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风电叶片涂料检测方法的研究

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0 引言
风能是一种无污染的可再生能源,它取之不尽,用之不竭,分布广泛。随着人类对生态环境的要求和能源的需要,风能的开发日益受到人们的重视,作为21 世纪大规模开发的一种清洁能源,风能的利用改变了人类长期依赖石化燃料和核燃料的局面。地球上风能资源非常丰富,开发潜力巨大,全球已有不少于70 个国家在利用风能,风力发电是风能的主要利用形式。在国家政策支持和能源供应紧张的背景下,我国风电设备制造业迅速崛起,已经成为全球风电投资最为活跃的领域。风电大开发有力地带动了相关设备市场的蓬勃发展,也带动了保温的迅速发展。
目前制造风机叶片的主要原材料是玻璃纤维增强树脂,未经防护的叶片长期暴露在自然环境中,经过温度、风力和光线的作用,会发生老化并产生粉化现象,甚至发生断裂,缩短了叶片的使用寿命,给风电场的运行带来灾难性后果,所以必须依靠防腐涂料来保证叶片的安全运行和使用寿命的延续。国家能源局于2011 年发布、实施了《海上风电场钢结构防腐蚀技术标准》(NB/T 31006—2011),其中规定了海上风电场钢结构(主要包括风力发电机组及变电站的固定式钢质支撑结构)表面预处理及涂料保护、热喷涂金属保护、阴极保护等常用防腐蚀方法和相关技术要求,适用于海上风电场钢结构的防腐蚀设计、施工和运行维护。但是该标准仅适用于钢结构体系,风电叶片防腐的技术标准依旧处于空白。因此迫切需要研究适合我国风电叶片涂料的检测方法,
为制定风电叶片涂料技术要求提供基础性依据。

1 检测项目及其依据
我国东南沿海、山东、辽东、内蒙、甘肃北部及松花江下游是风能丰富区;东北、西北、华北北部及青藏高原中部、北部是风能较丰富区;江苏、浙江、吉林都有运行良好的风力发电站。风场自然环境多有不同,北方地区多寒旱和风沙;南方地区湿热严重;东部沿海一带盐雾较重;西北部地区日照强烈;严寒地区容易使叶片结冰,影响风电机组的运行和发电,不同的风况使叶片有不同的受力状况,对风电叶片涂料的性能要求亦不完全相同。所以需要结合我国风场运作环境来确定合适的风电叶片涂料检测项目及其试验方法。
自2009 年起,上海市涂料研究所与德国劳氏集团(GL Group)合作,开展了风电叶片涂料的GL 认证试验。参照《色漆和清漆 防护漆体系对钢结构的腐蚀防护 第2 部分:环境分类》(ISO 12944—2)中“大气腐蚀类别”,将风电叶片涂料的使用类别定为CM-5 级——非常高(海洋),对黏度(ISO 2884)、密度(ISO 2811)、不挥发物含量(ISO 3251)、硬度(ISO2815)、弯曲(ISO 1519)、耐磨性(ISO 7784—2)、附着力(ISO 4624)和耐老化性(ISO 11507)等项目提出了要求。
《风力发电机组 风轮叶片》(GB/T 25383—2010)中规定:风力发电机组风轮叶片是一种全天候条件下运行的产品,设计和制造叶片时应考虑环境因素对其设计寿命的影响。
(1) 叶片工作环境温度范围为-10~40℃,生存环境温度范围为-20~50℃ ;最高相对湿度一般≤95% ;
(2) 在沿海地区运行的风力发电机组,应考虑盐雾对叶片的腐蚀影响;
(3) 应考虑沙尘对叶片的影响,如沙尘对叶片表面的长期冲蚀,对机械转动部位润滑的影响以及对叶片平衡造成的影响;
(4) 应考虑太阳辐射和紫外线对叶片的老化影响。叶片的外部涂层应具有较好的防紫外线老化性能、抗海洋环境腐蚀性能,并具有良好的附着力、耐磨性和高弹性。
涂料用户一般都很重视对涂层(涂料干膜)的各项质量指标的检测,而忽视对尚未涂装的湿漆质量的检测。涂装前,必须严格控制选用涂料的质量,才能保证产品涂装的高质量。因此对涂料的密度、黏度、细度和不挥发物含量等项目也应进行考量。由此,适合我国风电叶片涂料的检测项目至少应包括力学性能、防腐性能和湿漆性能,其中力学性能的检测项目包括附着力、耐磨性和高弹性;防腐性能的检测项目包括老化、湿热和盐雾试验;湿漆性能的检测项目包括密度、黏度、细度和不挥发物含量。
 
2 检测项目和检测方法
2.1 力学性能
2.1.1 附着力
作为玻璃纤维增强树脂保护层的涂料,必须与叶片具有良好的附着力,通过《色漆和清漆 拉开法附着力试验》(GB/T 5210—2006,等同采用ISO 4624 :2002)测定涂层的附着力。该标准规定了3 种试验方法:(1)在坚硬的和易变形的底材上通用的试验方法(使用两个试柱),见图1 ;(2)使用单个试柱从单侧进行试验的方法(仅适合坚硬底材),见图2 ;(3)试柱法(其中一个试柱作为已涂漆底材)。由于实际应用中使用的基材是玻璃纤维增强树脂,因此试柱法不适用于鉴定风电叶片涂层的附着力。ISO 4624中还规定:除拉力试验机外,其它类型的拉开法附着力试验机(机械式、压缩空气式、液压式或手动式)只要能给出相似的结果也可使用,因此引入第3 种试验方法——《用便携式附着性测试仪测定涂覆层扯离强度的试验方法》(ASTM D 4541—2009e1),见图3。
在单面或双面涂漆的底材上进行夹层式试验的试验组合
坚硬底材的试验组合
坚硬底材的试验组合
对于4 种不同生产商的样品,分别采用上述3 种方法进行附着力试验,测试结果见表1。
附着力的试验结果
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