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風電葉片前緣侵蝕損傷與保護方法

2025-01-13 14:25:44 作者：腐蝕與防護來源：腐蝕與防護分享至：

導語

隨著風電葉片越來越長，葉片葉尖線速度也進一步增加，葉片前緣受到雨蝕的損傷也越來越嚴重。即使輕微的前緣侵蝕也可能導致每年大約3%~5%的AEP損失。對于前緣玻璃鋼基材具有明顯凹坑、磨損和分層的嚴重侵蝕情況，每年可能接近25%的AEP損失。而且風電從陸上走向海上，從近海走向深海，葉片維修的成本不斷增加。因前緣雨蝕造成的葉片維修成本和發電量損失越來越不能被忽視。

隨著葉片前緣受到雨蝕的程度越來越嚴重，行業內對前緣保護材料的性能要求也越來越高。DNVGL-CP-0424規定了老化前的耐雨蝕時間大于8h，老化后的耐雨蝕時間大于4h。

目前大部分的前緣保護材料雖然能夠滿足該標準的耐雨蝕時間，但實際在風場使用這些前緣保護材料的葉片僅2-3年便出現了前緣侵蝕，并沒有達到預期的效果。

本文介紹了前緣侵蝕損傷的Springer模型、與耐雨蝕有關的標準DNVGL-RP-0171和DNVGL-RP-0573，羅列了市面上的前緣保護漆和前緣保護膜，并指出施工過程中的缺陷可能是實際耐雨蝕時間低于理論測試值的原因。

一

前緣侵蝕的原因

葉片前緣在運行過程中易受到雨滴的反復撞擊，高速雨滴以90°入射角垂直撞擊葉片前緣表面，在前緣材料中產生壓縮波和剪切波，材料表面同時產生Rayleigh表面波，這些應力波在材料中產生很大的內應力，如圖1所示。

如果重復撞擊產生的動能無法被前緣保護材料吸收和消耗，那么材料內部的應力就會聚集，使得材料發生疲勞、降解，逐漸發展為宏觀缺陷，發生材料表面粗糙化、脫粘以及開裂等缺陷。

圖1. 液滴撞擊固體表面時撞擊波的傳遞

二

前緣侵蝕損傷的模型

對風力渦輪機前緣侵蝕的建模，主要以液滴沖擊模型為基礎，建立應力狀態。在此基礎上，使用疲勞方法解釋侵蝕損傷累積。

目前大部分對于前緣雨蝕的預測模型都采用Springer在1976年提出的水錘壓力撞擊引起疲勞損傷失效的原理解釋雨滴撞擊對前緣防護材料的破壞。

前緣侵蝕主要分為兩個階段時間節點，包含初蝕時間和擊穿時間，如圖2所示。

圖2. 前緣保護材料初蝕(A-A)和擊穿(B-B)示意圖

初蝕時間被定義為從雨滴撞擊開始到在前緣保護材料的外表面上可目測到第一次損傷的時間，在該階段，前緣保護材料基本無質量的損失，但一直在積累材料疲勞損傷。當發生初蝕時，前緣保護材料積累了足夠的疲勞損傷，開始出現材料的破壞。

擊穿時間被定義為前緣保護材料被雨滴擊穿，開始露出基材的時間。

前緣保護材料從初蝕到擊穿，隨著時間增加，前緣保護材料的損失質量線性增加，如圖3所示。

圖3. 前緣保護材料初蝕時間內、初蝕-擊穿時間內質量損失與雨滴撞擊數N的關系

Springer模型基于前緣保護材料的疲勞特性和雨滴的沖擊壓力。

直至材料發生失效，所需雨滴撞擊次數：

當防護材料為聚氨酯時，冪大約為5.7。其中N為單位面積雨滴撞擊次數，d為雨滴直徑，S_ec為前緣保護材料的固有強度，P為材料受到雨滴撞擊的壓強。

假設前緣保護層與基材性質類似：

其中P為材料受到雨滴撞擊的壓強，ρ_L為雨滴密度，ρ_s為前緣保護材料密度，C_s為前緣保護材料聲速，C_L為雨滴聲速，V為葉片線速度。

雨滴撞擊次數：

其中N為單位面積雨滴撞擊次數，I為降雨強度，t為降雨時間。

在忽略前緣保護材料的密度、聲速不同情況下，當降雨強度、雨滴直徑大小相同時，前緣保護材料發生失效的時間t與1/V^5.7成正比。當葉片線速度相同、雨滴直徑大小相同時，t與1/I成正比。

前緣保護材料一般應具有低宏觀彈性模量、高極限應變和高回彈性等特性，可降低沖擊表面的應力并抑制應力波，確保前緣保護材料的快速恢復時間和吸收的能量快速消散。

三

耐雨蝕性能的評價

耐雨蝕性能的測試方法有ASTMG73-10、DNVGL-RP-0171、ISO/TS 19392-2、ISO/TS 19392-3，其中ISO/TS 19392-2、ISO/TS 19392-3使用較少。

ASTMG73-10提供了測試液體沖擊侵蝕的原理及通用方法。

DNVGL-RP-0171是在ASTMG73-10基礎上進行擴展的，針對風電葉片，對儀器設備的參數及實驗影響參數進行了較詳細的規定。這使得在相同實驗參數下，按照DNVGL-RP-0171測試的不同儀器設備之間的實驗結果具有一定的可比性。

基于Springer的液體撞擊侵蝕模型，潛伏期時間與液滴撞擊速度呈冪律關系，指數為-5.7。但這個指數-5.7被認為是不普遍適用的。因此，DNVGL-RP-0171提出類似疲勞的S-N曲線，雨滴撞擊次數N與雨滴撞擊速度V的關系如下：

其中N為單位面積雨滴撞擊次數，V為葉片線速度，K、m為參數，通過測試不同撞擊速度V下的N，可線性擬合出V-N曲線的軸截距和指數。

DNVGL-RP-0573以此V-N曲線，通過數據處理擬合出生存率95%的V-N曲線，由此可推算出前緣保護材料在不同線速度下的潛伏期時間。

雖然DNVGL-RP-0573提供了一種通過耐雨蝕實驗來預測前緣保護材料的防護時間，但其基于Springer模型的大量假設以及對實際風場的簡化：

耐雨蝕測試結果的V-N曲線離散系數COV應小于20% 。但由于材料本身的緣故，很多情況下，測試結果的離散系數較大，同時需要大量的測試數據來進行擬合，操作性較差；

Springer模型假設基于只有前緣保護材料LEP和基材兩層系統。而實際上葉片一般在基材和前緣保護材料之間涂覆底漆和面漆；

耐雨蝕測試一般僅對測試一個平均雨滴直徑，并通過直徑平方的關系推廣至其他不同的雨滴直徑。但實際降雨是由不同雨滴直徑的降雨組成，而且不同降雨強度下雨滴直徑不同；

耐雨蝕測試是在一個降雨強度下進行的，該降雨強度在整個測試期間持續施加，且在測試階段材料持續受到撞擊疲勞損傷。而實際風場的降雨是間斷的，降雨強度不相同；

為了加速獲得耐雨蝕實驗結果，目前一般測試最大線速度為160m/s。然而目前一般葉片葉尖最大線速度為100m/s左右，因此100m/s的撞擊次數一般只能從V-N曲線獲得；

加速老化采用ISO 12944-9附錄B的循環老化，老化25周后再進行耐雨蝕測試。但這與葉片在風場中同時受到雨蝕和紫外老化不一致。因此洛陽雙瑞在2021年提出采用老化和雨蝕交替進行測試，以盡量切合實際風場。

四

不同前緣保護材料

隨著人們對風電葉片的前緣保護的重視程度和認識程度越來越深，各種優秀的前緣保護材料涌現出來。

前緣保護漆

前緣保護漆多為聚氨酯體系。聚氨酯具有分段的、類似復合材料的微觀結構，由硬段和軟段組成。硬鏈段的含量對聚合物的剛度和強度有很強的積極影響，而軟鏈段控制著柔韌性和阻尼性能，這使得開發具有高強、高極限應變和高回彈性的前緣保護涂層具有可能性。

油漆具有方便施工，成本較低，而且易于修復等優點。

陸上葉片廣泛地使用前緣保護漆，海上葉片在靠近葉根方向的位置也廣泛地使用前緣保護漆。不同的前緣保護漆之間的耐雨蝕性能相差較大，而且不同的前緣保護漆推薦的施工膜厚、防護策略各不相同。

選取市面上正在使用的前緣保護漆，其耐雨蝕如表1所示。

其中A、B、C為目前使用較多的陸上前緣保護漆。D、E、F、G、H為海上正在使用或者正在掛機驗證的海上前緣保護漆。

表1. 不同前緣保護漆的耐雨蝕性能

從前緣保護漆B可知，UVB老化會使得耐雨蝕性能有較大的下降。

從前緣保護漆C分別在Polyech、R&D測試的結果可知，Polytech的耐雨蝕時間大約是R&D或者曦驊的2~3倍，這主要可能的原因是兩個測試機構的雨滴直徑不同導致的。

將A、B、C與D、E、F、G、H進行比較可知，海上前緣保護漆的耐雨蝕性能有較大幅度的提升。

海上前緣保護漆漆的干膜厚度從300μm增加至500μm，甚至高達2800μm。漆膜厚度的增加，有利于吸收應力波的能量，減弱Rayleigh表面波對表面的損傷；同時增加了從初蝕到擊穿的時間。

海上前緣保護漆大部分使用刮涂，這主要是因為干膜厚度的增加，如果使用滾涂，每遍滾涂的干膜厚度大部分是在50μm，則需要滾涂十幾遍；而使用刮涂，每遍刮涂干膜厚度在150μm，則500μm只需要刮涂4遍即可。刮涂可大幅提高生產效率。

雖然前緣保護漆具有成本低、施工方便等優點，但由于其耐雨蝕性能是在涂覆后慢慢建立的。因此前緣保護漆的性能受施工過程影響很大。

多數涂覆施工采用手工現場攪拌，也使混合的可靠性存在差異。同時葉片制造環境較差，很多葉片廠無法保證恒溫恒濕條件，現場施工環境粉塵較多。這些導致涂層容易出現許多缺陷，包括起泡、橘皮、開裂、起皺、異物等。這些將嚴重影響涂層的使用壽命。

例如[Faester S等]分別制備了有氣泡（涂層體積孔隙率6.9%）和沒有氣泡（涂層體積孔隙率0.7‰）的涂層，測試其耐雨蝕性能，沒有氣泡的涂層耐雨蝕時間是有氣泡的2.6倍。

使用D作為65m葉片作為前緣保護漆，在山西某風場使用兩年，一些葉片上已經出現前緣保護漆破損的情況。這可能主要與前緣保護漆施工過程產生的各項缺陷有關。因此使用油漆作為前緣保護材料時，應盡量保證施工工藝的一致性。

前緣保護膜

與前緣保護漆相同，前緣保護膜也應具有低阻抗并且具有高延展性，可通過變形抑制雨滴的初始沖擊。

與前緣保護漆不同的是，前緣保護膜的性能已經在使用前建立。這最大限度減少了前緣保護層的缺陷數量，同時使得前緣保護層具有均勻的厚度和表面粗糙度。目前市面上的前緣保護膜如表2所示。

表2. 不同前緣膜的耐雨蝕性能

3M和Polytech膜為聚氨酯材質；而克萊伯格膜和Perlatech膜的外層為UHMW-PE材質，內層為橡膠材質。

W8751膜和ELLE膜的耐雨蝕性能較好，使用膜自帶的壓敏膠粘貼。

克萊伯格膜和Perlatech膜一般采用與手糊補強布或者粘結膠一起真空袋壓固化。

前緣保護膜依靠人工粘貼，應保證貼膜處的表面光滑。粘貼時避免起皺或者引入氣泡，并建議使用封邊劑來保護膜的邊緣。在粘貼過程中，容易人為引入起泡或者產生附著力差的地方，導致因局部粘接力的損失使得保護膜沿著葉片整個長度方向剝離。

其他前緣保護材料

Armour EDGE前緣保護殼采用熱塑性塑料ASA(丙烯腈-苯乙烯丙烯酸酯)與PC(聚碳酸酯)制成，在線速度125m/s、雨滴直徑2.4mm、降雨強度26.5mm/h的測試條件下，耐雨蝕時間達232h。

ORECatapult開發了鎳合金用作葉尖前緣保護材料，利用鎳的高聲阻抗吸收大部分應力波的能量，由于鎳的高硬度，使得大部分能量反射回雨滴。由于抵抗塑性形變的高硬度和表面的高光潔度，使得Rayleigh表面波對表面的破壞較慢。鎳合金樣品在線速度173m/s的耐雨蝕測試條件下85h沒有任何初蝕。但鎳合金存在重量大、價格昂貴以及雷擊的風險等。

結語

風電行業在過去十年中經歷了快速增長，葉片越來越長，葉片前緣受到雨蝕的情況也越來越嚴重。目前對葉片耐雨蝕的預測模型主要以Springer模型為基礎。

依照Springer模型，前緣保護材料耐雨蝕時間t與線速度V^-5.7成正比，t與降雨強度I^-1成正比。依照DNVGL-RP-0171標準測試耐雨蝕實驗得到的V-N曲線，可推算出前緣保護材料在不同線速度下的理想耐雨蝕時間。

不同前緣保護材料層出不窮。前緣保護漆的耐雨蝕性能已有較大提升，為了進一步提升前緣保護效果，漆膜厚度也有所增加。前緣保護膜的種類也百花齊放，既有聚氨酯體系，也有PE-橡膠復合體系、熱塑性塑料體系和鎳金屬體系，性能各不相同。

這些材料雖然實驗室性能較好，但實際操作過程中可能引入各種施工工藝問題，實際耐雨蝕性能尚需掛機在風場驗證。

來源：CCIA 維修檢測與回收專委會《廣州化工》（作者：張琪；閆美娟）

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