海上風(fēng)電鋼結(jié)構(gòu)涂層防護體系的工程實踐和修復(fù)產(chǎn)品的研究

0引言

作為海洋資源大國，合理開發(fā)我國海洋資源，大力推動藍色經(jīng)濟的發(fā)展已提上當(dāng)下中國經(jīng)濟發(fā)展日程。依據(jù)“十三五”可再生能源規(guī)劃，我國在2017年建成海上風(fēng)電800萬kW，探索出海上風(fēng)電技術(shù)，逐步完善，力求構(gòu)建出完備的相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈。2020年，中國海上風(fēng)電總量預(yù)計可達3×107  kW。雖然我國海上風(fēng)電技術(shù)在短時間內(nèi)發(fā)展遲緩，任務(wù)較為艱巨，然而隨著國家相繼出臺了一系列相關(guān)產(chǎn)業(yè)調(diào)整政策，極有可能整合相關(guān)行業(yè)，可以繼續(xù)期待未來中國風(fēng)電行業(yè)發(fā)展前景。

2010年3月，國家能源局召開了能源行業(yè)風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)化工作會議，頒布《風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)體系框架（討論稿）》。隨著新標(biāo)準(zhǔn)的出臺，許多現(xiàn)有技術(shù)和材料都未能及時跟上新標(biāo)準(zhǔn)要求，大多技術(shù)和產(chǎn)品只能單方面依賴國際已有經(jīng)驗，并不能完全貼合我國實際風(fēng)電場環(huán)境和氣候。因此，現(xiàn)在海上風(fēng)電防護方面最緊迫的工作就是要按照我國的地理環(huán)境和腐蝕環(huán)境，有針對性地研發(fā)和生產(chǎn)能承受海洋惡劣腐蝕環(huán)境下的新型高性能防護材料，提出合理而又全面的防護措施，完成風(fēng)電防護體系按照該領(lǐng)域新標(biāo)準(zhǔn)的貫徹落實工作。

海上風(fēng)電塔架和電機等設(shè)施長期持續(xù)承受高溫高濕度的海洋大氣環(huán)境和海水的影響。全球第一個大規(guī)模海上風(fēng)電場——荷斯韋夫（Horns Rev）在投入運行后，一些風(fēng)機機組的發(fā)電機和變壓器很快就出現(xiàn)技術(shù)性問題。綜合各類故障原因，除了安裝、制造問題外，風(fēng)電場的氣候條件、大氣中鹽分侵蝕也被認為是重要的因素。所以，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備在設(shè)計研發(fā)之初，就必須提高其防腐蝕能力，降低后期維護的需求。當(dāng)前，發(fā)展海上風(fēng)電亟待解決的問題之一，就是對受到海洋大氣腐蝕的長期運行的海上風(fēng)電設(shè)備的防護。

1海上風(fēng)電鋼結(jié)構(gòu)涂層防護體系的工程實踐

科學(xué)技術(shù)的巨大進步以及人類對海洋認知的逐步深入，推動著海洋相關(guān)產(chǎn)業(yè)的前進，如海洋養(yǎng)殖、海洋能源、海洋化工等產(chǎn)業(yè)都逐漸從淺海走向深海。由于海洋設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)長期固定在海水中，由惡劣的海洋環(huán)境引起的嚴重腐蝕會直接影響到海上鋼結(jié)構(gòu)的安全使用，因此需要保護海上鋼結(jié)構(gòu)，增加其使用年限，這有益于海洋工程鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕控制的發(fā)展。

1.1金屬熱噴涂技術(shù)

熱噴涂技術(shù)是一項成熟的防護手段，在國內(nèi)外許多海洋工程鋼結(jié)構(gòu)項目上都有應(yīng)用，效果大都很好。金屬熱噴鋅鋁及其合金涂層以微冶金和機械鑲嵌方式與基底金屬結(jié)合，熱噴涂后，涂層與鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的表面形成了非常牢固的涂層結(jié)合力（經(jīng)測試最大可以達到10 MPa以上）。當(dāng)金屬熱噴涂層被破壞時，鋅鋁涂層可以作為被犧牲的陽極依舊保護鋼體表面。試驗和實例證實，200 μｍ厚度的熱噴鋁涂層的防腐年限久至30 a。目前國內(nèi)已建成較大的熱噴鋁涂層應(yīng)用工程是巴西石油公司（Petrobras）設(shè)計，武昌船舶重工有限責(zé)任公司建造的30 a免維護深海浮體，涂層厚度為225～400 μｍ的熱噴鋁涂層作為浮體內(nèi)部的鋼體表面，其面積達1×105 m2。熱噴鋁施工空間封閉，易升高密閉空間溫度，粉塵累積，對涂層附著力也有所影響，不但威脅到施工人員的安全，且難以連續(xù)生產(chǎn)。在封閉空間內(nèi)進行熱噴鋁施工時，為了保障熱噴涂施工的連續(xù)性，需要精密地監(jiān)控環(huán)境溫度、濕度，保證通風(fēng)，嚴格要求操作人員。然而，較高的施工成本使該技術(shù)在海洋工程鋼構(gòu)件、鋼結(jié)構(gòu)外部區(qū)域的防腐防護發(fā)展空間更大。

1.2高強度環(huán)氧樹脂涂層防護技術(shù)

按照ISO 12944-5規(guī)定，預(yù)期防腐年限大于15 a的涂層暴露于大氣環(huán)境中時，其厚度應(yīng)為280～400 μｍ，在浸泡或掩埋環(huán)境中具有同等效果的涂層厚度應(yīng)為480～1 000 μｍ。由于需要延長海洋工程的使用壽命，因此漆膜厚度也在不斷增加，總干膜厚度由300 μｍ增至1 mm，甚至更厚。所用樹脂決定漆膜性能、成膜厚度。環(huán)氧樹脂附著力、成膜性能良好，收縮率較低，與多種樹脂、填料和助劑均能混合，得到不同防腐涂料，因此該涂料在目前海洋工程防腐涂料中所占比重最大。海浪、外物對浪花飛濺區(qū)的防腐涂層撞擊強烈，且持續(xù)時間較長，使其需要迅速維護，通常在１～２ a內(nèi)。然而在水下修復(fù)的涂層的施工難度較大，質(zhì)量較差，所以需增強浪花飛濺區(qū)涂層的抗沖擊性。高強度環(huán)氧涂層、厚膜型環(huán)氧玻璃鱗片涂層可有效用于飛濺區(qū)的防腐防護。通過向環(huán)氧樹脂內(nèi)添加玻璃鱗片、玻璃絲，可得到厚膜型環(huán)氧玻璃鱗片涂層，添加玻璃鱗片有益于增強涂層的機械強度和屏蔽性能，所得產(chǎn)品能較好地抗熱沖擊、抗?jié)B透且涂層收縮率低，然而需要在施工時達到一次性成膜，且漆膜較硬修復(fù)較難。Jotun公司的Bal-toflake系列聚酯漆作為一種快速固化型耐磨聚酯玻璃鱗片厚漿涂料，防腐效果可達30 a以上。對比熱噴鋅鋁涂層，其優(yōu)勢在于低成本、表面處理及修補較方便、對施工設(shè)備與施工人員要求較低等；對比玻璃鱗片環(huán)氧漆，該產(chǎn)品玻璃鱗片含量較高，涂層力學(xué)性能優(yōu)異，且防腐年限長，適用范圍更廣。

1.3聚氨酯涂層防護技術(shù)

通過混合多異氰酸酯、多元醇兩組分，可制得100%固含量結(jié)構(gòu)性聚氨酯樹脂涂層，一次成膜厚度可達１mm。該反應(yīng)快速、放熱，尤其適于快速作業(yè)、冬季防腐施工，該涂料不含溶劑，安全環(huán)保，此外其耐腐蝕、耐磨損、附著力強，擁有良好的施工性能和較長的使用壽命。100％固含量且無溶劑型聚氨酯防腐涂料防腐效果優(yōu)異，防腐年限久至數(shù)十a(chǎn)，因此在海上石油平臺、船舶、儲罐內(nèi)外及鋼結(jié)構(gòu)防腐均有廣泛應(yīng)用。

2003年和2007年，美國海軍曾撰文介紹無溶劑結(jié)構(gòu)性聚氨酯重防腐涂料在海軍軍艦領(lǐng)域的應(yīng)用實例，其中寫到：“最成功的案例是以無溶劑結(jié)構(gòu)性聚氨酯涂料和涂層技術(shù)為主的快速光固化重防腐技術(shù)”。同時，他們比較了聚脲樹脂和彈性聚氨酯樹脂2種防護涂料，發(fā)現(xiàn)二者均無無溶劑結(jié)構(gòu)性聚氨酯樹脂防腐涂料所擁有的優(yōu)異防腐性能。兩者的分子間都呈現(xiàn)出線性結(jié)構(gòu)，其交聯(lián)度較低、韌性很高、抗沖擊性良好，但附著效果較差、耐腐蝕性及陰極剝離性能較弱。結(jié)構(gòu)性和剛性聚氨酯樹脂涂層的附著力良好，交聯(lián)度極高，可對金屬的化學(xué)腐蝕進行高效防護。

1.4氟碳涂層防護技術(shù)

通過加工改性后的氟樹脂，可制得新型涂層材料：氟碳涂料。該樹脂突出的穩(wěn)定性得益于其結(jié)構(gòu)中高鍵能的Ｃ—Ｆ分子鍵。相比而言，丙烯酸類、聚酯類面漆的耐候性、耐腐蝕性、耐磨損性和耐污損性遠不如氟碳涂料。氟碳樹脂面漆在海水中的防腐效果卓越，其外觀的初始狀態(tài)可保持20 a以上，因此完全適用于海洋工程鋼鐵結(jié)構(gòu)長效防腐。此外，相比其他涂料，氟碳涂層的耐酸堿、耐化學(xué)品腐蝕性能也更優(yōu)異，可直接用于接觸強腐蝕介質(zhì)的液艙。

2海上風(fēng)電鋼結(jié)構(gòu)涂層防護體系的修復(fù)產(chǎn)品

海上風(fēng)電鋼結(jié)構(gòu)常年處于高鹽霧空氣、強鹽鹵土壤及強腐蝕海水環(huán)境，如果沒有嚴格的保護措施，風(fēng)機設(shè)備和風(fēng)力發(fā)電設(shè)施將會被嚴重的腐蝕，為了減少或消除這些環(huán)境對風(fēng)電和鋼結(jié)構(gòu)的負面影響，需要研制出高性能、高耐候性新型防護材料，從而形成一套可行、合理、經(jīng)濟的防腐應(yīng)用方案。目前，水下固化涂層和光固化涂層是已被研制出的實踐效果較好的修復(fù)產(chǎn)品。

2.1水下固化涂層

海洋資源、海洋運輸業(yè)和海上風(fēng)電迅速發(fā)展的同時，也帶來很多防腐防護方面的問題，如長期處于海水中的海上油氣儲罐、鉆井平臺、輸送管線的鋼鐵樁、支撐裝置等，會被海洋環(huán)境破壞鋼結(jié)構(gòu)本身防腐涂層。由于將該類裝置轉(zhuǎn)移至陸地維修的難度較大，因此需研制一類涂料可在水下直接涂裝進行原位修復(fù)。再者，船舶在途中發(fā)生泄漏事件時，若有可用的水下固化涂層直接堵住漏洞，就能夠及時維修，節(jié)約時間，減少維護費用。大型水利設(shè)施（如閘門、水庫等）也需要水下固化涂料進行防腐防護。

2.1.1水下固化涂料的設(shè)計原則

1）可采用適宜涂料設(shè)備在水下對鋼結(jié)構(gòu)表面直接進行涂裝；

2）可隔開水并直接附著于所涂鋼結(jié)構(gòu)表面，可于水下快速固化成膜；

3）良好的防腐蝕性能；

4）涂料可提供良好的底材濕潤性；

5）可于水中對鋼結(jié)構(gòu)表面有極好的濕附著力；

6）有抗沖擊、耐磨、抗?jié)B性能。

2.1.2成膜機理

1）采用機械擠壓的方式，排走水下鋼結(jié)構(gòu)表面的大部分水；

2）更易于附著在鋼結(jié)構(gòu)表面上的涂料組份把留在鋼結(jié)構(gòu)表面上的水吸進涂層；

3）涂料固化期間，排走涂層中的水；

4）涂層固化后，將緊緊地附于鋼結(jié)構(gòu)表面。

2.1.3基料的選擇

環(huán)氧樹脂泛指含有環(huán)氧基的高分子聚合物，其開環(huán)反應(yīng)和不飽和聚酯的自由基反應(yīng)受水影響較小，所以選用環(huán)氧樹脂來制備水下固化涂料顯得更有優(yōu)勢。環(huán)氧樹脂分子中極性基團數(shù)量較大，易將鋼結(jié)構(gòu)表面的水分置換掉，且因為其聚合反應(yīng)為開環(huán)聚合，固化后的體積收縮率較低