Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10687-5:2025 (IEC 61400-5:2020) về Hệ thống phát điện gió - Phần 5: Cánh tuabin gió

Tóm tắt mang tính tham khảo.

Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10687-5:2025 (IEC 61400-5:2020) về Hệ thống phát điện gió - Phần 5: Cánh tuabin gió quy định các yêu cầu kỹ thuật chuyên sâu về thiết kế kết cấu, xác thực mô hình, quy trình sản xuất, kiểm soát chất lượng, cũng như công tác lắp đặt, vận hành và bảo trì đối với cánh tuabin gió. Tiêu chuẩn này áp dụng đối với các tổ chức, cá nhân hoạt động trong lĩnh vực thiết kế, thử nghiệm, chế tạo, giám định, vận chuyển, lắp đặt và bảo dưỡng cánh tuabin gió thuộc hệ thống phát điện gió tại Việt Nam. - Thiết kế kết cấu và phân tích số của cánh tuabin gió Tiêu chuẩn đưa ra các quy định nghiêm ngặt đối với việc thiết kế số và phân tích kết cấu cánh tuabin gió nhằm chứng minh mức độ an toàn chấp nhận được và kiểm tra xác nhận tính toàn vẹn của kết cấu. Phương pháp thiết kế trạng thái giới hạn được áp dụng theo tiêu chuẩn ISO 2394, sử dụng cách tiếp cận xác định hoặc tiếp cận dựa trên độ tin cậy (xác suất). Các nội dung phân tích cốt lõi bao gồm: Công thức tính toán tải trọng thiết kế: Tải trọng thiết kế được xác định theo công thức Fd = γf * Fk , trong đó Fd là giá trị thiết kế của tải trọng, γf là hệ số an toàn từng phần đối với tải trọng, và Fk là giá trị đặc trưng của tải trọng. Bốn loại phân tích trạng thái giới hạn bắt buộc: Bao gồm phân tích độ bền cực hạn; phân tích độ bền mỏi; phân tích độ ổn định; và phân tích độ võng cực hạn (bao gồm ảnh hưởng cơ học tương tác giữa cánh và tháp). Ngoài ra, lỗi liên sợi (IFF) phải được đánh giá để kiểm tra xác nhận lớp mỏng bằng cách sử dụng tải đặc tính Fk (với γf = 1,0). Phân tích độ bền cực hạn: Kiểm tra kết cấu cánh đối với tất cả các chế độ lỗi sợi, lỗi liên sợi, lỗi giữa các lớp, sự tách lớp hoặc mất liên kết do ứng suất cắt ngoài mặt phẳng và ứng suất pháp ngoài mặt phẳng ở các vùng chuyển tiếp độ dày, kết nối bu lông, mối nối dính. Đồng thời, phải phân tích lỗi vật liệu lõi sandwich do tải trọng kéo, nén và cắt. Phân tích độ bền mỏi: Thực hiện bằng cách sử dụng các giá trị thiết kế của tải trọng. Tiêu chuẩn cho phép sử dụng phương pháp tích lũy thiệt hại tuyến tính theo hướng sợi Palmgren-Miner để tính tổng thiệt hại dựa trên biểu đồ tuổi thọ không đổi (đường cong SN). Phân tích mỏi cũng có thể dựa trên phương pháp tiếp cận chịu lỗi (damage tolerance), yêu cầu chứng minh hỏng hóc ở một chế độ lỗi không làm ảnh hưởng đến tính toàn vẹn kết cấu của cánh trong suốt tuổi thọ thiết kế. Phân tích độ ổn định: Đánh giá cả hiện tượng mất ổn định toàn bộ (mất ổn định của tấm kết cấu chịu tải chính như cánh xả dọc, bụng xà dọc, xà đuôi cánh) và mất ổn định cục bộ (tấm mặt bị uốn cong hoặc nếp nhăn). Phân tích độ võng cực hạn: Hệ số an toàn từng phần vật liệu đối với độ võng cực hạn (γm) mặc định là 1,1 nhằm tính đến độ không đảm bảo về độ cứng tổng thể và sự biến đổi giữa các cánh. Hệ số này có thể giảm xuống 1,05 nếu đặc tính đàn hồi được xác nhận qua thử nghiệm quy mô đầy đủ, hoặc giảm xuống dưới 1,05 (nhưng không thấp hơn 1,00) nếu tính nhất quán được chứng minh bằng số liệu thống kê trên nhiều cánh tương tự. - Yêu cầu kiểm tra xác nhận và xác thực mô hình thiết kế Việc xác thực mô hình số và phương pháp phân tích đóng vai trò quyết định trong việc đảm bảo độ tin cậy của thiết kế cánh tuabin: Độ phân giải mô hình: Mô hình phân tích kết cấu phải đảm bảo độ phân giải tối thiểu theo chiều dọc cánh (ít nhất 12 mặt cắt ngang dọc theo chiều dài cánh với khoảng cách quy định giữa các phần không lớn hơn 1 đến 2 lần độ dài dây cung nhỏ nhất tùy từng đoạn) và độ phân giải hướng dây cung đủ chi tiết. Xác nhận mô hình tổng thể bằng thử nghiệm: Thiết kế phải được xác nhận thông qua so sánh với kết quả thử nghiệm cánh trên quy mô đầy đủ. Sai lệch tối đa cho phép không cần chứng minh thêm là ± 7% đối với độ lệch uốn tổng thể tại trạm mang tải ngoài cùng, ± 5% đối với tần số riêng thứ nhất theo hai hướng chính, và ± 10% đối với biến dạng dọc trục. Thử nghiệm cấp trung gian: Khuyến khích thực hiện thử nghiệm ở cấp độ phần tử, chi tiết hoặc thành phần phụ (như nếp nhăn, đường liên kết, bu-lông chữ T, vùng cắt lớp) để thu thập dữ liệu có ý nghĩa thống kê, thử nghiệm trong các điều kiện môi trường khác nhau và làm cơ sở giảm hệ số an toàn từng phần (PSF). - Hệ số an toàn từng phần của vật liệu (γm) Hệ số an toàn từng phần đối với vật liệu được xác định theo công thức thực nghiệm: γm = γm0 * γm1 * γm2 * γm3 * γm4 * γm5 . Trong đó: γm0 (Hệ số vật liệu nền): Mặc định là 1,20 cho tất cả các phân tích độ bền và độ ổn định nhằm bao quát các độ không đảm bảo cơ bản. Hệ số này có thể giảm xuống tối thiểu là 1,0 để bù cho hệ số hậu quả γn > 1,0 sao cho tích của chúng bằng 1,20. γm1 (Hệ số suy bằng môi trường): Tính đến các tác động không thuận nghịch lâu dài như lão hóa hóa học, bức xạ UV, độ ẩm, độ mặn và rão. γm2 (Hệ số ảnh hưởng của nhiệt độ): Giải thích những thay đổi thuận nghịch ngắn hạn về đặc tính cơ học theo nhiệt độ vận hành. γm3 (Hệ số ảnh hưởng đến sản xuất): Đánh giá tác động của dung sai chế tạo, kiểm soát các đặc tính chất lượng trọng yếu (CTQ) và tính năng vật liệu ở giới hạn dung sai. Tiêu chuẩn cung cấp hướng dẫn chi tiết về phân tích tác động của biến đổi sản xuất đối với độ bền cực hạn, độ bền mỏi, lỗi liên sợi, độ oằn và liên kết dính. γm4 (Hệ số độ chính xác tính toán và xác nhận phương pháp): Là tích của hệ số xác thực mô hình (γm4a) và hệ số mô hình mỏi (γm4b). γm5 (Hệ số đặc trưng hóa tải trọng): Là tích của hệ số phân giải hướng tải trọng (γm5a) và hệ số tính tải trọng mỏi (γm5b). - Kiểm tra xác nhận các thành phần kết cấu cụ thể Tiêu chuẩn quy định chi tiết các hệ số an toàn từng phần áp dụng cho từng trường hợp kiểm tra cụ thể: Độ bền cực hạn và độ bền mỏi của tấm nhiều lớp: Quy định các giá trị hệ số cụ thể tùy thuộc vào mức độ kiểm soát môi trường, nhiệt độ, dung sai sản xuất và phương pháp xác thực mô hình. Lỗi liên sợi (IFF): Phải chứng minh có đủ sự an toàn chống lại tác động của IFF bằng một trong ba phương pháp: chứng minh bằng phân tích không xảy ra vết nứt ma trận (sử dụng giả thuyết Puck, Larc03 hoặc VDI 2014); chứng minh vết nứt nền không ảnh hưởng đến tính toàn vẹn kết cấu; hoặc thử nghiệm toàn bộ cánh thành công. Độ bền cực hạn của lõi sandwich: Áp dụng hệ số an toàn đối với các đặc tính chịu lực cắt và lực nén ngoài mặt phẳng của lõi bọt xốp, gỗ hoặc tổ ong. Độ ổn định tĩnh tổng thể và cục bộ: Cho phép hành vi ổn định sau oằn với điều kiện không gây lỗi kết cấu dưới tải trọng thiết kế, không gây hỏng mỏi cục bộ và không làm cánh bị lệch quá mức. Mối nối liên kết dính: Đánh giá độ bền cực hạn và độ bền mỏi của liên kết dính, xem xét chất kết dính, bề mặt đường liên kết, độ dày keo và hiện tượng bong tróc. Hệ số γm4 dao động từ 1,00 đến 2,00 tùy thuộc vào phương pháp phân tích (ứng suất trung bình, phần tử hữu hạn FE hoặc cơ học đứt gãy) và mức độ xác thực bằng thử nghiệm. Bề mặt kết cấu bắt chặt bằng cơ khí: Áp dụng cho kết nối giữa cánh và trục rôto (gốc cánh), cơ cấu phanh đầu hoặc các cánh phân đoạn. Phải phân tích đặc biệt đối với kết cấu gốc cánh do ảnh hưởng của lớp dày và hiệu ứng ba chiều (lực cắt giữa các lớp, nêm). Các chế độ lỗi bổ sung: Thiết kế phải tích hợp hệ thống chống sét (theo TCVN 10687-24); đánh giá khả năng hao mòn do mưa, bụi, cát ở mép đầu và đầu cánh; bảo vệ chống tác động môi trường (ẩm, UV, hóa chất bảo trì, ăn mòn điện hóa giữa sợi carbon và kim loại) và ngăn ngừa tích tụ nước trong cánh. - Yêu cầu đối với quá trình sản xuất và kiểm soát chất lượng Quá trình chế tạo cánh tuabin gió phải tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn kỹ thuật để đảm bảo tính lặp lại và sự phù hợp với thiết kế: Đánh giá rủi ro và quy định kỹ thuật: Phải lập đánh giá rủi ro cho từng bước sản xuất (ví dụ PFMEA), xác định các thông số quá trình chính yếu và lập kế hoạch kiểm soát chất lượng. Yêu cầu nhà xưởng: Nhà xưởng phải duy trì nhiệt độ phòng từ 16 °C đến 30 °C và độ ẩm tương đối từ 20 % đến 80 % RH khi vật liệu cán mỏng tiếp xúc với không khí. Khu vực sản xuất phải được tách biệt để tránh ô nhiễm. Thiết bị đo lường, trộn nhựa, cảm biến nhiệt độ phải được hiệu chuẩn định kỳ. Hệ thống quản lý chất lượng (QMS): Nhà sản xuất phải áp dụng hệ thống QM đáp ứng tối thiểu tiêu chuẩn TCVN ISO 9001. Kiểm soát các quá trình chế tạo đặc thù: Quy định chi tiết quy trình phủ gelcoat, gia công tấm nhiều lớp (vị trí lớp, sự thẳng hàng của sợi), ép và đóng cứng nhựa (kiểm soát tỷ lệ trộn, chân không, nhiệt độ, thời gian đóng cứng), liên kết dính (chuẩn bị bề mặt, độ dày đường keo, thời gian mở), cắt tỉa, hoàn thiện bề mặt (sơn, bảo vệ cạnh đầu LEP), và cân bằng khối lượng (ghi lại tổng khối lượng, trọng tâm và mômen khối lượng). Sử dụng sợi tự nhiên: Đối với cánh sử dụng gỗ, tre hoặc sợi tự nhiên khác, phải kiểm soát chặt chẽ chủng loại, tuổi, vùng sản xuất, độ ẩm và tính đến sự biến thiên lớn của đặc tính cơ học. Kiểm soát chất lượng và truy xuất nguồn gốc: Thiết lập quy trình kiểm tra đầu vào đối với cốt sợi, nhựa, chất kết dính, prepreg, lõi và bu lông. Hồ sơ sản xuất của từng cánh (gồm số sê-ri, giá trị CTQ, báo cáo không tuân thủ NRC, số lô vật liệu) phải được lưu trữ an toàn trong suốt tuổi thọ thiết kế của cánh. Xử lý sự không phù hợp và sửa chữa kết cấu: Mọi sự không phù hợp phải được ghi lại và phân loại. Việc sửa chữa kết cấu (cắt/mài sợi liên tục, thay thế keo hoặc lõi) phải có thông số kỹ thuật đầy đủ, được nhà thiết kế phê duyệt và phân tích lại hệ số an toàn từng phần phù hợp. Kiểm tra cuối cùng và ghi nhãn: Thực hiện kiểm tra hình học, khối lượng, cân bằng, hệ thống thoát nước, chức năng hệ thống chống sét và phanh khí động học. Mỗi cánh phải được ghi nhãn cố định bằng số sê-ri duy nhất, tên nhà chế tạo, ký hiệu kiểu và tham chiếu góc chỉnh đặt bước cánh. - Hướng dẫn lắp đặt, vận hành và bảo trì cánh tuabin Nhà thiết kế và chế tạo phải cung cấp đầy đủ thông tin hướng dẫn để đảm bảo an toàn trong suốt vòng đời của cánh: Vận chuyển và lắp đặt: Sổ tay hướng dẫn phải quy định rõ quy trình nâng hạ, vận chuyển, bảo quản; xác định vị trí trọng tâm (CG), các khu vực cho phép nâng đỡ và gá đặt; quy định gia tốc và tải trọng tối đa cho phép trong quá trình vận chuyển; quy định số lượng bu lông tối thiểu và lực siết (mômen xoắn) tại gốc cánh. Bảo trì và kiểm tra định kỳ: Quy định quy trình làm sạch cánh (bao gồm giới hạn sử dụng hóa chất), kiểm tra hệ thống chống sét, và thiết lập lịch trình kiểm tra định kỳ đối với các vị trí trọng yếu như mép trước, mép sau, nắp dầm chính, kết nối gốc cánh, lỗ thoát nước, hệ thống phanh đầu cánh và các tấm chịu cắt bên trong. - Hiệu lực thi hành Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10687-5:2025 (IEC 61400-5:2020) có hiệu lực thi hành kể từ ngày ban hành theo quyết định của cơ quan nhà nước có thẩm quyền. Các tổ chức thiết kế, chế tạo và vận hành hệ thống phát điện gió cần chủ động áp dụng các hướng dẫn và hệ số an toàn nêu trên để đảm bảo tính tương thích và an toàn vận hành của công trình.