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CWPC2018新材料、新技术:3M资深应用工程师万鹏——《风电叶片褶皱缺陷与解决方案》

2018-03-31 来源:东方风力发电网作者:御风者 浏览数:836

 第四届中国国际风电复合材料高峰论坛(CWPC2018)于2018年3月30日上午在江苏省阜宁县天鹅湖大酒店隆重召开,来自海内外的200多个企业、600多余位风电行业、复材行业的精英参加了本届盛会。上午的开幕式结束之后,高峰论坛分别设置了新材料、新技术专场,设计运维优化专场,新产品发布会专场,技术工艺创新专场,产业链对话专场等多个专场,将呈现大量精彩内容。

   第四届中国国际风电复合材料高峰论坛(CWPC2018)于2018年3月30日上午在江苏省阜宁县天鹅湖大酒店隆重召开,来自海内外的200多个企业、600多余位风电行业、复材行业的精英参加了本届盛会。上午的开幕式结束之后,高峰论坛分别设置了新材料、新技术专场,设计运维优化专场,新产品发布会专场,技术工艺创新专场,产业链对话专场等多个专场,将呈现大量精彩内容。
 
  3M资深应用工程师万鹏在新材料、新技术专场做了题为《风电叶片褶皱缺陷与解决方案》的演讲。以下为演讲内容实录:
 


3M资深应用工程师万鹏
 
  一、叶片褶皱缺陷引发的叶片断裂实例—褶皱的危害性
 
  首先,我们从国外的叶片断裂案例开始。2012年4月美国某风场风机发生叶片断裂,造成了风机动力失衡,另一个叶片也产生了断裂,整个风机报废。整个事故会影响风机和风场都造成了严重的影响,经过第三方的调查和叶片厂的联合调查发现是碳纤维生产过程中褶皱缺陷导致叶片在高负载情况下断裂。
 
  (PPT图示)这是另一个比较知名的整机厂发生的叶片断裂。中央是叶片大梁制造的时候出现褶皱缺陷导致叶片失效。
 
  (PPT图示)这是非常有趣的调查。这是国际上知名的风能协会的调查,叶片结构性的缺陷造成了叶片损伤,往往会发生在叶片服役前五年。因为很多整机厂和业主会要求叶片厂承包在3-5年之内,就是因为3-5年最容易发生问题。其实,叶片厂认为质保期过了就没有问题了,实际上通常问题常常发生在质保期。叶片褶皱的问题就像身体产生的问题,平常看起来没有问题,当负载出现的情况下就会发生事故,而且这不是一个叶片的问题,往往会导致整个风场叶片的全面替换。
 
  下面是我们在风场当中进行运维排查成长出现的缺陷。很多缺陷的主因和叶片生产过程中的质量缺陷有很大的关系,尤其铺层。如果铺层产生褶皱或者是波纹、高低不平的话,对风场叶片造成的危害还是比较大的。
 
  二、常见的叶片缺陷—褶皱的产生原因及如何在叶片生产中提升产品质量
 
  接下来谈一下褶皱产生的原因。褶皱产生比较大的问题就是层间性能,有数据表示褶皱会导致层间性能提高三分之二左右,尤其是玻纤混合的结构层。如果褶皱产生对叶片的疲劳性能影响比较大。
 
  还有就是固化,固化过程中热硬力释放可能产生褶皱。叶片结构性的损失最难的是在风场有不可预测性,平时可能看不出来,它不像油漆和其他表面材,可能在风场就可以发现问题。往往在风场是看不到的,当发现问题的时候,叶片已经发生断裂了。
 
  刚才谈到的褶皱会对叶片有严重的影响,下面谈一下。在维修方面,很多人在意的是成本问题。我们在进行维修的时候,如果在原厂进行维修,费用是最少的。如果是在风场或者极端的场所,比如说海上风场,它的维修成本将是原厂维修的10倍、100倍、1000倍,费用非常高昂。
 
  另外维修成本、风险和缺陷所在位置有很大的关系。风险性最高的就是褶皱,为了修复褶皱会花很多钱,而且不一定能修好。要提到一个题外话,现在很多人叶片制造厂商制造叶片的时候会强调成本控制,大家在意的还是生产叶片过程中的成本,比如原材料价格、人工费或者生产效率方面,但是现在真正要谈的成本是叶片服役全寿命成本。
 
  就像刚才谈到的北美风场50多台风机,那不是赔偿了一台风机的三个叶片,而是把50多台的风机叶片全部进行了替换,而且这个叶型的所有叶片全部了进行叶片,返厂维修,整个费用上千万,这和应用一个材料的成本相比相差很大。2014年西门子年度财报当时花了2亿美金做售后维修。
 
  所以说,我们认为叶片成本不能只看生产成本,还要看全寿命,包括维护成本是不是合理的,是不是能控制的。
 
  刚才提到了叶片生产当中会产生褶皱,但这和叶片生产息息相关。但往往叶片都是采用人工生产,人工生产就是很难每个叶片之间的质量差异,每个人人工做叶片,每个人的手法是不一样的,所以质量能不能保证每个叶片做到一样,很难保证。所以在现有的人工制造基础上,目前,我们能采用的传统方法就是选用更好的材料或者选用经验更丰富的工人减少风险。但是,未来的目标我们一直在做的是自动化生产。
 
  三、叶片生产新技术前瞻
 
  下面介绍一些我们在叶面铺层上的设计。首先,现在很多叶片制造商都在使用激光定位技术,激光定位技术是安装在模具上方有个投影其,会把所有的3D模型投影到叶片上,可以让铺层高精确的定位,但铺层还是人工铺层,可以检测到铺层到位,但做到无褶皱或者没有其他风险,目前还达不到。
 
  另外一些叶片厂商也比较多,也是比较聪明的做法,就是把复杂的叶片外形简化为比较简单的外形,这样铺层比较方便也比较容易,而且简单的外形也比较容易实现自动化。但是,存在的问题是可能需要做各种各样的布局。另外,我们还要考虑叶片结构设计。因为把不同的组件组合一起,对叶片结构设计是很大的挑战。
 
  最后是现在叶片制造未来的方向,就是要实现叶片制造的自动化。国外一些厂商已经提出包括自动涂层、自动注射胶衣等,就是国外发明的五层为一体的体系,还有一些方式可以检测褶皱,完全可以实现自动化。
 
  四、3M创新性的产品帮助叶片制造商减少褶皱风险
 
  刚才谈到了很多先进的技术,但还是存在很多问题。当在一个复杂的型面,我们发现如果铺很多层,如果不固定玻纤,尤其是在玻纤上会产生气孔和空洞,同样会造成叶片结构的缺陷。怎么样实现我们能很好的固定玻纤,现在采用的常规方法是喷胶。刚才介绍的自动化的铺层机器,采用的固定玻纤方式也是喷胶技术。
 
  针对喷胶,长久以来,行业里也在做大量的研究,当时大家提出喷胶使用太多可能对复合材料也会产生影响。其实有两种办法解决:一是可以颜色控制用量;二是选用更加亲和环氧树脂的配方。(PPT图示)这就是3M推出全新的专门用于复合材料的喷胶,首先它带有蓝色,可以通过颜色的深浅我配合用量,有些有颜色可能会造成上视觉不好看,我们有个创新性的地方,它碰到环氧树脂会变成透明色,对页面成型的外观不会造成任何的影响。
 
  另外配方是经过跟进,更亲和环氧树脂,这是经过第三方验证和客户验证。另外它的EHS,它是唯一通过美国最严格的加利福尼亚的法规,它的喷射性和喷射系统以及经过改进的组分,喷射其他固化效果更好,不会产生滴液现象。
 
  一直以来页边制造生产的技术大同小异,各个厂家都采用了同样的人工铺层或者是干布铺层。怎么样在相同的生产方案中保证质量脱颖而出呢?其实还是一句话老话“细节决定成败”。这就是我的主要内容。

(内容来自现场速记,未经本人审核)

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