风电叶片前缘保护技术进展

来源：市场资讯

（来源：买化塑）

陈文津，冯学斌，黄明富，陈煌，李诚亮，付国良

（株洲时代新材料科技有限公司，湖南株洲 412000）

摘要

风电叶片前缘受损会明显影响风电机组的运行效率和寿命,因此研究前缘保护技术对于叶片来说非常重要。本研究分析了风电叶片前缘损伤的因素及后果,综述了前缘保护测试技术原理与发展,对比了各类前缘保护材料的原理与优缺点,并对风电叶片前缘保护技术未来发展方向进行了展望。

关键词

风电叶片; 前缘保护; 雨蚀测试; 保护涂层; 保护膜

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引言

我国风电行业自21世纪初开始兴起，近年来，百米级叶片已成为主流叶型，并且长度还在继续增加。超长的叶片带来的是更快的叶片线速度，而叶片线速度越快，其长时间运转遭受雨滴、冰雹、砂砾和各种昆虫的撞击受到的损伤越严重，尤其以叶片近叶尖的前缘部分最为明显。前缘是叶片在运行时最先与所有来流物质接触的部分，由于叶片的线速度极高(大型叶片叶尖速度可超过300km/h)，这些来流物质与前缘部分的撞击能量非常大，使得前缘持续受到微观“弹幕”的冲击。而叶片作为风电机组捕获风能的唯一组件，前缘受损伤会导致风电机组发电量明显降低。

此外，长期积累的损伤会破坏叶片本身结构，导致重大安全隐患。总之，风电机组运转状况与叶片表面状况息息相关，而叶片前缘状态表面状况主要取决于前缘状态，因此对前缘保护尤为重要。近年来，随着风电行业蓬勃发展，风场也逐渐向环境更极端地区扩展，例如荒漠、深海等，叶片将会面临更严苛的挑战，这对叶片前缘保护技术也提出了更高的考验。本研究综述了风电叶片前缘损伤的因素，分类介绍了目前主流的前缘保护材料发展，探讨了叶片前缘防护材料测试技术现状与改进方向，最后展望前缘保护技术的未来发展。

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风电叶片前缘损伤因素及后果

风电叶片前缘损伤因素一直以来众说纷纭，目前主流观点认为前缘损伤因素可分为侵蚀、分层、边缘剥落以及其他因素。在这其中，雨滴侵蚀高速运转叶片使得表面涂层结构因相对湿度、水分渗透、紫外线辐射、温度变化等环境因素而弱化，即“雨蚀”是导致前缘损伤的主要因素。雨蚀的原理是液滴与高速运动的叶片表面接触时，由于接触面上液滴内部速度高于与接触面接触速度从而产生瞬时高压使液滴压缩，导致液滴沿叶片侧面射出，产生应力波，这便是“水锤效应”。该瞬时压力极大，对叶片的冲击以及应力波传导易引起叶片表面的涂层剥离或分层。一旦表面保护涂层出现剥离，其下被保护的叶片部分将暴露出来受到冲击损伤，从而引起叶片结构损坏甚至击穿叶片。在:一些荒漠、戈壁等较为干旱的地区，由于风沙多发，降雨少，沙蚀取代雨蚀成为叶片前缘损伤的主要因素。相比于雨滴，风沙颗粒多为不规则形状，边缘锋利，在高速下撞击叶片表面时会产生巨大冲击力和微切削力，以及可能的摩擦热，导致涂层材料磨损破坏。此外，紫外老化、湿热、盐雾、生物腐蚀等因素也会对风电叶片前缘造成不同程度的影响和损伤。

叶片前缘损伤的后果之一是会导致气动外形发生明显改变。当叶片前缘出现侵蚀、磨损等损伤时，原本光滑的叶片表面变得粗糙不平，这会破坏叶片周围的气流流动状态。气流在经过受损的前缘时，会产生湍流和分离现象，从而降低叶片的升力系数和效率。这种气动外形的改变不仅会影响单个叶片的性能，还会对整个风电机组的运行产生不利影响。由于风电机组的各个叶片之间存在着复杂的气动耦合关系，一个叶片的性能变化可能会引起其他叶片的载荷分布发生改变，进而影响整个风电机组的稳定性和可靠性。此外，叶片前缘磨蚀是导致发电量下降的重要原因之一。当叶片前缘受损后，其气动性能下降，叶片吸收风能的能力减弱。相关研究显示，轻微前缘腐蚀可导致年发电量减少5%，严重腐蚀甚至可导致年发电量减少25%。

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前缘保护性能检测技术

前缘防护材料在实际工况下，其性能可靠性很难保证和理想工况下一样，例如运输造成的划伤、施工时未打磨到位或者生物腐蚀种种因素都会明显影响前缘防护材料的使用寿命和防护性能。目前行业面临的一个问题是缺乏有效的前缘防护材料评估手段。参考DNV GL-0424、ASTMG154、IS0 TS 19392、GB/T31817等标准，对于叶片前缘保护材料的老化测验，主要分为雨蚀、紫外老化、相对湿度、湿热老化、盐雾等。在性能测试中，产品性能主要通过对产品外观、厚度、附着力等方面进行评估来测定。其中，外观测验主要检查材料表面是否平整、无气泡、无裂纹、无杂质等缺陷。如果是涂层，还需检查涂层的颜色是否均匀、光泽是否符合要求。对于保护膜和保护硬壳材料，需要检查其表面是否有褶皱、翘边等现象。

保护材料的厚度直接影响其保护性能。对于涂料保护材料，需要使用涂层测厚仪等工具检测涂层的厚度是否符合设计要求。对于胶带和软壳保护材料，需要测量其厚度是否均匀，是否达到规定的厚度标准。厚度检测可以在施工过程中进行，也可以在施工完成后进行抽样检测。附着力是衡量保护材料与叶片表面结合强度的重要指标。

2.1雨蚀测验

风电叶片前缘部分在叶片运行时会受到雨滴、冰雹、砂砾、飞虫等冲击和紫外老化等因素影响而受损，其中雨蚀公认为是前缘损伤的主要影响因素。据研究统计，风场区域降水量与前缘损伤情况近似正比关系。因此，保护材料的耐雨蚀性能是一项非常重要的检测项点。目前雨蚀性能的测试方法主要有旋转臂法、单次射流法和风洞测试等，最常用的是旋转臂法。旋转臂法通过实验台控制电机设备的旋转和喷头的设置，使臂顶端的试样高速与液滴发生撞击，可以模拟在自然环境中叶片前缘与液滴之间的相互作用过程。雨蚀实验规定了测试介质温度、试验区域速度、液滴平均直径、雨强以及水流速度等范围，主要评测涂层厚度、外观受损情况(剥落、开裂等)、粗糙度、侵蚀深度等。旋转臂法的优点是实验设备简单，所需场地较小，但是每次一般仅对一个平均雨滴直径、一个降雨强度下的样品侵蚀情况进行测量，未考虑实际风场降雨情况，同时也无法评估或预测复杂环境对于样品耐雨蚀性能的影响。近些年来，不同雨蚀测验方法不断被提出，以期能更灵活地模复杂风场环境下叶片前缘受到降侵蚀作用。例如DNV GL-RP-0573提供了一种基于Springer 1976年提出水锤压力撞击引起疲劳损伤失效的模型而得来的雨滴撞击次数雨滴撞击速度V的雨蚀模型，其函数形式如式

(1)式、(2)所示:

其中N为单位面积雨滴撞击次数;V为叶片线速度;K、m为参数。该模型能将测试数据拟合得到参数值，用来预计前缘保护材料在不同线速度下的潜伏期时间。在风电叶片行业，上海曦骅是目前国内唯一通过CNAS、CMA以及DNVGL认证雨蚀测试标准，具有耐雨蚀能力检测资质的第三方测试机构。其雨蚀测试平台引进自丹麦R&DTestsystems公司，采用旋转臂法，基于三翼直升机原理，通过400根针头模拟雨滴在毛细作用下形成，并通过控制雨滴大小、降雨量以及转速等参数模拟叶片在实际环境下运行面临的雨蚀作用，实时监控并记录样品表面形貌(见图1、见图2)。华能新能源提出一种风电叶片剥离测试方法，通过在基板上可选择性的涂覆腻子和面漆，放置隔离带后涂覆保护漆，随后对其进行90°剥离试验以识别叶片前缘界面处理风险。麦加首推老化+雨蚀交替进行的测试方法，通过在雨蚀前对涂层进行紫外老化、虫蚀、砂纸打磨等预处理，以模拟叶片长期暴露在户外，在综合工况下的综合性测试评估。此外，明阳智能工程师也基于前缘雨蚀损伤原理提出使用单次射流法+旋转臂法的复合方法进行雨蚀试验的评估方法;运达能源工程师对比了不同叶尖线速度下雨滴对前缘保护涂料的破环模式和失效。

2.2紫外老化测验

风电叶片长期暴露在户外环境中，受到紫外线、温度变化、相对湿度等因素的影响，保护材料的耐老化性能直接关系到其使用寿命。为了能够综合测验不同环境、纬度下的材料紫外老化承耐性能，目前ASTM已经出台几个标准，国内也推出了诸如GB/T16422.2、GB/T14522等多个侧重点不同的测试标准，这些标准丰富了紫外老化测验领域，能用来多角度评测叶片前缘保护材料的耐紫外老化性能。然而，这类标准大多针对的是静态老化实验进行测验，这与叶片运转时不断遭受动态冲击的实际工况大相径庭。因此，可以采用自然老化试验和人工加速老化试验相结合的方法进行检测。自然老化试验是将保护材料样品放置在户外自然环境中，经过一定时间的暴露后，观察其表面变化情况，评估其耐老化性能。人工加速老化试验是在实验室中采用模拟自然环境的设备，如紫外线老化试验箱、高低温交变试验箱、湿热试验箱等，对保护材料进行加速老化试验，缩短试验时间，评估其耐老化性能。

2.3其他性能测验

风电叶片前缘保护材料的质量直接关系到叶片的使用寿命和发电效率，除了雨蚀与紫外老化，还有种种因素会对其造成影响，例如盐雾、砂蚀或者生物因素等。其中，盐雾测验是评估前缘保护材料对氯离子侵蚀的抵抗能力，实验通过盐雾箱模拟海洋大气环境，使用接近海水成分的水溶液喷雾并控制温度、相对湿度强化腐蚀条件。砂蚀测验是评估前缘保护材料抗砂蚀性能，主要有风洞实验法，旋转臂实验法，沙喷射法以及离心实验法等目前国内对风电叶片砂蚀研究机理逐渐深入，通过实验和模拟的方法揭示了砂蚀下涂层损伤机理，但是国内对砂蚀测试的仪器开发以及测试标准刚刚起步，尚无普遍认可的标准与测试仪器。图3为采用喷射法的砂蚀测试仪器。生物因素是近年逐渐重视起来的叶片损伤因素之一，主要为在东亚、东南亚等湿热地区风场叶片上容易在短短几年内出现的霉菌、青苔等附着生物，目前国内涂料供应商正在研发自清洁自修复除了单一因素(如雨蚀或紫外)的研究，更多研究开始关注多因素耦合作用对叶片前缘的损伤。例如，湿热环境与紫外老化的协同作用会加速涂层的老化和剥离，而盐雾环境与沙蚀的结合则会加剧叶片的腐蚀和磨损。综上所述，风电叶片前缘保护材料的检测项目较多，需要根据不同的保护材料和使用要求，选择合适的检测方法和标准，进行严格的检测，以确保保护材料的质量和性能符合要求，为风电叶片的安全运行提供保障。

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叶片前缘保护材料

叶片表面，尤其是前缘部分受到各种因素作用，是叶片上最易损坏的部位之一，对其采取的保护材料也一直是各方的研究重点。各式各样的材料被用于叶片前缘保护，这其中，市面上流行的主要是3类材料，分别是(1)涂层;(2)保护膜;(3)保护硬壳。

3.1涂层

保护涂层即前缘保护漆，是目前风电叶片上应用最多的前缘保护材料，主要可分为聚氨酯体系、聚脲体系(聚天门冬氨酸酯)以及硅氟体系3类，市面上以聚氨酯体系为主聚氨酯材料具有分段的微观结构，优点是技术成熟，施工工艺方便快捷，施工区域灵活可设计，成本低且易修复等。聚天门冬氨酸酯涂料的优点不仅在于固化速度快，还在于其具有良好的耐候性和耐化学腐蚀性能。这使得它在户外环境下也能保持长久的美观和保护作用，适用于建筑物、桥梁、船舶等各种工业设施的防腐涂装。此外，由于其施工方便、干燥时间短，可以大大缩短施工周期，提高生产效率。在德国拜耳公司最先开发出这种涂料以后，在国内也有一些厂家开始生产聚天门冬氨酸酯涂料，并且不断进行技术改进和创新。目前国内生产的产品已经基本达到了国际标准要求，并且价格相对较低，受到市场欢迎。

总体来说，聚天门冬氨酸酯涂料具有广阔的应用前景和市场空间，在未来风电叶片前缘防护领域具有一定的应用价值。硅氟类涂料是一种水性聚氨酯氟碳涂料，具有优异的耐候性、耐温性和反应速度快的特点。与传统溶剂型聚氨酯涂料相比，在各项指标上都得到了改进，因此在叶片防护方面表现出色，并且便于生产和维护。但是硅氟类涂料在叶片上开发较晚，目前国内暂无成熟、商业化产品。虽然前缘保护漆具有种类多样，施工方便，成本低且易修复等优点，但是其受施工过程的影响较大，例如施工环境中的粉尘、碎屑以及无法稳定控制的温湿度，施工人员涂覆的厚度、方式、现场手工搅拌是否均匀等等因素都会对涂层质量造成影响，容易造成漆面出现橘皮、暗流、孔洞等缺陷，因此使用前缘保护漆时，需要保证工艺施工质量。

3.2保护膜

前缘保护膜和保护漆的原理类似，都是通过低阻抗、高延展性的表面变形缓和雨滴的冲击。不同的是，前缘保护膜是先用模具预制好后再铺贴到前缘区域，其性能可控，厚度均匀，同时涂层施工过程缺陷也更少。但是，前缘保护膜粘贴表面要求较高，施工前需要提前打磨干净表面，并使用异丙醇等易挥发溶剂对打磨区域进行清洗，待表面干燥后检查确认表面无杂质或污染才能进行铺贴。

Polytech保护膜属于聚氨酯保护膜，具有出色的耐雨蚀性能，根据ASTMG73-10标准进行测试，样品在160m/s流速下测试100h，其表面侵蚀状态仍处于初始阶段。此外，老化性能测试在UV/盐雾/低温/RET40h循环持续3~4周后，表面无明显老化现象，沙蚀测试显示经过250公斤颗粒侵蚀后样件表面部分污染但是没有明显腐蚀。近年来，国内前缘保护膜材料也逐渐被开发应用，如耐时代新材开发的弹性聚氨酯保护膜，具有优异的机械、紫雨蚀及耐天候性能，按照DNVGL0573标准进行盐雾、外、低温循环交变老化4200h后在进行雨蚀实验，其测得耐雨蚀击穿时间可突破100h，达到行业领先，且价格相比国外产品更有优势。目前，该保护膜已在国内多家风场实际应用。

3.3保护硬壳

常见保护材料除了涂料和保护膜外，目前还有一种采用刚性材料或者热塑性塑料预制成贴合叶型的保护硬壳用作前缘防护的材料技术。保护硬壳的弹性延伸率远低于保护膜和涂层类材料，其厚度通常>2mm，相比起来具有更高的耐雨蚀和耐紫外老化性能，能更有效地减少颗粒对叶片的损伤。但是保护硬壳单价较高，且由于叶片基材与硬壳:之间弹性差异导致两者间容易产生较大应力，其是否适和应用在风电叶片上仍需进一步考察。相关进展主要有Amour采用热塑性塑料ASA与PC制成的EDGE前缘保护壳，ORECatapult开发的镍合金前缘保护壳等。

除了以上主流前缘保护材料外，近年来，一些新型材料也被开发并逐渐往前缘保护上进行开发。例如基于石墨烯、碳纳米管等纳米材料的涂层具有优异的抗冲击性和耐磨性，同时还能有效抵抗紫外老化和湿热环境。此外，通过喷涂/光刻/蚀刻在涂层表面构建微米级突起+纳米级绒毛或者选用含氟/硅聚合物降低表面能，构成超疏水涂层，能够有效防止水滴、灰尘等在涂层表面附着，提高叶片防覆冰性能。

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结论与展望

国内风电行业经过20a以上的发展，叶片尺寸越来越大，风场的规范范围也向深海、荒漠等极端条件扩展。快速增长的叶尖线速度和复杂的运行环境对于叶片防护性能提出来越来越高的要求，尤其是最易受损的叶片前缘部分。前市面上各类叶片前缘防护材料层出不穷，各项测验技术也不断更新，以模拟复杂的实际叶片工况。在风电叶片前缘保护技术领域，未来仍有许多值得深入研究的方向。例如从材料方面，针对深海、高海拔等极端环境，通过持续研发高性能涂料，改进保护膜及硬壳材料等方式，提高前缘保护技术对极端条件的适应性。从技术方面可继续研究雨蚀测验技术与其他测验技术相融合，同时也可发展叶片智能检测技术，建立叶片前缘受损模型，引入风场环境参数，预测特定区域前缘保护材料寿命，推动智能监测技术与大数据、云计算等技术的融合，实现对风电场叶片健康状况的远程监控和管理等。总而言之，未来风电叶片前缘保护技术的研究方向将更加多元化和综合化，需要不断创新和探索，以满足风力发电行业对高效、可靠、可持续的前缘保护技术的需求。通过材料创新、技术融合等方面的努力，推动风电叶片前缘保护技术不断进步，为风力发电行业的可持续发展做出更大的贡献。

来源：《涂层与防护》 • 2026年6期