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风电叶片的表面防护系统

国际新能源网  来源:复合材料译评站  日期:2017-02-24

风机在复杂的外界环境中运行,实现其能量转化功能,需要通过可靠耐久的结构承受各种外部载荷;也需要通过防护体系抵御三类外界侵袭,虽然概括不全面,但编者暂且用四个系统来描述:一是防雷系统,二是防腐系统,三是空中交通防护系统,四是防水系统(含防冰);这四个系统承载了除力学载荷外的其他外界侵袭。值得注意的是,目前的风机关键部件叶片的运维频度比例较高的是防腐系统,前缘防护层的耐用性成为主要问题,通常2-4年就需要进行不同程度的维护。

本文主要讨论了风电叶片的表面防护问题。表面防护层,可以采用胶衣或表面涂层,其材料可以是不饱和聚酯、环氧或聚氨酯,也是是亚克力(丙烯酸塑料)。风电叶片由于长期暴露在诸如极端天气等恶劣的环境条件下,备受侵蚀。

目前通过一些测试方法,可以确认表面防护系统对外界环境的防护能力,从保证表面防护系统可以帮助叶片受到尽可能小的损伤。通过采用现有海事和直升机上所用的防护标准,对防护系统进行加速腐蚀测试,如UV或化学腐蚀等测试,可以验证和确保表面涂层的耐用性。本期译评主要介绍防护系统性能的测试方法和评估手段。

1.叶片表面防护层的性能测试

叶片表面暴露在各种恶劣的环境条件下,因此如果能够提前测试叶片防护系统在各种条件下的防护性能当然最好不过,但实际上,外部的环境条件瞬息万变,到底哪些因素变化了以及如何变化的也是难以预测的,因此验证所有条件下的防护性能不太实际。到底选取哪些条件作为测试对象,这是制造商需要把握的问题。

1.1性能测试所需要考虑的问题

有多种不同的方法可以用来测试叶片的表面防护系统。风机运行商期待能够通过这些测试确保风机能够抵御气候条件的不良影响,能够完好无损服役整个生命周期。而制造商期望快速的测试就可以验证防护系统的性能,且能够满足客户的要求。制造商的主要难点在于,如何通过有限时间的测试来满足整个生命周期内防护层性能在各种不同环境条件下的验证需求。

最好的方式当然是在自然环境条件下进行测试,这样可以观测到防护系统的性能退化过程。然而,实际上这根本不是切实可行的材料寿命测试方法,特别是测试对象的应用环境是各种不同的气候条件。因此材料的寿命测试常在人造环境条件下进行。对比加速测试和实验室环境的测试是比较现实的,但对比人造环境和真实环境却难以实施。也就是说,准确预测表面防护系统寿命的可行性较差。

人们设计了一种大型测试工厂用来进行户外和UV辐射测试。测试项目和使用人造环境的具体情况,取决于测试对象和风机计划装机的位置。比如,如果一个风机要装在沙漠,就需要进行UV退化和喷砂测试。而对于海上风机,需要进行湿度测试、UV辐射和盐雾等方面的测试。

用于户外表层防护的聚合物,其性能会随着太阳光、雨水、冰雹、盐雾等外部环境和化学物质的影响而退化。在测试条件下,这些因素是单独还是同时考虑,取决于测试的目的。在自然环境条件下,这些因素会互相影响,加剧对防护系统的侵蚀。

在了解表面防护层的测试之前,比较重要的一点是,我们应该先了解聚合物的退化现象。

1.2聚合物的性能退化

所谓退化就是聚合物性能发生不期望的改变。改变可以是物理的,也可以是化学的。改变包括聚合物主链结构的退化,侧链基团、横向链接的改变,抑或是部分元素的缺失。填料的退化或缺失也会影响这个体系,导致防护系统性能的退化。

1.2.1老化

在老化的过程中,能量通过辐射从太阳传递到叶片表面。辐射所传递的能量取决于太阳光光线与叶片表面的之间的夹角以及光线的波长。大气层中氧气和湿气的综合作用可以导致化学退化。腐蚀和风沙的磨蚀等因素同样会侵袭防护系统表面引起损伤。

1.2.2太阳光辐射

太阳光是太阳电磁辐射的可见部分,包括多种不同波长的光线。其中一部分光线所蕴含的能量十分强以致于可以打断叶片胶衣或涂层的主键,即共价键。主键被破坏以后,表面涂层就会退化。阳光可以分为UV辐射、可见光和红外线。大部分辐射都是可见光。但是波长越短的光线所包含的辐射能越高。UV辐射还以分为UVA、UVB、UVC三个级别,其中UVA的波长是三者中最长的,因此能量也是三者中最低的;但本文只讨论UUA(波长350——400纳米),因为UVB和UVC在到底地球之前,已经被大气层吸收了。

1.2.3氧气和湿度

聚合物会与氧气和水发生反应,因此氧气和湿度会影响聚合物的表面。材料本身会吸水,如大部分情况聚合物和胶衣/涂层会吸收水分,这是因为聚合物中包含的氧气和氮气分子中存在的亲水键。由于受到UV辐射对叶片表面的影响,聚合物中存在自由原子团。氧气会与这些自由原子团反应,从而形成新的化学分子。如果结构是开放的,水分子会进入其中,如果聚合物的横向链接不多,水分子就会侵袭胶衣/涂层或复合材料结构层。随后退化的风险就会增加,因此复合材料结构层与胶衣或涂层之间的粘合力就会被极大削减。通常把这个过程称之为热氧化退化。这是表面涂层、涂层与结构铺层及其以下结构层化学退化的起点。开放空间的退化通常都是热氧化退化。

1.2.4退化机理

聚合物体系的退化会由聚合物主链接、横向链接的断裂或共价键系统或侧向链接的改变等多种不同原因所导致。但问题的严重程度并不取决于所发生改变的类型,而在于受影响的聚合物类型。

横向链接在大部分热固性材料中都可以见到,因为大部分表面防护层都会选用热固性材料。横向链接是通过官能团的能量形成的。而在热固性材料系统中存在着官能团,且其相互之间会发生反应。在不饱和聚合物体系中,存在不反应的双链,但这个双链会在吸收太阳辐射后产生横向链接。PAI链接能量较低,如果聚合物表面有双链存在,就会引起横向链接的形成。横向链接会让聚合物体系变得更强更刚,但却缺乏韧性,使材料变成脆性。当整个聚合物体积收缩时,聚合物表面就比较容易形成裂纹;如果湿气侵袭聚合物体系,就会发生聚合反应。大部分情况下,聚合反应会导致结构产生空洞,这就进一步加剧了水气的进入,产生恶性循环。

聚合物体体系内的键能通常取决与主链接的共价键。表2给出了一些键能。聚合物的键能越低,被腐蚀发生退化的风险越高。事实上表2所示的键能都不高,都容易受到UV辐射的侵蚀。

表2 键能表

7副本

氧化率取决于分子结构。双键比脂基更容易被氧化,这是由于其分子结构的不同,脂基在受到UV辐射发生退化后反而会变得更稳定,尤其是当脂基用作侧向链接时。例如MMA(甲基丙烯酸甲酯)用作某胶衣的横向链接就是考虑了这一点。

1.3聚合物体系的退化程度测试

可以采用多种不同的方法来测试聚合物受外界环境影响而产生退化的情况。其中一个方法是通过测量聚合物发生退化时所产生的颜色和光洁度的改变来实现的。大部分风电叶片表面防护色是白色或银灰色(为了防结冰,人们也曾经采用黑色表面防护色)。一旦颜色发生变化就很容易看出来。而颜色变化是其发生退化时首先出现的特征。测量颜色变化虽然并不能知道其内部到底发生了怎样的改变,但是却是产生退化的指针。

采用傅立叶红外光谱仪可以知道聚合物内部退化的情况。如果发生退化,光谱图中的峰值就会发生改变。

层析法和分光光度测定法可用于判定聚合体系在受到辐射影响前后的分子量变化,但这两种方法只能用于可溶解的材料。

另外一种方法是通过测量聚合物表面的物理、力学和化学属性的变化来判断退化的情况。当体系发生退化时,其强度和刚度通常也会发生变化。如果有横向链接产生,测试对象就会变得更脆更强。同时确认力学属性和红外光谱,就可以判断是那种化学物质变化影响了聚合物。

在人造环境下,用于表面防护的聚合物寿命可以通过其表面的物理、力学及化学属性的改变来判定。该方法也可以通过引入一个加速因子来计算评估表面防护材料在自然环境下的的寿命。加速因子的大小取决于引起退化的原因及所引入人造环境的类别。

1.4加速测试

1.4.1UV测试和疝灯试验在实验室条件下,有很多不同的方法可用来进行加速测试。采用不同波长的UV或疝气灯测试来进行防护材料寿命的预测就是其中两个加速测试方法。提高温度,反应时间就会减少,两者的关系可以表示为阿亨尼丝方程,如式(1)所示。

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阿亨尼丝方程式中的k是反应的速度常数,Ea是作用能,T为绝对温度,单位为开尔文,R为气体常数,A为碰撞频率因子。

uv测试可以采用不同的波长来进行。UV辐射占据了地表辐射的绝大部分,因此UV测试被广泛使用。

采用疝气灯,可以得到一个类似太阳光的波长分布。疝气灯光线波长可以覆盖UV、可见光和红外光的范围。由于可见光和红外光不会对聚合物分子的共价键造成较大的伤害,因此疝气光源所导致的退化强度比UVA低。

1.4.2臭氧

采用臭氧柜可以测试臭氧、湿气和高温对聚合物的影响。尤其是双键和橡胶对臭氧所引起的退化较为敏感。通常采用50ppm(重量比单位)浓度的臭氧进行72h的退化测试。同时,该测试也会对聚合物产生力学性能的影响;对于叶片表面防护体系采用臭氧测试的不多见,但常采用这种方法进行粘接胶的加速测试。

1.4.3混合测试

为了考察多个环境因素的综合影响,通常采用UVA测试与氧化测试、湿度测试、升温测试、盐雾测试或冰霜等测试进行混合进行的方式。可以采用试件固定不动而被测因素循环通过的方式,也可以用被测因素不动,试件通过一个预设轨道在各环境因素中往复运动的方式。被测因素的顺序和影响强度可以根据即将应用的自然环境进行模拟设置。混合测试通常可以获得一个较好的结果。

2.实际叶片表面防护层的加速测试

考虑到时间和可实施性,人们总是希望找到一种加速测试的方法,既可以与实际表面涂层的变化对照,又可以尽可能准确的预测表面防护体系的寿命。

2.1标准

目前还没有现成可用于风电叶片表面涂层测试的系统化标准,只能参考直升机叶片表面涂层测试的标准。但是有一点区别需要注意,直升机表面涂层所需要的寿命比风电叶片涂层的要短很多。

在设定测试参数的时候,可以参考海上结构及涂层所用的测试标准。

其他的一些标准也可以参考,如挪威石油工业协会制定的Norsok 标准M501中的“表面处理和涂层保护”;欧洲标准ISO20340中的海上和相关结构的防护体系对涂层和面漆性能的要求;ISO4628中“对涂层和面漆退化的评估”和”有关缺陷尺寸和数量的规定和表面变化程度的界定”,尤其是第4628-2,-4,-5对风机叶片有较好的适用性。

在制定叶片防护系统标准时,海上钢结构涂层防护的相关标准比直升机叶片的相关标准具有更强的参考性。这是因为风机安装与海上石油平台具有较多的相似性。石油平台的海上建筑结构根据暴露于环境中的程度不同,分为4个类别(ISO 20340)。其中一个类别是暴露于大气中的部分(C5-M),其他三个类别根据Im2进行划分,分别是水下区、潮汐区和溅浪区。

所有4个类别都与风机塔架相似,但只有C5-M与风机叶片类似。尽管标准是钢结构的,但是很多参数也同样可以应用在复合材料的表面防护系统上。C5-M和Im2都采用标准试件所损失的材料厚度或质量来定义腐蚀,同时也给出了典型的大气环境的描述。

2.2测试选择方法

测试是将试件置于不同大气环境因素的循环体中。测试环境是对不同大气环境的模拟,从盐雾柜开始,然后是UVA柜或疝气柜。UVA柜或疝气柜的温度可以提升,以加快退化的速度。

该项测试通常在升温的情况下测试32周,然后根据标准ISO4628,2,4,5对试件的气泡、开裂、脱落进行测试,然后根据ISO12944-2对保护层与玻璃钢结构层的粘接性能进行测试。这个测试很耗时,但是结果与海上环境下的叶片防护层退化具有较好的可比性。

2.2.1耐磨性测试

Norsok测试不要求对防护系统的耐磨蚀性能进行测试,也没有一个ISO标准有这方面的要求可以参考。

风机叶片表面的耐磨蚀性测试非常重要,尤其是叶尖和靠近叶尖的1/3长度部分,其表面被磨蚀的风险很高,在极端天气情况下,空气中的颗粒物会以300km/h的速度冲向叶片表面。

冰雹和雨蚀也没有包含在Norsol测试中,但都需要测试。将水流测试和磨蚀测试混合进行,就可以预测防护体系由于雨蚀导致的退化。冰雹对防护系统导致侵蚀,可以用冰块代替沙子或金刚砂的方式进行测试,因为冰块的尖角会磨蚀防护系统表面。通常,柔性防护体系对磨蚀的抵抗性较好。

2.2.2湿气环境测试

Norsok测试和其他的一些测试都考虑了湿气的影响。一旦试件吸入足够多的水气,结冰和融化交替进行,通过这种方式模拟实际的低温环境。测试完成后,需要确认试件产生气泡的情况。当水结冰或融化交替进行时,其体积随之改变,体积变化就会导致气泡现象的产生。

2.2.3化学腐蚀

风机叶片可能会暴露于不同的化学物质中,其表面可能被灰尘污染、被鸟粪、昆虫尸体、油污、盐雾沉淀物或酸雨等污染。没有一种混合测试能够模拟这些条件。实际进行的测试是这样的:测试化学物包括炭黑(模拟盐雾沉淀)、稀释的硫酸(模拟酸雨),油(模拟灰尘或其他动物油脂),人造海水。任何其中一种化学物质都不能对叶片的表面防护系统带来致命的损伤,但混合在一起却可以产生致命的影响。

2.2.4测试结果

由于测试不像力学性能测试,就无法给出直接的数据结果,但是还是需要根据ISO4628进行判定。气泡、开裂和剥落在测试之后均有可能出现,这些现象就可以用于对涂层或胶衣性能的判定。此外,与结构层的粘合力也需要进行测试,为了进行此测试,需对测试试件做特殊的准备,如设计考虑剥离和拉伸测试所需的夹具,或需要在试件的涂层或胶衣上引入一个缺口(为剥离测试做准备)。

3.总结 未来的挑战与发展趋势

3.1不同防护策略的优势与局限

各种不同的防护材料都有其特有的优势,但是他们又都受到一定的限制,在优势与限制中,我们需要寻找一个平衡,包括选择柔性防护还是刚性防护,选择胶衣还是涂层。

刚性涂层可以通过采用由硬度较高的环氧或不饱和聚酯来获取,对于热固性材料,其硬度较高,这种防护体系需要具有高水平的横向链接,因为横向链接会导致低柔性,和更大的收缩性。而对于柔性体系,可以通过采用较柔的聚氨酯胶衣或涂层来实现,或者在前缘或1/3长度的叶尖区域贴聚氨酯带(保护膜)来实现更好的保护。

不同材料可以使叶片减少某个方面因素导致的损伤。为了减少表面防护层吸水量,涂层就应该采用环氧而非聚酯。为了获得较低的水解率,需要选用乙烯基酯而非不饱和聚酯。

如果采用异丁烯酸甲酯的横向链接聚合物,其UV防护性能会提高。

此外,如果防护体系表面张力低,就有利于除冰,但是这样的体系抵御磨蚀和雨蚀的能力就很差。

在权衡不同材料体系的优势和局限时,也需要考虑这种材料体系与结构铺层之间的粘合力,因为粘合力不足会导致材料剥落,从而无法保护结构铺层。

3.2未来挑战和发展趋势

叶片长度会越来越长,在极端恶劣环境装机也成为趋势,如海上、沙漠、低温环境或山顶。这些区域风资源条件好,风机性能较高,受噪声限制少。然而,磨蚀和化学腐蚀的问题更为严重。同时,由于难以抵达,人们对运维性的要求也越来越高。表面防护体系的耐久性和强度就变得十分重要。

3.2.1新材料

为了迎接这些挑战,需要开发一些新的材料。新的涂层材料可以提供更好的表面防护性能,从而可以抵御更恶劣的环境条件。比如,一种基于酰亚胺的产品和包含氟碳化合物的表面防护材料可以更好防冰。

3.2.2环境保护

未来,海上和陆上环境保护的法律条款或将更为严格。风电场对环境影响所面临的问题正越来越多,不少居民在反对自己住所附近有风电场。这就导致了叶片表面防护的新需求,如对折光率、航空防护及避雷系统等方面都将出现新的需求。其中一些问题已经得到了解决。目前人们已经引入航空标识、表面折光率低的油漆等解决措施。由于很多因素与叶片气动噪声问题相关,因此对该问题的解决将会在较长一段时间内成为难题。人们目前正在探索鲨鱼鳍等降噪措施,但有效的商业化应用还尚需时日。

3.2.3叶片表面防护的制造环境

在给叶片表面进行表面防护的过程中,尽管人们已经采用防护服、手套、口罩等防护用品,但这些措施只能降低来自表面防护材料有害物质对制造工人的伤害,并不能杜绝;同时对空气污染也是难以杜绝的。

3.2.4测试方法

目前人们已经建立了一些测试方法和模型,如避雷系统或气动噪声;但叶片表面防护体系或结冰问题还未见相关模型的建立。值得一提的是,随着塔架高度的提升,叶片运行环境深入云层,云层导致的叶尖结冰问题正使得叶片结冰问题超越了低温环境的范围而逐渐被广泛关注。

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