风电叶片的表面防护系统

　　风机在复杂的外界环境中运行，实现其能量转化功能，需要通过可靠耐久的结构承受各种外部载荷；也需要通过防护体系抵御三类外界侵袭，虽然概括不全面，但编者暂且用四个系统来描述：一是防雷系统，二是防腐系统，三是空中交通防护系统，四是防水系统（含防冰）；这四个系统承载了除力学载荷外的其他外界侵袭。值得注意的是，目前的风机关键部件叶片的运维频度比例较高的是防腐系统，前缘防护层的耐用性成为主要问题，通常2-4年就需要进行不同程度的维护。
　　本文主要讨论了风电叶片的表面防护问题。表面防护层，可以采用胶衣或表面涂层，其材料可以是不饱和聚酯、环氧或聚氨酯，也是是亚克力（丙烯酸塑料）。风电叶片由于长期暴露在诸如极端天气等恶劣的环境条件下，备受侵蚀。
　　目前通过一些测试方法,可以确认表面防护系统对外界环境的防护能力,从保证表面防护系统可以帮助叶片受到尽可能小的损伤。通过采用现有海事和直升机上所用的防护标准，对防护系统进行加速腐蚀测试，如UV或化学腐蚀等测试，可以验证和确保表面涂层的耐用性。
　　第26期译评介绍了表面防护的基本知识，包括表面防护的主要影响因素及防护材料的选材方法和防护机理。本期译评主要介绍防护系统性能的测试方法和评估手段。
　　1 叶片表面防护层的性能测试
　　叶片表面暴露在各种恶劣的环境条件下，因此如果能够提前测试叶片防护系统在各种条件下的防护性能当然最好不过，但实际上，外部的环境条件瞬息万变，到底哪些因素变化了以及如何变化的也是难以预测的，因此验证所有条件下的防护性能不太实际。到底选取哪些条件作为测试对象，这是制造商需要把握的问题。
　　1.1性能测试所需考虑的问题
　　有多种不同的方法可以用来测试叶片的表面防护系统。风机运行商期待能够通过这些测试确保风机能够抵御气候条件的不良影响，能够完好无损服役整个生命周期。而制造商期望快速的测试就可以验证防护系统的性能，且能够满足客户的要求。制造商的主要难点在于，如何通过有限时间的测试来满足整个生命周期内防护层性能在各种不同环境条件下的验证需求。
　　最好的方式当然是在自然环境条件下进行测试，这样可以观测到防护系统的性能退化过程。然而，实际上这根本不是切实可行的材料寿命测试方法，特别是测试对象的应用环境是各种不同的气候条件。因此材料的寿命测试常在人造环境条件下进行。对比加速测试和实验室环境的测试是比较现实的，但对比人造环境和真实环境却难以实施。也就是说，准确预测表面防护系统寿命的可行性较差。
　　人们设计了一种大型测试工厂用来进行户外和UV辐射测试。测试项目和使用人造环境的具体情况，取决于测试对象和风机计划装机的位置。比如，如果一个风机要装在沙漠，就需要进行UV退化和喷砂测试。而对于海上风机，需要进行湿度测试、UV辐射和盐雾等方面的测试。
　　用于户外表层防护的聚合物，其性能会随着太阳光、雨水、冰雹、盐雾等外部环境和化学物质的影响而退化。在测试条件下，这些因素是单独还是同时考虑，取决于测试的目的。在自然环境条件下，这些因素会互相影响，加剧对防护系统的侵蚀。
　　在了解表面防护层的测试之前，比较重要的一点是，我们应该先了解聚合物的退化现象。
　　1.2聚合物的性能退化
　　所谓退化就是聚合物性能发生不期望的改变。改变可以是物理的，也可以是化学的。改变包括聚合物主链结构的退化，侧链基团、横向链接的改变，抑或是部分元素的缺失。填料的退化或缺失也会影响这个体系，导致防护系统性能的退化。
　　1.2.1老化
　　在老化的过程中，能量通过辐射从太阳传递到叶片表面。辐射所传递的能量取决于太阳光光线与叶片表面的之间的夹角以及光线的波长。大气层中氧气和湿气的综合作用可以导致化学退化。腐蚀和风沙的磨蚀等因素同样会侵袭防护系统表面引起损伤。
　　1.2.2太阳光辐射
　　太阳光是太阳电磁辐射的可见部分，包括多种不同波长的光线。其中一部分光线所蕴含的能量十分强以致于可以打断叶片胶衣或涂层的主键，即共价键。主键被破坏以后，表面涂层就会退化。阳光可以分为UV辐射、可见光和红外线。大部分辐射都是可见光。但是波长越短的光线所包含的辐射能越高。UV辐射还以分为UVA、UVB、UVC三个级别，其中UVA的波长是三者中最长的，因此能量也是三者中最低的；但本文只讨论UUA（波长350～400纳米），因为UVB和UVC在到底地球之前，已经被大气层吸收了。
　　1.2.3氧气和湿度
　　聚合物会与氧气和水发生反应，因此氧气和湿度会影响聚合物的表面。材料本身会吸水，如大部分情况聚合物和胶衣/涂层会吸收水分，这是因为聚合物中包含的氧气和氮气分子中存在的亲水键。由于受到UV辐射对叶片表面的影响，聚合物中存在自由原子团。氧气会与这些自由原子团反应，从而形成新的化学分子。如果结构是开放的，水分子会进入其中，如果聚合物的横向链接不多，水分子就会侵袭胶衣/涂层或复合材料结构层。随后退化的风险就会增加，因此复合材料结构层与胶衣或涂层之间的粘合力就会被极大削减。通常把这个过程称之为热氧化退化。这是表面涂层、涂层与结构铺层及其以下结构层化学退化的起点。开放空间的退化通常都是热氧化退化。
　　1.2.4退化机理
　　聚合物体系的退化会由聚合物主链接、横向链接的断裂或共价键系统或侧向链接的改变等多种不同原因所导致。但问题的严重程度并不取决于所发生改变的类型，而在于受影响的聚合物类型。
　　横向链接在大部分热固性材料中都可以见到，因为大部分表面防护层都会选用热固性材料。横向链接是通过官能团的能量形成的。而在热固性材料系统中存在着官能团，且其相互之间会发生反应。在不饱和聚合物体系中，存在不反应的双链，但这个双链会在吸收太阳辐射后产生横向链接。PAI链接能量较低，如果聚合物表面有双链存在，就会引起横向链接的形成。横向链接会让聚合物体系变得更强更刚，但却缺乏韧性，使材料变成脆性。当整个聚合物体积收缩时，聚合物表面就比较容易形成裂纹；如果湿气侵袭聚合物体系，就会发生聚合反应。大部分情况下，聚合反应会导致结构产生空洞，这就进一步加剧了水气的进入，产生恶性循环。
　　聚合物体体系内的键能通常取决与主链接的共价键。表2给出了一些键能。聚合物的键能越低，被腐蚀发生退化的风险越高。事实上表2所示的键能都不高，都容易受到UV辐射的侵蚀。 　　氧化率取决于分子结构。双键比脂基更容易被氧化，这是由于其分子结构的不同，脂基在受到UV辐射发生退化后反而会变得更稳定，尤其是当脂基用作侧向链接时。例如MMA(甲基丙烯酸甲酯)用作某胶衣的横向链接就是考虑了这一点。
　　1.3聚合物体系的退化程度测试
　　可以采用多种不同的方法来测试聚合物受外界环境影响而产生退化的情况。其中一个方法是通过测量聚合物发生退化时所产生的颜色和光洁度的改变来实现的。大部分风电叶片表面防护色是白色或银灰色（为了防结冰，人们也曾经采用黑色表面防护色）。一旦颜色发生变化就很容易看出来。而颜色变化是其发生退化时首先出现的特征。测量颜色变化虽然并不能知道其内部到底发生了怎样的改变，但是却是产生退化的指针。
　　采用傅立叶红外光谱仪可以知道聚合物内部退化的情况。如果发生退化，光谱图中的峰值就会发生改变。
　　层析法和分光光度测定法可用于判定聚合体系在受到辐射影响前后的分子量变化，但这两种方法只能用于可溶解的材料。
　　另外一种方法是通过测量聚合物表面的物理、力学和化学属性的变化来判断退化的情况。当体系发生退化时，其强度和刚度通常也会发生变化。如果有横向链接产生，测试对象就会变得更脆更强。同时确认力学属性和红外光谱，就可以判断是那种化学物质变化影响了聚合物。
　　在人造环境下，用于表面防护的聚合物寿命可以通过其表面的物理、力学及化学属性的改变来判定。该方法也可以通过引入一个加速因子来计算评估表面防护材料在自然环境下的的寿命。加速因子的大小取决于引起退化的原因及所引入人造环境的类别。
　　1.4加速测试
　　1.4.1 UV测试和疝灯试验
　　在实验室条件下，有很多不同的方法可用来进行加速测试。采用不同波长的UV或疝气灯测试来进行防护材料寿命的预测就是其中两个加速测试方法。提高温度，反应时间就会减少，两者的关系可以表示为阿亨尼丝方程，如式（1）所示。 　　阿亨尼丝方程式中的k是反应的速度常数，Ea是作用能，T为绝对温度，单位为开尔文，R为气体常数，A为碰撞频率因子。