葉片前緣腐蝕問題原因分析和解決措施的研究

上海電氣風(fēng)電集團股份有限公司 馬希磊 姚永智 張子威

江蘇海上某風(fēng)場機組運行三年多，約20%葉片出現(xiàn)前緣腐蝕問題，具體失效形式為葉尖部位涂層出現(xiàn)點狀剝落，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速度較大，風(fēng)場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。機組在這種狀態(tài)下運行影響發(fā)電量，同時存在葉片安全隱患。此問題解決方案是葉片前緣增加一層有機保護膜或者增強保護膜涂層的耐腐蝕性，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)場位于江蘇沿海城市，該風(fēng)場于2018年并網(wǎng)運行，截止目前運行三年多，風(fēng)場定期無人機巡檢過程中發(fā)現(xiàn)多臺機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)點狀剝落，后逐漸擴大至此位置耐磨涂層全部脫落，如圖1標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，腐蝕情況逐級遞減。

圖1 江蘇沿海某風(fēng)場某機組葉片前腐蝕情況

該風(fēng)場距港口約10～15海里，受海上高溫、潮濕、鹽霧及紫外線環(huán)境因素影響較大。風(fēng)場周遭存在化工廠，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，由雨蝕造成的葉片前緣腐蝕非常嚴重。雨蝕是雨滴對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重?，F(xiàn)在風(fēng)機采用的葉片長度為60～80m,風(fēng)機額定滿發(fā)的轉(zhuǎn)速為9～14rpm/min；且隨著葉片長度的增加,其葉尖轉(zhuǎn)速有增高的趨勢,現(xiàn)在海上葉片的葉尖速度達到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，造成防護層破壞，然后雨水像高壓清洗機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，國內(nèi)各風(fēng)場的機組運行情況顯示，在接近3～5年質(zhì)保期時間段，20%左右的風(fēng)機葉片普遍存在前緣損傷保護涂層脫落、開裂等現(xiàn)象。風(fēng)電葉片前緣出現(xiàn)腐蝕之后，葉片整體結(jié)構(gòu)強度降低，在風(fēng)機正常運行中斷裂風(fēng)險增大。

復(fù)合材料基體暴露在水汽環(huán)境中會對葉片性能產(chǎn)生重大威脅。水分對葉片材料性能影響程度的高低主要取決于葉片基體樹脂材料的化學(xué)特性。其中,環(huán)氧樹脂具有較好的耐水降解作用，而聚酯和乙烯基樹脂在水分環(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)腐蝕情況時葉尖線速度與累計降雨量之間的關(guān)系

葉片前緣腐蝕問題除了降低葉片機構(gòu)強度以外，還會降低氣動性能和風(fēng)機年發(fā)電量（約降低3～5%），嚴重的前緣腐蝕可導(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)場機組葉片發(fā)生前緣腐蝕問題的原因有兩點，分別為環(huán)境因素和葉片設(shè)計因素。

1.3.1 環(huán)境因素

該風(fēng)場項目機組距江蘇沿海某港口約10～15海里，運行環(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)計因素

該款機型采用B63葉片，該葉片存在三點設(shè)計缺陷：葉片采用了LEP1涂層方案，該方案僅在葉片前緣使用BASF1735前緣保護油漆，此方案仍未滿足海上運行環(huán)境要求（運行一年后就出現(xiàn)問題）。

按照DNV認證B63葉片設(shè)計使用壽命應(yīng)為20年，轉(zhuǎn)子速度為13.36rpm，葉尖線速度高達90.94m/s，這個線速度高于目前市場上絕大多數(shù)機型。而葉尖線速度是導(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)腐蝕情況時葉尖線速度與累計降雨量之間的關(guān)系。從圖中曲線可以看出，當(dāng)葉尖線速度高達90.94m/s時，累計降雨量為196mm時葉片開始逐步出現(xiàn)腐蝕情況，相較于葉尖線速度為80m/s（轉(zhuǎn)子速度為11rpm）時，雨水腐蝕葉片快了196/148=1.32倍。

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

2 葉片前緣腐蝕解決方案

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

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，此維修方案不對其它原材料（如玻纖、樹脂等）作硬性要求。具體維修時，所選用的玻纖、樹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強、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打磨錯層。然后按n+1層進行修補，其中補強層織物規(guī)格與維修的最外層相同。

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

2.3 前緣修型

前緣樹脂完全固化后，用P80砂紙將維修區(qū)域打磨粗糙，并打磨掉邊緣毛刺，要求表面無漏點。如果在打磨后局部區(qū)域不能獲得良好的前緣外形，可使用膩子進行修型，厚度最多不能超過2mm。膩子修型固化后用P120砂紙對膩子進行打磨，然后用毛巾清理干凈表面灰塵。

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

2.4 保護膜涂層改良

國外某公司為解決葉片前緣腐蝕問題研制出一種由聚氨酯彈性體制成的前緣保護膜W8620，該保護膜有優(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性能，使用壽命約為3年。為確保葉片在運行5年后免受可見腐蝕，需使用從葉尖開始粘貼約15m長的風(fēng)電葉片保護膜W8620，若可接受少量的腐蝕，可減少長度至6m左右（從葉尖開始粘貼）。風(fēng)電葉片保護膜W8620在五年使用期內(nèi)，需兩年檢查一次，以檢測和修復(fù)保護膜的缺位損傷。

使用該涂層改良方案，每臺風(fēng)機約需3萬費用（不包含安裝費用）。

2.5 PowerEdge前緣保護技術(shù)

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

PowerEdge前緣保護技術(shù)相較于方案一涂層改良方案，優(yōu)點在于維修次數(shù)少，維修時間短，如圖4所為葉片腐蝕程度與運行時間關(guān)系。當(dāng)葉片腐蝕程度達到臨界水平，需進行檢修更換，從圖4中得出，PowerEdge前緣保護技術(shù)使用壽命更長，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，可以減少對前緣的維修和維護需求。

圖4 葉片腐蝕程度與運行時間關(guān)系

如圖5所示為年發(fā)電量與運行時間的關(guān)系，當(dāng)葉片腐蝕程度達到臨界水平，進行檢修更換時，年發(fā)電量會有明顯下降，因此PowerEdge 前緣保護技術(shù)相較于方案一涂層改良方案使用壽命更長，所需檢修更換次數(shù)更少，年發(fā)電量更高。使用PowerEdge前緣保護技術(shù)，每臺風(fēng)機約需9萬費用（不包含安裝費用）。

圖5 年發(fā)電量與運行時間的關(guān)系

2.6 耐磨油漆改良

鑒于貼膜的施工要求和成本較高,國外某著名公司研發(fā)了一種前緣防護用的高性能雙組分聚氨酯保護漆W4600,該前緣保護漆的防護性能優(yōu)于前緣保護膜,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)場葉片的現(xiàn)場前緣防護維修，可操作時間長，溫濕度施工范圍寬。

圖6 風(fēng)電前緣保護涂料W4600

3 未來展望

為實現(xiàn)“2030碳達峰、2060碳中和”目標，風(fēng)電作為可再生能源的行業(yè)之一，國家正大力發(fā)展陸上集中式大基地與分散式風(fēng)場并舉；同步開發(fā)中、遠海的海上風(fēng)電，提升我國能源結(jié)構(gòu)中可再生能源占比。

風(fēng)電行業(yè)在面對市場機型尺度升級快、迭代周期短與制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型大趨勢下，葉片的尺寸越來越長，海上機組葉片突破100米，葉片前緣腐蝕是一個需要不斷關(guān)注的課題。新開發(fā)的前緣保護材料由于實際應(yīng)用時間較短,其防護效果還未得到驗證,未來需持續(xù)關(guān)注高性能前緣防護材料的開發(fā)。未來的前緣防護材料應(yīng)至少能為葉片前緣尤其是葉尖前緣提供5～8年的防護。未來需要對葉片的前緣腐蝕機理、防護材料的防護機理以及材料防護性能與葉片前緣實際防護年限的關(guān)系進行充分研究。