風機葉片材料的GL認證技術(shù)規(guī)范

1、風機葉片材料的GL認證技術(shù)規(guī)范作者：德國勞氏集團 吳強 趙國彬纖維增強復(fù)合材料（FRP）在風電機組葉片中的應(yīng)用越來越廣泛，德國勞氏集團（GL roup）根據(jù)其在船舶和風電領(lǐng)域多年的積累編寫了非金屬材料的認證規(guī)范和要求，德國勞氏可再生能源風能部（中國）的吳強和朱國簡單介紹了該規(guī)范中的一些相關(guān)內(nèi)容，并對于第二部分“非金屬材料的檢驗要求和試驗標準”進行了詳細的敘述。 纖維增強復(fù)合材料（FRP）從上世紀40年代問世以來，在航空、航天、船舶、汽車、化工、醫(yī)學和機械等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，F(xiàn)RP又以其高強、輕質(zhì)、耐腐蝕、耐久性等優(yōu)點，成為大型風電機組葉片材料的首選。葉片是風力發(fā)電機組有效捕獲風

2、能的關(guān)鍵部件，約占整個風電機組25%的成本。在發(fā)電機功率確定的條件下，捕風能力的提高將直接提高發(fā)電效率，而捕風能力則與葉片的形狀、長度和面積有著密切關(guān)系，葉片尺寸的大小（上述參數(shù)）則主要依賴于制造葉片的材料。葉片的材料越輕、強度和剛度越高，葉片抵御載荷的能力就越強，葉片就可以做得越大，它的捕風能力也就越強，發(fā)電效率也就會相應(yīng)得到提高。 在復(fù)合材料風力發(fā)電機組的葉片研究開發(fā)過程中，德國、丹麥、美國、荷蘭等風能資源利用較好的國家針對大型葉片的材料體系、外形設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、質(zhì)量檢驗、在線實時監(jiān)測和廢棄物處理等作了大量的研究開發(fā)工作，并取得了豐碩的成果。德國勞氏集團更是結(jié)合在船舶和風能行業(yè)的

3、幾十年經(jīng)驗編寫了一本完整的技術(shù)規(guī)范德國勞氏船級社非金屬材料技術(shù)規(guī)范要求，在規(guī)范中對于葉片原材料的生產(chǎn)控制和成品檢驗提出了基本的要求。 GL非金屬材料認證技術(shù)規(guī)范 德國勞氏船級社非金屬材料技術(shù)規(guī)范要求一共分為三個部分，第一部分是關(guān)于原料和產(chǎn)品的生產(chǎn)品質(zhì)要求的規(guī)定，第二部分是關(guān)于復(fù)合增強材料的檢驗要求及實驗標準，第三部分是關(guān)于產(chǎn)品的修補。 在第一部分中，涉及到幾種主要非金屬材料的生產(chǎn)工藝以及產(chǎn)品的質(zhì)量控制的相關(guān)要求。GL頒發(fā)的非金屬材料認證證書的有效期限一般為4年，那么對于生產(chǎn)工廠，GL希望工廠可以在證書的有效期內(nèi)長期穩(wěn)定的生產(chǎn)出符合GL規(guī)范要求的產(chǎn)品，那么就需要對于產(chǎn)品的生產(chǎn)過程質(zhì)量進行控制。其

4、中主要的控制內(nèi)容包括以下幾個方面： 工廠的一般信息 人員 工廠內(nèi)部質(zhì)量控制體系 生產(chǎn)過程監(jiān)控 工廠的倉儲管理情況 生產(chǎn)能力 生產(chǎn)設(shè)備 在申請工廠的生產(chǎn)質(zhì)量體系通過了ISO9001的基礎(chǔ)之上，GL將會參照以上方面對于工廠申報的產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量控制進行監(jiān)督和檢測，希望可以幫助工廠更加完善產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量控制，以保證產(chǎn)品質(zhì)量長期的穩(wěn)定。 本文重點討論關(guān)于規(guī)范中的第二部分復(fù)合增強材料的檢驗要求及實驗標準，第二部分主要包括以下材料的實驗及檢驗要求：膠衣和/或?qū)訅簶渲?、增強材?、預(yù)浸料、芯材、膠粘劑。 目前的大型風力發(fā)電機組的葉片基本上是由聚酯樹脂、乙烯基樹脂和環(huán)氧樹脂等熱固性基體樹脂與E-玻璃纖維、S-玻

5、璃纖維、碳纖維等增強材料，通過開模手工鋪放，預(yù)浸料或閉模樹脂真空導(dǎo)入等成型工藝復(fù)合而成。本文將介紹GL規(guī)范中對于這兩種主要材料的實驗要求和參考標準的詳細內(nèi)容。 樹脂和增強材料的基本性能指標及參考要求 在GL的規(guī)范中，基本包括了生產(chǎn)葉片的所有原材料的性能指標要求和實驗標準，本文僅僅對于葉片的主要兩種原料熱固性樹脂和增強材料的相關(guān)實驗項目要求做一個簡單的介紹，并給出一些相應(yīng)的參考要求。 熱固性樹脂 規(guī)范中僅對于不飽和聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂兩種熱固性樹脂提出了具體的檢驗要求，對其它類型的樹脂在與德國勞氏集團進行具體磋商后，其技術(shù)標準要求將根據(jù)具體情況確定，但至少要以不飽和聚酯樹脂的要求為底線。 在產(chǎn)品的

6、技術(shù)說明書中一般需要提供以下信息： 樹脂類型 用途 制造商 品牌名 儲存環(huán)境要求 加工環(huán)境要求 添加劑的類型及比率 固化條件及性能變化 對于熱固性樹脂的性能考量指標一般分為固化前的性能指標以及固化成型后的性能指標，固化前性能指標一般包括下列項目： 密度 不飽和聚酯樹脂 ：酸指數(shù) 粘度 環(huán)氧樹脂 ：環(huán)氧當量 反應(yīng)性 凝膠時間 （溫度增加） 固化收縮率 固化以后的性能指標主要考量樹脂澆筑板的力學性能指標，包括： 密度 吸水率 拉伸強度，拉伸彈性模量和斷裂應(yīng)變 彎曲強度，彎曲彈性模量 高溫下尺寸穩(wěn)定性（熱變形溫度） 手工鋪放成型工藝示意圖工廠內(nèi)的手工鋪放成型工藝樹脂真空導(dǎo)入工藝示意圖工廠內(nèi)的真空導(dǎo)入

7、工藝對于以上性能指標的最低值要求，GL在規(guī)范中給出了一些參考值（請參考GL規(guī)范的有關(guān)章節(jié))，參考值主要針對于不飽和聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂。由于大型風電機組的葉片是露天工作，要經(jīng)受惡劣氣候的考驗，尤其是海上復(fù)雜氣候條件，并且一般風電機組的設(shè)計壽命又長達20年，維修成本高昂，所以具體的指標將由德國勞氏實驗室的工程師實際要求來界定。 增強材料 纖維增強復(fù)合材料具有其它單一材料無法比擬的優(yōu)勢可設(shè)計性，從而可以通過調(diào)整單層的鋪層方向，獲得該方向上所需要的強度和剛度。更重要的是可利用材料的各向異性，使結(jié)構(gòu)不同的變形形式之間發(fā)生耦合。比如由于彎扭耦合，使得結(jié)構(gòu)在只受到彎矩作用時發(fā)生扭轉(zhuǎn)。在以往的葉片設(shè)計中，葉片

8、橫截面耦合效應(yīng)是一個讓設(shè)計人員頭疼的難題，設(shè)計人員想方設(shè)法希望消除耦合現(xiàn)象。在航空領(lǐng)域人們利用復(fù)合材料的彎扭耦合和拉剪耦合效應(yīng)，提高機翼的性能。在葉片上，引入彎扭耦合設(shè)計概念，控制葉片的氣彈變形，這就是氣彈剪裁。通過氣彈剪裁，降低葉片的疲勞載荷，并優(yōu)化功率輸出，可以很好的達到葉片材料的載荷要求。 隨著設(shè)計能力的不斷提高，葉片逐漸變大，這對材料的強度和剛度提出了更加苛刻的要求。全玻璃鋼葉片已無法滿足葉片大型化，輕量化的要求。碳纖維或其它高強纖維隨之被應(yīng)用到葉片局部區(qū)域，如NEG Micon NM 82.4米長的葉片和LM 61.5米長的葉片都在高應(yīng)力區(qū)使用了碳纖維。GL規(guī)范將玻璃鋼中的增強材料分

9、為四種類型：無捻粗紗、表面氈、玻纖織布、非織造布。在工廠提供的產(chǎn)品技術(shù)說明書中一般需要提供以下信息： 纖維材料 加固類型 制造商 品牌名 供應(yīng)形式 存儲環(huán)境要求 產(chǎn)品說明 對于四種類型的增強材料一般需要考量的主要指標為： 粗紗的細度 纖維長度 纖維的線密度 每單位面積重量 層厚 可燃物含量 徑向和緯向的密度 編織方法 每層的單位面積質(zhì)量 織物的厚度 鋪層方法 非織造布層厚 纖維材料徑向和緯向的線密度 非織造布或單層的單位面積重量 對于增強材料和熱固化樹脂合成的層壓板材料，GL需要測定其力學性能，并在規(guī)范中給出了計算最低值的公式： 纖維含量 拉伸強度、斷裂應(yīng)變、拉伸彈性模量 彎曲強度、彎曲彈性模

10、量 增強材料應(yīng)滿足的最小機械性能參數(shù)要求，可以參照以下公式計算得出，在計算公式中對于玻璃纖維的含量已經(jīng)予以考慮。 Xmin = 最小要求值 Xref = 纖維體積含量參考值（=0.4） = 鋪放因子 = 纖維體積含量（0.20.6） 而對于玻璃氈和噴射紗生產(chǎn)的FRP層壓板，允許與以上公式計算的最小值有偏離，在這種情況下，玻璃纖維的重量百分比， 0.250.35，按照下列公式得出結(jié)果： 對于多方向鋪層的增強材料，上述數(shù)值至少需要在一個方向（尤其是0o方向）進行測試。關(guān)于上述方程中涉及的相關(guān)參數(shù)表，可以參考GL非金屬材料規(guī)范第二章表2.1。 例如： 已知某0o/90o鋪層的玻璃纖維布制成的玻璃鋼層

11、壓板材，經(jīng)測試纖維含量為0.561，參考2.1中列出的相關(guān)參數(shù)，帶入以上公式得： 抗拉強度最小值： 楊氏模量（拉伸模量）最小值： 彎曲強度最小值： 風機葉片材料的GL認證技術(shù)規(guī)范（二） 發(fā)展可再生能源正式被很多國家提升為新能源戰(zhàn)略，目前中國是以風能、太陽能、核能為新能源發(fā)展思路，而風能以成本低見效快成為發(fā)展最迅速的新能源。中國政府在能源中長期發(fā)展規(guī)劃中明確提出：2020年可再生能源在能源構(gòu)成中要達到15%左右，這也正印證了最新報告中的預(yù)測：風能將在未來12年內(nèi)提供世界總能源的12%， 該比例極有可能在2050年變?yōu)?0%。據(jù)不完全推算，每千瓦使用在葉片的復(fù)合材料為10 kg，由此可看出復(fù)合材料

12、在風電行業(yè)中的巨大潛力，因此復(fù)合材料在很長時期內(nèi)將擁有巨大的市場。 GL材料認證申請 針對葉片所使用的復(fù)合材料， GL提出特有的要求和測試體系，以期保證材料生產(chǎn)的穩(wěn)定性，并能為葉片生產(chǎn)廠商提供可靠的支持。下面就葉片制造過程中使用的膠粘劑、芯材、預(yù)浸料、膠衣（油漆） 四種材料進行詳細說明。 首先，申請廠方需要有固定的生產(chǎn)場地，通常廠方在生產(chǎn)質(zhì)量體系通過了ISO 9001的基礎(chǔ)之上， 提供與產(chǎn)品相關(guān)的基本申請材料： 產(chǎn)品名稱及詳細描述 GL申請表 產(chǎn)品技術(shù)說明書（TDS） 化學品安全說明書（MSDS） 存儲條件 產(chǎn)品使用說明 公司信息、產(chǎn)品介紹 質(zhì)量管理體系 ISO 9001 圖1. 葉片合模膠粘

13、劑 目前葉片生產(chǎn)無論是傳統(tǒng)的手糊方法還是主流的真空灌注法，葉片生產(chǎn)均為將兩片蒙皮和剪切板同時合模，最終粘結(jié)成完整葉片。圖1為施加膠粘劑后的葉片最終合模過程。葉片在風場運行過程中會因風力情況變化而產(chǎn)生不停振動，因此膠粘劑的抗疲勞性、能韌性是保證葉片使用壽命的關(guān)鍵因素。 事實上， 若膠粘劑結(jié)構(gòu)開始破壞，膠結(jié)層將不能承受任何壓力，從而將導(dǎo)致整只葉片的破壞，因此在葉片生產(chǎn)中對其各方面性能要求非常高。目前葉片市場用膠粘劑種類多為環(huán)氧樹脂型雙組份結(jié)構(gòu)膠。對于觸變膠粘劑的雙組份材料樹脂和固化劑必須滿足生產(chǎn)中非流掛、可操作時間等工藝要求（圖2）。 圖2. 膠粘劑上膠對于膠粘劑廠方申請GL認證，廠方在申請時準備

14、并提交的材料除基本申請材料外，還需包含以下幾項：膠粘劑種類、固化收縮率、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（ISO 11357/2）。 若通過材料初步審核后，申請樣品會送到具有相關(guān)資質(zhì)的第三方實驗室進行測試。測試分為物理性能及機械性能，具體項目以及參考執(zhí)行標準為： 非固化物理性能：密度（ISO 1675）、粘度（DIN 53019）、可操作時間（Pot Life） 固化后的性能（以下測試項目的測試條件為：分別在溫度23，濕度50% 處理24±1h 以及23蒸餾水下浸泡1000±12h）：拉剪強度（DIN EN 1465）、抗剝離強度（ISO 11339）、熱穩(wěn)定性（ISO 75-2，Metho

15、d A）、長期蠕變實驗192±2h。本實驗為基于DIN EN 1465制樣，施加外力為拉剪強度的60% 。 以上實驗分別在膠層厚度為0.5 mm和3 mm兩種條件下測試， 測試環(huán)境要求溫度23，相對濕度50%。拉剪實驗項目另增加50高溫條件測試。 芯材 葉片用芯材目前包括兩種：硬質(zhì)泡沫和巴沙木，見圖3a和3b。芯材在葉片中起到降低成本，減少重量的作用。圖4葉片截面圖中為芯材使用部位的示意圖。 圖3a. 硬質(zhì)泡沫圖3b. 巴沙木圖4. 葉片（一個翼型）截面在GL規(guī)范對芯材的要求中，以上兩種材料歸屬為同一體系。針對其它形式的芯材，在經(jīng)過GL討論并同意后，同樣可以進行材料認證。 硬質(zhì)泡沫

16、對于芯材廠方申請GL認證，廠方在申請時準備并提交的材料除基本申請材料各項外，還包含以下幾項：主要材料及添加劑、適用之樹脂體系、廠方應(yīng)提供詳細之存貯數(shù)據(jù)（包括最大允許加工溫度和操作溫度、長期操作溫度）。 若通過材料初步審核后，申請樣品會送到具有相關(guān)資質(zhì)的第三方實驗室進行測試。具體項目以及參考執(zhí)行標準為： 密度（ISO 845） 吸水率（ISO 2896） 壓縮強度（ISO 844） 壓縮模量（ISO 844） 剪切強度（DIN 53294） 剪切模量（DIN 53294） 所有試樣除去表面保護層，在測試環(huán)境溫度23，濕度50%下進行測試。 端面晶粒輕木芯材 巴沙木是一種非常輕但是高強度的可用以提

17、高夾心板硬度和強度的芯材。它的密度只有4-20磅/立方英尺， 具有耐撞擊，不易扯裂，可以經(jīng)受超量的動態(tài)負載、耐疲勞等特性。 申請方提供的資料， 除與硬質(zhì)泡沫相同外， 還需要提供的申請材料包括：商業(yè)名稱和木材處理方法。 第三方實驗室測試項目為： 原始密度（DIN 52182） 含水率（ISO 3130） 壓縮強度（平行和 垂直條件（DIN 52185） 壓縮模量（平行和 垂直條件 （DIN 52185） 剪切強度（DIN 53294） 剪切模量（DIN53294） 實驗過程中所有試驗樣品必須無裂紋，表面平整并且適當粗糙。在測試環(huán)境溫度23，濕度50%下進行測試。 預(yù)浸料 葉片加工過程除已經(jīng)熟知的

18、真空灌注法之外，一些工藝也會采用預(yù)浸料技術(shù)，與其它工藝相比，具有快速固化和縮短成型時間的優(yōu)勢。 預(yù)浸料生產(chǎn)方法可分為溶劑法和熱熔法。預(yù)浸料通常應(yīng)冷藏保存并注明保存期限。 常規(guī)情況下，預(yù)浸料冷藏保存的保存期可為6-18個月。零下保存的密封預(yù)浸料在使用前必須升到室溫后才可以打開使用（圖5）。 圖5. 預(yù)浸料展開對于預(yù)浸料廠方申請GL認證，廠方在申請時準備并提交的材料除基本申請材料各項外，還包含以下幾項： 樹脂體系 纖維體系 增強類型 固化工藝 固化類型 單向布和織物預(yù)浸料被歸為同一類體系。其它規(guī)格的預(yù)浸料同樣可以在與GL溝通后進行認證。另外，預(yù)浸料可分為玻璃纖維類與碳纖維類，二者在測試項目中有一定

19、的差別。 玻璃纖維體系的預(yù)浸料 預(yù)浸料樣品送到具有相關(guān)資質(zhì)第三方實驗室進行測試，測試項目及相關(guān)執(zhí)行標準如下： a. 樹脂體系 -樹脂密度 -拉伸性能 -玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg b. 纖維體系-玻璃纖維/碳纖維 -纖維直徑 -編制類型 -浸潤劑類型 c. 非固化預(yù)浸料物理性能 -克重 （DIN53584） -樹脂含量 （DIN 29971） -厚度（DIN 5084） -揮發(fā)物含量 （EN 2330） d. 固化后預(yù)浸料性能 -拉伸強度，楊氏模量 （ISO 527） -彎曲強度 （ISO 14125） -壓縮強度，壓縮模量 （ISO 14126） -纖維體積含量 （ISO 1172） -復(fù)合材料空隙率 碳纖維預(yù)浸料的測試區(qū)別為： 壓縮強度、壓縮模量 （DIN EN 2850 A1） 膠衣 膠衣的主要作用為保護葉片表面，起到防老化，防風沙的作用。 對于膠衣廠方申請GL認證，廠方在申請時準備并提交材料除基本申請材料各項外，還包含以下幾項：制版工藝、存貯條件。 非固化體系： 密度（ISO 1675） 粘度（ISO 2555） 凝膠時間（ISO2535） GL認證證書 德國勞氏（GL）自1977年進入風能領(lǐng)域以來，憑借30多年的經(jīng)驗在世界風能領(lǐng)域中扎實的