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      風電葉片涂料檢測方法的研究

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      0 引言
      風能是一種無污染的可再生能源,它取之不盡,用之不竭,分布廣泛。隨著人類對生態環境的要求和能源的需要,風能的開發日益受到人們的重視,作為21 世紀大規模開發的一種清潔能源,風能的利用改變了人類長期依賴石化燃料和核燃料的局面。地球上風能資源非常豐富,開發潛力巨大,全球已有不少于70 個國家在利用風能,風力發電是風能的主要利用形式。在國家政策支持和能源供應緊張的背景下,我國風電設備制造業迅速崛起,已經成為全球風電投資最為活躍的領域。風電大開發有力地帶動了相關設備市場的蓬勃發展,也帶動了保溫的迅速發展。
      目前制造風機葉片的主要原材料是玻璃纖維增強樹脂,未經防護的葉片長期暴露在自然環境中,經過溫度、風力和光線的作用,會發生老化并產生粉化現象,甚至發生斷裂,縮短了葉片的使用壽命,給風電場的運行帶來災難性后果,所以必須依靠防腐涂料來保證葉片的安全運行和使用壽命的延續。國家能源局于2011 年發布、實施了《海上風電場鋼結構防腐蝕技術標準》(NB/T 31006—2011),其中規定了海上風電場鋼結構(主要包括風力發電機組及變電站的固定式鋼質支撐結構)表面預處理及涂料保護、熱噴涂金屬保護、陰極保護等常用防腐蝕方法和相關技術要求,適用于海上風電場鋼結構的防腐蝕設計、施工和運行維護。但是該標準僅適用于鋼結構體系,風電葉片防腐的技術標準依舊處于空白。因此迫切需要研究適合我國風電葉片涂料的檢測方法,
      為制定風電葉片涂料技術要求提供基礎性依據。

      1 檢測項目及其依據
      我國東南沿海、山東、遼東、內蒙、甘肅北部及松花江下游是風能豐富區;東北、西北、華北北部及青藏高原中部、北部是風能較豐富區;江蘇、浙江、吉林都有運行良好的風力發電站。風場自然環境多有不同,北方地區多寒旱和風沙;南方地區濕熱嚴重;東部沿海一帶鹽霧較重;西北部地區日照強烈;嚴寒地區容易使葉片結冰,影響風電機組的運行和發電,不同的風況使葉片有不同的受力狀況,對風電葉片涂料的性能要求亦不完全相同。所以需要結合我國風場運作環境來確定合適的風電葉片涂料檢測項目及其試驗方法。
      自2009 年起,上海市涂料研究所與德國勞氏集團(GL Group)合作,開展了風電葉片涂料的GL 認證試驗。參照《色漆和清漆 防護漆體系對鋼結構的腐蝕防護 第2 部分:環境分類》(ISO 12944—2)中“大氣腐蝕類別”,將風電葉片涂料的使用類別定為CM-5 級——非常高(海洋),對黏度(ISO 2884)、密度(ISO 2811)、不揮發物含量(ISO 3251)、硬度(ISO2815)、彎曲(ISO 1519)、耐磨性(ISO 7784—2)、附著力(ISO 4624)和耐老化性(ISO 11507)等項目提出了要求。
      《風力發電機組 風輪葉片》(GB/T 25383—2010)中規定:風力發電機組風輪葉片是一種全天候條件下運行的產品,設計和制造葉片時應考慮環境因素對其設計壽命的影響。
      (1) 葉片工作環境溫度范圍為-10~40℃,生存環境溫度范圍為-20~50℃ ;最高相對濕度一般≤95% ;
      (2) 在沿海地區運行的風力發電機組,應考慮鹽霧對葉片的腐蝕影響;
      (3) 應考慮沙塵對葉片的影響,如沙塵對葉片表面的長期沖蝕,對機械轉動部位潤滑的影響以及對葉片平衡造成的影響;
      (4) 應考慮太陽輻射和紫外線對葉片的老化影響。葉片的外部涂層應具有較好的防紫外線老化性能、抗海洋環境腐蝕性能,并具有良好的附著力、耐磨性和高彈性。
      涂料用戶一般都很重視對涂層(涂料干膜)的各項質量指標的檢測,而忽視對尚未涂裝的濕漆質量的檢測。涂裝前,必須嚴格控制選用涂料的質量,才能保證產品涂裝的高質量。因此對涂料的密度、黏度、細度和不揮發物含量等項目也應進行考量。由此,適合我國風電葉片涂料的檢測項目至少應包括力學性能、防腐性能和濕漆性能,其中力學性能的檢測項目包括附著力、耐磨性和高彈性;防腐性能的檢測項目包括老化、濕熱和鹽霧試驗;濕漆性能的檢測項目包括密度、黏度、細度和不揮發物含量。
       
      2 檢測項目和檢測方法
      2.1 力學性能
      2.1.1 附著力
      作為玻璃纖維增強樹脂保護層的涂料,必須與葉片具有良好的附著力,通過《色漆和清漆 拉開法附著力試驗》(GB/T 5210—2006,等同采用ISO 4624 :2002)測定涂層的附著力。該標準規定了3 種試驗方法:(1)在堅硬的和易變形的底材上通用的試驗方法(使用兩個試柱),見圖1 ;(2)使用單個試柱從單側進行試驗的方法(僅適合堅硬底材),見圖2 ;(3)試柱法(其中一個試柱作為已涂漆底材)。由于實際應用中使用的基材是玻璃纖維增強樹脂,因此試柱法不適用于鑒定風電葉片涂層的附著力。ISO 4624中還規定:除拉力試驗機外,其它類型的拉開法附著力試驗機(機械式、壓縮空氣式、液壓式或手動式)只要能給出相似的結果也可使用,因此引入第3 種試驗方法——《用便攜式附著性測試儀測定涂覆層扯離強度的試驗方法》(ASTM D 4541—2009e1),見圖3。
      在單面或雙面涂漆的底材上進行夾層式試驗的試驗組合
      堅硬底材的試驗組合
      堅硬底材的試驗組合
      對于4 種不同生產商的樣品,分別采用上述3 種方法進行附著力試驗,測試結果見表1。
      附著力的試驗結果
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