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風(fēng)電葉片前緣侵蝕損傷與保護(hù)方法

2025-01-10 16:18:46 作者：腐蝕與防護(hù) 來(lái)源：腐蝕與防護(hù) 分享至：

導(dǎo)語(yǔ)

隨著風(fēng)電葉片越來(lái)越長(zhǎng)，葉片葉尖線速度也進(jìn)一步增加，葉片前緣受到雨蝕的損傷也越來(lái)越嚴(yán)重。即使輕微的前緣侵蝕也可能導(dǎo)致每年大約3%~5%的AEP損失。對(duì)于前緣玻璃鋼基材具有明顯凹坑、磨損和分層的嚴(yán)重侵蝕情況，每年可能接近25%的AEP損失。而且風(fēng)電從陸上走向海上，從近海走向深海，葉片維修的成本不斷增加。因前緣雨蝕造成的葉片維修成本和發(fā)電量損失越來(lái)越不能被忽視。

隨著葉片前緣受到雨蝕的程度越來(lái)越嚴(yán)重，行業(yè)內(nèi)對(duì)前緣保護(hù)材料的性能要求也越來(lái)越高。DNVGL-CP-0424規(guī)定了老化前的耐雨蝕時(shí)間大于8h，老化后的耐雨蝕時(shí)間大于4h。

目前大部分的前緣保護(hù)材料雖然能夠滿足該標(biāo)準(zhǔn)的耐雨蝕時(shí)間，但實(shí)際在風(fēng)場(chǎng)使用這些前緣保護(hù)材料的葉片僅2-3年便出現(xiàn)了前緣侵蝕，并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的效果。

本文介紹了前緣侵蝕損傷的Springer模型、與耐雨蝕有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)DNVGL-RP-0171和DNVGL-RP-0573，羅列了市面上的前緣保護(hù)漆和前緣保護(hù)膜，并指出施工過(guò)程中的缺陷可能是實(shí)際耐雨蝕時(shí)間低于理論測(cè)試值的原因。

一

前緣侵蝕的原因

葉片前緣在運(yùn)行過(guò)程中易受到雨滴的反復(fù)撞擊，高速雨滴以90°入射角垂直撞擊葉片前緣表面，在前緣材料中產(chǎn)生壓縮波和剪切波，材料表面同時(shí)產(chǎn)生Rayleigh表面波，這些應(yīng)力波在材料中產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，如圖1所示。

如果重復(fù)撞擊產(chǎn)生的動(dòng)能無(wú)法被前緣保護(hù)材料吸收和消耗，那么材料內(nèi)部的應(yīng)力就會(huì)聚集，使得材料發(fā)生疲勞、降解，逐漸發(fā)展為宏觀缺陷，發(fā)生材料表面粗糙化、脫粘以及開(kāi)裂等缺陷。

圖1. 液滴撞擊固體表面時(shí)撞擊波的傳遞

二

前緣侵蝕損傷的模型

對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)前緣侵蝕的建模，主要以液滴沖擊模型為基礎(chǔ)，建立應(yīng)力狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，使用疲勞方法解釋侵蝕損傷累積。

目前大部分對(duì)于前緣雨蝕的預(yù)測(cè)模型都采用Springer在1976年提出的水錘壓力撞擊引起疲勞損傷失效的原理解釋雨滴撞擊對(duì)前緣防護(hù)材料的破壞。

前緣侵蝕主要分為兩個(gè)階段時(shí)間節(jié)點(diǎn)，包含初蝕時(shí)間和擊穿時(shí)間，如圖2所示。

圖2. 前緣保護(hù)材料初蝕(A-A)和擊穿(B-B)示意圖

初蝕時(shí)間被定義為從雨滴撞擊開(kāi)始到在前緣保護(hù)材料的外表面上可目測(cè)到第一次損傷的時(shí)間，在該階段，前緣保護(hù)材料基本無(wú)質(zhì)量的損失，但一直在積累材料疲勞損傷。當(dāng)發(fā)生初蝕時(shí)，前緣保護(hù)材料積累了足夠的疲勞損傷，開(kāi)始出現(xiàn)材料的破壞。

擊穿時(shí)間被定義為前緣保護(hù)材料被雨滴擊穿，開(kāi)始露出基材的時(shí)間。

前緣保護(hù)材料從初蝕到擊穿，隨著時(shí)間增加，前緣保護(hù)材料的損失質(zhì)量線性增加，如圖3所示。

圖3. 前緣保護(hù)材料初蝕時(shí)間內(nèi)、初蝕-擊穿時(shí)間內(nèi)質(zhì)量損失與雨滴撞擊數(shù)N的關(guān)系

Springer模型基于前緣保護(hù)材料的疲勞特性和雨滴的沖擊壓力。

直至材料發(fā)生失效，所需雨滴撞擊次數(shù)：

當(dāng)防護(hù)材料為聚氨酯時(shí)，冪大約為5.7。其中N為單位面積雨滴撞擊次數(shù)，d為雨滴直徑，S_ec為前緣保護(hù)材料的固有強(qiáng)度，P為材料受到雨滴撞擊的壓強(qiáng)。

假設(shè)前緣保護(hù)層與基材性質(zhì)類似：

其中P為材料受到雨滴撞擊的壓強(qiáng)，ρ_L為雨滴密度，ρ_s為前緣保護(hù)材料密度，C_s為前緣保護(hù)材料聲速，C_L為雨滴聲速，V為葉片線速度。

雨滴撞擊次數(shù)：

其中N為單位面積雨滴撞擊次數(shù)，I為降雨強(qiáng)度，t為降雨時(shí)間。

在忽略前緣保護(hù)材料的密度、聲速不同情況下，當(dāng)降雨強(qiáng)度、雨滴直徑大小相同時(shí)，前緣保護(hù)材料發(fā)生失效的時(shí)間t與1/V^5.7成正比。當(dāng)葉片線速度相同、雨滴直徑大小相同時(shí)，t與1/I成正比。

前緣保護(hù)材料一般應(yīng)具有低宏觀彈性模量、高極限應(yīng)變和高回彈性等特性，可降低沖擊表面的應(yīng)力并抑制應(yīng)力波，確保前緣保護(hù)材料的快速恢復(fù)時(shí)間和吸收的能量快速消散。

三

耐雨蝕性能的評(píng)價(jià)

耐雨蝕性能的測(cè)試方法有ASTMG73-10、DNVGL-RP-0171、ISO/TS 19392-2、ISO/TS 19392-3，其中ISO/TS 19392-2、ISO/TS 19392-3使用較少。

ASTMG73-10提供了測(cè)試液體沖擊侵蝕的原理及通用方法。

DNVGL-RP-0171是在ASTMG73-10基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展的，針對(duì)風(fēng)電葉片，對(duì)儀器設(shè)備的參數(shù)及實(shí)驗(yàn)影響參數(shù)進(jìn)行了較詳細(xì)的規(guī)定。這使得在相同實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，按照DNVGL-RP-0171測(cè)試的不同儀器設(shè)備之間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定的可比性。

基于Springer的液體撞擊侵蝕模型，潛伏期時(shí)間與液滴撞擊速度呈冪律關(guān)系，指數(shù)為-5.7。但這個(gè)指數(shù)-5.7被認(rèn)為是不普遍適用的。因此，DNVGL-RP-0171提出類似疲勞的S-N曲線，雨滴撞擊次數(shù)N與雨滴撞擊速度V的關(guān)系如下：

其中N為單位面積雨滴撞擊次數(shù)，V為葉片線速度，K、m為參數(shù)，通過(guò)測(cè)試不同撞擊速度V下的N，可線性擬合出V-N曲線的軸截距和指數(shù)。

DNVGL-RP-0573以此V-N曲線，通過(guò)數(shù)據(jù)處理擬合出生存率95%的V-N曲線，由此可推算出前緣保護(hù)材料在不同線速度下的潛伏期時(shí)間。

雖然DNVGL-RP-0573提供了一種通過(guò)耐雨蝕實(shí)驗(yàn)來(lái)預(yù)測(cè)前緣保護(hù)材料的防護(hù)時(shí)間，但其基于Springer模型的大量假設(shè)以及對(duì)實(shí)際風(fēng)場(chǎng)的簡(jiǎn)化：

耐雨蝕測(cè)試結(jié)果的V-N曲線離散系數(shù)COV應(yīng)小于20% 。但由于材料本身的緣故，很多情況下，測(cè)試結(jié)果的離散系數(shù)較大，同時(shí)需要大量的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行擬合，操作性較差；

Springer模型假設(shè)基于只有前緣保護(hù)材料LEP和基材兩層系統(tǒng)。而實(shí)際上葉片一般在基材和前緣保護(hù)材料之間涂覆底漆和面漆；

耐雨蝕測(cè)試一般僅對(duì)測(cè)試一個(gè)平均雨滴直徑，并通過(guò)直徑平方的關(guān)系推廣至其他不同的雨滴直徑。但實(shí)際降雨是由不同雨滴直徑的降雨組成，而且不同降雨強(qiáng)度下雨滴直徑不同；

耐雨蝕測(cè)試是在一個(gè)降雨強(qiáng)度下進(jìn)行的，該降雨強(qiáng)度在整個(gè)測(cè)試期間持續(xù)施加，且在測(cè)試階段材料持續(xù)受到撞擊疲勞損傷。而實(shí)際風(fēng)場(chǎng)的降雨是間斷的，降雨強(qiáng)度不相同；

為了加速獲得耐雨蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果，目前一般測(cè)試最大線速度為160m/s。然而目前一般葉片葉尖最大線速度為100m/s左右，因此100m/s的撞擊次數(shù)一般只能從V-N曲線獲得；

加速老化采用ISO 12944-9附錄B的循環(huán)老化，老化25周后再進(jìn)行耐雨蝕測(cè)試。但這與葉片在風(fēng)場(chǎng)中同時(shí)受到雨蝕和紫外老化不一致。因此洛陽(yáng)雙瑞在2021年提出采用老化和雨蝕交替進(jìn)行測(cè)試，以盡量切合實(shí)際風(fēng)場(chǎng)。

四

不同前緣保護(hù)材料

隨著人們對(duì)風(fēng)電葉片的前緣保護(hù)的重視程度和認(rèn)識(shí)程度越來(lái)越深，各種優(yōu)秀的前緣保護(hù)材料涌現(xiàn)出來(lái)。

前緣保護(hù)漆

前緣保護(hù)漆多為聚氨酯體系。聚氨酯具有分段的、類似復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，由硬段和軟段組成。硬鏈段的含量對(duì)聚合物的剛度和強(qiáng)度有很強(qiáng)的積極影響，而軟鏈段控制著柔韌性和阻尼性能，這使得開(kāi)發(fā)具有高強(qiáng)、高極限應(yīng)變和高回彈性的前緣保護(hù)涂層具有可能性。

油漆具有方便施工，成本較低，而且易于修復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。

陸上葉片廣泛地使用前緣保護(hù)漆，海上葉片在靠近葉根方向的位置也廣泛地使用前緣保護(hù)漆。不同的前緣保護(hù)漆之間的耐雨蝕性能相差較大，而且不同的前緣保護(hù)漆推薦的施工膜厚、防護(hù)策略各不相同。

選取市面上正在使用的前緣保護(hù)漆，其耐雨蝕如表1所示。

其中A、B、C為目前使用較多的陸上前緣保護(hù)漆。D、E、F、G、H為海上正在使用或者正在掛機(jī)驗(yàn)證的海上前緣保護(hù)漆。

表1. 不同前緣保護(hù)漆的耐雨蝕性能

從前緣保護(hù)漆B可知，UVB老化會(huì)使得耐雨蝕性能有較大的下降。

從前緣保護(hù)漆C分別在Polyech、R&D測(cè)試的結(jié)果可知，Polytech的耐雨蝕時(shí)間大約是R&D或者曦驊的2~3倍，這主要可能的原因是兩個(gè)測(cè)試機(jī)構(gòu)的雨滴直徑不同導(dǎo)致的。

將A、B、C與D、E、F、G、H進(jìn)行比較可知，海上前緣保護(hù)漆的耐雨蝕性能有較大幅度的提升。

海上前緣保護(hù)漆漆的干膜厚度從300μm增加至500μm，甚至高達(dá)2800μm。漆膜厚度的增加，有利于吸收應(yīng)力波的能量，減弱Rayleigh表面波對(duì)表面的損傷；同時(shí)增加了從初蝕到擊穿的時(shí)間。

海上前緣保護(hù)漆大部分使用刮涂，這主要是因?yàn)楦赡ず穸鹊脑黾樱绻褂脻L涂，每遍滾涂的干膜厚度大部分是在50μm，則需要滾涂十幾遍；而使用刮涂，每遍刮涂干膜厚度在150μm，則500μm只需要刮涂4遍即可。刮涂可大幅提高生產(chǎn)效率。

雖然前緣保護(hù)漆具有成本低、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，但由于其耐雨蝕性能是在涂覆后慢慢建立的。因此前緣保護(hù)漆的性能受施工過(guò)程影響很大。

多數(shù)涂覆施工采用手工現(xiàn)場(chǎng)攪拌，也使混合的可靠性存在差異。同時(shí)葉片制造環(huán)境較差，很多葉片廠無(wú)法保證恒溫恒濕條件，現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境粉塵較多。這些導(dǎo)致涂層容易出現(xiàn)許多缺陷，包括起泡、橘皮、開(kāi)裂、起皺、異物等。這些將嚴(yán)重影響涂層的使用壽命。

例如[Faester S等]分別制備了有氣泡（涂層體積孔隙率6.9%）和沒(méi)有氣泡（涂層體積孔隙率0.7‰）的涂層，測(cè)試其耐雨蝕性能，沒(méi)有氣泡的涂層耐雨蝕時(shí)間是有氣泡的2.6倍。

使用D作為65m葉片作為前緣保護(hù)漆，在山西某風(fēng)場(chǎng)使用兩年，一些葉片上已經(jīng)出現(xiàn)前緣保護(hù)漆破損的情況。這可能主要與前緣保護(hù)漆施工過(guò)程產(chǎn)生的各項(xiàng)缺陷有關(guān)。因此使用油漆作為前緣保護(hù)材料時(shí)，應(yīng)盡量保證施工工藝的一致性。

前緣保護(hù)膜

與前緣保護(hù)漆相同，前緣保護(hù)膜也應(yīng)具有低阻抗并且具有高延展性，可通過(guò)變形抑制雨滴的初始沖擊。

與前緣保護(hù)漆不同的是，前緣保護(hù)膜的性能已經(jīng)在使用前建立。這最大限度減少了前緣保護(hù)層的缺陷數(shù)量，同時(shí)使得前緣保護(hù)層具有均勻的厚度和表面粗糙度。目前市面上的前緣保護(hù)膜如表2所示。

表2. 不同前緣膜的耐雨蝕性能

3M和Polytech膜為聚氨酯材質(zhì)；而克萊伯格膜和Perlatech膜的外層為UHMW-PE材質(zhì)，內(nèi)層為橡膠材質(zhì)。

W8751膜和ELLE膜的耐雨蝕性能較好，使用膜自帶的壓敏膠粘貼。

克萊伯格膜和Perlatech膜一般采用與手糊補(bǔ)強(qiáng)布或者粘結(jié)膠一起真空袋壓固化。

前緣保護(hù)膜依靠人工粘貼，應(yīng)保證貼膜處的表面光滑。粘貼時(shí)避免起皺或者引入氣泡，并建議使用封邊劑來(lái)保護(hù)膜的邊緣。在粘貼過(guò)程中，容易人為引入起泡或者產(chǎn)生附著力差的地方，導(dǎo)致因局部粘接力的損失使得保護(hù)膜沿著葉片整個(gè)長(zhǎng)度方向剝離。

其他前緣保護(hù)材料

Armour EDGE前緣保護(hù)殼采用熱塑性塑料ASA(丙烯腈-苯乙烯丙烯酸酯)與PC(聚碳酸酯)制成，在線速度125m/s、雨滴直徑2.4mm、降雨強(qiáng)度26.5mm/h的測(cè)試條件下，耐雨蝕時(shí)間達(dá)232h。

ORECatapult開(kāi)發(fā)了鎳合金用作葉尖前緣保護(hù)材料，利用鎳的高聲阻抗吸收大部分應(yīng)力波的能量，由于鎳的高硬度，使得大部分能量反射回雨滴。由于抵抗塑性形變的高硬度和表面的高光潔度，使得Rayleigh表面波對(duì)表面的破壞較慢。鎳合金樣品在線速度173m/s的耐雨蝕測(cè)試條件下85h沒(méi)有任何初蝕。但鎳合金存在重量大、價(jià)格昂貴以及雷擊的風(fēng)險(xiǎn)等。

結(jié) 語(yǔ)

風(fēng)電行業(yè)在過(guò)去十年中經(jīng)歷了快速增長(zhǎng)，葉片越來(lái)越長(zhǎng)，葉片前緣受到雨蝕的情況也越來(lái)越嚴(yán)重。目前對(duì)葉片耐雨蝕的預(yù)測(cè)模型主要以Springer模型為基礎(chǔ)。

依照Springer模型，前緣保護(hù)材料耐雨蝕時(shí)間t與線速度V^-5.7成正比，t與降雨強(qiáng)度I^-1成正比。依照DNVGL-RP-0171標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試耐雨蝕實(shí)驗(yàn)得到的V-N曲線，可推算出前緣保護(hù)材料在不同線速度下的理想耐雨蝕時(shí)間。

不同前緣保護(hù)材料層出不窮。前緣保護(hù)漆的耐雨蝕性能已有較大提升，為了進(jìn)一步提升前緣保護(hù)效果，漆膜厚度也有所增加。前緣保護(hù)膜的種類也百花齊放，既有聚氨酯體系，也有PE-橡膠復(fù)合體系、熱塑性塑料體系和鎳金屬體系，性能各不相同。

這些材料雖然實(shí)驗(yàn)室性能較好，但實(shí)際操作過(guò)程中可能引入各種施工工藝問(wèn)題，實(shí)際耐雨蝕性能尚需掛機(jī)在風(fēng)場(chǎng)驗(yàn)證。

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