環(huán)氧樹脂與聚氨酯使用性能及風電葉片生產(chǎn)成本對比分析

張成旭，吳彥波，別春華，曹均強，王奎林，周 壯

(東方電氣(天津)風電葉片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

因環(huán)氧樹脂具有良好的使用性能，在清潔能源、機械、電氣、電子、建筑等各大主流行業(yè)均有大量成功應(yīng)用的實例[1-2]。環(huán)氧樹脂被廣泛應(yīng)用于風電葉片部件成型過程，相關(guān)企業(yè)均通過多年的生產(chǎn)實踐總結(jié)出較為成熟的環(huán)氧樹脂使用經(jīng)驗，其中主要包括儲存條件、使用過程中對溫濕度的控制等。上述應(yīng)用經(jīng)驗均可作為理論依據(jù)，取得了較好的使用效果。近年來，有關(guān)風電行業(yè)的政策發(fā)生了巨大變化[3]：化工原材料價格大幅上漲、風電機組單價不斷降低、同質(zhì)化競爭日益加劇。受諸如此類不利因素影響，風電行業(yè)面臨著巨大的壓力和挑戰(zhàn)。在擁抱平價的同時，企業(yè)更需要考慮效益問題，這就對風電葉片生產(chǎn)提出了更高的要求，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上要嚴格控制原材料成本，以適應(yīng)日益變化的市場行情，保證企業(yè)可以維持正常發(fā)展的狀態(tài)。

在保質(zhì)的前提下尋找物美價廉的原材料替代現(xiàn)階段正在使用的原材料是降低風電葉片制造成本的有效途徑之一。聚氨酯材料以其低廉的價格、優(yōu)良的的理化性能[4]，在部分行業(yè)的生產(chǎn)過程中已經(jīng)被用來作為環(huán)氧樹脂的替代品。與環(huán)氧樹脂相比，聚氨酯樹脂的某些理化性能更加優(yōu)異，同樣取得了較佳的使用效果。在參考其他行業(yè)成功使用聚氨酯經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，本文通過試驗研究、理論分析和市場調(diào)研相結(jié)合的形式對環(huán)氧樹脂與聚氨酯使用性能及成本展開了對比分析研究，驗證了利用聚氨酯替代環(huán)氧樹脂用于風電葉片部件生產(chǎn)的可行性與推廣價值，以期為實現(xiàn)葉片行業(yè)原材料降本、良性發(fā)展的目標提供思路。

1 環(huán)氧樹脂和聚氨酯灌注試驗樣塊方案

1.1 試驗樣塊結(jié)構(gòu)、尺寸及數(shù)量

參照某葉型部件的結(jié)構(gòu)來制備試驗樣塊，結(jié)構(gòu)如下：4層 2AX-808雙軸布(45°/-45°)＋20mm 厚度的PET 芯材＋4層 2AX-808雙軸布(45°/-45°)。試驗樣塊尺寸均為 500mm×500mm×25mm。分別制作環(huán)氧樹脂和聚氨酯灌注的試驗樣塊各3塊。

1.2 試驗樣塊灌注方案

1.2.1 試驗樣塊環(huán)氧樹脂灌注方案

①依次鋪設(shè)雙軸布和 PET芯材，需要注意鋪層過程中的質(zhì)量控制，確保無褶皺、異物、夾雜、布層折疊或位移、纖維布或 PET芯材污染等人為因素造成的缺陷。

②試驗樣塊結(jié)構(gòu)鋪層完成后，參照制備某葉型部件時鋪設(shè)耗材的方法依次鋪設(shè)導(dǎo)流網(wǎng)、螺旋管、真空袋等耗材。檢查真空泵和注膠管等試驗過程所需的設(shè)備或工具，確認無問題后再開始進行灌注。

③提前用樹脂桶打膠，將注膠管浸入到樹脂桶中。灌注速度過快易造成反包現(xiàn)象，但灌注時間過長會增加漏氣風險，以上 2種因素均對試驗結(jié)果有較大影響。綜合考慮上述2點因素，制定如下開管方案：先將注膠管1/4開，待灌注情況穩(wěn)定后再調(diào)整為1/2開。

④利用環(huán)氧樹脂灌注試驗樣塊，灌注過程中需要實時監(jiān)測是否有注膠管內(nèi)進氣泡、漏氣等異?，F(xiàn)象，如發(fā)現(xiàn)問題需要及時采取補救措施，以防止因為偶然因素造成試驗結(jié)果不具備參考價值的后果。

1.2.2 試驗樣塊聚氨酯灌注方案

鋪層過程與試驗樣塊環(huán)氧樹脂灌注方案基本相同，鋪設(shè)耗材和灌注方案與試驗樣塊環(huán)氧樹脂灌注方案的區(qū)別主要如下：

①不能使用表面氈、透氣氈等與聚氨酯接觸后會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的材料(可使用玻纖布進行替代抽氣)；

②因聚氨酯具有親水性，即遇水極易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以灌注前必須進行加熱除濕處理，且需要在線灌注，在線灌注過程中不允許聚氨酯暴露在空氣中，以免與空氣中的水分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；

③為防止固化過程出現(xiàn)局部溫度過高、提前固化現(xiàn)象，需要嚴格控制溫度，表面溫度超過上限時需要及時采取噴水或擦水降溫措施，以免出現(xiàn)局部提前固化現(xiàn)象；

④灌注過程不能斷膠，確保灌注膠水流速均勻，以防前期灌注的膠水提前固化。需要嚴格做好上述預(yù)防措施，避免灌注過程中出現(xiàn)異常影響樣塊質(zhì)量和試驗結(jié)果。

1.3 試驗結(jié)果及對比分析

1.3.1 灌注后樣塊的質(zhì)量檢驗

參照檢驗?zāi)橙~型部件質(zhì)量的方法對環(huán)氧樹脂和聚氨酯灌注試驗樣塊的質(zhì)量進行檢驗。主要檢查項如下：

①是否有半干紗或干紗缺陷；

②是否有氣泡缺陷；

③是否有芯材類缺陷，變色或烤糊現(xiàn)象；

④是否有分層缺陷；

⑤是否有局部未固化或提前固化的現(xiàn)象，檢驗結(jié)果見表1。

1.3.2 樣塊承重試驗后缺陷檢驗

在常規(guī)檢查項的基礎(chǔ)上還需要考慮承重能力問題。參考某葉型裝配部件承重設(shè)計值，推算出500mm×500mm×25mm 的試驗樣塊理論承重值應(yīng)≥3.70kg。根據(jù)此理論數(shù)據(jù)對利用環(huán)氧樹脂和聚氨酯灌注的各個試驗樣塊展開承重測試，在各樣塊的下方、四周分別進行支撐接觸，并分別在樣塊的上方均勻放置4kg相同重物，24h后撤去重物，檢查各試驗樣塊是否有分層、變形問題。測試結(jié)果見表2。

由表1可知：分別利用環(huán)氧樹脂和聚氨酯灌注的試驗樣塊，均無缺陷，說明利用聚氨酯灌注與利用環(huán)氧樹脂灌注同樣取得了良好的灌注效果。

由表2可知：分別利用環(huán)氧樹脂和聚氨酯灌注的試驗樣塊展開承重測試，撤去重物后均未發(fā)生分層和變形問題，承重測試結(jié)果均合格，說明聚氨酯灌注試驗樣塊與環(huán)氧樹脂灌注試驗樣塊相比承重能力無明顯差異。

通過表1和表2綜合分析得知：利用聚氨酯灌注的試驗樣塊，在缺陷情況、承重能力方面與環(huán)氧樹脂灌注的試驗樣塊相比差異較小，說明利用聚氨酯代替環(huán)氧樹脂灌注的方法具有可行性，該結(jié)果可為風電葉片部件生產(chǎn)提供參考。

2 試驗樣塊仿真分析方案及結(jié)果

2.1 試驗樣塊仿真分析方案

在上述試驗的基礎(chǔ)上進一步對 2種類型的試驗樣塊展開仿真分析，旨在通過仿真與試驗結(jié)果對比分析得出的結(jié)論是否一致來驗證試驗結(jié)果是否合理。

參照試驗樣塊的組成結(jié)構(gòu)分別繪制尺寸均為500mm×500mm×25mm的環(huán)氧樹脂和聚氨酯灌注試驗樣塊的三維模型。環(huán)氧樹脂和聚氨酯灌注試驗樣塊均為軸對稱及各向異性的線性材料，在此前提下，以三維模型為載體，分別對上述 2種不同材料的試驗樣塊展開線性靜力學(xué)分析。

分別對環(huán)氧樹脂和聚氨酯灌注試驗樣塊展開仿真分析，步驟如下：

①將米制單位作為模型單位，并創(chuàng)建分析項目；

②將環(huán)氧樹脂或聚氨酯灌注試驗樣塊的三維模型導(dǎo)入幾何體版塊中；

③在界面中生成幾何體；

④在材料庫中設(shè)置環(huán)氧樹脂或聚氨酯灌注試驗樣塊的相關(guān)參數(shù)，其中需要手動輸入的參數(shù)包括密度、彈性模量、泊松比，設(shè)置好彈性模量 E和泊松比μ后，體積模量和剪切模量這2個參數(shù)將會根據(jù)E和μ自動生成；

⑤設(shè)置環(huán)氧樹脂或聚氨酯灌注試驗樣塊的材料疲勞特性；

⑥將環(huán)氧樹脂或聚氨酯灌注試驗樣塊材料屬性添加到材料庫中；

⑦對導(dǎo)入的環(huán)氧樹脂或聚氨酯灌注試驗樣塊的三維模型進行網(wǎng)格劃分，此步驟對于分析結(jié)果的準確性有較大的影響，理論上來說，單個網(wǎng)格的尺寸越小，即劃分得越精細，最終軟件分析出的各項參數(shù)結(jié)果就越精確，但如果單個網(wǎng)格尺寸過小，也將帶來一些不利因素，如會造成劃分網(wǎng)格時間過長的后果，或劃分網(wǎng)格的過程中也極易出現(xiàn)意外錯誤，進而導(dǎo)致網(wǎng)格劃分失敗和增加分析所需時長，因此，需要權(quán)衡分析精度和時間成本等問題，合理設(shè)置單個網(wǎng)格尺寸，綜合考慮上述各項因素，最終將單個網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1mm；

⑧對樣塊進行固定約束，此處需要根據(jù)承重測試方案設(shè)置各相關(guān)參數(shù)，以保證分析結(jié)果的準確性，參照上述試驗方案，將樣塊上表面設(shè)置為壓力面，并根據(jù)樣塊所受的實際壓力設(shè)置“Magnitude(大小)”參數(shù)；

⑨添加應(yīng)力求解項后對等效應(yīng)力進行求解；

⑩添加應(yīng)變求解項后對等效應(yīng)變進行求解；

?將“疲勞工具”命令添加到求解項中；

?將“壽命”和“安全系數(shù)”選項分別添加到“疲勞工具”下方作為“疲勞工具”的子文件夾；

?在左下方的“安全系數(shù)”參數(shù)列表中分別設(shè)置環(huán)氧樹脂和聚氨酯樣塊的“設(shè)計壽命(循環(huán)次數(shù))”；

?對所有所需求解參數(shù)進行整體運算。

參照上述步驟，利用軟件分別對環(huán)氧樹脂和聚氨酯灌注試驗樣塊進行線性靜力分析[5]，得出應(yīng)力、應(yīng)變、疲勞壽命及疲勞安全系數(shù)云圖[6]。

2.2 試驗樣塊仿真分析結(jié)果及對比分析

2.2.1 環(huán)氧樹脂灌注試驗樣塊仿真分析結(jié)果

對環(huán)氧樹脂灌注試塊三維模型進行仿真分析，得出應(yīng)力、應(yīng)變、疲勞壽命及疲勞安全系數(shù)云圖。

2.2.2 聚氨酯灌注試驗樣塊仿真分析結(jié)果

對聚氨酯灌注試塊三維模型進行仿真分析，得出應(yīng)力、應(yīng)變、疲勞壽命及疲勞安全系數(shù)云圖。

2.3.3 仿真分析結(jié)果對比

將仿真分析結(jié)果進行梳理匯總，如表3所示。

表3 試驗樣塊仿真分析結(jié)果對比分析Tab.3 Comparative analysis of simulation analysis results of test samples

分別對環(huán)氧樹脂灌注試驗樣塊與聚氨酯灌注試驗樣塊各項參數(shù)的仿真分析結(jié)果進行對比分析，結(jié)果如下：最大應(yīng)力和最大應(yīng)變略有差異，疲勞壽命和疲勞安全系數(shù)相同，說明聚氨酯灌注試驗樣塊與環(huán)氧樹脂灌注試驗樣塊相比使用性能差別較小，與1.3小節(jié)中得到的試驗對比分析結(jié)果相同，驗證了試驗對比分析結(jié)果的合理性。

3 環(huán)氧樹脂與聚氨酯使用成本調(diào)研分析

在環(huán)氧樹脂和聚氨酯使用性能相近的前提下，再對二者的使用成本進行調(diào)研分析，旨在從經(jīng)濟性的角度確定使用聚氨酯替代環(huán)氧樹脂制備風電葉片部件是否具有推廣價值。

通過市場調(diào)研得知，環(huán)氧樹脂價格比聚氨酯樹脂高 10元/kg。以某葉型部件生產(chǎn)為例，對環(huán)氧樹脂與聚氨酯使用成本進行計算分析。利用環(huán)氧樹脂灌注時，實際用膠量為 45kg；利用聚氨酯灌注時，實際用膠量為 46kg，用量基本一致。經(jīng)計算，采用環(huán)氧樹脂制備部件時，其成本比聚氨酯高約450元。

對環(huán)氧樹脂與聚氨酯使用成本進行計算分析后發(fā)現(xiàn)，利用聚氨酯替代環(huán)氧樹脂用于某葉型部件的生產(chǎn)可節(jié)約 27%的成本。由此可知，在產(chǎn)品質(zhì)量可控的前提下，利用聚氨酯批量生產(chǎn)風電葉片部件可節(jié)約大量原材料成本，具有推廣價值。

4 結(jié) 論

①通過試驗結(jié)果對比分析，結(jié)果表明環(huán)氧樹脂與聚氨酯灌注試驗樣塊均無缺陷，說明利用聚氨酯灌注與利用環(huán)氧樹脂灌注相比灌注效果并無明顯差異；且承重測試結(jié)果均合格，說明二者的承重能力無顯著的差別。綜合以上 2點因素得知，聚氨酯灌注試驗樣塊與環(huán)氧樹脂灌注試驗樣塊相比使用性能差異較小。驗證了利用聚氨酯替代環(huán)氧樹脂用于風電葉片部件生產(chǎn)的可行性。

②通過仿真結(jié)果對比分析得知，環(huán)氧樹脂灌注試驗樣塊與聚氨酯灌注試驗樣塊相比，最大應(yīng)力和最大應(yīng)變略有差異，疲勞壽命和疲勞安全系數(shù)相同。說明聚氨酯灌注試驗樣塊與環(huán)氧樹脂灌注試驗樣塊相比使用性能差別較小，進一步證明了試驗對比分析結(jié)果的合理性。

③對環(huán)氧樹脂與聚氨酯的使用成本進行市場調(diào)研和成本計算分析，結(jié)果表明利用聚氨酯替代環(huán)氧樹脂用于某葉型部件的生產(chǎn)可節(jié)約 27%的成本，驗證了在產(chǎn)品質(zhì)量可控的前提下聚氨酯替代環(huán)氧樹脂用于風電葉片部件生產(chǎn)的推廣價值。