2013年10月18日，北京国际风能暨展览会——风电技术论坛——风电故障与分析。北京鉴衡认证中心有限公司风能事业部副总经理杨洪源先生介绍风力发电机组故障及失效分析方法。以下是全文：
杨洪源：大家上午好!下面我介绍一下风电机组故障与失效分析的技术，把风电机组故障和失效分析大概是一个什么样的过程让大家有一个了解。我的介绍主要分成四个部分，一个是风电机组的故障与失效，它是什么样的一个概念。第二部分是失效分析方法的介绍，地三是针对风电机组故障与失效分析应该是什么样的一个方法，最后是得出一个结论。
风电机组失效，我们通常都是不希望它也失效的问题，但是风电机组是一个大型的设备，在使用寿命期里面不可避免会出现一些问题，我们怎么样通过这种失效的分析使它损失降低到最小，甚至是使坏事变成好事，所以我们对失效分析就应该做一些很细致的专业的工作。
介绍一下失效和故障的概念，按照GB/T3178-94的术语，失效是指产品终止完成规定功能的能力这样的事件。故障是指产品不能执行规定功能的状态，预防性维修或者其他计划性活动或者缺乏外部资源的情况除外，这相当于风电机组的定期检查，比如限电，或者风况条件不满足要求的情况。有故障不一定失效，但是失效通常肯定会由于故障产生的。
风电机组是大型复杂的机电装备，机组的可靠性受设计、制造、运行维护，包括使用条件等多方面因素的影响，机组的故障、部件失效，甚至整个机组倒塌的事故也是时有发生。特别是在我们国家，风电这几年都发展的很快，但是对于机组的安全性的认识，还有相关的运行经验还是相对薄弱的。所以说，在已装的机组中，不可避免都存在一些安全的隐患。随着这些机组运行年限的增长，这些部件和机组的失效问题就会逐渐的暴露出来。
下面这个图上给出了两个例子，因为风电机组事故通常都是属于比较敏感的一些信息，所以说要想得到比较全面的和比较新的一些事故情况，还是比较困难。左边这个是由于变桨电池的容量失效，导致机组飞车，最后整个倒塌。右边是维护人在更换叶片的时候，将变桨系统关闭，导致风能在风的作用下启动旋转，因为无法控制而飞车，最后倒塌烧毁。
什么叫失效分析，就是对设备及构建在使用过程中发生的各种形式失效现场的特征及规律进行分析研究，从中找出产生失效的主要原因及防止失效的措施，称之为失效分析，我们一个是要找出失效的原因，第二要防止失效的措施。通过失效分析可以防止类似失效在生命周期内再次发生，使产品的质量得以提高。失效分析的必要性，并不一定出现失效就一定是坏事，因为这是从几个方面。比如19世纪中期的时候德国的铁路频繁的发现断裂的现象，通过对失效现象的总结和研究，最后发现因为之前的设计都只考虑了强度，没有考虑疲劳，因为车载在循环载荷作用下，经历的载荷历程也是比较长，所以疲劳问题比较突出。在这个研究的基础上就发展出来疲劳学这一门学科，现在在结构强度领域，疲劳也是重要的问题。
第二、二战期间，美国的军运飞机运输到中东以后，发现60%记载的电子设备都是不能用的，这样促使他们对电子设备的可靠性去开展研究，然后在1950年的时候，他们是海陆空三军联合成立了一个课题研究小组，专门针对这个问题研究。在1957年，通过七年的研究，发布了一个关于飞机的电子产品的可靠性研究的一个报告，这个报告最后就成为可靠性研究这样一个奠基性的文件。
所以，从这里面可以看出来，很多我们的设计理论，或者说我们的设计方法有可能没有经过长期的工程验证，只有通过在使用过程中的失效，并且对失效问题的解决，有可能引发一些新的技术提出来。另外，在日本30多年前他们的产品也是以产品质量低劣而受影响的，但是现在他们的汽车产品在全世界还是赢得了很好的声誉。其中一个重要原因就是他们在30多年前就开始系统的分析世界各国汽车构建的失效情况，着重研究它的失效原因和改进措施，并且对这个改进措施的结果进行跟踪调查，这样就使日本机械产品到今天，特别是汽车行业是在世界范围内占有明显的优势。现在我们国家的装机容量是非常多的，我们能够基于这些运行的经验，基于这些失效的数据进行研究，我相信随着我们技术的发展，我们的产品也会在世界上占有这样的一些技术优势和质量的保证。
产生失效的主要原因，这个不是只是针对风电，是整个机械产品的失效通常都是这样几个方面。一个是设计不合理，第二个是选材不当，或者材料的缺陷，第三个是制造工艺的不合理。最后一个是使用维护，就是在整个从设计到最后使用的过程都有可能出现这样的一些问题。失效分析，通过几十年的发展，国内外也做了很多研究的工作，然后在各个领域，包括汽车的航空航天的其他的一些工程机械都做了，然后也发展出来相应的一些技术，比如断口分析，裂纹分析，痕迹分析，模拟实验等。
由于风电有自己的特色，风电机组有它的特点，特别是风电机组的制造过程和使用环境条件的恶劣，所以它的失效分析应该是有它独特的一些方法学，方法论的。我们这儿就是根据风电的这些特点，然后给出了这样的一个分析流程。部件或者机组的失效通常由这几个方面造成的，针对每一个方面，在失效分析的时候我们开展工作。
第一、设计方面的问题，这个现在在国内其实原始设计，它通常都是经过了比较严格的计算分析，一般是不会有这样的问题的。但是，国内主要面临的是很多各个从国外引进来以后，它的使用的环境条件和原始设计可能不太一样。比如说国外可能没有低温，或者高原这样的一些问题，还有国外设计的机组安全等级有可能是针对二类的，但是国内有可能风能资源好的地方想用到一类，这样它的设计是不是还满足要求，就可能有底验证。另外，设计方面的问题还有认识不足的时候，比如我们初期接触到有设计，在塔桶厚度，塔桶的连接地方没有按照标准的要求，这样相当于这个地方有一个比较严重的硬力集中。这些问题，当然随着现在技术的发展可能逐渐会减少。但是，又会有新的问题产生。所以说，设计问题也是在整个失效分析中不能忽略的一个方面。
第二、生产制造的缺陷，对风电机组来说，生产制造的环节也是比较多的，有整机的装配，它可能对整个传动链，整个机组都会有一定的影响。其中比较突出的是比如叶片，近几年我们国内叶片出的问题还是比较多，叶片除了设计以外，它的制造过程，它对工艺的要求也是比较高的。
第三、安装维护，安装维护不当，在我们国家也是比较突出，因为在现场安装的条件可能也是有限，另外在某些时间进度要求比较严的情况下，对于安装是怎么样要求，比如说现场的塔桶安装的螺栓拧紧，同时按照标准是要完成几步，对称安装去拧，如果不按照这个执行，可能会存在一些安全隐患。
第四、实际运行条件超出机组运行的限制，第一个是机组安全等级于风电场不匹配，它的设计的使用工况通常使用比较可控，风电是被动的，外界条件怎么样，它就承受载荷，比如汽车和飞机的使用工况我们可以预见到，并且可以去控制，去操作它。对风电机组的失效分析来说，我们要特殊考虑的一个方面，就是它的环境条件是否符合，包括可研皆吨的技术选型，当然不只是风况条件，包括其他条件的影响。第二、我们是不是做到了测风数据的准确，包括对测风设备，测风时间，测风数据处理的要求是不是都满足了。最后，测风也对了，但是风电场的地形也是很复杂的，它的排部对发电量有影响，在追求高的发电量的同时，它有可能存在一些不利的机位，载荷比较大。
对风电机组的失效分析，可能整个就是应该从这些方面都做一些考虑。但是，每个失效可能是不太一样的，我们不会说每一个失效都要全部把这些工作都做一遍，我们可以根据失效的信息进行初步的判断，选择最有可能的方面去做，采用排除法去做。
下面就是结合具体的例子，如果说作为一个塔架的失效分析，大概是在刚才的这些内容的基础上，我们去把它结合具体的失效案例做这样的一个展开。塔架首先它的设计问题，包含了塔架的趋势分析，门框这块，因为它有缺口，用门框加强，加强以后，它的结构相对比较复杂一点，所以要做这样一个硬力分析。另外，塔架的法兰连接，也是比较关键的一个受力部位，通过这样的分析，看看设计方面是不是满足要求了。
第二个方面就是生产制造的缺陷。对塔架来说，有可能是塔桶本身，母材就有这样的问题，所以要对母材进行微观的，机械性能的测试。塔架有一个连接螺栓，它的制造质量也会对这个有影响，所以对螺栓本身，也应该做一些这样的性能的测试。另外塔架都是一个一个拦截断拦截起来的，拦缝的强度对整个的影响也是比较关键的。焊接工艺的控制对它的性能，承载能力也是有很大的影响的。所以，对焊缝位置也需要做这样的一些测试。
另外一个方面就是安装维护不当，这在托架方面有这样的一些先例，有这样的一些问题，就是它在安装维护的过程中，是不是按照这个要求进行的拧紧，维护的过程中是不是也是做到了。比如螺栓拧的不均匀，这个风险就会比较大，如果说都拧的比较大，大的不多也行，但是就怕拧的不均匀，很有可能，本来分三次来施工，它一次就施工完了，有可能拧的后面的时候，前面的螺栓已经松动了。
另外，塔架如果失效，它也是可能和现场的风况有关系，所以通常需要对现场的风况进行分析。如果它是来一阵大风就倒，可能会重点关注它的事故前一段时间的风况，如果它还存在疲劳的这些问题，或者曾经承受过大载荷，也会导致它存在隐患。所以，风况分析也会存在一段时间。包括它的风频分布，湍流的，风向的，以及其他的。
除了这些原因以外，塔架可能还会有一些其他的失效的可能，比如说有一个风轮叶片结冰以后，它的模式会发生改变，这样会影响机组的整合。还有主要部件的更换，这有可能也会导致这个机组的特性发生改变。这个在我们国内还是比较突出的，因为通常原始设计都是经过比较严密的认证，但是使用过程中，通常会更换一些部件，特别是像如果更换叶片，或者更改塔架的高度，这样对它的基础的载荷其实有很大的影响。
综合整个这些方面的分析结构，最后我们能够把整个塔架失效的原因去把它鉴定出来。另外对传动面的故障分析，我们这儿是提出来一个就是在故障诊断的话，今天也有一些介绍，整个故障诊断的研究也是很多，包括一些诊断的设备也都已经有很丰富的应用经验了。但是，我们这儿提出来，在故障分析的时候，除了现场的故障诊断和测试，还应该结合一些仿真模型，帮助我们做整个事故的分析。比如在传动链来说，这个就是一个很好的例子，我们可以通过构建高精度的仿真模型，确定机组的固有模态，进行现场的测试，获取机组的振动数据，利用仿真的计算和样机测试，确定机组的振动来源，振动机组的位置，采取有效的措施。现场测试通常能够发现它的问题，但是有可能不能找到它的根本原因在那儿，以及它的改进方向在那儿。这样通过这样的仿真模型，通过分析手段，我们辅助它做这样的一个故障分析。
这是一个传动链故障分析的例子，我们在样机中测试得到主轴的一个共振频率28.5赫兹，在软件中构建高精度的数字模型，它的能量分布主要是分布在叶片、主轴、齿轮箱的位置，很好的验证了在28.21赫兹左右主轴会有这样的一个共振的现象。这样的话，我们就可以有针对性的做改进措施。最后在软件中的高精度模型进行载荷计算，仿真的时候，可以发现在20几秒的时候，确实会出现这样一个大的载荷的波动，这样我们可以知道由于此齿轮箱的频率激发的。
通过仿真我们也观察到这样一个振动现象，利用数字模型尝试不同的解决方案，有针对性的解决这个问题。对于叶片失效，我们也是根据前面的分析流程给出了主要的分析内容，具体实施的时候会根据实际项目去做这个方案的一个定制。主要包含这些方面，对叶片现在可能主要有两方面的问题，一个是在设计分析的工作可能是有所欠缺，在国内，另外就是它的工艺和质量的控制方面，因为对于叶片来说，这个影响是比较大的，包括施工人员，工厂加工人员的能力和素质，往往也会影响到叶片的质量。
最后我想提到的就是说，通过失效分析，最终的目的是使失效尽量不要发生，所以，防患于未然，我们觉得比事后失效更重要，因为一旦出现事故，不管怎么样都会有经济损失，并且会产生责任纠纷，这样对各方都是不利的。我们防患于未然，可以把这个工作做在前期，比如我们加强设计制造过程中的质量控制，我们在项目初期的时候进行更为细致的工作，包括对特定厂址的评估，做这样的一些工作。另外就是加强风电场运维的管理，通过这些图形使失效减少到更小。当然，另外由于我们的认识不够，导致失效，可能需要我们积累一定的经验，再去解决。谢谢大家!
