海上风电机组叶片维修案例分析

张亚鹏 史亚军 刘军升

（浙江华东工程咨询有限公司，杭州 310000）

1 技术背景

随着大量海上风电项目建设提速，为实现2021年年底全容量并网发电的目标，使用户享受补贴电价，新一轮抢装热潮也随之出现。叶片是风力发电机组捕获风能的核心部件，是风力发电机组中承受载荷最复杂并长期直接面对风雨侵蚀的部件，其状态直接影响了机组发电效率[1]。为了保证叶片的强度、寿命，并减轻其质量，现阶段叶片材料主要为聚合物基复合材料。

叶片质量问题关乎风力发电机组可靠性和发电量这两大重要指标。在无法获得专业检查及维修的情况下，叶片轻微损伤会逐步演变为重大损伤，严重时甚至会引发倒塔等事故，从而造成巨大的经济损失[2]。但这些轻微损伤只要维修及时，就可以避免二次事故发生，从而节约维修成本。

海上风电机组的叶片要经过陆上运输和海上运输两个步骤才能到达指定机位起吊。运输过程中，要先将叶片吊装至专用车辆再运输至码头指定位置，然后在码头将叶片吊装至运输船舶。通常情况下，运输船需要装载一套叶片及部分散件才能发往指定机位和由于运输船舶大小的限制，叶片装船的间距过小，再加上海况等条件会导致运输船晃动，海上起吊叶片时容易产生磕碰。另外，在叶片吊装完成后，若遇到需要维修的情况，也会涉及到船舶调配、海上作业、高空作业等情况。这些情况的施工难度大，施工成本高，为海上风电机组的运维带来了巨大挑战。

海上风力发电机组叶片的检修作业，可以用“高”“险”“难”3个特点来概括。首先，“高”是指目前海上风电机组塔筒平均高度在海平面以上100 m左右，对叶片进行检查维修是典型的高空作业。其次，“险”是指对海上机组叶片进行检修的过程中，要求与船舶通信畅通、协同作业，作业人员要在叶片结构表面完成长达数小时的检修。最后，“高”和“险”的作业条件、作业空间限制、工器具及材料缺少承载平台，给施工增加了难度[3]。

2 叶片破损情况说明

2020年12月26 日，某风电场内进行35 kV海缆敷设施工时，发现该机组J009叶片后缘有一处缺失损伤，如图1所示。通知叶片安装单位及叶片厂家到场检查叶片损伤情况后，经过现场检查及会议讨论，决定采用如图2所示的吊篮在塔筒外高处进行作业，对损伤部位进行维修处理。

图1 机组叶片损伤情况

图2 双人电动吊篮

3 维修准备

维修叶片前，根据气象预报选择晴朗、无风的天气进行作业，并保证作业时的环境相对湿度不大于85%，以确保叶片维修的质量[4-5]。作业前，将风机停机，并调至维护状态，然后将待修叶片锁定为Y字形向下垂直，同时锁定叶轮机械锁，以确保维修作业时叶片不会转动，随后按照如图3所示的流程进行施工前准备。

图3 吊篮准备工作流程图

3.1 固定点选择

首先，在交通船上组装好吊篮篮体、电机和电控箱等设施。其次，用吊车将吊篮用的钢丝绳、安全绳、电缆线及其他配件吊装到塔筒外平台，并通过塔筒内的电梯将吊篮用的钢丝绳、吊带、卸扣及安全生命绳等吊送到机舱。再次，以机舱内左侧齿轮箱吊点和左侧机舱的吊点为左侧电机两根钢丝绳的锚点，以右侧齿轮箱吊点和右侧机舱的吊点为右侧电机两根钢丝绳的锚点，并将这两点作为吊带的固定点，将钢丝绳上端与吊带之间通过卸扣相连接。最后，将2根安全生命绳系在机舱内独立于钢丝绳吊点外的牢固点，然后分别将2根钢丝绳由机舱顶部前端的天窗投放到塔底，并将安全生命绳由风机侧面天窗投放到塔底。钢丝绳的吊带及安全绳通过机舱的拐点或锐边时，要用绳索护套或防磨损的护套进行保护。

3.2 吊篮安装

将钢丝绳由塔筒外平台牵引到交通船上，并依次穿入吊篮电机和安全锁，然后选择长于预定抛锚点最大水深3 m的起锚绳，将其一端牢固系在船锚上，再将另外一端系上浮标。之后在吊篮左侧固定一个手扳葫芦牵引主风绳，并将主风绳一端牢固系在船锚上，另一端与手扳葫芦末端钢丝绳相连接，然后将吊篮右侧固定一根风绳当作辅助风绳，由一名人员牵引风绳，另一名人员操作吊篮上升到塔筒平台护栏高度，将吊篮停放在塔筒平台，并选择风机内合适电源接线点给吊篮供电。

3.3 船机协作

由交通船携带系有主风绳和起锚绳的船锚、辅助风绳的一端以及一名辅助风绳牵引人员驶离机组塔基。依据海缆施工图以及现场风机的J形管出口方向，确定海缆的走向。交通船驶离塔基200 m后，在非放缆位置的方向将固定风绳的船锚垂直抛入海水中，随后在塔基用吊篮的手扳葫芦反向收紧主风绳，以测试船锚是否牢固，并在拉风绳的绳索段悬挂红色警示旗。随后交通船携带辅助风绳在船锚浮标右侧约50 m、距离塔基约150 m外非放置海缆的位置抛锚停船。同时，对施工区域，特别是吊篮主风绳经过的区域进行警戒，有其他船舶经过时提前鸣笛示警并使其远离施工区域。依据现场需求，对讲机统一频率，以确保即时通信畅通。

3.4 检查及注意事项

吊篮准备完成后，由维修人员穿戴好安全带、救生衣，并携带工器具和材料，在距离塔筒平台高0.5 m的位置对吊篮进行测试，确保吊篮上下及自锁正常。吊篮升起前，将吊篮内物品及工器具摆放整齐，并将使用的零散小工器具和材料单独放置在工具箱内。打磨机等工具使用时要增加带弹力的工机具固定绳套，以避免工器具掉落。

4 叶片维修

吊篮确认正常、工器具摆放整齐后，由维修人员操作吊篮上升到待修叶片的损伤位置。上升过程中，由吊篮操作人员操作手扳葫芦靠近叶片，并适当收紧交通船上的另外一根辅助风绳。同时，由吊篮操作人员手扶叶片辅助防止吊篮晃动。吊篮前部上端要用软泡沬或棉布等软材料进行保护和缓冲，以防止吊篮与叶片接触时损坏叶片。到达指定维修位置后，按如图4所示的流程对叶片进行维修。

图4 叶片维修工艺流程图

首先，在其他同类型叶片与损伤部位相同的位置手糊两层双轴布，并使用预制内衬板按照如表1所示的比例对叶片后缘缺失区域PS面进行打磨；其次，打磨时要检查损伤部位涉及的玻纤种类和层数；再次，完成打磨错层后，在合模缝结构胶和SS面内蒙皮区域打磨合适大小的区域，用以放下内衬板，并用结构胶将内衬板粘接在预打磨区域；最后，对结构胶进行加热处理，等待结构胶固化后进行修复工作。

表1 纤维布打磨及错层尺寸

4.1 PS面蒙皮修复

修复PS面蒙皮时，需要依据损伤打磨错层时确定的玻纤布种类及大小对玻纤布进行剪裁，并按照树脂厂家给出的配比比例对树脂进行称重配比。配比完成后，将树脂各组分混合搅拌均匀，并使用混合搅拌均匀的树脂对玻纤布进行漫润，然后用预先在内衬板上涂覆的树脂充分润湿维修区域，之后再进行玻纤布铺设。

4.2 后缘合模缝结构胶修复

修复后缘合模缝结构胶时，要按照PS面修复方案对SS面进行打磨错层，并将粘接的内衬板打磨掉，以清理维修区域。清理完成后，按照结构胶厂家给出的配比比例，对结构胶进行称重配比。配比完成后，将结构胶各组分混合搅拌均匀，再参照损伤处两侧的结构胶厚度填充结构胶。结构胶刮填后，对结构胶进行加热，待胶粘剂表面干后进行后续操作。

4.3 SS面蒙皮修复

修复SS面蒙皮时，应参照PS面修复方案对SS面进行修复。修复完成后，在整个维修区域铺设一层在4个方向各大50 mm的双轴布进行补强。补强布包覆区域，由SS面经后缘至PS面。为了节省打磨时间并吸收表面多余的树脂，玻纤铺设完成后要在整个维修区表面覆盖一层脱模布。

4.4 后处理

玻璃纤维铺设完成后，要对维修区域加热3 h，加热温度为70 ℃。待树脂固化后，撕去表面脱模布，并任意选择5个点测试固化后的硬度，硬度均大于75 HD方为合格。随后用P80砂纸打磨叶片维修表面，并用棉纱或毛巾把表面灰尘擦干净，然后用腻子刮涂待修部位，确保将该部位刮平顺、随型。待腻子固化后，将腻子打磨光滑并将表面灰尘清理干净。最后，用纸胶带将整个维修区域标记为矩形，再按油漆配比均匀混合油漆，对整个维修区域滚涂2遍油漆。滚涂第二遍时要在第一遍表面干燥后进行，随后撕去边缘纸胶带，叶片修复完成。

叶片修复完成后，经检查，叶片表面无漏点，从侧面看叶片表面无反光、无污渍，且油漆完好。该机组目前已投入运行，叶片未见其他故障。

5 结语

海上风电机组叶片的缺陷主要来自环境因素和人为因素两个方面。在环境因素方面，由于叶片直接受到风雨、雷电、冰雪等的侵蚀，随着时间的推进和环境的作用，缺陷将逐渐累积并扩展。在人为因素方面，目前海上风电大量并快速发展，但风机吊装作业常受到海况和天气影响，导致施工窗口期短，工人经常赶工，因此叶片在装船、运输、起吊等过程都容易产生缺陷。此外，由于叶片扫掠面积较大，部分施工船舶靠近风机作业时也可能与叶片产生磕碰，从而造成叶片缺陷。

因此，为了确保海上风电机组持续稳定运行，缩短故障处理时间，减少故障导致的电量损失，要做好船舶协调作业工作，并对海上风电机组进行定期外观检查，避免因结构失效带来的事故及二次伤害。目前，本文探讨的海上风电机组叶片吊篮维修方案已成功应用，为同类叶片维修工程提供了参考。