臺(tái)機(jī)組存在多項(xiàng)超標(biāo)缺陷，較為典型普遍的缺陷如下：

1)螺栓硬度偏高。如某臺(tái)機(jī)組11條螺栓實(shí)測(cè)硬度381～402(HV)，高于標(biāo)準(zhǔn)320～380(HV)要求。螺栓硬度偏高，將增加脆性，提高斷裂風(fēng)險(xiǎn)。建議對(duì)該批不合格螺栓進(jìn)行更換或重新熱處理，新更換的螺栓在安裝前進(jìn)行合金成分分析、硬度、超聲波等檢驗(yàn)檢測(cè)。

2)塔筒環(huán)焊縫超標(biāo)缺陷未處理。針對(duì)焊縫缺陷，應(yīng)利用超聲波、磁粉或滲透檢測(cè)等方式判定缺陷性質(zhì)及數(shù)量，分析缺陷可能產(chǎn)生的危害程度及缺陷消除、補(bǔ)焊熱處理等對(duì)部件整體的影響，制定詳盡處理措施。

3)變槳回轉(zhuǎn)軸承保持架開(kāi)裂，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土與基礎(chǔ)環(huán)之間開(kāi)裂未處理。未及時(shí)處理，裂縫極易擴(kuò)展加重失效程度。建議對(duì)保持架開(kāi)裂處補(bǔ)焊，填充混凝土夯實(shí)基礎(chǔ)，并對(duì)其他機(jī)組相同位置擴(kuò)大檢查。

4)塔筒材料力學(xué)性能不合格。某風(fēng)機(jī)塔筒材料材質(zhì)為S355NL-Z25，屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為310、315 MPa，低于標(biāo)準(zhǔn)要求下限值345 MPa。屈服強(qiáng)度是材料力學(xué)性能重要技術(shù)參數(shù)之一，該指標(biāo)偏低不合格，將造成設(shè)備提前失效，釀成事故。針對(duì)此類問(wèn)題，采取更換處理為首要選擇，但也應(yīng)充分考慮實(shí)際情況，若更換處理困難，應(yīng)委托第三方機(jī)構(gòu)對(duì)該材料進(jìn)行安全狀態(tài)評(píng)估，根據(jù)分析結(jié)果決定進(jìn)一步處理措施。

5)塔筒內(nèi)部、螺栓及墊片、齒輪箱銹蝕。長(zhǎng)期銹蝕狀態(tài)下，將嚴(yán)重腐蝕金屬部件，造成壁厚減薄、產(chǎn)生裂紋、螺紋咬死等缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致部件提前失效。為此可采用加設(shè)防護(hù)罩、涂刷油漆等方式改善運(yùn)行環(huán)境，提高部件防腐能力。對(duì)已銹蝕部件表面可利用滲透、超聲波方法檢查可能產(chǎn)生的裂紋缺陷、壁厚減薄情況。

2.4 金屬監(jiān)督檔案不完善

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)缺少金屬部件監(jiān)造資料、材質(zhì)證明書(shū)、制造和安裝階段缺陷統(tǒng)計(jì)和閉環(huán)信息、運(yùn)維階段金屬檢驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)等。該問(wèn)題在各風(fēng)場(chǎng)中均不同程度存在，問(wèn)題率100%。突出表現(xiàn)為：

1)未建立健全包含螺栓種類、材質(zhì)、規(guī)格、型號(hào)、安裝位置等信息在內(nèi)的數(shù)據(jù)庫(kù)臺(tái)賬。各位置螺栓種類及數(shù)量眾多，不同類型螺栓技術(shù)要求差異大，未對(duì)各類螺栓進(jìn)行精確定位、編號(hào)及科學(xué)記錄存檔，不利于開(kāi)展螺栓檢驗(yàn)、力矩檢查及更換處理等動(dòng)態(tài)管理工作，更對(duì)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(xì)的記錄等資料可以為部件的狀態(tài)及失效分析、處理措施及防事故方案提供依據(jù)。

針對(duì)以上問(wèn)題，應(yīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)資料按科學(xué)原則集中整理歸檔，缺失資料應(yīng)聯(lián)系供應(yīng)廠家補(bǔ)齊，并統(tǒng)一建立與紙質(zhì)資料一致的電子檔案資料，備份多份，避免發(fā)生因技術(shù)人員崗位變動(dòng)、計(jì)算機(jī)故障等因素造成的資料丟失風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)更新臺(tái)賬，實(shí)施動(dòng)態(tài)管理。

2.5 技術(shù)人員專業(yè)水平欠缺、培訓(xùn)力度不足

作為金屬技術(shù)監(jiān)督的負(fù)責(zé)主體，技術(shù)人員在金屬監(jiān)督工作中起著關(guān)鍵性作用。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查了解，風(fēng)電場(chǎng)各技術(shù)人員對(duì)風(fēng)電機(jī)與節(jié)能、絕緣與電氣二次、熱工、化學(xué)、金屬等專業(yè)均有了解，基本滿足日常的機(jī)組檢修運(yùn)行需要。但在某一技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)深度方面嚴(yán)重欠缺，專業(yè)性不夠，表現(xiàn)為對(duì)金屬監(jiān)督概念模糊，事件事故分析處理能力差，不具備開(kāi)展全面技術(shù)監(jiān)督工作的能力。

風(fēng)電場(chǎng)多地處偏遠(yuǎn)，值班班組人員數(shù)量有限，工作任務(wù)量大，由此造成技術(shù)人員學(xué)習(xí)時(shí)間及精力嚴(yán)重不足。為提高人員專業(yè)水平，應(yīng)定期組織員工參加公司內(nèi)部、外單位組織的技術(shù)培訓(xùn)，系統(tǒng)全面地學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，提高專業(yè)能力水平。建議在注重培養(yǎng)全專業(yè)基本技能以解決一般工作問(wèn)題的同時(shí)，還應(yīng)科學(xué)安排各技術(shù)人員在某一專業(yè)上有針對(duì)性地深入學(xué)習(xí)研究，培養(yǎng)“一專多能”復(fù)合型人才。如此有利于提高整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的專業(yè)技術(shù)水平，顯著提高解決專業(yè)疑難問(wèn)題的能力。

2.6 檢測(cè)報(bào)告不規(guī)范

本次檢查各項(xiàng)檢測(cè)報(bào)告發(fā)現(xiàn)：射線探傷報(bào)告未見(jiàn)級(jí)別判定和結(jié)論；定檢報(bào)告中，螺栓力矩校驗(yàn)缺少檢驗(yàn)比例、螺栓位置及力矩設(shè)定值等基本信息；焊縫、螺栓報(bào)告中未說(shuō)明被檢位置，缺少檢測(cè)記錄圖等必要的檢測(cè)記錄；超聲波檢查報(bào)告未見(jiàn)檢驗(yàn)及審核人簽字。檢測(cè)報(bào)告是檢測(cè)試驗(yàn)的科學(xué)客觀記錄，報(bào)告信息錯(cuò)誤、缺失、不規(guī)范將嚴(yán)重影響對(duì)設(shè)備狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷。建議風(fēng)電場(chǎng)加強(qiáng)檢測(cè)報(bào)告的審核力度，提高檢測(cè)報(bào)告的科學(xué)性、規(guī)范性。

3 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)此次現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)監(jiān)督全面檢查，發(fā)現(xiàn)各風(fēng)電場(chǎng)在技術(shù)、管理方面存在多項(xiàng)嚴(yán)重問(wèn)題。監(jiān)督檢查結(jié)果表明，風(fēng)電場(chǎng)檢修檢驗(yàn)各環(huán)節(jié)工作不完善，異常事件分析處理能力不足，技術(shù)監(jiān)督水平薄弱，嚴(yán)重滯后于風(fēng)電機(jī)組的迅猛發(fā)展。因此，應(yīng)全面分析各項(xiàng)暴露問(wèn)題，編制差異化、附有針對(duì)性的問(wèn)題整改方案，嚴(yán)格執(zhí)行，并對(duì)整改結(jié)果進(jìn)行復(fù)查，及時(shí)存檔，施行全過(guò)程閉環(huán)管理。