CWPC2024：吉林重通成飛新材料股份公司質(zhì)量管理部副部長劉靖宇發(fā)表《風(fēng)電葉片用大厚度輕木質(zhì)量控制技術(shù)的研究與應(yīng)用》的演講

各位大家好，我來自吉林重通成飛新材料管理部，我今天分享的題目是：風(fēng)力發(fā)電葉片大厚度輕木質(zhì)量控制技術(shù)的研究與應(yīng)用。

我分享的內(nèi)容主要是這樣5個(gè)部分：

1.成飛公司簡介

我們公司是重慶機(jī)電集團(tuán)旗下的企業(yè)，主業(yè)是風(fēng)力發(fā)電葉片的制造。我們在07年開始進(jìn)入風(fēng)力葉片行業(yè)，到目前為止已經(jīng)有11個(gè)年頭。現(xiàn)在我們總共形成了重慶總部為中心、4個(gè)生產(chǎn)制造基地、1個(gè)運(yùn)維服務(wù)基地、1個(gè)葉片的循環(huán)回收基地的產(chǎn)業(yè)布局。

2.研究背景

今天我分享報(bào)告內(nèi)容的研究背景，由于現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電葉片越做越大，對于這樣葉片所使用的材料，我們發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)制造的過程當(dāng)中有很多之前沒有面臨到的問題，在我們認(rèn)為很熟悉、驗(yàn)證很充分的材料當(dāng)中出現(xiàn)了一些新的問題，這是這次研究的背景。

3.厚輕木質(zhì)量問題研究

（圖示）以下是比較典型的葉片解剖結(jié)構(gòu)，右邊的圖是我們經(jīng)常在葉片制造過程中經(jīng)常會看到的一些情況，像芯材區(qū)的氣泡，以及分層，甚至把分層打開之后可以看到中間的輕木已經(jīng)被燒焦碳化掉了。

究其機(jī)理，對于這樣的情況，之前我們?nèi)~片廠商也有很充分的研究，對這個(gè)發(fā)生的機(jī)理基本上有一個(gè)共識：就是葉片的環(huán)氧樹脂體系是一個(gè)在固化過程當(dāng)中氨解反應(yīng)，形成一個(gè)大型的膠粘體，會產(chǎn)生大量的反應(yīng)熱。其中這個(gè)體系當(dāng)中胺內(nèi)固化劑、混合后的樹脂體系在水的作用下都會更快促進(jìn)反應(yīng)的發(fā)生，更集中產(chǎn)生反應(yīng)熱。其中的水有可能來自于高速路的環(huán)境，也有可能來自真空系統(tǒng)里面的輔材，或者受潮玻纖里的水分。當(dāng)然更多的，同數(shù)量級來說輕木作為一種木材，它會有更多的水分從輕木中來。而加速之后的反應(yīng)會提供更多的熱量，它在葉片當(dāng)中發(fā)生富集。如果我們沒有辦法把熱量及時(shí)移除掉，或者里面有一些比較集中的樹脂放熱，那體系里的溫度會快速上升，樹脂里一些小分子組分就已經(jīng)達(dá)到它的沸點(diǎn)，產(chǎn)生沸騰效應(yīng)，然后出現(xiàn)氣泡的富集，甚至有些高溫會造成輕木碳化和分層。

（圖示）這是一些常見的可能造成極易吸濕、富集樹脂的疏松結(jié)構(gòu)。

進(jìn)入30毫米以上厚度輕木應(yīng)用之后，我們發(fā)現(xiàn)最近幾年這種輕木越用越多，新的規(guī)律較之前體現(xiàn)出來了。比如某款葉片上，我們發(fā)現(xiàn)紅線位置是輕木的導(dǎo)角，30毫米之后輕木的厚度比30毫米厚度以內(nèi)的輕木有明顯的增加。我們用以往解決思路嘗試了很多解決方法都沒有很好的效果，我們后來考慮到這個(gè)材料本質(zhì)上來說雖然是復(fù)合材料用得比較多的結(jié)構(gòu)芯材，但它還是一種木材，我們嘗試回歸木材的角度去看它。在這個(gè)角度，我們和其他比較薄的輕木究竟有什么區(qū)別，即便我們在這些木頭里沒有看到一些疏松結(jié)構(gòu)跡象，但它還是會更多出現(xiàn)這個(gè)問題。

回到木頭角度來看輕木，我們發(fā)現(xiàn)從木材行業(yè)加工來看，木頭里水分是呈3種狀態(tài)存在：游離態(tài)形式在木頭中存在，去除掉自由水；存在于輕木的細(xì)胞壁當(dāng)中，并且以吸附狀態(tài)存在于細(xì)胞羥基上的吸附水，結(jié)合水；和細(xì)胞壁密切結(jié)合，形成化合水。在這3種水里，我們再進(jìn)一步查找相應(yīng)的文件，發(fā)現(xiàn)在水的烘干加工過程當(dāng)中，其實(shí)在木頭從最開始天然木材砍下來保水狀態(tài)，到最后逐步烘干、逐步干燥，它會到達(dá)一個(gè)絕干的狀態(tài)。而在這個(gè)之間有一個(gè)很奇妙的點(diǎn)，有一個(gè)纖維飽和點(diǎn)這樣的狀態(tài)。在這個(gè)狀態(tài)下，整個(gè)木材細(xì)胞壁處于飽和狀態(tài)，而中間自由水是全部被烘干。在這個(gè)點(diǎn)以下，木頭在空氣中吸濕會發(fā)生膨脹，如果干燥會發(fā)生收縮，這個(gè)和大家之前用的12%輕木含水率標(biāo)準(zhǔn)來看，可以看到我們在場內(nèi)用的輕木復(fù)合纖維飽和點(diǎn)以下狀態(tài)。

在這樣的特征下，怎么想辦法解決這個(gè)問題，這個(gè)狀態(tài)下自由水已經(jīng)被干掉了。化合水如果有變化，那輕木的力學(xué)性能包括電氣性能都會有變化，我們現(xiàn)在用的達(dá)不到這樣的狀態(tài)，所以說現(xiàn)在我們要去解決的對象就是輕木當(dāng)中加工場域結(jié)合水，以及加工完成重新吸附這部分結(jié)合水。

統(tǒng)計(jì)它的規(guī)律之后發(fā)現(xiàn)，輕木如果含水率大于8%，或者厚度大于30毫米，這種問題是更多頻發(fā)。對于這個(gè)問題的原因我們進(jìn)行深入分析，首先想到一個(gè)點(diǎn)，是不是我們在加工過程當(dāng)中輕木最終真實(shí)含水率并沒有被準(zhǔn)確的檢測到呢。因?yàn)閺暮实陀谀静睦w維飽和點(diǎn)之后再繼續(xù)烘干，其實(shí)水分的排除和擴(kuò)散會遵循擴(kuò)散的移動，或者是毛細(xì)作用，或者是蒸汽液態(tài)交替的作用，這3個(gè)作用最后形成的結(jié)果，一個(gè)木材中間含水率是明顯要高于兩側(cè)的。不管是輕木材料的制造廠家和葉片制造廠家，我們常用含水率檢測儀器探針小于10毫米，如果用這個(gè)來測明顯是探不了最中心，現(xiàn)在30毫米或者更厚的輕木是探測不了含水率的。另外是木材吸濕效應(yīng)會對我們產(chǎn)生影響，我們也統(tǒng)計(jì)了不同季節(jié)場內(nèi)葉片缺陷趨勢，從DPU來看，在某些空氣濕度比較大的季節(jié)下，和輕木有關(guān)的DPU明顯上升的。這是因?yàn)槟绢^加工過程中會趨向于達(dá)成一個(gè)平衡含水率，不再吸濕。平衡含水率并不是固定的值，會隨著季節(jié)的變化，包括濕度、溫度變化呈一個(gè)變化趨勢。而在濕度較高的一些細(xì)節(jié)，最終木頭放在那兒同樣的環(huán)境但濕度更高，它會更傾向于達(dá)到較高的含水率指標(biāo)。

輕木結(jié)合水極限逸出效應(yīng)及剩余水分總含量影響，這是輕木生產(chǎn)端及葉片制造端工藝的差異引起的，有這方面影響。大家可以很簡單理解，我們?nèi)绻前演p木加工廠，雖然大家分布的地方不一樣，海拔并不高。我們就把它視作一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的生產(chǎn)環(huán)境，這個(gè)生產(chǎn)環(huán)境下水的沸點(diǎn)是100攝氏度，即便最高溫度去烘它，這里結(jié)合水都會大量剩余。而且實(shí)際上更多的烘干溫度是50度、60度這個(gè)水平，這時(shí)候剩下的水在進(jìn)到葉片廠制造環(huán)節(jié)，這里有多少剩余的結(jié)合水，在極限狀態(tài)下都會溢出來。最后這些逸出來的水分融入樹脂體系，促進(jìn)樹脂體系的放熱。為什么厚輕木會有更多的缺陷出來，因?yàn)楹褫p木體積相較薄輕木會有更多水分溢出，會對我們灌注體系更大的影響。

4.厚輕木質(zhì)量控制方法

找到這個(gè)原因之后，我們和材料廠家一起探索，研究出這樣幾個(gè)控制的解決方案：

材料的終端，輕木原材料，要求整個(gè)材料不管是原產(chǎn)地國的毛料加工、光料加工、Block加工都要達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)，12%以下。不光是成品、原材料環(huán)節(jié)要控制，我們發(fā)現(xiàn)最后即便成品達(dá)到了，我們反查場內(nèi)生產(chǎn)記錄，一些原料含水率明顯超標(biāo)批次出現(xiàn)問題的概率會更大，這個(gè)有可能是長途從原產(chǎn)地國到國內(nèi)運(yùn)輸過程中更多霉菌滋生會破壞輕木的管包，使它從閉孔結(jié)構(gòu)變成開孔結(jié)構(gòu)的影響，我們同樣要使用比較長的探針進(jìn)行探測。二是提高烘干溫度，以及要求同時(shí)進(jìn)行富壓的除濕烘干，并且烘干完成之后對于烘干后輕木封孔過程，也要縮短到封孔過程的間隔時(shí)間。因?yàn)樵谀静暮娓赏瓿芍螅鼤幸粋€(gè)吸濕滯后現(xiàn)象，如果敞開時(shí)間太久的話重新吸濕，會使輕木含水率快速上升。

通過整個(gè)改善來看，最后做到的幾個(gè)點(diǎn)：將輕木含水率降到12%以內(nèi)，8%以下的控制標(biāo)準(zhǔn)。另外對于整個(gè)烘干環(huán)節(jié)及后續(xù)烘干封孔也有相應(yīng)的工藝調(diào)整。關(guān)于之后的改善，我們有幾個(gè)想法：真空烘干設(shè)備，這個(gè)我們也在探索。總體來說，這個(gè)設(shè)備由于更高的溫度和更高的真空度，在沒有真空壓力控制的情況下，它會使木材有更大幅度的干縮，所以現(xiàn)在這個(gè)設(shè)備還沒有很好的應(yīng)用。另外，木材的微波干燥設(shè)備在使用時(shí)，很多材料廠也在用這個(gè)設(shè)備。我們是建議大家在使用時(shí)也要對它進(jìn)行更加充分的驗(yàn)證，因?yàn)檫@個(gè)設(shè)備類似于微波爐原理，從中間水分蒸發(fā)，把熱量排出來。我們在文獻(xiàn)上也看到過，它有可能會對整個(gè)輕木內(nèi)部纖維有破壞。我們也在之前使用材料廠家當(dāng)中看到過比較嚴(yán)重的后果，這個(gè)輕木在中間發(fā)生了碳化。

5.展望

關(guān)于接下來風(fēng)電材料質(zhì)量控制方面的展望，我們在成本壓力下有更多的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，比如新材料應(yīng)用加快了，比如極致降本壓力下面臨更頻繁的變更需求。現(xiàn)在也有一些大家降本邏輯并不是很清楚，但整個(gè)行業(yè)在降，我也必須要跟上才能有市場，希望大家能夠在降本邏輯很清晰情況下采取更有效的控制措施。

另外，這次我們遇到一些老的材料可能變成了陌生的熟面孔，對于成熟材料在新的應(yīng)用場景下的探索也是需要關(guān)注的一些事情。

以上是我的分享，謝謝大家！