對風電葉片模具及有關問題的一些看法 zundG3-pc台中雕刻裁切加工－王惠君焦點新聞熱搜

　　筆者為船舶制造及化學系畢業，從事工程塑料和玻璃鋼科研、生產及監理等整五十年。應該講，對玻璃鋼材性及工藝有一定的了解，2007年又被某風電葉片制造企業聘任技術顧問一職。風電葉片雖也是玻璃鋼制品，但從葉片的材料及制造工藝來看，與通常玻璃鋼制品有不同之處。筆者認為：目前國內風電葉片模具材料及制造工程、葉片結構及含膠量、固化度及老化、加熱系統等方面，有待于同仁一起探討。本文將對上述有關主題提出一些不成熟看法，供同仁參考。

1　應用造船胎架技術，直接制造風電葉片鋼板陰模

1.1　風電葉片鋼板陰模
　　不需要陽模，可直接在水平鋼結構框架上，按技術要求，焊接各站線型截面葉片(加工中心加工)樣板，便形成葉片鋼結構胎架，再將預先下料好的葉片鋼板焊接在葉片胎架上。此時，一個完整剛性結構的葉片鋼板陰模即制造完畢，見圖1。

　　從圖1可看出，鋼板陰模胎架截面表面線型樣板不需要連續性，應加工成等距離“凹”槽形，便于模具鋼板與胎架焊接及加熱系統的加熱體施工。
1.2　風電葉片鋼板陰模特點
1.2.1　成本
　　選定某風電葉片制造企業2兆瓦模具作基準。葉片長度45.3m，面積300m²，主梁帽面積70m²。
　　(1)玻璃鋼陰模價格(某企業提供)
　　(a)成本價：480萬元
　　(b)銷售價：600萬元
　　(2)鋼板陰模預算
　　(a)鋼板重量：400×0.005×7.8×1.2(系數)=18.72(T)
　　(b)鋼板價格：0.52萬元／T×18.72T=9.74萬元
　　(c)翻轉裝置：55萬元
　　(d)模具遠紅外加熱系統：0.16萬m²×(330+70)m²=64萬元
　　(e)加強鋼結構型材：20萬元
　　(f)模具截面樣板：12萬元
　　(g)技術咨詢服務費：18萬元
　　(h)不可預計(人工及稅務費用)：100萬元
　　共計：297.46萬元
　　以上二種不同材料風電葉片陰模價格，均為同一時期數據，有一定的可比性。
1.2.2　模具精度
　　由于玻璃鋼風電葉片陰模制造自身工藝關系，易產生以下二方面誤差。首先要通過陽模翻制來制造陰模，必然易產生制品誤差。另玻璃鋼陰模與鋼結構框架，以玻璃鋼粘結成一個整體，嚴格來講，這個整體應為彈性結構，由于各工藝因素，特別加熱后固化，更容易產生變形，以上變形誤差不可控。而葉片鋼板陰模是在經過嚴格檢驗的線型截面胎架上制作，葉面鋼板與鋼結構框架，以電焊連接成一體的堅固剛性結構，確保了鋼板陰模精度。
　　關于風電葉片鋼板陰模在制造過程所產生的變形問題，可通過以下三方面解決。一是模具在施工過程中，鋼板及鋼結構焊接時，一定要按焊接工藝要求進行，二是如產生局部變形，可用造船火工“伏火”法解決。
1.2.3　模具清理及修補
　　葉片在玻璃鋼陰模上脫模后，玻璃鋼陰模表面的清理及修補，是一項既費時又費力的煩惱事，甚至有時葉片及模具表面產生損壞。葉片在鋼板陰模上脫模后，除少量清理外，完全不需要修補。若鋼板陰模使用其它有關脫模劑，涂刷一次后，可連續使用數次。提高工效，降低成本。
1.2.4　廢模處理
　　葉片玻璃鋼廢模處理，通常采用深埋及焚燒方法，不環保。而鋼板葉片廢模的鋼板可物盡其用，實在無法利用的，可廢品回收。
1.2.5　不可預見性
　　風電葉片鋼板陰模，從未有人做過。但從理論上來講，是可行的，與船體分段在胎架上制造很相似。在具體實施過程中，定會產生意想不到的問題，但問題終都能逐一解決。

2　玻璃鋼風電葉片結構

　　玻璃鋼風電葉片為瘦長型制品。據風電葉片制造企業提供的葉片結構圖來看，在葉片型腔內中間，僅有一根主梁帽加強筋，筆者認為：風電葉片裝機在空中旋轉運行時，主要承受彎曲及抗扭二部分力，由于葉片旋轉速度很慢，離心所產生的拉力很小，可不加考慮。又從國內一些風場葉片斷裂情況來看，斷裂部位基本上都發生在葉片根部0.3R附近，與船舶螺旋槳斷裂部位很相似。
　　所以，我們應在相應部位，對葉片進行縱、橫及局部輔助補強。此時葉片經過補強后，已形成網格式框架結構，葉片總體強度將明顯提高。具體實施，由專業人員進行強度核算為準。另必須注意，同一部位的橫向補強材，一定要在同一平面上、下補強材接頭，以糊制玻璃鋼，終形成一個整體環形框架結構。
　　關于玻璃鋼強度，我國玻璃鋼事業創始人朱頤齡教授(原首任同濟大學玻璃鋼結構研究所、上海玻璃鋼研究所所長)早在上世紀六、七十年代有定論，他說：“玻璃鋼強度主要是結構，而不是增重”。

3　風電葉片含膠量

　　通常所指的玻璃鋼，是由熱固性樹脂與玻璃纖維復合而成。樹脂是粘結劑，基體；玻璃纖維是增強材，骨架。由于各玻璃鋼制品使用工況不同，而對含膠量也相應有所不同。玻璃鋼中的樹脂除作為粘結劑外，必須還要承受大自然中各種環境侵蝕，如大氣中的紫外線、空氣中各種污染化合物、鹽霧、水汽及氣溫。以玻璃鋼船為例，除了船體外表面0.4-0.5毫米厚度膠衣層(保護層)外，玻璃鋼船體含膠量(質量含量)仍為50％左右。
　　玻璃鋼風電葉片含膠量，(或行業)是否有標準?據某大型國企所提供的風電葉片含膠量(質量含量)為28～30％，對此含膠量的風電葉片，能否滿足風電葉片長期處于運作下的各種動態強度及佳耐候性?還是真空灌注工藝直接所致?我國地域遼闊，氣象差異跨度大，又是一萬八千公里海岸線的沿海。所以，在對各地域環境中所使用的風電葉片含膠量，應有所不同。這是一項系統工程研究課題。要經過長期研究及時間，確定具有代表性區域風電葉片含膠量。筆者認為，要解決風電葉片多少含膠量，應從灌注工藝著手，要尋找或專門研究能控制含膠量的灌注工藝設備，逐步形成適合各區域的風電葉片含膠量體系。
　　我國沿用五十多年玻璃鋼含膠量的概念，實際上是“質量”含量，而國外提出“玻纖體積”含量概念。德國GL標準規定，風電葉片“玻纖體積”含量為30～55％。筆者將三種含量換算成如表1。

　　從表1可明顯看出，體積含量表示方法比較科學，能直觀看出GF、EP在玻璃鋼制品中各自所占有的體積比例。
　　當玻璃鋼船質量含膠量為50％時，EP所占體積比為68％，GF所占體積比32％。國內風電葉片質量含膠量一般為30％，EP所占體積比48％，GF所占體積比52％。
　　德國GL規定，風電葉片GF體積含量為30-55％，即EP體積含量70-45％。為何EP體積含量范圍如此之大?是否也可以說明：(1)各區域所使用的風電葉片對含膠量要求不同；(2)也可能說明灌注工藝能控制風電葉片的含膠量，我們能否從中得到一些啟示?

4　玻璃鋼風電葉片固化度及老化

4.1　風電葉片固化度
　　玻璃鋼風電葉片在加熱后固化時，是否要完全充分固化?固化到何種程度為佳?保留一定固化度，讓風電葉片在使用過程中，隨時間推延，風電葉片會繼續自身固化，起到延長風電葉片使用壽命目的。
　　這一切的一切，是否有科學依據?如有，實用價值又能有幾何?由于筆者知識淺薄，不能作更多解釋。憑職業靈感，此問題的提出，要追溯五十年前下達一項玻璃鋼老化課題說起。
　　上世紀六十年代初，參與當時“第六機械工業部(軍工造船部)”下達到“船用塑料工藝研究室”玻璃鋼老化課題。此時的研究室技術力量及相關實驗設備等方面，在國內應屬于一流科研機構。
　　老化課題分為：室內加速老化、室外自然老化及實艇(黑龍江黑河邊防巡邏陜艇)取樣三部分。室外自然老化又分為各緯度大氣及各水域(淡、海水)老化。按試驗大綱定期到各試驗站取樣進行各項目測試。此時，意外情況出現，對取回樣品所測試的機械強度與初始強度進行對比，非但未降，反而上升，此情況直至半年至一年后，強度開始下降，說明玻璃鋼老化開始。此現象的產生，說明玻璃鋼固化機理是一個很復雜的化學反應過程。也就是上述的風電葉片在加熱固化時，保留一部分固化度，讓風電葉片在實際使用時，自身繼續完成固化的由來。
4.2　風電葉片老化
　　根據風電葉片使用特點，做靜態樣板老化，沒有實際意義，對運行葉片取樣也難以進行，所以，風電葉片老化數據采集有一定的難度。
　　玻璃鋼風電葉片老化開展需要一定的財力及人力投入，生產企業很難實施，應由風電行業協會牽頭，推薦有關科研機構來承擔風電葉片老化課題的研究，為進一步提高風電葉片性能提供科學依據。

5　模具加熱系統

　　本節著重介紹筆者“大型復合材料制品玻璃鋼陰模的遠紅外加熱系統”專利技術(專利號：2L 2010 2011 4673.7)。遠紅外加熱系統有遠紅外發熱體(碳纖維)及溫控系統兩部分組成。遠紅外發熱體熱輻射度高，滲透性極強，功率大小可按制品升溫要求而設定。控制系統可設四個時段，每時段內均勻升溫。溫控箱通過通訊電纜連接到電腦觸摸屏，再由電腦觸摸屏來設定和顯示溫度。模具溫度控制系統具備安全保護裝置，當溫度過高時，系統會自動發出呼叫聲報警，過載時系統能自動停止工作。溫度及溫升率都可按技術要求自行設定。
　　遠紅外發熱體的熱隕性小，電熱轉換度達98％以上，并抗氧化性好，經久耐用。
　　遠紅外加熱技術具有：加熱快、使用壽命長(文獻報道三、四十年以上)、工藝簡單、維修方便、適合廢模改造、成本低、低能耗、熱滲透性強、安全及環保(波長8.15mm遠紅外低溫對人體有益)等特點。
　　本專利技術工藝大亮點，碳纖維導線加熱體直接鋪設在20mm厚的玻璃鋼風電葉片陰模表面，再加上保溫層即行，維修非常方便。時段升溫曲線見圖2。
　　加熱系統分若干獨立“單元”，為安全進一步提供保障。

6　結束語

　　筆者古稀有余，憑著對過去五十載的職業熱愛、靈感及想象，對玻璃鋼風電葉片模具及
相關問題，提出一些看法，對風電行業又能有幾何實際意義，本人不得而知，謹請同仁賜教。

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