環氧樹脂與聚氨酯使用性能及風電葉片生產成本對比分析

張成旭，吳彥波，別春華，曹均強，王奎林，周 壯

(東方電氣(天津)風電葉片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

因環氧樹脂具有良好的使用性能，在清潔能源、機械、電氣、電子、建筑等各大主流行業均有大量成功應用的實例[1-2]。環氧樹脂被廣泛應用于風電葉片部件成型過程，相關企業均通過多年的生產實踐總結出較為成熟的環氧樹脂使用經驗，其中主要包括儲存條件、使用過程中對溫濕度的控制等。上述應用經驗均可作為理論依據，取得了較好的使用效果。近年來，有關風電行業的政策發生了巨大變化[3]：化工原材料價格大幅上漲、風電機組單價不斷降低、同質化競爭日益加劇。受諸如此類不利因素影響，風電行業面臨著巨大的壓力和挑戰。在擁抱平價的同時，企業更需要考慮效益問題，這就對風電葉片生產提出了更高的要求，在保證產品質量的基礎上要嚴格控制原材料成本，以適應日益變化的市場行情，保證企業可以維持正常發展的狀態。

在保質的前提下尋找物美價廉的原材料替代現階段正在使用的原材料是降低風電葉片制造成本的有效途徑之一。聚氨酯材料以其低廉的價格、優良的的理化性能[4]，在部分行業的生產過程中已經被用來作為環氧樹脂的替代品。與環氧樹脂相比，聚氨酯樹脂的某些理化性能更加優異，同樣取得了較佳的使用效果。在參考其他行業成功使用聚氨酯經驗的基礎上，本文通過試驗研究、理論分析和市場調研相結合的形式對環氧樹脂與聚氨酯使用性能及成本展開了對比分析研究，驗證了利用聚氨酯替代環氧樹脂用于風電葉片部件生產的可行性與推廣價值，以期為實現葉片行業原材料降本、良性發展的目標提供思路。

1 環氧樹脂和聚氨酯灌注試驗樣塊方案

1.1 試驗樣塊結構、尺寸及數量

參照某葉型部件的結構來制備試驗樣塊，結構如下：4層 2AX-808雙軸布(45°/-45°)＋20mm 厚度的PET 芯材＋4層 2AX-808雙軸布(45°/-45°)。試驗樣塊尺寸均為 500mm×500mm×25mm。分別制作環氧樹脂和聚氨酯灌注的試驗樣塊各3塊。

1.2 試驗樣塊灌注方案

1.2.1 試驗樣塊環氧樹脂灌注方案

①依次鋪設雙軸布和 PET芯材，需要注意鋪層過程中的質量控制，確保無褶皺、異物、夾雜、布層折疊或位移、纖維布或 PET芯材污染等人為因素造成的缺陷。

②試驗樣塊結構鋪層完成后，參照制備某葉型部件時鋪設耗材的方法依次鋪設導流網、螺旋管、真空袋等耗材。檢查真空泵和注膠管等試驗過程所需的設備或工具，確認無問題后再開始進行灌注。

③提前用樹脂桶打膠，將注膠管浸入到樹脂桶中。灌注速度過快易造成反包現象，但灌注時間過長會增加漏氣風險，以上 2種因素均對試驗結果有較大影響。綜合考慮上述2點因素，制定如下開管方案：先將注膠管1/4開，待灌注情況穩定后再調整為1/2開。

④利用環氧樹脂灌注試驗樣塊，灌注過程中需要實時監測是否有注膠管內進氣泡、漏氣等異常現象，如發現問題需要及時采取補救措施，以防止因為偶然因素造成試驗結果不具備參考價值的后果。

1.2.2 試驗樣塊聚氨酯灌注方案

鋪層過程與試驗樣塊環氧樹脂灌注方案基本相同，鋪設耗材和灌注方案與試驗樣塊環氧樹脂灌注方案的區別主要如下：

①不能使用表面氈、透氣氈等與聚氨酯接觸后會發生化學反應的材料(可使用玻纖布進行替代抽氣)；

②因聚氨酯具有親水性，即遇水極易發生化學反應，所以灌注前必須進行加熱除濕處理，且需要在線灌注，在線灌注過程中不允許聚氨酯暴露在空氣中，以免與空氣中的水分發生化學反應；

③為防止固化過程出現局部溫度過高、提前固化現象，需要嚴格控制溫度，表面溫度超過上限時需要及時采取噴水或擦水降溫措施，以免出現局部提前固化現象；

④灌注過程不能斷膠，確保灌注膠水流速均勻，以防前期灌注的膠水提前固化。需要嚴格做好上述預防措施，避免灌注過程中出現異常影響樣塊質量和試驗結果。

1.3 試驗結果及對比分析

1.3.1 灌注后樣塊的質量檢驗

參照檢驗某葉型部件質量的方法對環氧樹脂和聚氨酯灌注試驗樣塊的質量進行檢驗。主要檢查項如下：

①是否有半干紗或干紗缺陷；

②是否有氣泡缺陷；

③是否有芯材類缺陷，變色或烤糊現象；

④是否有分層缺陷；

⑤是否有局部未固化或提前固化的現象，檢驗結果見表1。

1.3.2 樣塊承重試驗后缺陷檢驗

在常規檢查項的基礎上還需要考慮承重能力問題。參考某葉型裝配部件承重設計值，推算出500mm×500mm×25mm 的試驗樣塊理論承重值應≥3.70kg。根據此理論數據對利用環氧樹脂和聚氨酯灌注的各個試驗樣塊展開承重測試，在各樣塊的下方、四周分別進行支撐接觸，并分別在樣塊的上方均勻放置4kg相同重物，24h后撤去重物，檢查各試驗樣塊是否有分層、變形問題。測試結果見表2。

由表1可知：分別利用環氧樹脂和聚氨酯灌注的試驗樣塊，均無缺陷，說明利用聚氨酯灌注與利用環氧樹脂灌注同樣取得了良好的灌注效果。

由表2可知：分別利用環氧樹脂和聚氨酯灌注的試驗樣塊展開承重測試，撤去重物后均未發生分層和變形問題，承重測試結果均合格，說明聚氨酯灌注試驗樣塊與環氧樹脂灌注試驗樣塊相比承重能力無明顯差異。

通過表1和表2綜合分析得知：利用聚氨酯灌注的試驗樣塊，在缺陷情況、承重能力方面與環氧樹脂灌注的試驗樣塊相比差異較小，說明利用聚氨酯代替環氧樹脂灌注的方法具有可行性，該結果可為風電葉片部件生產提供參考。

2 試驗樣塊仿真分析方案及結果

2.1 試驗樣塊仿真分析方案

在上述試驗的基礎上進一步對 2種類型的試驗樣塊展開仿真分析，旨在通過仿真與試驗結果對比分析得出的結論是否一致來驗證試驗結果是否合理。

參照試驗樣塊的組成結構分別繪制尺寸均為500mm×500mm×25mm的環氧樹脂和聚氨酯灌注試驗樣塊的三維模型。環氧樹脂和聚氨酯灌注試驗樣塊均為軸對稱及各向異性的線性材料，在此前提下，以三維模型為載體，分別對上述 2種不同材料的試驗樣塊展開線性靜力學分析。

分別對環氧樹脂和聚氨酯灌注試驗樣塊展開仿真分析，步驟如下：

①將米制單位作為模型單位，并創建分析項目；

②將環氧樹脂或聚氨酯灌注試驗樣塊的三維模型導入幾何體版塊中；

③在界面中生成幾何體；

④在材料庫中設置環氧樹脂或聚氨酯灌注試驗樣塊的相關參數，其中需要手動輸入的參數包括密度、彈性模量、泊松比，設置好彈性模量 E和泊松比μ后，體積模量和剪切模量這2個參數將會根據E和μ自動生成；

⑤設置環氧樹脂或聚氨酯灌注試驗樣塊的材料疲勞特性；

⑥將環氧樹脂或聚氨酯灌注試驗樣塊材料屬性添加到材料庫中；

⑦對導入的環氧樹脂或聚氨酯灌注試驗樣塊的三維模型進行網格劃分，此步驟對于分析結果的準確性有較大的影響，理論上來說，單個網格的尺寸越小，即劃分得越精細，最終軟件分析出的各項參數結果就越精確，但如果單個網格尺寸過小，也將帶來一些不利因素，如會造成劃分網格時間過長的后果，或劃分網格的過程中也極易出現意外錯誤，進而導致網格劃分失敗和增加分析所需時長，因此，需要權衡分析精度和時間成本等問題，合理設置單個網格尺寸，綜合考慮上述各項因素，最終將單個網格尺寸設置為1mm；

⑧對樣塊進行固定約束，此處需要根據承重測試方案設置各相關參數，以保證分析結果的準確性，參照上述試驗方案，將樣塊上表面設置為壓力面，并根據樣塊所受的實際壓力設置“Magnitude(大小)”參數；

⑨添加應力求解項后對等效應力進行求解；

⑩添加應變求解項后對等效應變進行求解；

?將“疲勞工具”命令添加到求解項中；

?將“壽命”和“安全系數”選項分別添加到“疲勞工具”下方作為“疲勞工具”的子文件夾；

?在左下方的“安全系數”參數列表中分別設置環氧樹脂和聚氨酯樣塊的“設計壽命(循環次數)”；

?對所有所需求解參數進行整體運算。

參照上述步驟，利用軟件分別對環氧樹脂和聚氨酯灌注試驗樣塊進行線性靜力分析[5]，得出應力、應變、疲勞壽命及疲勞安全系數云圖[6]。

2.2 試驗樣塊仿真分析結果及對比分析

2.2.1 環氧樹脂灌注試驗樣塊仿真分析結果

對環氧樹脂灌注試塊三維模型進行仿真分析，得出應力、應變、疲勞壽命及疲勞安全系數云圖。

2.2.2 聚氨酯灌注試驗樣塊仿真分析結果

對聚氨酯灌注試塊三維模型進行仿真分析，得出應力、應變、疲勞壽命及疲勞安全系數云圖。

2.3.3 仿真分析結果對比

將仿真分析結果進行梳理匯總，如表3所示。

表3 試驗樣塊仿真分析結果對比分析Tab.3 Comparative analysis of simulation analysis results of test samples

分別對環氧樹脂灌注試驗樣塊與聚氨酯灌注試驗樣塊各項參數的仿真分析結果進行對比分析，結果如下：最大應力和最大應變略有差異，疲勞壽命和疲勞安全系數相同，說明聚氨酯灌注試驗樣塊與環氧樹脂灌注試驗樣塊相比使用性能差別較小，與1.3小節中得到的試驗對比分析結果相同，驗證了試驗對比分析結果的合理性。

3 環氧樹脂與聚氨酯使用成本調研分析

在環氧樹脂和聚氨酯使用性能相近的前提下，再對二者的使用成本進行調研分析，旨在從經濟性的角度確定使用聚氨酯替代環氧樹脂制備風電葉片部件是否具有推廣價值。

通過市場調研得知，環氧樹脂價格比聚氨酯樹脂高 10元/kg。以某葉型部件生產為例，對環氧樹脂與聚氨酯使用成本進行計算分析。利用環氧樹脂灌注時，實際用膠量為 45kg；利用聚氨酯灌注時，實際用膠量為 46kg，用量基本一致。經計算，采用環氧樹脂制備部件時，其成本比聚氨酯高約450元。

對環氧樹脂與聚氨酯使用成本進行計算分析后發現，利用聚氨酯替代環氧樹脂用于某葉型部件的生產可節約 27%的成本。由此可知，在產品質量可控的前提下，利用聚氨酯批量生產風電葉片部件可節約大量原材料成本，具有推廣價值。

4 結 論

①通過試驗結果對比分析，結果表明環氧樹脂與聚氨酯灌注試驗樣塊均無缺陷，說明利用聚氨酯灌注與利用環氧樹脂灌注相比灌注效果并無明顯差異；且承重測試結果均合格，說明二者的承重能力無顯著的差別。綜合以上 2點因素得知，聚氨酯灌注試驗樣塊與環氧樹脂灌注試驗樣塊相比使用性能差異較小。驗證了利用聚氨酯替代環氧樹脂用于風電葉片部件生產的可行性。

②通過仿真結果對比分析得知，環氧樹脂灌注試驗樣塊與聚氨酯灌注試驗樣塊相比，最大應力和最大應變略有差異，疲勞壽命和疲勞安全系數相同。說明聚氨酯灌注試驗樣塊與環氧樹脂灌注試驗樣塊相比使用性能差別較小，進一步證明了試驗對比分析結果的合理性。

③對環氧樹脂與聚氨酯的使用成本進行市場調研和成本計算分析，結果表明利用聚氨酯替代環氧樹脂用于某葉型部件的生產可節約 27%的成本，驗證了在產品質量可控的前提下聚氨酯替代環氧樹脂用于風電葉片部件生產的推廣價值。