風機葉片斷裂原因分析

韓 露 于翔天 王 影 謝國君 逄錦程

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

·測試分析·

風機葉片斷裂原因分析

韓 露 于翔天 王 影 謝國君 逄錦程

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

文 摘 葉片在安裝試運行過程中發(fā)生斷裂，斷裂位置位于葉根附近，通過對故障件的觀察、測試與分析，確定了葉片發(fā)生低周疲勞斷裂的原因是由于生產過程中工藝控制不良，葉片根部局部區(qū)域樹脂固化不完全，導致該區(qū)域的強度、剛度極低，當受到疲勞載荷作用時在結構應力集中區(qū)域首先發(fā)生分層開裂、擴展直至最終失穩(wěn)斷裂。同時指出固化不完全的原因。

葉片，疲勞斷裂，樹脂，纖維，固化

0 引言

近20年風電發(fā)電在國內迅猛發(fā)展，風機葉片作為其核心部件的使用量逐年增加，且隨著風機單機裝機容量的增加，風機葉片的直徑也在不斷上升，因此對材料的要求很高，不僅要具有較輕的質量，還要具有較高的強度、抗腐蝕性以及耐疲勞性能，目前風機廠商主要采用復合材料(占其質量的90%)制造風機葉片，但是隨著產品的廣泛應用，葉片在生產及使用中陸續(xù)出現(xiàn)各種各樣的問題，造成了一定的經濟損失，如何通過新的結構設計方案和提高材料的性能保證產品的質量可靠性成了大家關注的問題。本文以發(fā)生斷裂的一件復合材料葉片為例分析葉片的斷裂行為，表明葉片在生產過程中工藝過程控制不到位也會導致葉片失效，希望為葉片制造廠商及使用部門提供借鑒。

1 檢測過程與結果

某廠生產的葉片所用材料主要包括手糊環(huán)氧樹脂L235及其固化劑H239、無堿玻璃纖維多軸向編織布、無堿玻璃纖維無捻粗紗以及PVC泡沫。采用濕法預浸料真空輔助成型工藝制造，工藝流程如下：在預浸機上將玻璃纖維布浸上樹脂在模具上鋪層抽真空將預浸過的玻璃纖維布壓實、固化后修形、鉆孔涂油漆。葉片在安裝試運行過程中，一片葉片發(fā)生斷裂。本文通過對斷裂葉片的現(xiàn)場觀察、形貌分析、金相分析、DSC以及紅外光譜分析，確定了葉片斷裂的原因。

1.1 斷口宏觀觀察

葉片斷于葉根附近，斷裂位置位于距離防雨罩約20 cm的葉尖一側，裂紋源區(qū)位于迎風面象限；源區(qū)斷面相對較平整，長度約70 cm；擴展區(qū)均為斜斷口，斷面參差不齊，有明顯的纖維拔出現(xiàn)象，纖維束長短不一；整個斷裂區(qū)分層特征明顯，層間樹脂較疏松，可見許多白色顆粒狀的樹脂附著在纖維束表面，用手觸摸感覺樹脂松軟、有彈性，形貌見圖1。從整個殘骸斷裂形態(tài)及裂紋走向判斷葉片的斷裂過程應為低周疲勞失穩(wěn)斷裂。

采用機械方法從葉片殘骸斷口源區(qū)及正常比對件上取樣后進行觀察，結果如下。

失效件源區(qū)試樣大部分區(qū)域斷口較平，玻璃纖維編織布明顯分層變形，采用體視顯微鏡觀察，纖維束間及纖維表面可見較多聚集態(tài)的白色顆粒狀樹脂碎塊，纖維表面較光滑，纖維間樹脂表面類似自由表面，無明顯的斷裂形貌特征(圖2)。

將正常比對件試樣采用機械方法進行彎折，形成層間斷口，除斷面外試樣其他位置分層現(xiàn)象不明顯，采用體視顯微鏡觀察，斷面未見聚集態(tài)的白色顆粒狀樹脂團塊，纖維束表面較光滑，纖維間樹脂可見較明顯的變形痕跡且樹脂表面斷裂形貌特征明顯(圖3)。

1.2 斷口微觀觀察

從失效件源區(qū)部分斷口及正常比對件人工斷口上分別取樣并置于掃描電鏡進行觀察，結果如下。

失效件斷口低倍下可見纖維束表面附著有呈聚集狀的樹脂碎塊[圖4(a)]；纖維表面光滑，絕大部分纖維表面無樹脂包覆，纖維間樹脂呈顆粒狀，纖維束間樹脂表面呈褶皺狀，放大觀察，樹脂表面形貌類似自由表面，形貌見圖4(b)～(d)；纖維斷面呈“V”型，應為受到反復彎折所形成的疲勞斷口特征，斷面附近樹脂呈顆粒狀附著在纖維表面[圖4(e)]；

正常比對件人工斷口纖維束表面低倍下未見呈聚集狀的樹脂碎塊[圖5(a)]；放大觀察，纖維表面光滑，部分纖維表面包覆有樹脂且樹脂與纖維界面結合狀態(tài)較好，纖維間樹脂呈解理形貌并可見明顯的撕裂棱線及變形痕跡，纖維與樹脂界面結合狀態(tài)優(yōu)于失效件，典型形貌見圖5(b)～圖5(d)；纖維斷面附近樹脂表面呈解理形貌，樹脂與纖維結合較好[圖5(e)]。

1.3 金相檢驗及硬度檢測

將失效件源區(qū)試樣及正常比對件試樣分別制備成金相試樣后進行觀察及顯微硬度測試，結果如下。

失效件拋光面纖維束間樹脂疏松，表面較粗糙，樹脂與纖維不在同一平面；比對試樣纖維束間樹脂致密，表面平整光滑，形貌見圖6。

對失效件試樣(樹脂未固化、已固化)、正常比對件試樣、70℃/8 h灌注樣條試樣及不同固化劑含量的試樣進行顯微維氏硬度測試(載荷10 g，保載30 s)，結果表明：正常比對件試樣純樹脂、正常比對件試樣纖維束間樹脂、失效件樹脂已固化區(qū)域以及70℃/8 h灌注樣條試樣的顯微硬度基本一致；失效件樹脂未固化區(qū)域樹脂硬度極低，測試完成后長時間擱置壓痕位置有回彈現(xiàn)象，失效件樹脂未固化區(qū)域樹脂硬度與固化劑配比為100∶20試樣的顯微硬度近似，顯微硬度測試結果詳見表1。

比對樹脂失效件樹脂比對纖維束間樹脂失效件未固化樹脂1)70℃/8h灌注試樣固化劑配比2)(100∶20)固化劑配比(100∶22．5)14．616．615．10．2114．10．173．3

1.4 紅外光譜分析

分別對正常比對件復合材料、失效件復合材料、固化后純樹脂、L235樹脂、固化劑239、多批次混合L235樹脂以及多批次混合固化劑239(含有失效件所在批次使用的樹脂及固化劑)進行紅外金剛石池ATR光譜分析并與紅外標準譜圖庫中的圖譜進行檢索比對，結果如下。

正常比對件復合材料及失效件復合材料均為玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料，無明顯差異，光譜圖見圖7(a)。

固化后的純樹脂為環(huán)氧樹脂；L235樹脂及多批次混合L235樹脂均為未固化的環(huán)氧樹脂，無明顯差異，光譜圖見圖7(b)。

固化劑239主成分為三丙烯基乙二醇二胺；多批次混合固化劑239與固化劑239主成分一致，但是含有脂類物質雜質，光譜圖見圖7(c)。

1.5 DSC試驗

對正常比對件及失效件復合材料分別作DSC試驗(30～350℃，氮氣氣氛，升溫速率5℃/mm)，結果表明正常比對件復合材料的固化程度優(yōu)于失效件的固化程度(圖8)。

2 分析與討論

2.1 失效模式和部位

通過對失效葉片的宏觀觀察認為其失效模式為低周疲勞斷裂，斷裂位置位于距離防雨罩約20 cm的葉尖一側，源區(qū)位于迎風面象限。該區(qū)域在結構上屬于整個葉片的應力集中部位。

2.2 原因與機理分析

失效件源區(qū)大部分區(qū)域斷口較平，玻璃纖維編織布明顯分層，纖維束間及纖維表面可見較多聚集態(tài)的白色顆粒狀樹脂碎塊，樹脂松軟、有彈性，大部分樹脂表面形貌類似自由表面，樹脂與纖維界面結合不良；纖維斷面呈“V”型，應為受到反復彎折所致，纖維表面較光滑，絕大部分纖維表面無樹脂包覆。

比對試樣人工斷口纖維束表面未見呈碎塊狀聚集的樹脂，纖維及纖維束間樹脂呈解理形貌并可見明顯的撕裂棱線及變形痕跡，部分纖維表面有樹脂包覆，纖維與樹脂界面的結合狀態(tài)良好。

金相分析結果表明與正常比對試樣相比，失效件拋光面較粗糙，纖維束間樹脂疏松；顯微硬度測試表明正常比對試樣純樹脂、正常比對試樣纖維束間樹脂以及失效件純樹脂區(qū)域的顯微硬度基本一致，而失效件未固化樹脂硬度極低，測試完成后長時間擱置時失效件壓痕位置有回彈現(xiàn)象。 DSC測試結果表明正常比對件復合材料的固化程度優(yōu)于失效件復合材料的。

綜合上述形貌特征及測試結果表明失效件葉根附近區(qū)域樹脂固化不完全，樹脂與纖維結合不良，造成葉片根部變截面區(qū)域的強度、剛度極低，因此不足以承受外部疲勞載荷作用；且纖維束間固化不完全的樹脂無法將載荷有效的傳遞給臨近的纖維束，導致葉根變截面處結構應力集中區(qū)域的復合材料局部承受疲勞載荷作用發(fā)生分層開裂、擴展直至斷裂。

2.3 樹脂未完全固化原因分析

紅外光譜分析結果表明正常比對件復合材料及失效件復合材料均為玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料；含有失效件批次所用樹脂的混合L235樹脂與純L235樹脂無明顯差異；因此可以基本排除環(huán)氧樹脂異常導致固化不完全的可能。

含有失效件批次所用固化劑的混合固化劑239與純239固化劑相比含有脂類物質雜質，因此失效件所用固化劑組分異常的可能性不能排除。

70℃/8 h灌注樣條試樣與正常比對試樣純樹脂硬度基本一致，失效件纖維束間樹脂與環(huán)氧樹脂/固化劑配比為100∶20試樣纖維束間樹脂的顯微硬度相近，因此固化劑配比不當或固化劑有效含量不足導致固化不完全的可能性不能排除。

結合上述測試結果分析認為，失效件源區(qū)樹脂固化不完全可能與該區(qū)域固化劑配比、固化劑有效含量不足或體系中含有阻聚劑(例如脂類物質雜質或水)有關。委托方后續(xù)在工藝自查過程中，發(fā)現(xiàn)故障件生產中使用的固化劑中混有過期的固化劑。

3 結論

(1)葉片失效模式為低周疲勞斷裂，裂紋源區(qū)位于迎風面葉根附近變截面區(qū)。

(2)發(fā)生疲勞斷裂的直接原因是葉片在生產過程中工藝控制不當所致：葉片根部局部區(qū)域樹脂固化不完全，導致該區(qū)域的強度、剛度極低，不足以承受外部疲勞載荷作用，且纖維束間固化不完全的樹脂無法將載荷有效的傳遞給臨近的纖維束，因此當受到疲勞載荷作用時在結構應力集中區(qū)域首先發(fā)生分層開裂、擴展直至最終失穩(wěn)斷裂。

(3)樹脂固化不完全可能與固化劑配比、固化劑有效含量不足或體系中含有阻聚劑(例如脂類物質雜質或水)有關。

[1] 陶春虎，劉高遠,等. 軍工產品失效分析技術手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[2]《中國航空材料手冊》編輯委員會. 中國航空材料手冊(第1卷)[M].北京:中國標準出版社，2002.

Fracture Reason Analysis of Wind Turbine Blade

HAN Lu YU Xiangtian WANG Ying XIE Guojun PANG Jincheng

(Aerospace Research Institute of Materials & Processing Technonlogy,Beijing 100076)

The blade in the installation of test failed in the operating process,fault location is located in the root of blade.Through observation,testing and analysis of fault component,the reason blade produced by low cycle fatigue fracture is identified due to improper control of production process.The blade root curing is incomplete in local area,which causes the strength and stiffness of very low. Fiber beam between curing not completely of resin cannot will load effective of passed to near of fiber beam, so dang by fatigue load role in structure stress concentrated regional first occurred layered cracking, and extended until eventually lost stability fracture.The direction for improvement is pointed out.

Blade，F(xiàn)atigue fracture，Resin，F(xiàn)iber，Curing

2015-10-12；

2016-08-25

韓露，1968年出生，研究員，主要從事機械產品失效分析。E-mail：hanlu5111@sina.com

TG178

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.01.014