風能玻璃鋼產品耐鹽霧腐蝕性能研究

崔峰波，蔣斌兵，冉文華，沈 剛，崔麗榮，張 萍，岳林海

（巨石集團有限公司，桐鄉 314500）

0 前言

風力發電是風能利用的主要形式，也是目前可再生資源中最成熟、最具有規模化開發條件及最具商業化發展前景的發電方式之一。具有風速大、主導方向更穩定以及具有豐富風電資源的海上風電被更多國家所研究和運用［1］。海上風能資源豐富，這也使得風電設施年利用時間更長，機組發電量更穩定及使用壽命更長。此外我國有著豐富的海域資源，加之沿海地區經濟發達、用電需求量大，因此在我國可利用海域面積大的環境下，海上風電設施有著更廣闊的應用前景［2］。

海上風電的發展受限于海洋大氣對風電設備的腐蝕問題。海洋大氣的腐蝕成分和因素包括氯化物、氧氣、濕度、溫度變化和污染物等［3］。海洋上的鹽霧是指含有氯化物的空氣，主要腐蝕成分是氯化物鹽—氯化鈉。鹽霧試驗是一種主要利用鹽霧試驗設備所創造的人工模擬鹽霧環境條件來考核產品耐腐蝕性能的環境試驗［4-5］。它分為兩大類，一類為天然環境暴露試驗，另一類為人工加速模擬鹽霧環境試驗。人工模擬環境具有較高的氯化物鹽濃度，可以是一般天然環境鹽霧含量的幾倍或幾十倍，使腐蝕速度大大提高，時間可以縮短為幾十分之一或幾百分之一。人工模擬鹽霧試驗包括中性鹽霧試驗、醋酸鹽霧試驗、銅鹽加速醋酸鹽霧試驗和交變鹽霧試驗［6］。

而解決鹽霧腐蝕問題的核心關鍵就在于風電材料，要設計出耐鹽霧腐蝕的材料是重中之重。玻璃鋼具有輕質高強、耐腐蝕性能好、熱性能好以及可設計性強等優點，因此玻璃鋼被大量應用在航空航天、電子信息、汽車、新能源以及國防軍工等領域［7-9］。風電材料經歷了3代變革，如今的風電材料更多采用纖維增強復合材料葉片，極大地改善了力學性能、工藝性能及耐環境侵蝕性能。由于使用樹脂品種不同，玻璃鋼有聚酯玻璃鋼、環氧玻璃鋼、酚醛玻璃鋼等，風電材料運用最廣泛的是環氧玻璃鋼。目前全球大部分風電葉片都采用玻璃鋼做支撐梁，因此對玻璃鋼在海上的腐蝕研究顯得尤為重要。

本文主要研究鹽霧腐蝕對玻璃鋼的影響，側重于對鹽霧環境的模擬選擇和腐蝕試樣的表觀形態、力學性能以及不同的玻纖紗和織物制備的玻璃鋼的耐鹽霧腐蝕性能研究，對風能產品的選擇以及質量改進具有重要的指導意義。

1 試驗部分

1.1 試驗原材料

表1 試驗原材料

1.2 試驗儀器與設備

鹽霧試驗箱：YED YWX Q-250型，無錫易爾達公司；

濕熱試驗箱：C/340/7/5型，德國Weiss Technik公司；

萬能試驗機：CMT5105型，美斯特工業系統（中國）有限公司。

1.3 試驗方法

本次試樣通過真空導入樹脂模塑［10］制造，采用上緯2511-1A/2511-1BS環氧樹脂體系制成試樣。試樣類型采用2種，分別是0°（纖維方向）拉伸和90°（垂直于纖維方向）拉伸的真空灌注層壓板試樣以及0°拉伸和90°拉伸的單向纏繞板試樣，真空灌注層壓板的鋪層方式見圖1。試驗形式為2種試樣類型、3種嚴酷等級及2類力學性能測試。

圖1 真空灌注層壓板的鋪層方式

1.4 性能測試

拉伸強度按ISO 527《塑料 拉伸性能的測定》［11］測試。

2 試驗結果與討論

2.1 試樣表面形態分析

對試樣進行外觀檢查，目測試樣的顏色和光澤度，觀察是否產生裂紋、小孔以及對樹脂的外觀變化進行初步判斷。觀察得到在鹽霧嚴酷等級1時，試樣外觀幾乎與初始狀態相同，而在鹽霧嚴酷等級3時，試樣的顏色較之前變深。這主要是隨著腐蝕時間的增加，試樣經受的腐蝕越嚴重。另外值得注意的是，在3個鹽霧嚴酷等級試驗中，在外觀上均未產生明顯裂紋。

由圖2可以觀察到經過了鹽霧嚴酷等級1，試件的表面腐蝕主要是在90°方向，且腐蝕較為明顯，而在0°方向幾乎沒有影響。這是由于90°方向的玻璃纖維在單向玻纖織物表層，因此在腐蝕過程中優先腐蝕90°方向玻纖；而在鹽霧嚴酷等級2時，在90°方向腐蝕明顯加劇，裂紋明顯增多，并已經開始腐蝕0°方向玻纖；在鹽霧嚴酷等級3時，90°方向玻纖已經被嚴重腐蝕并已經發生斷裂，而在0°方向上的腐蝕也已經明顯產生。這也說明通過設計不同鹽霧嚴酷等級來對玻璃鋼鹽霧腐蝕進行梯度模擬是可行的。

圖2 為試件表面形態SEM微觀掃描圖

2.2 力學性能測試與分析

本次試樣數量為13組，試驗環境溫度為23，相對濕度為50，鹽霧噴霧裝置的噴霧溫度為35，噴霧量（80 cm3面積沉積量為1.0-2.0 mL/h）。通過材料力學性能測試，測得拉伸強度數據見表2。

表2 不同鹽霧嚴酷條件下玻璃鋼試樣初始和腐蝕后的拉伸強度

從表2可觀察得出，在純濕熱環境下隨著溫度的升高，試樣的拉伸強度變化并不大，這也說明如無外界因素的影響，溫度并不是影響力學性能的關鍵。而在鹽霧濕熱環境下，由表2數據可知試樣的拉伸強度有著明顯的下降，尤其是隨著時間的推移，力學性能下降更為明顯。由此可知鹽霧腐蝕對風能玻璃鋼制品的性能影響更大。另外通過對濕熱溫度的調控，發現溫度越高，鹽霧腐蝕更強，這是因為在高溫的情況下分子流動更快，更利于氯化鈉噴霧的傳播，也從側面說明了鹽霧腐蝕對玻璃鋼制品性能的影響。另外從圖2的SEM微觀掃描圖也可以看到，樹脂與玻璃纖維受到了腐蝕破壞，而這正是影響其力學性能下降的原因所在。

2.3 不同玻纖及玻纖織物的抗鹽霧腐蝕力學性能測試與分析

針對2種不同的玻纖織物分別為市場其他風電玻纖織物和390織物（玻纖織物結構為單向玻纖織物，0°玻纖量∶90°玻纖量=24∶1）的真空灌注層壓板和2種不同的玻纖紗，分別為市場其他風電玻纖紗和390玻纖紗的單向纏繞板（纏繞角度＜3°）進行了抗鹽霧腐蝕性能試驗。將試樣放置于溫度為23和相對濕度505%的標準環境下，溫度60、相對濕度935%和5%的氯化鈉溶液的濕熱環境鹽霧噴霧箱內，試驗以4天噴霧環境和3天標準環境為一個周期，嚴酷等級1、2、3分別對應于一個周期、兩個周期和三個周期。測試結果見圖3~圖6。

圖3 市場其他風電玻纖織物和390織物的0°拉伸強度性能

圖6 市場其他風電玻纖紗和390玻纖紗單向纏繞板90°拉伸強度性能

由圖3和圖4可觀察到，織物層壓板在0°方向的拉伸強度保留率在鹽霧嚴酷等級1和2時下降較快，在等級3時強度保留率趨緩；而90°方向的拉伸強度保留率在鹽霧嚴酷等級1下降較快，在等級2和3時趨向平緩，說明腐蝕點的產生主要在等級1和2中。由圖可知在經過嚴酷等級3后，市場其他風電玻纖織物的0°拉伸和90°拉伸強度保留率分別為75%和87%左右。而改進后的390織物經過嚴酷等級3后，其0°拉伸強度保留率達到了82%，較市場其他風電玻纖織物提高了7%以上。此外，其90°方向拉伸強度保留率較市場其他風電玻纖織物也有大幅提升，在嚴酷等級3后，90°拉伸強度還有近50 MPa，強度保留率達到了91%以上，相比市場其他風電玻纖織物提高了4%以上。由這些數據可知390織物是更優的抗鹽霧腐蝕增強材料。

圖4 市場其他風電玻纖織物和390織物的90°拉伸強度性能

由圖5和圖6可觀察到，兩組單向纏繞板試樣在0°方向和90°方向的拉伸強度保留率均在鹽霧嚴酷等級1和2時下降較快，而在等級3時強度保留率趨緩。這說明腐蝕點的產生主要在等級1和2中。390玻纖紗在0°和90°方向的初始拉伸強度略高于市場其他風電玻纖紗，更重要的是其拉伸保留率明顯高于市場其他風電玻纖紗，分別達到了82%和86%，而市場其他風電玻纖紗的0°和90°拉伸強度保留率僅為76%和78%，并呈現逐步擴大的趨勢。由這些數據可知經過改進后的390玻纖紗是一種更優的抗鹽霧腐蝕增強織物材料。

圖5 市場其他風電玻纖紗和390玻纖紗單向纏繞板0°拉伸強度性能

3 結論

本文主要通過采用不同鹽霧腐蝕試驗條件來人工模擬海上風電的自然環境，結果發現經過長時間的鹽霧腐蝕，玻璃鋼試樣的表面光澤度有一定程度下降，但并未產生明顯裂紋。

通過對試件表面形態SEM微觀掃描，可以發現玻璃鋼試件的腐蝕程度是隨著鹽霧嚴酷等級的遞增而遞增的，主要影響的是接觸表面，而玻璃鋼內部結構并未造成特別腐蝕破壞。

此外不同玻纖織物玻璃鋼材料在經過鹽霧腐蝕后的力學性能存在差異，試驗研究的390玻纖紗及玻纖織物是一種更優的抗鹽霧腐蝕玻璃纖維性能的材料。通過對不同玻纖紗單向纏繞板玻璃鋼試件的鹽霧腐蝕對比，發現不同產品之間的耐鹽霧腐蝕性能有著較大的區別。說明基材的選擇，會對后期風能玻璃鋼產品的耐鹽霧腐蝕性能造成影響。人工模擬海上風電的自然環境，可以明顯分辨出玻璃鋼產品耐鹽霧腐蝕的能力，為海上風電所用玻纖及其制品的開發提供理論支撐。