1、PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2023.0549检验与技术I n s p e c t i o n a n d T e c h n o l o g y复合材料在风机叶片中的应用及能力认可现状李 姗 （中国合格评定国家认可中心 北京 100062）摘 要：本文简述了风机叶片用复合材料中不同纤维增强复合材料的优缺点，以及未来增强体和基体应用的发展趋势，同时总结了 CNAS 认可的风机叶片以及叶片中材料性能检测的认可现状。认为碳纤维和玻璃纤维的混杂纤维、高性能纤维等增强体，以及聚氨酯树脂、热塑性树脂或可回收树脂等基体是未来风机叶片用复合材料的研究方向；同时通过总结分析风机
2、叶片检测实验室在认可过程中的常见问题，为后续相关实验室认可提供了关注点。关键词：风机叶片 复合材料 玻璃钢 碳纤维 认可Application and Accreditation Status Analysis of Composite Materials in Wind Turbine BladesLi Shan(China National Accreditation Service for Conformity Assessment Beijing 100062)Abstract This paper briefly describes the advantages and disadv
3、antages of different fiber reinforced composites for wind turbine blades as well as the development trend of the application of reinforcement and matrix in the future.At the same time,the accreditation status of wind turbine blades approved by CNAS and the performance testing of materials in blades
4、is summarized.It is concluded that the composites of carbon fiber and glass fiber,high performance fiber and polyurethane resin,thermoplastic resin or recyclable resin are the research directions for wind turbine blades in the future.At the same time,by summarizing and analyzing the common problems
5、of the wind turbine blade testing laboratory in the accreditation process,it provides focus for the subsequent accreditation of relevant laboratories.Keywords Wind turbine blades Composite material Glass reinforced plastic Carbon fiber Accreditation中图分类号：TB497 文献标志码：B文章编号：2095-2465(2023)10-0049-05 D
6、OI:10.19919/j.issn.2095-2465.2023.10.013作者简介：李姗（1988 )，女，硕士，工程师，从事实验室认可工作。基金项目：国家市场监督管理总局项目“基于新一代信息技术的风电机组检验检测技术及认可评价研究”(2021YJ032)。通讯作者：李姗，E-mail:。（收稿日期：2023-09-25）风能是可再生的清洁能源，风力发电作为一种优质的发电方式，能够有效改善电力行业对石油、煤炭等不可再生能源的依赖，对于生态环境保护和适应时代发展具有重要的意义1。风力发电非常环保，且风能蕴量巨大，因此日益受到世界各国的重视。根据国家能源局的统计数据显示，截止到 2023 年
7、 7 月底我国风电装机容量约 3.9 亿 kW，同比增长 14.3%。随着风机单机容量的不断扩大，风机叶片的长度也要求不断增加。风力机叶片作为风能发电机中的核心部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常运行的重要因素。叶片在工作中要承受多种外部环境的影响，因此要求叶片材质具有良好的强度、刚度和韧性以及抗风沙、抗冲击、耐腐蚀等性能。目前，纤维增强复合材料在风力机叶片上得到了广泛的应用，2023.05 设备监理50检验与技术I n s p e c t i o n a n d T e c h n o l o g y其质量轻、强度高、耐久性好，已成为大型风力发电机叶片的首选材料。1 玻璃
8、钢复合材料玻璃纤维增强热固性树脂复合材料，俗称玻璃钢，是一种以玻璃纤维或其制品为增强体，以热固性树脂为基体，并通过一定的成型工艺复合成的材料。玻璃钢具有成本低、强度高、重量轻、耐腐蚀、易加工等特点，被广泛应用于风力发电机叶片的制造。常见的玻璃纤维分为 E 型和 S 型，E 型玻璃纤维也称无碱玻璃纤维，是一种硼硅酸盐玻璃，因其良好的电气绝缘性和机械性能，被大量用于生产玻璃钢。S 型玻璃纤维是一种特制的抗拉强度极高的硅酸铝-镁玻璃纤维，它的模量比 E 型玻璃纤维材料高出了18%；它的纤维拉伸强度为 4 600 MPa，比 E 型玻璃纤维的 3 450 MPa 增加了 33%。S 型的力学性能要普遍
9、优于E型，但是S型玻璃纤维价格较高，考虑到经济性，E 型玻璃纤维的应用相对广泛一些2,3。玻璃钢复合材料所用基体一般是热固性树脂类，包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基树脂等。目前，应用比较成熟的基体主要是不饱和聚酯树脂和环氧树脂，其中不饱和聚酯树脂体系具有良好的成型工艺性能且价格比较低，其在小型叶片（比如长 22 m）的生产中具有绝对优势；但是存在固化时体积收缩率大、放热剧烈，有一定的气味和毒性，耐热性差，综合机械性能偏低等缺点。环氧树脂体系具有优良的力学性能和耐酸性、耐溶剂性以及突出的尺寸稳定性，综合性能较好，是目前大型风电叶片的首选。大部分风电叶片是采用环氧树脂体系制造而成。乙烯基树脂性
10、能介于前两者之间，其能满足机械力学性能、抗疲劳性、刚性等各项性能指标的设计要求，目前乙烯基树脂在大型叶片中应用较少，但随着制造厂家对成本的要求，乙烯基树脂可能会进入兆瓦级叶片的选材4。近年来，随着海上风电及低风速风电的快速发展，叶片大型化成为风电行业的共识，同等风速情况下，叶片越长，扫风面积越大，发电量也相应增大。对于叶片尺寸大型化的要求，纯玻璃纤维增强复合材料存在刚度不足、叶片质量重的问题。而碳纤维增强复合材料作为一种高刚轻质的材料，其在风机叶片上的广泛应用不仅能够提高叶片的结构刚度和强度，同时还可以降低重量5。2 碳纤维增强复合材料碳纤维增强复合材料在满足刚度和强度要求的条件下，比玻璃纤维
11、增强复合材料轻 30%左右。在基体树脂方面，环氧树脂的力学性能相对较好，故碳纤维复合材料多以环氧树脂为基体树脂6。与玻璃纤维相比，碳纤维密度小，强度高，模量高出 3 8 倍，其在风力发电机叶片中的应用，能够提高叶片刚度、降低重量；提高抗疲劳性能；使风机的输出功率更平滑更均衡，风能利用效率提高；可制造低风速叶片和自适应叶片等等。综上，碳纤维将成为超大型叶片轻质高强要求的理想选择材料7。碳纤维增强复合材料的性能大大优于玻璃纤维增强复合材料，但是其价格昂贵，是玻璃纤维的 10 倍；其不太高的性价比影响了它在风力发电上的大范围 应用。3 未来研究趋势超大型机组及其轻量大叶片是未来发展的要求，而复合材料
12、的性能是叶片“大型化、轻量化和高可靠性”的关键所在，增强材料和基体材料在叶片上发挥的作用也越来越大8。3.1 增强材料1）碳纤维和玻璃纤维的混杂纤维增强复合材料：综合了玻璃纤维易加工和碳纤维优越的力学性能的双重优点，开始出现并逐渐应用在风力发电设备中。2）高性能纤维：玄武岩纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等高性能纤维具有轻质高强高模、耐疲劳、耐腐蚀以及耐环境老化等性能，Fantin Irudaya Raj E 等9所设计的芳纶纤维复合材料风叶风力发电机具有重量轻、噪声低、无振动、共振发生概率低的特点。其更适合智慧城市等城市环境。因此，将上述高性能纤维作为风力机叶片的增强纤维具有重要的研究
13、意义10,11。3.2 基体材料1）聚氨酯树脂：随着风电平价时代的来临，聚氨酯树脂成为市场重点关注的另一种可选基体材料。2018 年成功安装了首支聚氨酯风力机叶片。与常见的环氧树脂相比，新型聚氨酯树脂的机械性能和抗疲劳PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2023.0551检验与技术I n s p e c t i o n a n d T e c h n o l o g y性能更加优异，固化速度快，加工性能好，并且其与玻璃纤维和碳纤维的结合力更好，对于提高生产效率和降低生产成本具有重要意义。付国良等12通过研究发现，其所选的聚氨酯树脂浇注体的强度指标均优于环氧树脂浇注体；同
14、时通过对其制作的玻璃纤维增强复合材料（FRP）进行静态力学测试发现，聚氨酯FRP 的拉伸强度和压缩强度均达到 1 000 MPa 以上，具有优异的机械性能；其制作的聚氨酯 FRP，通过计算能够满足风电叶片使用要求。随着未来对风力机叶片大型化、轻量化的要求，聚氨酯树脂有望成为市场基体材料新选。2）热塑性树脂或可回收树脂：目前，风力机叶片多采用热固性树脂，热固性树脂13是指加热后产生化学反应，逐渐固化成型，再受热也不能软化和溶解的树脂，其性能稳定，不易分解，故用其制作的风电叶片在退役后很难回收再利用；而热塑性树脂，受热 软化、冷却硬化，无论加热和冷却多少次，均能保持这种性能。与热固性复合材料相比，
15、其具有可回收再利用、强度高、抗冲击性好的优点。常见的热塑性树脂有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚酰胺（PA）等。翟海峰等14将碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（热塑性复合材料）与玻璃纤维增强复合材料的性能进行了分析，结果表明，在综合性能上，热塑性复合材料风力机叶片比热固性复合材料叶片有较大的优势，为热塑性复合材料风力机叶片的性能分析提供了新的思路。4 相关实验室认可能力概述为了验证上述复合材料的性能，检测叶片中材料性能的实验室是必不可少的。目前国内企业内部实验室和第三方独立检测实验室在该领域也开展了相应的工作，并获得了 CNAS 的认可，经过分析将主要认可能力
16、和标准进行了汇总，见表 1。表 1 主要总结了叶片中材料种类、使用范围、检测项目以及对应的标准，为保证风力机叶片的性能提供基础支撑。目前通过认可的风力机叶片的检测实验室共 16家；其认可的主要方法标准有 GB/T 253842018/IEC 61400-23:2014风力发电机组 风轮叶片全尺寸结构试验、GB/T 253832010风力发电机组 风轮叶片、JB/T 103992004离网型风力发电机组 风轮叶片、GB/T 336292017/IEC 61400-24:2010风力发电机组 雷电防护等，主要涉及的参数有静力试验、疲劳试验、模态测试、固有频率试验、初步引线连接测试、扫掠通道雷击试验
17、、电弧击入试验、非导电性表面试验、传导电流试验、高电压试验、大电流试验等等。与其他领域相比，针对风力机叶片性能检测的认可实验室数量相对较少，可能与检测风机叶片所需的硬件设施要求较高、投入成本较大以及对人才要求高等原因有关。同时，通过总结分析风力机叶片检测实验室评审过程中的问题，发现不符合项主要体现在以下方面：1）人员方面：主要表现在人员资质不符合 CNAS-CL01-G001：2018CNAS-CL01检测和校准实验室能力认可准则应用要求中 6.2.2 b）的要求，例如，某检测人员，大专、非相关专业，相关检测经历不足 10 年，而被授权为风力发电组检测岗位；另外还有对检测人员的监督和授权等不全
18、面等问题。2）设备 方面：主要表现在设备使用之前未进行验证，设备校准方案要求不全，修正因子在测试软件中未进行及时更新和应用等。3）外部提供的产品与服务：未对组织实验室间比对的实验室进行评价等。4）管理体系文件的控制：未对相关标准、文件等进行受控、记录、发放等。以上问题均会对实验室管理体系运行以及出具数据的准确性产生影响，是实验室需重点关注的 方面。5 结论综上所述，在风力发电叶片大型化需求下，目前风力发电叶片所用复合材料，其性能、价格、绿色化以及性能检测方法、相关检测实验室数量以及能力等方面均存在一定的不足。未来风力发电行业需进一步探索玻璃纤维、碳纤维材料与叶片制造的深度结合；对于如何在降低叶
19、片重量、保持其刚度的同时保持较好的性价比、绿色化、标准化、相关检测能力的扩展与提升等这一系列的难题，需进一步攻克。目前，叶片中材料性能检测的相关标准、项目参数以及认可实验室比较多，为风力机叶片性能提供了保障；然而风力机叶片检测的认可实验室数量比较少，认可的标准项目也比较有限。随着对风力机叶片质量要求的不断提升，期待能有更多标准化要求的文件，以及更多符合要求的实验室可以申请并通过认可，以更好地控制叶片质量，同时提高企业竞争力。2023.05 设备监理52检验与技术I n s p e c t i o n a n d T e c h n o l o g y序号材料种类检测项目ISO 标准ASTM 标
20、准GB 标准范围1玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维单位面积克重 ISO 3374:2000增强制品 毡和织物 单位面积质量的测定 GB/T 9914.32013增强制品试验方法 第 3 部分：单位面积质量的测定纤维毡或织物2含水率 ISO 3344:1997增强制品 含水率的测定（等同国标）GB/T 9914.12013增强制品试验方法 第 1 部分：含水率的测定增强制品3层合板拉伸强度、模量、应变 ISO 527-1:2019塑料 拉伸性能的测定 第 1 部分：一般原理 GB/T 25672021树脂浇铸体性能试验方法拉伸总则要求4 ISO 527-4:2023塑料 拉伸性能的测定 第 4 部分：
21、各向同性及各向异性纤维增强塑料复合材料试验条件 GB/T 14472005纤维增强塑料拉伸性能试验方法、GB/T 33542014定向纤维增强聚合物基复合材料拉伸性能试验方法多轴向纤维布5 ISO 527-5:2021塑料 拉伸性能的测定 第 5 部分：单向纤维增强塑料复合材料的试验条件单轴向纤维布6压缩强度、模量、应变 ISO 14126:1999纤维增强塑料复合材料 平面方向压缩性的测定 GB/T 52582008纤维增强塑料面内压缩性能试验方法层合板通用7弯曲强度 ISO 14125:1998纤维增强塑料复合材料 弯曲性能的测定层合板通用8纵横剪切强度、模量、应变 ISO 14129:1
22、997纤维增强塑料复合材料 用45 张力试验法测定剪应力/剪应变特性,包括平面切变模量和剪切强度 GB/T 33552014聚合物基复合材料纵横剪切试验方法层合板通用9V 型口剪切强度、模量、应变 ASTM D7078/D7078M-2020e1用 V 形切口钢轨剪切法测定复合材料剪切性能的试验方法 GB/T 288892012复合材料面内剪切性能试验方法层合板通用10层间剪切强度 ISO 14130:1997纤维增强塑料复合材料 用短试片法测定表观层间粘合剪切强度（等同国标）JC/T 7732010纤维增强塑料 短梁法测定层间剪切强度层合板通用11灌注、手糊树脂、结构胶拉伸强度、模量、应变
23、ISO 527-2:2012塑料 拉伸性能的测定 第 2 部分：模压和挤压塑料试验条件 GB/T 25672021树脂浇铸体性能试验方法树脂、结构胶12弯曲强度、模量、挠度 GB/T 25672021树脂浇铸体性能试验方法树脂、结构胶13树脂粘度 ISO 3219-2:2021流变学 第 2 部分：旋转和振荡流变学的一般原理树脂14放热峰温度、时间 ASTM D24711999活性热固树脂胶凝时间和最大放热温度的标准测试方法树脂、结构胶15树脂、结构胶初始态密度 ISO 1675:2022塑料 液态树脂 比重瓶法测定 密度单组分主剂、固化剂及混合状态固化前密度16冲击强度 ISO 179-1:
24、2023塑料 摆锤式冲击特性的测定 第 1 部分：非仪器冲击试验 GB/T 25672021树脂浇铸体性能试验方法树脂、结构胶17结构胶结构胶拉剪强度 ISO 4587:2003粘合剂 刚性对刚性连接组件拉伸搭接剪切强度的测定(等同国标)GB/T 71242008胶粘剂 拉伸剪切强度的测定(刚性材料对刚性材料)粘接胶，单面搭接18结构胶 T 剥离强度 ISO 11339:2022粘合剂 挠性粘合组件的 T 剥离试验 GB/T 27911995胶粘剂 T 剥离强度试验方法挠性材料对挠性材料粘接胶19树脂/结构胶树脂/结构胶固化后密度 ISO 1183-1:2019塑料 非泡沫塑料密度测定方法 第
25、 1 部分：浸入法、液体比重法和滴定法 GB/T 14632005纤维增强塑料密度和相对密度试验方法非泡沫产品密度20芯材拉伸强度、模量、应变 ASTM C297/C297M2016夹层结构平拉强度的标准试验方法 GB/T 14522018 夹层结构平拉强度试验方法芯材本体及夹层结构21压缩强度、模量、应变 ISO 844:2021硬质泡沫塑料 压缩性能的测定 ASTM D16212016硬质泡沫塑料抗压性能的试验方法 GB/T 14532022夹层结构或芯子平压性能试验方法芯材本体及夹层结构22剪切强度、模量、应变 ASTM C273/C273M2020夹层芯材剪切性能试验方法 GB/T 1
26、4552022夹层结构或芯子剪切性能试验方法芯材本体及夹层结构23剥离强度 ASTM D17811998(2021)胶粘剂滚筒剥离标准试验方法 GB/T 14572022夹层结构滚筒剥离强度试验方法夹层结构24芯材密度、吸胶量(吸胶量参考该标准)ISO 845:2006泡沫塑料和橡胶 表观密度的测定 ASTM C271/C271M2016(2022)e1夹层结构建筑物用芯材密度的试验方法 GB/T 63432009泡沫塑料及橡胶 表观密度的测定芯材密度、吸胶量25涂料附着力 ISO 4624:2023油漆和清漆 粘附力的拖拉测试 GB/T 52102006色漆和清漆 拉开法附着力 试验面漆、腻
27、子等涂层26固含量（质量/体积）ISO 3251:2019色漆、清漆和塑料 非挥发物质含量的测定 GB/T 17252007色漆、清漆和塑料 不挥发物含量的测定面漆、腻子等涂层27耐冲击性能 ISO 6272-2:2011色漆和清漆 快速变形(冲击承受性)试验 第 2 部分：落锤试验、小范围凹穴 GB/T 17322020漆膜耐冲击测定法面漆、腻子等涂层28漆膜干燥时间 ISO 9117-1:2019色漆和清漆 干燥试验 第 1 部分：完全干燥状态和完全干燥时间的测定 GB/T 17282020 漆膜、腻子膜干燥时间测定法面漆、腻子等涂层29抗流挂性 ISO 16862:2003色漆和清漆 耐
28、流挂评定（等同国标）GB/T 92642012色漆和清漆 抗流挂性评定面漆、腻子等涂层表 1 叶片中材料性能主要认可能力和标准PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2023.0553检验与技术I n s p e c t i o n a n d T e c h n o l o g y参考文献1 胡春成.风力发电发展现状以及行业发展浅谈 J.科技创新与生产力,2023(3):55-57.2 吴培华.基于风机叶片用玻璃纤维复合材料研究发展 J.合成材料老化与应用,2021,50(6):128-130.3 张礼达,任腊春,陈荣盛,等.风力机叶片材料特性分析与评价 J.现代零部件,
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30、):1 274-1 284.9 Fantin Irudaya Raj E，Appadurai M，Lurthu Pushparaj T.Wind turbines with aramid fiber composite wind blades for smart cities like urban environments:Numerical simulation studyJ.MRS Energy&Sustainability,2023,10(1):139-156.10 滕冬华，高克强.大型风力涡轮转子叶片增强材料应用现状及发展趋势 J.玻璃钢/复合材料,2010(6):81-85.11 尚
31、宝月.风机叶片用玄武岩纤维复合材料的改性研究 D.阜新：辽宁工程技术大学,2010.12 付国良，冯学斌，陈煌，等.聚氨酯树脂在风电叶片中的应用研究 J.聚氨酯工业,2023,38(1):30-33.13 王春红，鹿超，左祺，等.绿色纺织复合材料 M.北京:中国纺织出版社有限公司,2021:2-12.14 翟海峰.基于细观力学的热塑性复合材料风力机叶片性能分析 D.呼和浩特：内蒙古工业大学,2018.（上接第 45 页）7 个工日（夜间实施）；单机调试，7 个工日（夜间实施）；系统接口联调、整体联调，30 个工日。3)B 号线 FAS 系统回路剥离。B 号线既有需剥离回路线缆敷设，1 个工日（
32、夜间实施）；B 号线既有车站设备回路剥离，1 个工日（夜间实施）。5 结束语随着网络化建设的不断推进和网络密度的不断增加，换乘车站的数量也快速增加，换乘车站资源共享和机电系统集成优化研究的必要性和紧迫性进一步显现。本文通过研究城市轨道交通换乘站综合监控系统中不同子系统的互联互通的设计和实施，对比不同建设情况下的综合监控子系统建设路径，得出不同情况下轨道交通换乘站综合监控系统的建设建议，意在为城市轨道交通换乘站综合监控系统建设提供建议和模版。但由于各换乘站在具体建设时，有不同的土建条件和具体建设目标，在将来具体车站执行建设时，仍需要“一站一设计”。参考文献1汪侃.城市轨道交通综合监控系统的技术发
33、展J.城市轨道交通研究，2018,21(5):48-50,68.2李金龙.城市轨道交通综合监控组网方案 J.都市快轨交通，2012,25(5):122-1263黄小权.基于云平台的地铁综合监控系统 D.杭州：浙江工业大学，2017.4苏俊锋，罗茜.基于云计算的智能化轨道交通系统监测与维护研究 J.铁路技术创新，2016(4):71-73.5元进辉,江开雄,王刚.城市轨道交通综合监控系统云的应用探索 J.城市轨道交通研究，2019,22(11):146-149.3 潘红星.起重机动态监管的实现途径与物联网技术的应用研究 J.冶金管理,2022(13):29-31.4 陈静,钱舒.物联网技术视域下起重机检验检测研究 J.菏泽学院学报,2022,44(2):52-56.5 陈聪.物联网技术在塔式起重机检验中的应用 J.设备管理与维修,2022(4):42-44.6 席东青,黄斌.物联网技术在起重机检验检测中的管理运用 J.化工管理,2019(36):159.（上接第 48 页）
