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质量问题进入爆发期?由西门子风机事故说起

导读: 近期发生了Repower1.5MW机组主轴断裂和Siemens2.3MW海上风机焊缝断裂两起事故,给风电机组(尤其是海上风电机组)的质量管控蒙上了一层阴影。

  近期发生了Repower1.5MW机组主轴断裂和Siemens2.3MW海上风机焊缝断裂两起事故,给风电机组(尤其是海上风电机组)的质量管控蒙上了一层阴影。这两个风电项目运行时间较长,从一定程度上可以说明此类问题的发生需要经历较长的运行过程,而国内早期的兆瓦级机组运行约为5年以上,如果前期质量管控存在问题,或许将会逐渐进入爆发阶段。

  近期发生的西门子海上风机事故为海上风机开发蒙上了一层阴影(点击“阅读原文”查看《Siemens海上机组于丹麦海域坠海》)。海上风机的安装与维护成本本就比陆上风机高很多,由于交通条件的限制,海上风机的维护周期相对较长,发生故障后的处理及时性也大打折扣。这就要求海上风机相对陆上风机更为强壮(此处之所以强调强壮而非可靠性,原因见后)。

  所谓强壮,是说产品运行过程中的设计缺陷更少出现,甚至不出现在产品的设计寿命范围内。因此,如何确保产品研制过程中,尽可能多的发现并通过优化设计解决潜在的设计缺陷,成为产品研制过程中的一项重要内容。目前风电机组设计过程中广泛参照的GL等认证规范,对于载荷、强度,以及检验方法和验收标准一般都有较为明确的要求。但是随着单机装机容量的不断增大,原有要求中有一些逐渐不再符合现实状态,或者机组事故造成的成本风险增长与原有要求却相对宽松之间的矛盾日益突出。

  例如,GL海上风机认证规范2012版中关于球墨铸铁件的探伤要求,相对2005版增加了针对应力集中区域的缺陷质量要求由3级提升到1级,并且首次提出应力集中区域的探伤必须采取100%检验的方式。质量要求由3级提升到1级,对铸件供应商而言意味着成品率下降,对整机厂而言意味着采购成本的增加。不过增加的成本,相较机组事故降低带来的意外损失成本而言可能相对较低(如果GL在规范修订过程中进行过基于可靠性的成本核算的话)。

  然而在产品研制过程中难以保证一定有适用的标准来确保新研制产品的可靠性,比如西门子生产该机组时新的焊接标准可能还未颁布。为了使产品能够在设计寿命范围内顺利完成服役,产品研制过程中既要运用设计经验规避可预期的设计缺陷,也要防止不可预期的设计缺陷出现。针对不可预期的设计缺陷,可以采用高加速寿命试验的方法来激发。

  高加速寿命试验(HighAcceleratedLifeTest,HALT)乍看起来是一种可靠性试验,但实际上是应用于产品研制过程的设计优化试验。HALT的关键是应用高应力(包括结构应力、振动、温度、电压拉偏、电源循环、酸碱度和湿度,还有一些独特的应力,如时钟频率、直流电压变化和元器件参数变化造成的应力等)快速将产品内部的设计缺陷激发出来,以变成可检测到的故障,对故障进行分析并采取纠正措施改进设计,从而使产品更为强壮;同时,HALT还可以找出产品耐应力极限,包括工作应力极限和破坏应力极限;第三,HALT可以使设计和研制时间缩短,尤其使试验的时间的与成本缩短。但是从HALT的特点可以看出,它也是一种破坏性试验,不可避免的导致样机部分失效,甚至是整体报废,造成研制成本增加。

  衡量增加的研制成本与产品失效带来的成本,以确定是否有必要进行HALT的必要。比如风电机组中的齿轮箱一台造价动辄近百万,HALT成本不菲,但是随着载荷的不断增长,如果新研制的齿轮箱中存在个别未曾出现过的特殊缺陷,一旦出现严重失效,其吊装成本(尤其是批量吊装)则远大于研制阶段的HALT成本,欧洲某知名齿轮箱厂的前车之鉴不容忽视。现在有的欧洲齿轮箱厂在研制出一款新型齿轮箱后,都要进行远超出额定载荷的厂定HALT,甚至要根据整机厂更加严苛的要求进行特定HALT。齿轮箱的HALT测试的主要是传动机构疲劳强度,额定载荷的寿命测试与更大载荷的HALT导致的后果都是传动机构中零件(齿轮、轴承、行星架与外齿圈)的高周疲劳,符合HALT的试验要求(即失效模式一致)。

  随着新研制机组单机装机容量的不断增加,不可预期的设计缺陷会随着运行时间的推移而慢慢发展,乃至导致严重事故发生。基于不同应力模式(振动、温度等)的部件HALT,与整机HALT在欧洲的主要整机厂与研究机构中已付诸实践。作为风机装机容量全球第一的中国,HALT(至少是部件级的HALT)应当也逐步展开。

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