風電機組葉片表面阻燃涂料的應用

楊惠凡，張鵬，劉宗杰，曹瑞芳，趙慶軍

（1.保定華翼風電葉片研究開發有限公司，保定 071000；2.河北省風電葉片工程技術研究中心，石家莊 050000；3.石家莊市油漆廠，石家莊 050051）

0 引言

本項目研究開發葉片表面阻燃涂層材料，在葉片的特殊部位進行了噴涂應用。結合美國NFPA850－2009《發電廠和高壓直流轉換站的防火推薦規定》推薦采用不燃材料制作風電機組葉片和機艙等重要部件的要求，劃分防火分區，阻止火災的蔓延，在葉片表面涂裝阻燃涂料可有效地降低葉片起火的概率，有針對性地采取了防火保護措施和防火分隔措施，使火災損失降低到最小程度，提高葉片的再利用率。

1 風電機組火災的特點

1.1 惡劣的環境因素加劇了火災風險

風電場一般占地面積大，且多處于野外偏遠地區，雷擊、太陽輻射、高溫、大風、強降水等極端惡劣天氣多發，同時也存在山木、野草等外部火災蔓延引起風電機組火災的可能性。

1.2 撲救難度大

風電機組一旦發生火災，由于地處偏遠、環境復雜，關鍵設備設在高空，機組內部電器和可燃液體燃燒具有起火快、燃燒猛烈、蔓延迅速等特點，消防人員無法快速到達并實施有效的滅火救援工作，只能等待整個風電機組完全燒毀，甚至可能導致風電機組附近草原、森林等更大面積火災蔓延的嚴重后果，造成巨大的經濟損失和社會影響。

2 阻燃涂層的防火基理

風電機組葉片阻燃涂層除具一般葉片涂層對基材保護性外，還具有阻燃、防火、隔熱等特性。葉片阻燃涂層就是將阻燃涂料涂覆于葉片表面形成的涂層，遇火受熱膨脹形成隔熱層以達到防火阻燃的目的，具有降低葉片表面的可燃性、阻滯火災迅速蔓延等作用。

風電葉片阻燃涂層在遇火或強熱時通過以下方式達到阻燃的效果：（1）通過涂層材料的不燃、難燃性來阻止火災的形成和蔓延；（2）形成釉裝無機保護層以隔絕氧氣的接觸；（3）形成泡沫狀炭化層阻擋熱量的傳播；（4）釋放不燃性氣體降低氧氣濃度；（5）涂層部分熔融吸收外部熱量。最終形成一個比原涂層厚幾十倍的泡沫狀無機炭化層，可有效隔絕外部的火源和氧氣，起到阻燃、防火、隔熱的效果。

3 實驗部分

3.1 阻燃涂料的組成

甲組份：樹脂基料，復配阻燃劑，顏料，填料，助劑。

乙組份：三聚體異氰酸酯固化劑。

3.2 阻燃涂料的技術指標和檢測數據

阻燃涂料技術性能和實測數據如表1所示。

4 阻燃涂層的施工工藝

4.1 確定涂裝部位

根據葉片的設計原理，參考葉片的實際運行情況，針對葉片易發生火災的部位涂裝阻燃涂料，即將研制的阻燃涂料涂在葉片根部內表面和人孔板外層、根部外層約1.5m～2m范圍、尖部約1.5m左右和接閃器附近（圖1）。根據需要也可在其他部位涂刷，比如主機輪轂內側和塔筒配電柜等，為了節省成本還可以將預計涂刷阻燃涂層的部位打磨葉片蒙皮后直接噴涂阻燃涂料，也可在葉片涂層表面覆蓋阻燃涂料，但必須達到設計涂料厚度的阻燃涂層才能發揮阻燃性能。

4.2 基材的處理

將基材表面打磨徹底，要求平整無遺漏，采用高壓氣體或除塵布將表面的灰塵、水珠、油污清除干凈，待檢查合格后方可施工。

4.3 阻燃涂料的施工

4.3.1 施工方式

可采用噴涂、刷涂、滾涂等多種施工方式。

表1 阻燃涂料技術性能

4.3.2 施工工藝

根據阻燃涂料的配比要求，在施工前將涂料甲乙組充分攪拌均勻，待涂料熟化5min～10min后方可施工。施工涂層厚度每遍在0.2mm～0.3mm左右，表干后1h～2h進行第二遍涂裝，通過多次涂裝，最終涂層厚度達到2mm。要求施工環境在5℃～40℃，基材溫度高于露點溫度3℃以上，空氣相對濕度不大于85%，施工現場空氣流通，風速不大于5m/s，室外作業或基材表面結露時不可施工。

4.3.3 涂層外觀要求

涂層表面平整，厚度均勻，沒有氣泡、開裂、流掛等表面缺陷。

施工中隨時檢查濕膜膜厚以保證干膜厚度滿足設計要求。干膜膜厚采用“85－15”規則判定，即允許有15%的讀數可低于規定值，但每一單獨讀數不得低于規定值的85%。涂層厚度達不到設計要求時，應增加涂裝道數，直到合格為止。每道涂層的干膜厚度不應超出規定的最大膜厚。

5 結果與討論

本文通過對所研制的復合阻燃涂料（由成炭劑、成炭催化劑、發泡劑復配組成）在不同底材上通過不同的燃燒方式進行試驗，得到的實驗數據如下：

（1）阻燃涂料涂于瓦楞紙板上，進行酒精燈燃燒實驗

將阻燃涂料在瓦楞紙板上涂刷至干膜厚度達到2mm，養護10天，重復燃燒實驗數據列于表2中。

由表2可見利用選定的復合阻燃劑制成的阻燃涂料，經重復燃燒實驗耐火時間均達到了1h以上，且炭化層狀態良好，容易去除。

（2）阻燃涂料涂于玻璃鋼底材上，進行酒精噴燈燃燒實驗

將阻燃涂料涂于玻璃鋼底材上，通過酒精噴燈進行燃燒實驗，用熱電偶數顯溫度表顯示溫度，試驗數據列于表3中。

由表3可見，用酒精噴燈直接燃燒玻璃鋼板材，2min左右即可點燃而且火焰大、煙霧濃、不易熄滅。在玻璃鋼底材表面涂裝阻燃涂料，耐火時間在20min以上，酒精燈噴口處溫度在800℃～1200℃范圍內，基材表面無明顯火焰，另一觸點放置在離火焰不遠處的涂層表面上，溫度顯示為40℃～42℃，說明涂層的導熱性差，可有效降低火焰傳來的溫度，使底材得到有效的保護。燃燒效果圖如圖2～圖5。

（3）阻燃涂料噴涂于葉片根部試驗件內外表面，用乙炔焰（氣割槍）進行燃燒實驗

在葉片根部半圓形試驗件的外表面和內表面噴涂阻燃防火涂料，用乙炔焰（氣割槍）調至一定的距離進行燃燒實驗，用熱電偶數顯溫度表顯示溫度，試驗數據列于表4中。

表2 重復燃燒酒精燈燃燒實驗數據

表3 酒精噴燈燃燒實驗數據

表4 乙炔焰（氣割槍）燃燒實驗數據

6 總結

選取研制的阻燃涂層的特點是具有較好的附著力、柔韌性、耐化學品性、耐水性、發泡均勻、致密性好、質量損失小、耐化學品性優異、耐水性耐老化性能佳。該阻燃涂層施工簡便，可用于葉片玻璃鋼基材表面直接涂裝或在葉片涂層表面涂裝，其施工工藝完全等同于葉片涂層操作。該阻燃涂層的耐火時間，用酒精燈燃燒達到了1h以上，用酒精噴燈燃燒達到20min以上，用乙炔焰（氣割槍）燃燒達到19min以上；炭化層較厚、致密、均勻，發泡層容易去除，提高了葉片的再利用率。該阻燃涂層涂刷的部位根據需要可以任選，建議在附葉片保護部位（示意圖的部位）噴涂，就實用角度考慮如果火源從主機發生，建議輪轂的內部涂刷阻燃涂料。

根據實驗得出，利用研制的阻燃涂料可以在葉片表面需要的部位進行涂裝，屬于特種功能涂料；涂層厚度越厚阻燃效果越好，但從經濟實用的角度考慮，涂裝厚度應在2mm～3mm，如遇火災時，膨脹高度可達3cm～4cm，可以抑制火災迅速蔓延，對葉片也起到了防火保護分隔作用，使火災損失降低到最小程度，提高葉片的再利用率，延長葉片的使用壽命。

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