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风机叶片材料的GL认证技术规范

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行业应用
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发表时间:
2014-09-22

风机叶片材料的GL认证技术规范
纤维增强复合材料(FRP)在风电机组叶片中的应用越来越广泛,德国劳氏集团(GL Group)根据其在船舶和风电领域多年的积累编写了非金属材料的认证规范和要求,德国劳氏可再生能源风能部(中国)的吴强和朱国简单介绍了该规范中的一些相关内容,并对于第二部分“非金属材料的检验要求和试验标准”进行了详细的叙述 
纤维增强复合材料(FRP)从上世纪40年代问世以来,在航空、航天、船舶、汽车、化工、医学和机械等工业领域得到了广泛的应用。近年来,FRP又以其高强、轻质、耐腐蚀、耐久性等优点,成为大型风电机组叶片材料的首选。叶片是风力发电机组有效捕获风能的关键部件,约占整个风电机组25%的成本。在发电机功率确定的条件下,捕风能力的提高将直接提高发电效率,而捕风能力则与叶片的形状、长度和面积有着密切关系,叶片尺寸的大小(上述参数)则主要依赖于制造叶片的材料。叶片的材料越轻、强度和刚度越高,叶片抵御载荷的能力就越强,叶片就可以做得越大,它的捕风能力也就越强,发电效率也就会相应得到提高。
在复合材料风力发电机组的叶片研究开发过程中,德国、丹麦、美国、荷兰等风能资源利用较好的国家针对大型叶片的材料体系、外形设计、结构设计、制造工艺、质量检验、在线实时监测和废弃物处理等作了大量的研究开发工作,并取得了丰硕的成果。德国劳氏集团更是结合在船舶和风能行业的几十年经验编写了一本完整的技术规范《德国劳氏船级社非金属材料技术规范要求》,在规范中对于叶片原材料的生产控制和成品检验提出了基本的要求。
GL非金属材料认证技术规范&n 《德国劳氏船级社非金属材料技术规范要求》一共分为三个部分,第一部分是关于原料和产品的生产品质要求的规定,第二部分是关于复合增强材料的检验要求及实验标准,第三部分是关于产品的修补。 在第一部分中,涉及到几种主要非金属材料的生产工艺以及产品的质量控制的相关要求。GL颁发的非金属材料认证证书的有效期限一般为4年,那么对于生产工厂,GL希望工厂可以在证书的有效期内长期稳定的生产出符合GL规范要求的产品,那么就需要对于产品的生产过程质量进行控制。其中主要的控制内容包括以下几个方面:
● 工厂的一般信息 
● 人员 
● 工厂内部质量控制体系 
● 生产过程监控 
● 工厂的仓储管理情况 
● 生产能力 
● 生产设备 

在申请工厂的生产质量体系通过了ISO9001的基础之上,GL将会参照以上方面对于工厂申报的产品的生产质量控制进行监督和检测,希望可以帮助工厂更加完善产品的生产质量控制,以保证产品质量长期的稳定。 

本文重点讨论关于规范中的第二部分复合增强材料的检验要求及实验标准,第二部分主要包括以下材料的实验及检验要求:胶衣和/或层压树脂、增强材料 、预浸料、芯材、胶粘剂。 

目前的大型风力发电机组的叶片基本上是由聚酯树脂、乙烯基树脂和环氧树脂等热固性基体树脂与E-玻璃纤维、S-玻璃纤维、碳纤维等增强材料,通过开模手工铺放,预浸料或闭模树脂真空导入等成型工艺复合而成。本文将介绍GL规范中对于这两种主要材料的实验要求和参考标准的详细内容。 

树脂和增强材料的基本性能指标及参考要求 

在GL的规范中,基本包括了生产叶片的所有原材料的性能指标要求和实验标准,本文仅仅对于叶片的主要两种原料热固性树脂和增强材料的相关实验项目要求做一个简单的介绍,并给出一些相应的参考要求。 

热固性树脂 

规范中仅对于不饱和聚酯树脂和环氧树脂两种热固性树脂提出了具体的检验要求,对其它类型的树脂在与德国劳氏集团进行具体磋商后,其技术标准要求将根据具体情况确定,但至少要以不饱和聚酯树脂的要求为底线。 

在产品的技术说明书中一般需要提供以下信息: 

● 树脂类型 ● 用途 
● 制造商 ● 品牌名 
● 储存环境要求 ● 加工环境要求 
● 添加剂的类型及比率 ● 固化条件及性能变化

对于热固性树脂的性能考量指标一般分为固化前的性能指标以及固化成型后的性能指标,固化前性能指标一般包括下列项目: 

● 密度 ● 不饱和聚酯树脂 :酸指数 
● 粘度 ● 环氧树脂 :环氧当量 
● 反应性 ● 凝胶时间 (温度增加) 
● 固化收缩率 

固化以后的性能指标主要考量树脂浇筑板的力学性能指标,包括: 

● 密度 
● 吸水率 
● 拉伸强度,拉伸弹性模量和断裂应变 
● 弯曲强度,弯曲弹性模量 
● 高温下尺寸稳定性(热变形温度)

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手工铺放成型工艺示意图

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工厂内的手工铺放成型工艺

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树脂真空导入工艺示意图

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工厂内的真空导入工艺

对于以上性能指标的最低值要求,GL在规范中给出了一些参考值(请参考GL规范的有关章节),参考值主要针对于不饱和聚酯树脂和环氧树脂。由于大型风电机组的叶片是露天工作,要经受恶劣气候的考验,尤其是海上复杂气候条件,并且一般风电机组的设计寿命又长达20年,维修成本高昂,所以具体的指标将由德国劳氏实验室的工程师实际要求来界定。
增强材料 

纤维增强复合材料具有其它单一材料无法比拟的优势——可设计性,从而可以通过调整单层的铺层方向,获得该方向上所需要的强度和刚度。更重要的是可利用材料的各向异性,使结构不同的变形形式之间发生耦合。比如由于弯扭耦合,使得结构在只受到弯矩作用时发生扭转。在以往的叶片设计中,叶片横截面耦合效应是一个让设计人员头疼的难题,设计人员想方设法希望消除耦合现象。在航空领域人们利用复合材料的弯扭耦合和拉剪耦合效应,提高机翼的性能。在叶片上,引入弯扭耦合设计概念,控制叶片的气弹变形,这就是气弹剪裁。通过气弹剪裁,降低叶片的疲劳载荷,并优化功率输出,可以很好的达到叶片材料的载荷要求。 

随着设计能力的不断提高,叶片逐渐变大,这对材料的强度和刚度提出了更加苛刻的要求。全玻璃钢叶片已无法满足叶片大型化,轻量化的要求。碳纤维或其它高强纤维随之被应用到叶片局部区域,如NEG Micon NM 82.4米长的叶片和LM 61.5米长的叶片都在高应力区使用了碳纤维。GL规范将玻璃钢中的增强材料分为四种类型:无捻粗纱、表面毡、玻纤织布、非织造布。在工厂提供的产品技术说明书中一般需要提供以下信息: 

● 纤维材料 ● 加固类型 
● 制造商 ● 品牌名 
● 供应形式 ● 存储环境要求 
● 产品说明 

对于四种类型的增强材料一般需要考量的主要指标为: 

● 粗纱的细度 ● 纤维长度 
● 纤维的线密度 ● 每单位面积重量 
● 层厚 ● 可燃物含量 
● 径向和纬向的密度 ● 编织方法 
● 每层的单位面积质量 ● 织物的厚度 
● 铺层方法 ● 非织造布层厚 
● 纤维材料径向和纬向的线密度 
● 非织造布或单层的单位面积重量 

对于增强材料和热固化树脂合成的层压板材料,GL需要测定其力学性能,并在规范中给出了计算最低值的公式: 

● 纤维含量 
● 拉伸强度、断裂应变、拉伸弹性模量 
● 弯曲强度、弯曲弹性模量 

增强材料应满足的最小机械性能参数要求,可以参照以下公式计算得出,在计算公式中对于玻璃纤维的含量已经予以考虑。

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Xmin = 最小要求值 
Xref = 纤维体积含量参考值(φ=0.4) 
α = 铺放因子 
φ = 纤维体积含量(0.2≤φ≤0.6) 

而对于玻璃毡和喷射纱生产的FRP层压板,允许与以上公式计算的最小值有偏离,在这种情况下,玻璃纤维的重量百分比φ, 0.25≤φ≤0.35,按照下列公式得出结果:

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对于多方向铺层的增强材料,上述数值至少需要在一个方向(尤其是0o方向)进行测试。关于上述方程中涉及的相关参数表,可以参考GL非金属材料规范第二章表2.1。 

例如: 已知某0o/90o铺层的玻璃纤维布制成的玻璃钢层压板材,经测试纤维含量为φ=0.561,参考2.1中列出的相关参数,带入以上公式得: 

抗拉强度最小值:

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杨氏模量(拉伸模量)最小值:

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弯曲强度最小值:

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风机叶片材料的GL认证技术规范(二)

发展可再生能源正式被很多国家提升为新能源战略,目前中国是以风能、太阳能、核能为新能源发展思路,而风能以成本低见效快成为发展最迅速的新能源。中国政府在能源中长期发展规划中明确提出:2020年可再生能源在能源构成中要达到15%左右,这也正印证了最新报告中的预测:风能将在未来12年内提供世界总能源的12%, 该比例极有可能在2050年变为30%。据不完全推算,每千瓦使用在叶片的复合材料为10 kg,由此可看出复合材料在风电行业中的巨大潜力,因此复合材料在很长时期内将拥有巨大的市场。

GL材料认证申请 

针对叶片所使用的复合材料, GL提出特有的要求和测试体系,以期保证材料生产的稳定性,并能为叶片生产厂商提供可靠的支持。下面就叶片制造过程中使用的胶粘剂、芯材、预浸料、胶衣(油漆) 四种材料进行详细说明。 

首先,申请厂方需要有固定的生产场地,通常厂方在生产质量体系通过了ISO 9001的基础之上, 提供与产品相关的基本申请材料: 

◆产品名称及详细描述 
◆GL申请表 
◆产品技术说明书(TDS) 
◆化学品安全说明书(MSDS) 
◆存储条件 
◆产品使用说明 
◆公司信息、产品介绍 
◆质量管理体系 ISO 9001

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图1. 叶片合模

胶粘剂 

目前叶片生产无论是传统的手糊方法还是主流的真空灌注法,叶片生产均为将两片蒙皮和剪切板同时合模,最终粘结成完整叶片。图1为施加胶粘剂后的叶片最终合模过程。叶片在风场运行过程中会因风力情况变化而产生不停振动,因此胶粘剂的抗疲劳性、能韧性是保证叶片使用寿命的关键因素。 

事实上, 若胶粘剂结构开始破坏,胶结层将不能承受任何压力,从而将导致整只叶片的破坏,因此在叶片生产中对其各方面性能要求非常高。目前叶片市场用胶粘剂种类多为环氧树脂型双组份结构胶。对于触变胶粘剂的双组份材料——树脂和固化剂——必须满足生产中非流挂、可操作时间等工艺要求(图2)。

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图2. 胶粘剂上胶

对于胶粘剂厂方申请GL认证,厂方在申请时准备并提交的材料除基本申请材料外,还需包含以下几项:胶粘剂种类、固化收缩率、玻璃化转变温度(ISO 11357/2)。 

若通过材料初步审核后,申请样品会送到具有相关资质的第三方实验室进行测试。测试分为物理性能及机械性能,具体项目以及参考执行标准为: 

非固化物理性能:密度(ISO 1675)、粘度(DIN 53019)、可操作时间(Pot Life) 

固化后的性能(以下测试项目的测试条件为:分别在温度23℃,湿度50% 处理24±1h 以及23℃蒸馏水下浸泡1000±12h):拉剪强度(DIN EN 1465)、抗剥离强度(ISO 11339)、热稳定性(ISO 75-2,Method A)、长期蠕变实验192±2h。本实验为基于DIN EN 1465制样,施加外力为拉剪强度的60% 。

以上实验分别在胶层厚度为0.5 mm和3 mm两种条件下测试, 测试环境要求温度23℃,相对湿度50%。拉剪实验项目另增加50℃高温条件测试。 

芯材 

叶片用芯材目前包括两种:硬质泡沫和巴沙木,见图3a和3b。芯材在叶片中起到降低成本,减少重量的作用。图4叶片截面图中为芯材使用部位的示意图。

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图3a. 硬质泡沫

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图3b. 巴沙木

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图4. 叶片(一个翼型)截面

在GL规范对芯材的要求中,以上两种材料归属为同一体系。针对其它形式的芯材,在经过GL讨论并同意后,同样可以进行材料认证。

硬质泡沫 

对于芯材厂方申请GL认证,厂方在申请时准备并提交的材料除基本申请材料各项外,还包含以下几项:主要材料及添加剂、适用之树脂体系、厂方应提供详细之存贮数据(包括最大允许加工温度和操作温度、长期操作温度)。 

若通过材料初步审核后,申请样品会送到具有相关资质的第三方实验室进行测试。具体项目以及参考执行标准为: 

◆密度(ISO 845) 
◆吸水率(ISO 2896) 
◆压缩强度(ISO 844) 
◆压缩模量(ISO 844) 
◆剪切强度(DIN 53294) 
◆剪切模量(DIN 53294) 

所有试样除去表面保护层,在测试环境温度23℃,湿度50%下进行测试。 

端面晶粒轻木芯材 

巴沙木是一种非常轻但是高强度的可用以提高夹心板硬度和强度的芯材。它的密度只有4-20磅/立方英尺, 具有耐撞击,不易扯裂,可以经受超量的动态负载、耐疲劳等特性。 

申请方提供的资料, 除与硬质泡沫相同外, 还需要提供的申请材料包括:商业名称和木材处理方法。
第三方实验室测试项目为: 

◆原始密度(DIN 52182) 
◆含水率(ISO 3130) 
◆压缩强度(平行‖和 垂直┴条件(DIN 52185)) 
◆压缩模量(平行‖和 垂直┴条件 (DIN 52185)) 
◆剪切强度(DIN 53294) 
◆剪切模量(DIN53294) 

实验过程中所有试验样品必须无裂纹,表面平整并且适当粗糙。在测试环境温度23℃,湿度50%下进行测试。

预浸料 

叶片加工过程除已经熟知的真空灌注法之外,一些工艺也会采用预浸料技术,与其它工艺相比,具有快速固化和缩短成型时间的优势。 

预浸料生产方法可分为溶剂法和热熔法。预浸料通常应冷藏保存并注明保存期限。 常规情况下,预浸料冷藏保存的保存期可为6-18个月。零下保存的密封预浸料在使用前必须升到室温后才可以打开使用(图5)。

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图5. 预浸料展开

对于预浸料厂方申请GL认证,厂方在申请时准备并提交的材料除基本申请材料各项外,还包含以下几项: 

◆树脂体系 
◆纤维体系 
◆增强类型 
◆固化工艺 
◆固化类型 

单向布和织物预浸料被归为同一类体系。其它规格的预浸料同样可以在与GL沟通后进行认证。另外,预浸料可分为玻璃纤维类与碳纤维类,二者在测试项目中有一定的差别。 

玻璃纤维体系的预浸料 

预浸料样品送到具有相关资质第三方实验室进行测试,测试项目及相关执行标准如下: 

a. 树脂体系 

-树脂密度 
-拉伸性能 
-玻璃化转变温度Tg 

b. 纤维体系-玻璃纤维/碳纤维 

-纤维直径 
-编制类型 
-浸润剂类型 

c. 非固化预浸料物理性能 

-克重 (DIN53584) 
-树脂含量 (DIN 29971) 
-厚度(DIN 5084) 
-挥发物含量 (EN 2330) 

d. 固化后预浸料性能 

-拉伸强度,杨氏模量 (ISO 527) 
-弯曲强度 (ISO 14125) 
-压缩强度,压缩模量 (ISO 14126) 
-纤维体积含量 (ISO 1172) 
-复合材料空隙率 

碳纤维预浸料的测试区别为: 

压缩强度、压缩模量 (DIN EN 2850 A1) 

胶衣

胶衣的主要作用为保护叶片表面,起到防老化,防风沙的作用。 

对于胶衣厂方申请GL认证,厂方在申请时准备并提交材料除基本申请材料各项外,还包含以下几项:制版工艺、存贮条件。 

非固化体系: 

◆密度(ISO 1675) 
◆粘度(ISO 2555) 
◆凝胶时间(ISO2535) 

GL认证证书 

德国劳氏(GL)自1977年进入风能领域以来,凭借30多年的经验在世界风能领域中扎实的技术、严谨的模式, 总结形成了风能材料独特的要求和测试体系。 

材料经过测试合格并且在工厂审核(Workshop Approval) 通过的情况下, GL会对所申请产品颁发产品证书,此证书是在世界范围内具有较强的公认性。 

固化体系: 

◆密度(ISO 1183 A) 
◆吸水率(ISO 175) 
◆拉伸强度、模量、延伸率(ISO 527-2 1B) 
◆热变形温度(ISO 75-2) 
◆耐磨性(ISO 9352) 
◆抗海水、汽油、液压油、弱酸和弱碱性(ISO 175) 
◆附着力测试 

油漆(涂料) 

风力叶片多在气候恶劣的周围环境下运行,比如紫外线照射强烈,昼夜温差大,风沙侵蚀严重,沿海滩涂。因此叶片表面防护用油漆承担着保护作用,在使用类别上也定为CM-5级(参照ISO12944-2)。另外根据一些国家的法律, 超过一定高度的”建筑”必须以颜色来起警视作用,因此叶片有时漆成颜色,如红色(图6和图7)

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图6. 部分漆成红色的叶片

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图7. 叶片车间油漆

对于油漆(涂料)厂方申请GL认证,厂方在申请时准备并提交材料基本申请材料各项外,还包含以下几项:制版工艺、产品名称、施工说明。

主要测试项目: 

◆粘度 (ISO 2884) 
◆密度 (ISO 2811) 
◆非挥发份含量 (ISO 3251) 
◆硬度 (ISO 1519) 
◆弯曲 (ISO 9352) 
◆耐磨性 (ISO 7784) 
◆耐老化性能 (11341) 
◆附着力测试 (ISO 4624) 

其中附着力测试在两种条件下进行:a. 玻璃钢样板24 h;b. 钢板盐雾480 h与水凝720 h。(end)

 

文章来源:未知
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