叶片修复复合材料 - 副本.doc

风机叶片修复材料浅谈
内容摘要
风力发电机组长期在恶劣的自然环境中暴露运行，不仅要承受强大的风载荷，还要经受气体冲刷、砂石粒子冲击，以及强烈的紫外线照射等外界侵蚀。为了提高损伤修复过程中所使用复合材料的载荷、耐腐蚀和耐冲刷等性能, 必须对所使用叶片修复材料中的树脂基体系统进行精心研究和筛选, 对传统叶片修复工艺进行创新。采用性能优异的环氧树脂, 改善玻璃纤维/树脂界面的粘结性能, 提高叶片的承载能力, 扩大玻璃纤维在大型叶片中的应用范围。研究结果表明叶片修复过程中合理使用的复合材料完全可以达到在恶劣工作环境中长期使用的性能要求。
关键词: 风力机; 叶片; 环氧树脂;

引言
随着风力发电机单机功率的不断提高，叶片的质量和尺寸也越来越大，对叶片的要求也越来越高：要求叶片质量轻且分布均匀，外形尺寸精度控制准确；具有最佳的疲劳强度和机械性能，能经受暴风等极端恶劣条件和随机负荷的考验；叶片旋转时的振动频率特性曲线正常，传递给整个发电系统的负荷稳定性好；耐腐蚀、抗紫外线照射和抗雷击的性能好；发电成本较低，维护费用最低。叶片的材料越轻、强度和刚度越高，叶片抵御载荷的能力就越强，叶片就可以做得越大，它的捕风能力也就越强。因此，轻质高强、耐蚀性好、具有可设计性的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料是目前国内大型风机叶片生产及修复的首选材料。
本文主要探讨了风机叶片生产和修复过程中所用的主要材料玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，以及PVC材料。

一、叶片损伤原因
为了提高风机的发电效率，风机绝大多数处在地理、气候环境相对恶劣的地区，从而导致风机叶片容易遭受损伤。
其中对于风机叶片发生故障率最大的损伤原因是雷击，而且雷击往往会给风机叶片带来较严重的损伤甚至报废。
其次为风沙磨损、酸雨腐蚀，导致叶片表面出现麻点，影响风机使用寿命。
飞鸟撞击也是造成风机叶片损伤的一大杀手，由于风机所在地人眼稀少，所以飞鸟较多，飞鸟撞击往往会使风机叶片表面大面漆胶衣脱落。
另外由于风机叶片质量和体积较大，所以运输和吊装存在较大难度，不可避免的造成一定程度的损伤，发生率较小但若发生后果不堪设想，可能直接导致叶片报废，不可修复。
最后叶片材料老化也是导致风机叶片损伤的一大原因，但是由于材料质量在不断提高，所以发生概率会越来越小。

二、叶片损伤实例照片

风沙磨损造成的损伤

飞鸟撞击造成的损伤

吊装运输是造成的损伤

材料老化自然开裂造成的损伤

三、叶片损伤部位及概率
以装机容量为5万kw的某风场33台某国产风机为例，巡检33台投运将近2年风机，其中5台风机的5支叶片存在不同程度的损伤，单台风机叶片出现故障率高达15%左右，而且发现其中3台风机为叶片损伤部位在叶尖，叶尖损伤概率达60%。
四、叶片修复的必要性
国内的风力发电场遍布大江南北，所处地理条件和气候环境各不相同。北方的低温、风沙、强辐射、雷雨天气集中，南方的高温、高湿、盐雾、飞鸟多等都存在各自不同的自然条件。再加上国内投运风机型号种类繁多导致所使用叶片的结构、材料更是五花八门，其综合性能差异较大，风机选址也经常性的为了提高发电量而将风机树立在最高点，而致使风机遭受雷击的几率较高，叶片材料也随着投运时间的增长导致其各种性能不断降低而出现不同程度的老化情况。而且风机总是处在条件恶劣的环境中，并且24小时的处于工作状态，这就使材料易于受到损害，一旦某一部位受损，这个部位就成为整支叶片的薄弱所在，如果不停机及时维修不仅会影响风机发电量及发电效率，而且如果事故扩大就会造成叶片折断、报废甚至出现倒塔等一些列不可预测的严重后果。
五、叶片修复材料的重要性
高质量的叶片修复=50%的叶片修复材料质量+50%材料的正确使用
叶片修复材料主要为环氧树脂材料，而环氧树脂的种类更是五花八门，所以正确的选择环氧树脂材料最为关键。材料的性能上有很大差异，如使用不慎不仅不能达到修复的效果而且还会使损伤范围加大，造成不可修复的严重后果。
六、叶片修复材料性能要求
恶劣的环境和长期不停地运转,对叶片的要求有:比重轻且具有最佳的疲劳强度和机械性能, 能经受暴风等极端恶劣条件和随机负荷的考验;叶片的玻璃纤维增强环氧树脂复合材料弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲线都正常,传递给整个发电系统的负荷稳定性好;耐腐蚀、紫外线照射和雷击性能好。但是随着风机叶片运行时间的增长伴随着叶片老化出现损伤，叶片修复材料必须达到以致超过出厂时的各项性能要求要求，叶片的原材料主要由增强材料、环氧树脂、夹芯材料三部分组成。
叶片修复材料
6．1 增强材料
对于同一种基体树脂来讲, 采用玻璃纤维增强的复合材料制造的叶片其强度和刚度的性能要差于采用碳纤维增强的复合材料制造的叶片的性能。但是, 碳纤维的价格目前是玻璃纤维的10倍左右,由于价格的因素,目前的叶片制造采用的增强材料主要以玻璃纤维为主。随着叶片长度不断增加,叶片对增强材料的强度和刚性等性能也提出了新的要求, 玻璃纤维在2MW 风机复合材料叶片制造中逐渐出现性能方面的不足。为了保证叶片能够安全地承担风能载荷, 风机叶片可以采用玻璃纤维/碳纤维混杂复合材料结构。但是在叶片修复过程中由于所用的碳纤维量较少所以完全可以应用碳纤维增强环氧树脂复合材料对损伤叶片进行修复。
6．2 环氧树脂
环氧树脂应满足以下基本性能条件:
固化方便:选用各种不同的固化剂,环氧树脂体系几乎可以在0-180℃温度范围内固化;
粘附力强:环氧树脂分子链中固有的极性羟基和醚键的存在,使其对各种物质具有很高的粘附力。环氧树脂固化时的收缩性低,产生的内应力小,这也有助于提高粘附强度;
收缩性低:环氧树脂和所用的固化剂的反应是通过直接加成反应或树脂分子中环氧基的开环聚合反应来进行的,没有水或其它挥发性副产物放出。它们和不饱和聚酯树脂、酚醛树脂相比,在固化过程中显示出很低的收缩性(小于2% );力学性能: 固化后的环氧树脂体系具有优良的力学性能;
电性能: 固化后的环氧树脂体系是一种具有高介电性能、耐表面漏电、耐电弧的优良绝缘材料;
化学稳定性:通常,固化后的环氧树脂体系具有优良的耐碱性、耐酸性和耐溶剂性。像固化环氧体系的其它性能一样,化学稳定性也取决于所选用的树脂和固化剂。适当地选用环氧树脂和固化剂, 可以使其具有特殊的化学稳定性能;
尺寸稳定性:上述的许多性能的综合,使环氧树脂体系具有突出的尺寸稳定性和耐久性;
耐霉菌:固化的环氧树脂体系耐大多数霉菌,可以在苛刻的热带条件下使用。
6．3 夹芯材料
为了提高叶片的刚度同时又能减轻叶片的重量, 在叶片中添加了夹芯材料, 常用的夹芯材料有两种, 一种是轻木, 另一种是PVC 泡沫。但是不管是哪种夹芯材料都应满足以下的特点:（1） 比重小;（2）有极高的强度和硬度;（3）比热小, 受气温变化影响小;（4）有良好的抗化学腐蚀性能;（5）有良好的防火性能;（6）与树脂有良好的结合性。
七、满足性能要求的材料种类及特点
7．1增强材料
玻璃纤维增强叶片的受力特点是在玻璃纤维方向能承受很高的拉应力,而其它方向承受的力相对较小。叶片结构是由蒙皮和腹板组成,蒙皮采用夹芯结构, 中间层是轻木,上下面层为玻璃纤维增强材料。面层由单向层和,±45°层组成。单向层可选用单向织物或单向玻璃纤维铺设,一般用7：1或4：1玻璃纤维布,以承受由离心力和气动弯矩产生的轴向应力。为简化成型工艺,可不用±45°玻璃纤维布层,而采用1：1玻璃纤维布,均沿轴向铺设,以承受主要由扭矩产生的剪切应力,一般铺放在单向层外侧。腹板的结构形式也是夹芯结构。但是,在蒙皮与腹板的结合部位,即梁帽处必须是实心玻璃纤维增强结构。这是因为此部分腹板与蒙皮相互作用,应力较大,必须保证蒙皮的强度和刚度。经过对长度为10-60m的叶片进行的统计表明,叶片质量按长度的三次方增加。叶片轻量化对运行、疲劳寿命、能量输出有重要的影响。同时为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架,叶片必须具有足够的刚度。既要减轻叶片的质量,又要满足强度与刚度要求, 有效的办法是采用碳纤维增强材料。碳纤维增强材料的拉伸弹性模量是玻璃纤维增强材料的2-3倍。2MW叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。经过分析,采用碳纤维/玻璃纤维混杂增强的方案,叶片可减重20%-40%。因此采用碳纤维/玻璃纤维混杂增强对抑制质量的增大是必要的,同时降低了风能成本,叶片也可具有足够刚性和长度。尤其是在翼缘等对材料强度和刚度要求较高的部位,使用碳纤维作为增强材料,这样不仅可以提高叶片的承载能力,由于碳纤维具有导电性,及可以有效地避免雷击对叶片造成损伤。
7．2环氧树脂
根据分子结构, 环氧树脂大体上可分为五大类:
缩水甘油醚类环氧树脂、缩水甘油酯类环氧树脂、缩水甘油胺类环氧树脂、线型脂肪族类环氧树脂和脂环族类环氧树脂。
复合材料工业上使用量最大的环氧树脂品种是缩水甘油醚类环氧树脂, 而其中又以二酚基丙烷型环氧树脂(简称双酚A 型环氧树脂)为主。二酚基丙烷型环氧树脂实际上是含不同聚合度的分子的混合物。其中大多数的分子是含有两个环氧基端的线型结构。少数分子可能支化, 极少数分子终止的基团是氯醇基团而不是环氧基。因此环氧树脂的环氧基含量、氯含量等对树脂的固化及固化物的性能有很大的影响。
环氧树脂的控制指标如下:
环氧值: 环氧值是鉴别环氧树脂性质的最主要的指标, 环氧树脂型号就是按环氧值不同来区分的。环氧值是指每100g 树脂中所含环氧基的物质的量数。环氧值的倒数乘以100就称之为环氧当量。环氧当量的含义为含有1mol环氧基的环氧树脂的克数;
无机氯含量: 树脂中的氯离子能与胺类固化剂起络合作用而影响树脂的固化,同时也影响固化树脂的电性能, 因此氯含量是环氧树脂的一项重要指标;
有机氯含量: 树脂中的有机氯含量标志着分子中未起闭环反应的那部分氯醇基团的含量,其含量应尽可能地降低,否则也会影响树脂的固化及固化物的性能;与其粘度或软化点。
应用于2MW 风机复合材料叶片的环氧树脂,最好选用高环氧值(> 0. 40)的树脂,如618、6101,其渗透性好, 强度较好。环氧树脂一般和添加物同时使用,以获得应用价值。添加物可按不同用途加以选择,常用添加物有以下几类: 固化剂、改性剂、填料、稀释剂等。固化剂是必不可少的添加物,选用加温固化的固化剂,一般用酸酐、芳香类固化剂;改性剂的作用是为了改善环氧树脂的柔性、抗剪、抗弯、抗冲、提高绝缘性能等。常用改性剂有: 聚硫橡胶、聚乙烯醇叔丁醛、丁腈橡胶类、酚醛树脂类、聚酯树脂、尿醛三聚氰胺树脂等。
7．3夹芯材料
轻木, 又称南美轻木、巴尔沙木, 它是由紧密排列的细胞结构组成的, 经过烘焙, 杀菌处理 具有轻质高强等特点。是目前叶片夹芯材料中最优的选择。另外考虑材料价格PVC与PE材料也是不错的选择，它具有以下几项共同优点:（1）极高的强度-重量比;（2）突出的抗压缩性能;（3）良好的面板粘接性能;（4）操作简单, 工艺性好;（5）良好的绝热、隔音性能;（6）高抗冲击性和抗疲劳性;（7）良好的阻燃、低烟密度和烟毒性;（8）优良的耐水性能;（9）操作温度范围达到-212℃-163℃。
结构的基础设计是使夹芯结构达到最佳性能的关键。综合考虑夹心层厚度、玻璃纤维类型、玻璃纤维厚度和辅层技术等方面,并配合计算机辅助设计,设计出最佳的、科学的方案。先根据设计铺层将轻木预先裁剪为各种轮廓板。为了便于铺层的粘接,在铺放轮廓板之前可以用树脂对轮廓板进行预浸,并将这部分预浸树脂的重量计算到玻璃纤维和树脂的重量比中。为了获得高质量产品,最重要的是要保持铺层厚度的平衡, 否则三明治结构不可能达到最佳的结构性能。
八、未来所使用的修复材料优势
碳纤维在风力发电机叶片修补中应用的优势：
 （1）提高叶片受损处刚度，减轻叶片增重。 碳纤维的密度比玻璃纤维小约30％，强度大40％，碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃纤维复合材料叶片的两倍。使风机的输出功率更平滑更均衡，提高风能利用效率。
（2）提高叶片抗疲劳性能。
风机总是处在条件恶劣的环境中，并且24小时的处于工作状态。这就使材料易于受到损害。一旦某一部位受损，这个部位就成为整支叶片的薄弱所在。实验表明，在原有玻纤材料叶片受损后采用碳纤维替代修复，抗疲劳特性更为出众，当与树脂材料混合后，则成为了该支叶片最坚固地方所在。
 （3）具有振动阻尼特性。碳纤维的振动阻尼特性可避免叶片自然频率与塔暂短频率间发生任何共振的可能性。使得叶片受损处减少因震动而造成的开裂。

九、结论
综上所述，为了高质量的修复复合材料叶片以达到出厂时的各项标准, 需选用合适的原材料、铺层方案、制造工艺, 才可达到修复后的叶片质量高、力学性能强等特点。近年来商业化生产的风机叶片尺寸增长迅速, 这为风机从自然界中汲取更多能量提供了更好的条件。随着风机叶片的大型化, 势必寻求叶片的轻量化及长寿化,而面对恶劣的气候、环境风机叶片也会遭受不同程度的损伤，因此选用新型材料和修复工艺是必然趋势。随着全球对绿色能源需求的不断提高, 风电市场逐渐成熟和壮大,新型材料和新型工艺的应用前景也会越来越广。
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