葉片前緣腐蝕問(wèn)題原因分析和解決措施的研究

上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司 馬希磊 姚永智 張子威

江蘇海上某風(fēng)場(chǎng)機(jī)組運(yùn)行三年多，約20%葉片出現(xiàn)前緣腐蝕問(wèn)題，具體失效形式為葉尖部位涂層出現(xiàn)點(diǎn)狀剝落，最后葉尖的前緣鋒利位置裸露出基材，主要原因是葉片前緣的線(xiàn)速度較大，風(fēng)場(chǎng)所有位置周邊化工廠排出的廢物廢氣導(dǎo)致夏季伴隨著酸雨，加劇葉片前緣腐蝕。機(jī)組在這種狀態(tài)下運(yùn)行影響發(fā)電量，同時(shí)存在葉片安全隱患。此問(wèn)題解決方案是葉片前緣增加一層有機(jī)保護(hù)膜或者增強(qiáng)保護(hù)膜涂層的耐腐蝕性，保證葉片正常使用。

1 葉片腐蝕原因

1.1 葉片前緣腐蝕背景

本次發(fā)生葉片前緣腐蝕現(xiàn)象的風(fēng)場(chǎng)位于江蘇沿海城市，該風(fēng)場(chǎng)于2018年并網(wǎng)運(yùn)行，截止目前運(yùn)行三年多，風(fēng)場(chǎng)定期無(wú)人機(jī)巡檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)多臺(tái)機(jī)組存在葉片前緣腐蝕現(xiàn)象，如圖1所示。腐蝕現(xiàn)象最先發(fā)生于距葉尖10～15m處，先是白色耐磨涂層出現(xiàn)點(diǎn)狀剝落，后逐漸擴(kuò)大至此位置耐磨涂層全部脫落，如圖1標(biāo)記位置處耐磨油漆幾乎全部脫落，且基體出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象；腐蝕最嚴(yán)重部位為葉片前緣位置處，腐蝕向葉片兩面延伸，腐蝕情況逐級(jí)遞減。

圖1 江蘇沿海某風(fēng)場(chǎng)某機(jī)組葉片前腐蝕情況

該風(fēng)場(chǎng)距港口約10～15海里，受海上高溫、潮濕、鹽霧及紫外線(xiàn)環(huán)境因素影響較大。風(fēng)場(chǎng)周遭存在化工廠，海上環(huán)境受化工廠排泄廢物廢氣影響較大，經(jīng)常發(fā)生酸雨等現(xiàn)象，葉片運(yùn)行環(huán)境惡劣，葉尖前緣腐蝕現(xiàn)象受酸雨影響較大。如圖2所示為江蘇沿海某風(fēng)場(chǎng)位置。

圖2 葉片復(fù)合材料基體受到腐蝕

雨蝕是造成風(fēng)電葉片前緣腐蝕的最重要因素。在降雨量較多的風(fēng)場(chǎng)，由雨蝕造成的葉片前緣腐蝕非常嚴(yán)重。雨蝕是雨滴對(duì)葉片前緣表面的高速撞擊引起的腐蝕現(xiàn)象。由于葉尖前緣部位比較薄且葉尖轉(zhuǎn)速最大，因此靠近葉尖部位的前緣磨蝕最嚴(yán)重。現(xiàn)在風(fēng)機(jī)采用的葉片長(zhǎng)度為60～80m,風(fēng)機(jī)額定滿(mǎn)發(fā)的轉(zhuǎn)速為9～14rpm/min；且隨著葉片長(zhǎng)度的增加,其葉尖轉(zhuǎn)速有增高的趨勢(shì),現(xiàn)在海上葉片的葉尖速度達(dá)到90m/s以上，即約330km/h。在這樣的高度下，雨滴就像子彈一樣敲打涂層，造成防護(hù)層破壞，然后雨水像高壓清洗機(jī)一樣將剩余的破壞涂層沖走，在最壞的情況下葉片的基體結(jié)構(gòu)會(huì)暴露在外面或被損傷擊穿[1～3]。

1.2 葉片前緣腐蝕影響

近幾年，國(guó)內(nèi)各風(fēng)場(chǎng)的機(jī)組運(yùn)行情況顯示，在接近3～5年質(zhì)保期時(shí)間段，20%左右的風(fēng)機(jī)葉片普遍存在前緣損傷保護(hù)涂層脫落、開(kāi)裂等現(xiàn)象。風(fēng)電葉片前緣出現(xiàn)腐蝕之后，葉片整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，在風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行中斷裂風(fēng)險(xiǎn)增大。

復(fù)合材料基體暴露在水汽環(huán)境中會(huì)對(duì)葉片性能產(chǎn)生重大威脅。水分對(duì)葉片材料性能影響程度的高低主要取決于葉片基體樹(shù)脂材料的化學(xué)特性。其中,環(huán)氧樹(shù)脂具有較好的耐水降解作用，而聚酯和乙烯基樹(shù)脂在水分環(huán)境中易于降解。研究發(fā)現(xiàn)，以聚酯為基體的層合板在水中浸泡一年后，其層間剪切性能只能保留65%，而環(huán)氧樹(shù)脂的層合板能保留約90%。如圖3所示為葉片復(fù)合材料基體受到腐蝕。

圖3 葉片初次出現(xiàn)腐蝕情況時(shí)葉尖線(xiàn)速度與累計(jì)降雨量之間的關(guān)系

葉片前緣腐蝕問(wèn)題除了降低葉片機(jī)構(gòu)強(qiáng)度以外，還會(huì)降低氣動(dòng)性能和風(fēng)機(jī)年發(fā)電量（約降低3～5%），嚴(yán)重的前緣腐蝕可導(dǎo)致年發(fā)電量最大減少15%。

1.3 葉片前緣腐蝕原因調(diào)查

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該風(fēng)場(chǎng)機(jī)組葉片發(fā)生前緣腐蝕問(wèn)題的原因有兩點(diǎn)，分別為環(huán)境因素和葉片設(shè)計(jì)因素。

1.3.1 環(huán)境因素

該風(fēng)場(chǎng)項(xiàng)目機(jī)組距江蘇沿海某港口約10～15海里，運(yùn)行環(huán)境惡劣，經(jīng)常遭受雨水的沖擊。雨蝕是造成風(fēng)電葉片前緣腐蝕的最重要因素。

1.3.2 葉片設(shè)計(jì)因素

該款機(jī)型采用B63葉片，該葉片存在三點(diǎn)設(shè)計(jì)缺陷：葉片采用了LEP1涂層方案，該方案僅在葉片前緣使用BASF1735前緣保護(hù)油漆，此方案仍未滿(mǎn)足海上運(yùn)行環(huán)境要求（運(yùn)行一年后就出現(xiàn)問(wèn)題）。

按照DNV認(rèn)證B63葉片設(shè)計(jì)使用壽命應(yīng)為20年，轉(zhuǎn)子速度為13.36rpm，葉尖線(xiàn)速度高達(dá)90.94m/s，這個(gè)線(xiàn)速度高于目前市場(chǎng)上絕大多數(shù)機(jī)型。而葉尖線(xiàn)速度是導(dǎo)致葉片雨蝕的關(guān)鍵因素。如圖4所示為葉片初次出現(xiàn)腐蝕情況時(shí)葉尖線(xiàn)速度與累計(jì)降雨量之間的關(guān)系。從圖中曲線(xiàn)可以看出，當(dāng)葉尖線(xiàn)速度高達(dá)90.94m/s時(shí)，累計(jì)降雨量為196mm時(shí)葉片開(kāi)始逐步出現(xiàn)腐蝕情況，相較于葉尖線(xiàn)速度為80m/s（轉(zhuǎn)子速度為11rpm）時(shí)，雨水腐蝕葉片快了196/148=1.32倍。

葉片廠家提供的維護(hù)手冊(cè)未明確要求對(duì)葉片前緣做任何維護(hù)措施，主要是缺少葉片在當(dāng)?shù)氐倪\(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)。

2 葉片前緣腐蝕解決方案

葉片前緣腐蝕問(wèn)題處理分為兩部分，一是葉片基體維修和復(fù)合層維修以及前緣修型；二是葉片前緣保護(hù)膜改進(jìn)。

2.1 葉片基體維修

其中葉片基體維修主要材料如下表1所示，除這些材料外，此維修方案不對(duì)其它原材料（如玻纖、樹(shù)脂等）作硬性要求。具體維修時(shí)，所選用的玻纖、樹(shù)脂等原材料需符合所維修葉片的材料匹配性要求。

表1 葉片維修主要材料

2.2 復(fù)合層維修

若前緣腐蝕已傷及葉片前緣外補(bǔ)強(qiáng)、前緣外蒙皮等，則應(yīng)先維修損傷的復(fù)合層。首先將損傷的布層打磨干凈，并按雙軸布軸向、弦向各1:50，三軸布軸向1:70、弦向1:50打磨錯(cuò)層。然后按n+1層進(jìn)行修補(bǔ)，其中補(bǔ)強(qiáng)層織物規(guī)格與維修的最外層相同。

維修長(zhǎng)度小于1m可采用手糊，若維修長(zhǎng)度大于1m需采用手糊袋壓的方法，維修長(zhǎng)度超過(guò)2m則需要分段維修。維修完成后，可使用熱風(fēng)機(jī)或電熱毯加熱，直至維修材料完全固化。硬度達(dá)到70HD后才可進(jìn)行下一步工序，維修材料需留樣測(cè)Tg值。

2.3 前緣修型

前緣樹(shù)脂完全固化后，用P80砂紙將維修區(qū)域打磨粗糙，并打磨掉邊緣毛刺，要求表面無(wú)漏點(diǎn)。如果在打磨后局部區(qū)域不能獲得良好的前緣外形，可使用膩?zhàn)舆M(jìn)行修型，厚度最多不能超過(guò)2mm。膩?zhàn)有扌凸袒笥肞120砂紙對(duì)膩?zhàn)舆M(jìn)行打磨，然后用毛巾清理干凈表面灰塵。

關(guān)于葉片前緣保護(hù)膜改進(jìn)具體有三種改良方案，分別為：保護(hù)膜涂層改良，PowerEdge前緣保護(hù)技術(shù)，以及耐腐蝕油漆改良。

2.4 保護(hù)膜涂層改良

國(guó)外某公司為解決葉片前緣腐蝕問(wèn)題研制出一種由聚氨酯彈性體制成的前緣保護(hù)膜W8620，該保護(hù)膜有優(yōu)越的防腐蝕性能，卓越的耐老化性能，以及具備良好的防紫外線(xiàn)性能，使用壽命約為3年。為確保葉片在運(yùn)行5年后免受可見(jiàn)腐蝕，需使用從葉尖開(kāi)始粘貼約15m長(zhǎng)的風(fēng)電葉片保護(hù)膜W8620，若可接受少量的腐蝕，可減少長(zhǎng)度至6m左右（從葉尖開(kāi)始粘貼）。風(fēng)電葉片保護(hù)膜W8620在五年使用期內(nèi)，需兩年檢查一次，以檢測(cè)和修復(fù)保護(hù)膜的缺位損傷。

使用該涂層改良方案，每臺(tái)風(fēng)機(jī)約需3萬(wàn)費(fèi)用（不包含安裝費(fèi)用）。

2.5 PowerEdge前緣保護(hù)技術(shù)

世界某著名公司為解決葉片前緣腐蝕問(wèn)題研究出PowerEdge前緣保護(hù)技術(shù)，使用壽命約為25年。為確保葉片在運(yùn)行25年后免受可見(jiàn)腐蝕，需使用從葉尖開(kāi)始約15m長(zhǎng)的葉片部位使用PowerEdge前緣保護(hù)技術(shù)，且在運(yùn)行25年后允許約2m長(zhǎng)的腐蝕，在運(yùn)行期內(nèi)需兩年檢查一次。

PowerEdge前緣保護(hù)技術(shù)相較于方案一涂層改良方案，優(yōu)點(diǎn)在于維修次數(shù)少，維修時(shí)間短，如圖4所為葉片腐蝕程度與運(yùn)行時(shí)間關(guān)系。當(dāng)葉片腐蝕程度達(dá)到臨界水平，需進(jìn)行檢修更換，從圖4中得出，PowerEdge前緣保護(hù)技術(shù)使用壽命更長(zhǎng)，相較于方案一涂層改良方案能明顯降低前緣侵蝕和結(jié)構(gòu)損壞的風(fēng)險(xiǎn)，可以減少對(duì)前緣的維修和維護(hù)需求。

圖4 葉片腐蝕程度與運(yùn)行時(shí)間關(guān)系

如圖5所示為年發(fā)電量與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系，當(dāng)葉片腐蝕程度達(dá)到臨界水平，進(jìn)行檢修更換時(shí)，年發(fā)電量會(huì)有明顯下降，因此PowerEdge 前緣保護(hù)技術(shù)相較于方案一涂層改良方案使用壽命更長(zhǎng)，所需檢修更換次數(shù)更少，年發(fā)電量更高。使用PowerEdge前緣保護(hù)技術(shù)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)約需9萬(wàn)費(fèi)用（不包含安裝費(fèi)用）。

圖5 年發(fā)電量與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系

2.6 耐磨油漆改良

鑒于貼膜的施工要求和成本較高,國(guó)外某著名公司研發(fā)了一種前緣防護(hù)用的高性能雙組分聚氨酯保護(hù)漆W4600,該前緣保護(hù)漆的防護(hù)性能優(yōu)于前緣保護(hù)膜,工藝上可以采用常規(guī)油漆的噴涂、刷涂或滾涂的方式，不僅適用于工廠的制造，而且能應(yīng)用于風(fēng)場(chǎng)葉片的現(xiàn)場(chǎng)前緣防護(hù)維修，可操作時(shí)間長(zhǎng)，溫濕度施工范圍寬。

圖6 風(fēng)電前緣保護(hù)涂料W4600

3 未來(lái)展望

為實(shí)現(xiàn)“2030碳達(dá)峰、2060碳中和”目標(biāo)，風(fēng)電作為可再生能源的行業(yè)之一，國(guó)家正大力發(fā)展陸上集中式大基地與分散式風(fēng)場(chǎng)并舉；同步開(kāi)發(fā)中、遠(yuǎn)海的海上風(fēng)電，提升我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中可再生能源占比。

風(fēng)電行業(yè)在面對(duì)市場(chǎng)機(jī)型尺度升級(jí)快、迭代周期短與制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型大趨勢(shì)下，葉片的尺寸越來(lái)越長(zhǎng)，海上機(jī)組葉片突破100米，葉片前緣腐蝕是一個(gè)需要不斷關(guān)注的課題。新開(kāi)發(fā)的前緣保護(hù)材料由于實(shí)際應(yīng)用時(shí)間較短,其防護(hù)效果還未得到驗(yàn)證,未來(lái)需持續(xù)關(guān)注高性能前緣防護(hù)材料的開(kāi)發(fā)。未來(lái)的前緣防護(hù)材料應(yīng)至少能為葉片前緣尤其是葉尖前緣提供5～8年的防護(hù)。未來(lái)需要對(duì)葉片的前緣腐蝕機(jī)理、防護(hù)材料的防護(hù)機(jī)理以及材料防護(hù)性能與葉片前緣實(shí)際防護(hù)年限的關(guān)系進(jìn)行充分研究。