涡轮风力发电机叶片维护所带来的挑战

作者：George Marsh    来源：Renewable Energy Focus

欢迎访问e展厅 展厅 3 风力发电机展厅 风力发电机,... 现在，越来越多使用复合材料的涡轮风力发电机叶片投入了使用，转子叶片的维修保养成为了一个主要的问题。George Marsh先生对用于检查和维修叶片的相关技术进行了研究，为设计新的快速叶片修理系统提供了第一手的信息。 他们被称为高空维修工。从远处看，他们像一群蚂蚁，因为他们在叶片以及涡轮风力发电机的周围活动，实际上，他们更像蜘蛛，因为他们在一个由绳索织成的网中工作。 他们是能够使用复杂的复合材料、增强塑料等进行维修保养，并且具有爬绳/攀登技能的新型工人。他们对巨大的转子叶片进行检查、清洁和维修，叶片良好的工作状态对涡轮风力发电机的效能是至关重要的。对于这些新型的工人来说，“高”水平是一种关键的资质。 转子叶片的维护保养 随着涡轮风力发电机的普及以及其工作时间的加长，类似的技术人员将更为普遍。这一点使那些风力发电场运营商意识到，由于复合材料对其耐用性的宣传，往往就会使他们忽视了对叶片的检查和预防性维护。现在他们中的一些人了解到涡轮叶片并不能简单地定义为一个“安装后就被遗忘”的项目。叶片需要防止鸟类袭击、雷击、边缘的侵蚀等—尤其是在叶片的尖端部位，以及那些需要在空气中以大约每小时200英里速度转动的部分，有时含有沙和盐的空气—会对叶片的边缘部分造成破坏或导致材料的老化；再加上雨水、冰雹和昆虫对叶片表面的侵蚀。即使没有造成实际的损坏，由于轻微的点蚀和粒子增大造成的叶片表面粗糙度增加，也可能对叶片的空气动力效率造成影响，并进一步影响涡轮风力发电机的电能产量。 随着越来越多的叶片投入使用—许多超出了它们的保修期—转子叶片的维修和保养成为了一个主要的问题。 培训 一些涡轮风力发电机制造商的维护和保养（O＆M）部门已经雇佣了一些拥有这些特殊技能的技术人员。并且一些专门从事涡轮风力发电机维修的公司目前也正在通过培训计划培训相关的技术人员。 作为一个维护和修理专家，位于英国格拉斯哥（Glasgow）的Technical Wind Services (TWS) 公司董事长Alasdair Kane先生说，“我们倾向于聘请经验丰富的结绳者和登山者经过培训进行叶片修复的工作。事实上，许多人都已经通过了这些课程，并证明他们是适合这种类型工作的。” 课程是由叶片制造商提供的，他们想通过提供这些课程来表示自己的叶片产品将会受到妥善的保养，并使他们的产品保持一个良好的售后服务声誉。例如丹麦的LM风力发电公司（LM Wind Power），提供了一个为期三天的培训课程，旨在传授基本的综合维修技能。其他的制造商，包括维斯塔斯（Vestas）和Enercon公司也提供类似的培训课程。 ‘高空维修工’ 目前，大多数的维修工作是“去除并填充”型或对于层压材料来说—进行湿糊的维修。然而，Technical Wind Services (TWS) 公司表示他们的技术人员也可以使用填充和预浸料对叶片的外壳和表面涂层进行维修。真空和热固化处理对他们来说也不在话下，并且可以进行从小表面维修到中层结构维修的操作，处理材料的范围广泛包括聚酯、乙烯酯和环氧树脂，以及玻璃、碳、芳族聚酰胺和生物复合纤维等。 一个技术人员的维修可以涵盖从通过叶片清洁而进行近角度视觉检查及报告，到一定的结构性修复—例如叶片尖端或边缘的损坏。 由于一名高空维修工需要将所有工作所需的工具都带在他（或她）的身上，或将它们悬挂在距离工作位置较近的地方，因此整个维修过程需要非常周密地进行预先计划和管理，并从其他团队成员处获得一定的支持。 用于湿糊操作的树脂必须事先在地面上进行混合，并在使用时将原材料以及所有修理所需的工具带到工作位置，以供维修人员使用。其中一个最困难的地方，Technical Wind Services (TWS) 公司的Kane先生说，就是安排维修操作和树脂固化所需的工具。在大型涡轮风力发电机的叶片上工作需要还在地面上提供一台强大的压缩机，一条很长的管道以及足够的压力能够驱动空气动力工具。同样，电子加热器所需的电力也需要一条很长的电源引线。 技术人员通常从转子枢纽进入主体叶片进行维修工作—叶片停止在向下的位置。安全绳可以连接在塔身或周围的叶片上。 在地面上的项目监督员负责准备树脂材料、控制固化参数，并记录下用于质量控制的数据等。高空维修工与其他维修团队成员之间通过高频无线电进行交流。 安全 采取了大量的措施来保证整个维修过程的安全。只有经过国际绳索技术协会International Rope Access Technicians Association（IRATA）的培训—使用经过批准的合成纤维绳索、攀岩设备和个人防护装备的技术人员—才能被保险公司所接受。如果技术人员受伤或遇到其他的紧急情况，绳索系统能够安排并至少允许供另一名技术人员能够沿绳索降下或实施救援。 在维修工作开始前需要进行一个全面的安全检查，包括确保风速小于高空作业规定的标准—通常为12米/秒—以及转子进行了制动并锁定在静态的位置。 这种‘冻结’状态当然只是停止旋转，Kane先生强调：“叶片还是会产生一些运动，尤其是在可变风中一些较大的叶片会发生移动。这对刚进入风力发电领域的新工人来说是非常令人不安的，因为大多数的工人都曾经在大型固体实体，如悬崖或离岸钻机上工作过。” 总的来说，有使用绳索经验的工人将是非常有用的，Alasdair Kane先生是使用这种方法进行维护的大力支持者。 “当你沿着绳索攀登到叶片上时，”他解释说，“你的身体会随着叶片一起晃动，使用动臂装卸机或起重机时就不会产生这种情况。另外的一种方法是使用履带式平台，但是其操作成本非常昂贵，虽然这可能是不需要将整个转子卸下而进行重大结构维修的最后选择。此外，操控和接入工作平台是相当费时的，我们可以在抵达涡轮风力发电机所在位置的一个小时内使用钢丝绳索到达工作位置，并提供所需的服务。 Kane先生继续补充道：“在海上工作时，绳索可能是唯一可行的到达叶片的方式。起重机驳船需要在海面几乎是平静的情况下进行操作。曾经也尝试过使用遥控直升机，但是成本也相当昂贵。无论是在岸上或海上，工人登上叶片进行维护的模式是不可替代的。您可以进行近距离的仔细检查，并拍摄详细的照片。此外，您同时也可以使用一种由两种成分组成的修复树脂，两种组成部分可以在喷头里进行混合，进行一些小的修理操作。” Technical Wind Services (TWS) 公司最近在英国威尔士的米尔福德港完成了一个维修项目，其中包括对一组涡轮风力发电机叶片进行全面的目视检查以及复位修复。主要损坏的部位集中在前沿和后沿的边缘，特别是在叶片长度的外三分之一处。维修的操作步骤包括全面的层压湿糊处理并进行热烘干。采用绳索到达叶片工作位置的方法相比其他方法更加灵活和方便，虽然25米的叶片相对较小，但是即使是更大的叶片—例如那些Vestas V90型涡轮风力发电机—也已经可以进行相同的维修处理。 “目前的主要问题，”Kane先生说，“就是树脂固化所需的时间，在许多情况下需要一天左右。涡轮风力发电机业主对此表示不满，因为停机时间越长，就相当于损失越大，需要加快这一操作进程。” 加速修复 碰巧的是，这可能就在眼前。最近推出的一种新的叶片维修系统显示涂层的固化并不需要依靠热能，在操作中使用强紫外线（UV）光来固化紫外光固化树脂，仅仅需要几分钟，而不是几个小时。 Gurit UK公司（以前的SP Systems公司）在其实验室中对叶片模型采用了这种处理方式进行演示，这种处理方法被称为RENUVO系统。 这种系统是如何工作的呢? —案例研究 对于小范围的修理，一种单一成分的树脂可以作为胶粘剂用于修复表面的破损、裂纹或其他损坏。 使用一种可以放在“便于维修者携带”的工具盒中的标准喷枪进行操作，这种多用途的系统（MPS）只要避免光照特别是强紫外线的阳光照射就能够储藏很久。事实上，它有一个保质期，如果存放在阴凉避光的条件下，可以保存几年。一旦在维修中使用，它可以使用一个手持便携式紫外光二极管灯 (LEDs)在几分钟内进行固化。有两种MPS级别可供选择：一种夏季使用等级可在15℃~30℃的温度范围内使用；另一种冬季使用等级可在5℃~18℃的温度范围内使用。 对于一些实质性的损坏，RENUVO解决方案也有一系列适合于不同应用的紫外光固化预浸料，这种预浸料由另一种紫外光固化树脂和复合纤维材料组成。这种预浸料和树脂一样，也有夏季和冬季等不同的等级。由这种预浸料组成的修补层可能相对较厚，因此在固化过程中要使用一个功率更大的紫外光灯。 然而，这种操作仍然需要借助于使用LEDs灯。5mm厚的修补层可以在单独照射三分钟后固化，更厚的修补层可以在5mm厚修补层的基础上进行重复照射固化操作。 维修过程一般始于一位技术员在叶片上找出受到损坏的部分并划分出需要进行维修的区域。叶片的斜面边缘通常会进行一种“斜接”修复（将修补片嵌接在叶片斜面的边缘上以帮助扩大接触区域和增加机械强度）。修补层都是通过层叠的方法进行修补，每一层的面积都比下一层大。 点状修补 在演示中，我们首先看到的是使用白色的，几乎半透明的MPS树脂进行的点状修补，对边缘上一个小的冲击坑进行修补，如果不及时进行修补，层压材料可能会吸收一定的水分。 需要避免这种情况的产生，因为冬季由于风力较大，气温会迅速下降，吸收的水分会冻结并扩大体积，所产生的力可能会导致层压材料分层。 为了防止皮肤或眼睛与强大的紫外线灯所发出的紫外线光进行接触，我们都必须穿上长袖白色外衣并佩戴防紫外线眼镜。 一名技术人员解释说，虽然紫外线灯发出的光属于安全的紫外光谱，但是鉴于其强烈的光线，仍然建议进行一些必要的预防保护措施。 如果工作区域附近那些废弃的材料已经被清理干净，并且工作区域比较干燥，技术人员就可以开始对其他不需要进行修理的部分使用胶带进行遮盖，以防止树脂泄漏到其他完好的表层上。 下一步，可以将MPS树脂从310毫升的储存盒中取出。该产品已经经过预混合处理，所以不需要使用专门的混合喷嘴。树脂具有油脂状的一致性，可以使用一个小塑料刮板进行涂层。然后撕除周围的遮蔽胶带，并使用手持式紫外线灯根据所需的时间长短进行照射。 对于大多数的点状修补来说，可以使用一种由工程师Johnson Allen先生研制的名为‘Neolectron’的紫外线灯，在距离修补处约40mm的距离进行照射。这种距离可以由安装在紫外线灯前端40mm厚的环状隔离片进行控制，以便操作者可以简单地直接将灯对准修补的部位进行照射。紫外线灯的功率是由一个标准的可充电电池提供的。 我们能够确定的是，在短短的90秒钟紫外线灯照射后一个约5mm深的修补处能够完全固化、硬化，并与周围的材料融合在一起。在一个真正的涡轮叶片上，下一步的工作是对修补处进行打磨以确保表面的整体平整度。 结构维修 演示的第二部分是结构的维修，即增强叶片纤维组织的强度。使用一种或两种预浸料，根据需要单独或结合使用。 然后再进行层叠就形成了一个复合材料修补层。通过适当地结合使用RENUVO PP（预浸）层，可以制作出与原来未被损坏材料具有相似机械性能的修补层。使用经过预浸处理的MPS树脂进行修补，不仅能够与基面进行很好的衔接，而且还能为最终的维修处理提供一个平滑、易打磨的表面。 修补层必须填补在已经进行了清洁、干燥、无污染处理等准备工作的基面上。作为准备工作的一部分，在叶片上的技术人员对需要进行维修的部分进行打磨形成一个斜面，通常每600g/m2的修补层需要一个1mm~15mm深的斜面。 同时，在地面上，覆有黑色防紫外线层的预浸纤维料卷—需要避免阳光的直射以延长其保质期—从仓库运至维修地点。然后长方形的预浸纤维卷需要根据损坏处的大小进行切割。使其能够完全覆盖住损坏处，可以使用一个简单的样板来进行操作。然后撕掉防紫外线层，涂上预浸料。在实际操作中会根据修理的步骤，按照一定的顺序和方向进行涂层。 需要非常小心以避免预浸料与自然光或紫外光的直接接触而过早地凝固。在实验室中，技术人员将准备好的预浸料修补片储藏在一种由Gurit公司与Aerovac公司联合研发的便携式真空加热装置中，它能保持50℃的温度约15分钟使预浸料修补片进行预固化。根据修补片的大小，平面真空加热装置可以一次处理多个修补片。 在固化的预浸料修补片下侧会涂上一层薄薄的树脂层作为修补片与叶片表面之间的一层润湿介质。为了防止紫外线或阳光直接照射预浸料往往会有防紫外线层，技术人员也可以将预浸料修补片卷起，它可以通过一种真空管运送到叶片上的维修地点。多片修补片也可以储存在储存盒中。 其次，前缘“损坏”部分的修补片使用，需要使用RENUVO树脂对基面进行向上和向下、从一边到另一边的涂装，以帮助湿润基面。油脂类的树脂能够帮助修补片进入损坏的位置，而不会干扰纤维的排列，如果在修理中需要使用多个修补片，这样就能够保证修补片之间的嵌接能够准确地对齐。 技术人员通过使用滚筒从中心往外挤压去除修补片下方多余的空气。然后，将防紫外线保护层去除并沿着修补片的长度进行滚筒挤压以得到一个平整的表面。使整个区域里的所有空洞都被填满，并进行适当的打磨，为涂上最后的保护层做好准备。 接下来是紫外线固化阶段。为此，一个基于LED的紫外光灯被用来作为一个高强度紫外光源。与Sadechaf公司，紫外光技术领域的领导者共同开发的LED400F紫外光灯能够以约600mW/cm2的照射量对修补处进行照射，并且可以对照射的时间和强度进行预先设定。由于演示的修补区域宽度超过了紫外光灯所覆盖的250mm×60mm区域，因此它经过了几次三分钟的紫外光照射。紫外光灯使用一种由两条捆绑在叶片上的带子和一个固定的灯架组成的特殊支架系统对修补处进行照射。这种支架系统使得紫外线光源能够均匀地照射在修补的部位并与修补面保持30毫米的LED 400F紫外光灯最佳照射距离。 由于这种强大的工业用紫外光灯相比非结构性维修所使用的手持光源更大更重，因此在使用时最好有一个操作的步骤，因为将紫外光灯从平台运送到工作区域将是绳索操作团队的一大挑战。 完整的流程 有很多的相关报道对RENUVO PP具有很大的兴趣，不仅仅是因为它增加了到达涡轮风力发电机叶片的方式。 据一位发言人称，“一般的湿糊树脂系统通常用于在温度高于15℃并在符合GL标准（德国劳氏船级社Germanischer Lloyd是一家领先的涡轮风力发电机证书颁发机构）的情况下，在至少24小时内固化的操作。由于风力发电机组通常都被安置在多风的地点，很难经常产生这些适合的条件，湿度的变化会使条件更加恶化。然而，RENUVO系统可以在最低5℃的环境情况下使用。” 另一个优点是，预浸修补片能够避免湿法敷涂层操作中的许多陷阱。“湿法敷涂层材料需要精准地进行混合，如果稍有大意往往会造成很大程度的浪费。但是预浸料就不会产生类似的问题，因为在事先已经为您完成了一半的工。”RENUVO材料处理起来很简单，无需进行混合或令人尴尬的用手注入沉重的玻璃纤维的过程。此外，湿的树脂几乎没有机会渗入到合成缆绳中，有些情况下树脂的渗入可能会导致缆绳无法使用。 现在产品中所使用的所有材料都符合了GL的标准，Gurit公司目前正在寻求从领先的叶片制造商处获得整体系统的批准，并已经与其中的至少5家进行了前期的会谈，他们想要使得经过RENUVO系统维修的层压材料的属性以及耐用性接近或等同于原始的复合材料。 John Darlington先生，BS Rotor Technic英国分部的维护与修复专家，从实际经验中了解到，新的系统可以大大地缩短常规的维修时间。在苏格兰，26台运行了10年的涡轮风力机的维护工作中，他相信他的绳索团队可以使用RENUVO系统在使用传统的湿法敷涂层所需要花费的一半时间内完成这 个项目。 这项工作将包括去除由于十年的气候侵蚀所产生的锈蚀斑纹，并将叶片表面恢复到接近崭新的样子。这种修复是非常重要的，它能够将下降的叶片性能恢复20％，他说，并且随着修复系统用时的缩短，类似的工作将会变得可行。 Darlington先生认为，随着运营商们开始开发他们自己在叶片保修期外的维修程序，叶片制造商自身最终也会根据他们自己的维修标准制定维修程序。 他总结说：“紫外光固化树脂已经存在多年了，但是RENUVO的意义在于，它在一个完整的应用程序包中汇集了所有必要的元素，可以由绳索上的技术人员进行统一的操作。” 作者简介： 关于George Marsh先生：在真空物理、电子、飞行测试和雷达等方面的工程师经验使得George Marsh先生，从技术公关转为了技术记者。他是Renewable Energy Focus杂志的特约记者。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (4/7/2013)