風(fēng)機(jī)葉片材料的GL認(rèn)證技術(shù)規(guī)范

1、風(fēng)機(jī)葉片材料的GL認(rèn)證技術(shù)規(guī)范作者：德國勞氏集團(tuán) 吳強(qiáng) 趙國彬纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）在風(fēng)電機(jī)組葉片中的應(yīng)用越來越廣泛，德國勞氏集團(tuán)（GL roup）根據(jù)其在船舶和風(fēng)電領(lǐng)域多年的積累編寫了非金屬材料的認(rèn)證規(guī)范和要求，德國勞氏可再生能源風(fēng)能部（中國）的吳強(qiáng)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(yàn)要求和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)”進(jìn)行了詳細(xì)的敘述。 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）從上世紀(jì)40年代問世以來，在航空、航天、船舶、汽車、化工、醫(yī)學(xué)和機(jī)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(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕、耐久性等優(yōu)點(diǎn)，成為大型風(fēng)電機(jī)組葉片材料的首選。葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有效捕獲風(fēng)

2、能的關(guān)鍵部件，約占整個風(fēng)電機(jī)組25%的成本。在發(fā)電機(jī)功率確定的條件下，捕風(fēng)能力的提高將直接提高發(fā)電效率，而捕風(fēng)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?。ㄉ鲜鰠?shù)）則主要依賴于制造葉片的材料。葉片的材料越輕、強(qiáng)度和剛度越高，葉片抵御載荷的能力就越強(qiáng)，葉片就可以做得越大，它的捕風(fēng)能力也就越強(qiáng)，發(fā)電效率也就會相應(yīng)得到提高。 在復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片研究開發(fā)過程中，德國、丹麥、美國、荷蘭等風(fēng)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(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、質(zhì)量檢驗(yàn)、在線實(shí)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(tuán)更是結(jié)合在船舶和風(fēng)能行業(yè)的

3、幾十年經(jīng)驗(yàn)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(yàn)提出了基本的要求。 GL非金屬材料認(rèn)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(qiáng)材料的檢驗(yàn)要求及實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，第三部分是關(guān)于產(chǎn)品的修補(bǔ)。 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(rèn)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(jìn)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(bào)的產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量控制進(jìn)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(diǎn)討論關(guān)于規(guī)范中的第二部分復(fù)合增強(qiáng)材料的檢驗(yàn)要求及實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，第二部分主要包括以下材料的實(shí)驗(yàn)及檢驗(yàn)要求：膠衣和/或?qū)訅簶渲?、增?qiáng)材料 、預(yù)浸料、芯材、膠粘劑。 目前的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)要求和參考標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)內(nèi)容。 樹脂和增強(qiáng)材料的基本性能指標(biāo)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(biāo)要求和實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，本文僅僅對于葉片的主要兩種原料熱固性樹脂和增強(qiáng)材料的相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(yàn)要求，對其它類型的樹脂在與德國勞氏集團(tuán)進(jìn)行具體磋商后，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)一般分為固化前的性能指標(biāo)以及固化成型后的性能指標(biāo)，固化前性能指標(biāo)一般包括下列項(xiàng)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(dāng)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(biāo)主要考量樹脂澆筑板的力學(xué)性能指標(biāo)，包括： 密度 吸水率 拉伸強(qiáng)度，拉伸彈性模量和斷裂應(yīng)變 彎曲強(qiáng)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(biāo)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(fēng)電機(jī)組的葉片是露天工作，要經(jīng)受惡劣氣候的考驗(yàn)，尤其是海上復(fù)雜氣候條件，并且一般風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)壽命又長達(dá)20年，維修成本高昂，所以具體的指標(biāo)將由德國勞氏實(shí)驗(yàn)室的工程師實(shí)際要求來界定。 增強(qiáng)材料 纖維增強(qiáng)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(jì)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(qiáng)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(jì)中，葉片

8、橫截面耦合效應(yīng)是一個讓設(shè)計(jì)人員頭疼的難題，設(shè)計(jì)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(jī)翼的性能。在葉片上，引入彎扭耦合設(shè)計(jì)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(dá)到葉片材料的載荷要求。 隨著設(shè)計(jì)能力的不斷提高，葉片逐漸變大，這對材料的強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)材料一般需要考量的主要指標(biāo)為： 粗紗的細(xì)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(qiáng)材料和熱固化樹脂合成的層壓板材料，GL需要測定其力學(xué)性能，并在規(guī)范中給出了計(jì)算最低值的公式： 纖維含量 拉伸強(qiáng)度、斷裂應(yīng)變、拉伸彈性模量 彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模

10、量 增強(qiáng)材料應(yīng)滿足的最小機(jī)械性能參數(shù)要求，可以參照以下公式計(jì)算得出，在計(jì)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(jì)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(qiáng)材料，上述數(shù)值至少需要在一個方向（尤其是0o方向）進(jìn)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?yán)w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(qiáng)度最小值： 楊氏模量（拉伸模量）最小值： 彎曲強(qiáng)度最小值： 風(fēng)機(jī)葉片材料的GL認(rèn)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(fēng)能、太陽能、核能為新能源發(fā)展思路，而風(fēng)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(dá)到15%左右，這也正印證了最新報(bào)告中的預(yù)測：風(fēng)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(fēng)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(rèn)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(jìn)行詳細(xì)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(xì)描述 GL申請表 產(chǎn)品技術(shù)說明書（TDS） 化學(xué)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(fēng)場運(yùn)行過程中會因風(fēng)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(shí)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(rèn)證，廠方在申請時準(zhǔn)備

14、并提交的材料除基本申請材料外，還需包含以下幾項(xiàng)：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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試。測試分為物理性能及機(jī)械性能，具體項(xiàng)目以及參考執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)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(qiáng)度（DIN EN 1465）、抗剝離強(qiáng)度（ISO 11339）、熱穩(wěn)定性（ISO 75-2，Metho

15、d A）、長期蠕變實(shí)驗(yàn)192±2h。本實(shí)驗(yàn)為基于DIN EN 1465制樣，施加外力為拉剪強(qiáng)度的60% 。 以上實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(jìn)行材料認(rèn)證。 硬質(zhì)泡沫

16、對于芯材廠方申請GL認(rèn)證，廠方在申請時準(zhǔn)備并提交的材料除基本申請材料各項(xiàng)外，還包含以下幾項(xiàng)：主要材料及添加劑、適用之樹脂體系、廠方應(yīng)提供詳細(xì)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試。具體項(xiàng)目以及參考執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為： 密度（ISO 845） 吸水率（ISO 2896） 壓縮強(qiáng)度（ISO 844） 壓縮模量（ISO 844） 剪切強(qiáng)度（DIN 53294） 剪切模量（DIN 53294） 所有試樣除去表面保護(hù)層，在測試環(huán)境溫度23，濕度50%下進(jìn)行測試。 端面晶粒輕木芯材 巴沙木是一種非常輕但是高強(qiáng)度的可用以提

17、高夾心板硬度和強(qiáng)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(fù)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(shí)驗(yàn)室測試項(xiàng)目為： 原始密度（DIN 52182） 含水率（ISO 3130） 壓縮強(qiáng)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(qiáng)度（DIN 53294） 剪切模量（DIN53294） 實(shí)驗(yàn)過程中所有試驗(yàn)樣品必須無裂紋，表面平整并且適當(dāng)粗糙。在測試環(huán)境溫度23，濕度50%下進(jìn)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(rèn)證，廠方在申請時準(zhǔn)備并提交的材料除基本申請材料各項(xiàng)外，還包含以下幾項(xiàng)： 樹脂體系 纖維體系 增強(qiáng)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(jìn)行認(rèn)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(xiàng)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試，測試項(xiàng)目及相關(guān)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度，楊氏模量 （ISO 527） -彎曲強(qiáng)度 （ISO 14125） -壓縮強(qiáng)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(qiáng)度、壓縮模量 （DIN EN 2850 A1） 膠衣 膠衣的主要作用為保護(hù)葉片表面，起到防老化，防風(fēng)沙的作用。 對于膠衣廠方申請GL認(rèn)證，廠方在申請時準(zhǔn)備并提交材料除基本申請材料各項(xiàng)外，還包含以下幾項(xiàng)：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(rèn)證證書 德國勞氏（GL）自1977年進(jìn)入風(fēng)能領(lǐng)域以來，憑借30多年的經(jīng)驗(yàn)在世界風(fēng)能領(lǐng)域中扎實(shí)的