海上風(fēng)電涂料防腐蝕性能的研究

郭峻嘉，車漢生，王志敏，李秋魁

（中國電器科學(xué)研究院有限公司，廣州 510300）

海上風(fēng)電涂料防腐蝕性能的研究

郭峻嘉，車漢生，王志敏，李秋魁

（中國電器科學(xué)研究院有限公司，廣州 510300）

為了綜合考察海上風(fēng)電涂料的防腐蝕性能，根據(jù)海上環(huán)境設(shè)計了耐中性鹽霧實驗、耐濕性實驗和耐霉菌實驗，通過對比不同涂層體系的優(yōu)劣，從而獲得相關(guān)環(huán)境可靠性分析案例以及影響海上風(fēng)電涂料的防腐蝕性能的因素。

防腐蝕性能；中性鹽霧；冷凝水；霉菌

引言

風(fēng)能是一種無污染，可再生的能源，風(fēng)力發(fā)電對于解決全球能源危機有著重要的意義，其中，海上風(fēng)力發(fā)電具有十分廣闊的發(fā)展前景。但是沿海地區(qū)較高的溫度、濕度以及鹽霧等環(huán)境因素極易造成風(fēng)電設(shè)備的腐蝕，影響其工作性能，甚至是嚴重的安全問題。

沿海地區(qū)空氣濕度大，而且還含有大量鹽分，形成了高濃度的鹽霧。鹽霧對金屬具有極強的腐蝕性，因而會對風(fēng)電設(shè)備造成很大的破壞。同時，濕熱的沿海環(huán)境會導(dǎo)致風(fēng)電設(shè)備的機艙內(nèi)部產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，造成電氣設(shè)備的短路[1]。防護這兩類腐蝕現(xiàn)象的一種重要手段就是在設(shè)備金屬材料表面增加防腐蝕涂層，形成保護層。但是涂料作為有機物，在濕熱的沿海地區(qū)又十分容易產(chǎn)生霉菌，導(dǎo)致涂層損傷，降低其防護性能，所以涂料也應(yīng)當(dāng)具有一定的防霉性能。

為了綜合考察海上風(fēng)電涂料的防腐蝕性能，我們針對這三種腐蝕情況設(shè)計了三種實驗：耐中性鹽霧實驗，耐濕性實驗，耐霉菌實驗。實驗樣品為環(huán)氧漆涂料板，底材分為金屬與玻璃鋼兩種，分別來自于國內(nèi)八個涂料公司。本文將詳細介紹這三種實驗及其實驗結(jié)果，并探討影響海上風(fēng)電涂料的防腐蝕性能的因素。

1 耐中性鹽霧實驗

1.1 實驗方法

耐中性鹽霧實驗的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 1771-2007 《色漆和清漆 耐中性鹽霧性能的測定》，用以模擬海上的鹽霧環(huán)境，從而考察涂料板的耐中性鹽霧性能。

實驗所用的樣板包括金屬樣板與玻璃鋼樣板。玻璃鋼樣板為單面涂層體系，涂層面為考察面；金屬樣板為雙面涂層體系，分別記為F面和B面，其中F面為主要考察面。金屬樣板用于模擬塔筒的涂層體系，共19組；玻璃鋼樣板用于模擬葉片的涂層體系，共6組；每組樣板均為6塊。

實驗前按照標(biāo)準(zhǔn)對金屬樣板進行劃痕處理，樣板兩面均劃橫豎兩條劃痕。實驗時間為5 000 h，2 500 h取樣一次，取樣數(shù)目為每組3塊。在實驗時間的第500 h、1 000 h、2 000 h、2 500 h、3 000 h、4 000 h和5 000 h進行實驗中和實驗后檢查。檢查依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為ISO 4628：2003 《色漆和清漆 涂層破壞的評定》的第二部分到第五部分，分別為起泡、銹蝕、開裂、剝落的外觀檢查。

1.2 實驗結(jié)果（見圖1和圖2）

1.2.1 金屬樣板的實驗結(jié)果（見表1和表2）

金屬樣板分別由國內(nèi)的八家涂料公司提供，每家公司提供的樣板分別針對塔筒的4個不同的區(qū)域（塔筒內(nèi)部的大氣區(qū)封閉環(huán)境，塔筒外部上端的大氣區(qū)，塔筒外部中間的飛濺區(qū)，塔筒外部底端的全浸區(qū)）設(shè)計了4種不同的厚度，其中大氣區(qū)封閉環(huán)境的設(shè)計厚度為280 μm，大氣區(qū)的設(shè)計厚度為400 μm，飛濺區(qū)的設(shè)計厚度為880 μm，全浸區(qū)的設(shè)計厚度為460 μm。實驗前對樣板涂層的實際厚度進行了測量，其平均測量值與設(shè)計厚度偏差明顯，且不同組別的實際厚度相差也較大。表1為飛濺區(qū)樣板涂層的設(shè)計厚度及實測平均值，表2為部分飛濺區(qū)涂層材料。樣板兩面均進行了劃痕處理，所以實驗結(jié)果由劃痕區(qū)和非劃痕區(qū)兩部分組成。

劃痕區(qū)能夠模擬設(shè)備涂料破損后的耐腐蝕情況，因為金屬的裸露，腐蝕情況會遠比非劃痕區(qū)嚴重，因而實驗效果更加顯著。由于劃痕深至金屬底材，導(dǎo)致金屬裸露，所以腐蝕現(xiàn)象會從劃痕處向兩邊擴展。腐蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)順序應(yīng)為銹蝕、起泡、開裂、剝落。實驗開始后不久劃痕均出現(xiàn)銹蝕，而最早開始有樣板出現(xiàn)起泡的時間為500 h。直至5 000 h后實驗結(jié)束有少量樣板未出現(xiàn)起泡，所有樣板均未出現(xiàn)開裂和剝落現(xiàn)象。實驗結(jié)束后，出現(xiàn)最大的單邊起泡寬度為24 cm，起泡已經(jīng)接觸到樣板邊緣。

表1 金屬樣板的實驗

表2 部分飛測區(qū)涂層材料

非劃痕區(qū)有涂層的保護，因此這個區(qū)域的腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)順序為起泡，開裂和銹蝕，剝落。直至5 000 h后實驗結(jié)束，僅少部分樣板出現(xiàn)起泡現(xiàn)象，且只有一塊樣板邊緣出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，最早出現(xiàn)起泡的時間為2 500 h。表3為2 500 h部分樣板取樣的結(jié)果，表4為5 000 h后部分樣板的實驗結(jié)果。

1.2.2 玻璃鋼樣板的實驗結(jié)果

表3 2 500 h后部分樣板取樣結(jié)果

表4 5 000 h后部分樣板取樣結(jié)果

玻璃鋼樣板由六家涂料公司提供，樣板未進行劃痕處理。直至5 000 h后實驗結(jié)束，玻璃鋼樣板均未出現(xiàn)明顯變化?？梢酝茰y，海上的鹽霧環(huán)境不會使風(fēng)電設(shè)備的葉片部位產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。

1.3 結(jié)果分析

中性鹽霧的主要成分為氯化鈉，其中起腐蝕作用的主要是氯離子。在濕度較高的環(huán)境下，金屬表面會產(chǎn)生一層薄液膜，遇到活性強的陰離子很容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕。氯離子本身活性很強，離子半徑又小，所以很容易穿過金屬表面的氧化膜內(nèi)部的小孔隙，直接與金屬發(fā)生反應(yīng)[2]。因此，中性鹽霧幾乎不會使玻璃鋼樣板產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。但是顯然，未受涂層保護的金屬將遭到很嚴重的腐蝕。

各個不同的涂層體系對氯離子的防護作用決定了實驗結(jié)果，而最直觀的一個影響因素便是涂層的厚度。理論上講涂層越厚，涂層的防護性能越強。大部分樣板的飛濺區(qū)涂層的實驗結(jié)果好于其它涂層的實驗結(jié)果也說明了這一點。但是，對于同一涂層體系來說，并非涂層越厚，防腐蝕性能越好，這與各個公司本身的涂料工藝有很大的關(guān)系。對于參與實驗的幾家公司的樣品來說，以更薄的涂層得到相同或相近的實驗結(jié)果，其涂料工藝更好。根據(jù)實驗結(jié)果，我們可以得到幾家公司所提供的樣品中滿足實驗要求的最薄涂層：大氣區(qū)——372 μm，飛濺區(qū)——854 μm，全浸區(qū)——479 μm，大氣區(qū)封閉環(huán)境——280 μm。簡而言之，當(dāng)提升涂料工藝后，涂層厚度達到以上的數(shù)據(jù)，甚至是小于這些數(shù)據(jù)，就能具有良好的耐中性鹽霧性能。

涂料工藝不佳導(dǎo)致涂層缺陷也是實驗結(jié)果出現(xiàn)差異的原因，如劃痕區(qū)起泡多且寬度大是因為樣板的涂層對底材的吸附力較弱的。非劃痕區(qū)起泡的原因則是水分和氯離子穿透涂層直接到達金屬表面，引起腐蝕。企業(yè)可以根據(jù)實驗結(jié)果和原先的工藝去尋找更為具體的原因，從而改進生產(chǎn)工藝，設(shè)計更薄的涂層，不僅滿足風(fēng)電設(shè)備的防腐蝕性要求，還能節(jié)省成本。

圖1 0-2涂層體系試驗結(jié)果

圖2 6-2涂層體系試驗結(jié)果

2 耐濕性實驗

2.1 實驗方法

耐濕性實驗的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 13893-2008 《色漆和清漆 耐濕性的測定 連續(xù)冷凝法》，通過模擬沿海地區(qū)的高濕環(huán)境考察涂料板的耐濕性。由于耐濕性實驗針對的是機艙內(nèi)部的電氣設(shè)備，所以實驗樣板為金屬樣板。實驗方法為通過對試驗箱底部的純水加熱的方式使位于箱體上層的樣板表面不斷地產(chǎn)生冷凝水，從而模擬高濕度環(huán)境下的凝露現(xiàn)象。

實驗樣板為雙面涂層體系，分別記為F面和B面，其中F面為主要考察面。樣板共9組，每組均為6塊，分別由八個涂料公司提供。實驗前不對樣板做任何處理。實驗時間為2 000 h，1 000 h取樣一次，取樣數(shù)目為每組3塊。在實驗時間的第500 h，1 000 h，1 500 h，2000 h進行實驗中和實驗后檢查。檢查依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是ISO 4628：2003 《色漆和清漆 涂層破壞的評定》的第二部分到第五部分，分別為起泡、銹蝕、開裂、剝落的外觀檢查。

2.2 實驗結(jié)果(見圖3）

直至2 000 h后實驗結(jié)束，所有樣板的涂層均未出現(xiàn)起泡、銹蝕、開裂、剝落現(xiàn)象。這說明所有的涂層體系具有良好的耐濕性。

2.3 結(jié)果分析

由于凝露現(xiàn)象通常發(fā)生在如晝夜交替等出現(xiàn)較大溫差的時候，在相同的時間段內(nèi)，風(fēng)電設(shè)備遭受鹽霧腐蝕的時間遠比遭受凝露腐蝕的時間長，所以連續(xù)冷凝法的設(shè)計實驗時間要少于中性鹽霧實驗，以更好地模擬真實環(huán)境。但是2 000 h的耐中性鹽霧實驗的結(jié)果對耐濕性實驗具有一定的參考價值。由于氯離子本身吸濕性很強，能夠從大氣中吸附水分，加上氯離子的離子半徑小，穿透力強[3]，所以表現(xiàn)出來的就是鹽霧比純水更加容易穿透涂層。因此，在相同的涂層體系來說，2 000 h的耐中性鹽霧實驗的結(jié)果應(yīng)當(dāng)比2 000 h耐濕性實驗的結(jié)果差。當(dāng)耐中性鹽霧實驗進行到2 000 h后，所有涂層體系的非劃痕區(qū)均未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，那么理論上來說，2 000 h耐濕性實驗后，同樣的樣板涂層體系也不應(yīng)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，實際的實驗結(jié)果也證明了這一點。

3 耐霉菌實驗

3.1 實驗方法

耐霉菌實驗的依據(jù)是GB/T 1741-2007《漆膜耐霉菌性測定法》，實驗菌種選用外墻漆膜防霉實驗菌種，包括黑曲霉、黃曲霉、球毛殼霉、臘葉芽枝霉、宛氏擬青霉、桔青霉、綠色木霉、出芽短梗霉、鏈格孢共九種。將菌種接種到樣板涂層表面上，然后將樣板放入溫度控制25～30 ℃，相對濕度不低于85 %的條件下培養(yǎng)28天，檢查結(jié)果。

圖3 0-1涂層體系2 000 h鹽霧試驗和2 000 h耐濕性試驗結(jié)果對比

實驗的樣板為玻璃鋼樣板，是單面涂層體系。樣板共6組，每組三塊，分別由六個涂料公司提供。這其中有一組特殊的樣板，每塊樣板上有三個不同的區(qū)域，每個區(qū)域的涂層分別為膩子、油漆、膩子和油漆的混合涂層，用以比較同種膩子不同油漆的涂層體系和同種油漆不同膩子的涂層體系的長霉情況。實驗結(jié)果依據(jù)GB/T 1741-2007《漆膜耐霉菌性測定法》評價樣板的長霉等級。

3.2 實驗結(jié)果

直至28天后實驗結(jié)束，除了那一組每塊包含了三個區(qū)域的樣板，有4組樣板的長霉等級均為2級（肉眼明顯看見長霉，在樣品表面的覆蓋面積為10 %～30 %），剩下那組樣板的長霉等級為3級（肉眼明顯看見長霉，在樣品表面的覆蓋面積為30 %～60 %）。那一組每塊包含了三個區(qū)域的樣板中，只有一塊樣板的膩子區(qū)域長霉等級為3級，其它所有區(qū)域的長霉等級均為2級。

3.3 結(jié)果分析（見圖4）

有機材料比無機材料更易長霉，因為霉菌能分解有機材料并將它們作為自己的養(yǎng)分，同時導(dǎo)致材料性能的劣化。因此，在相同的溫濕度環(huán)境下，涂料的成分為影響耐霉菌實驗結(jié)果的主要原因。大多數(shù)樣板涂料的長霉等級為2級，而長霉等級為3級的樣板涂料可能含有更多的對霉菌敏感組分?？梢栽谕苛现性黾訉Ψ烂箘┑奶砑?。

那一組每塊包含了三個區(qū)域的樣板中，兩種油漆的長霉等級均為2級，兩種膩子的長霉等級為2級和3級，但是油漆和膩子混合涂層長霉等級均為2級。可以推測，短時間內(nèi)，霉菌對內(nèi)層的膩子并無影響。霉菌發(fā)芽、分解含碳分子以及降解材料的最短時間是28天，但是長霉對試件產(chǎn)生的間接侵蝕和物理影響不可能在較短的試驗持續(xù)時間內(nèi)出現(xiàn)[4]，所以若想考察霉菌對內(nèi)層涂料的影響，或是在確定長霉對樣板的影響方面需要提高確定度和降低風(fēng)險時，可以考慮延長試驗時間。

4 結(jié)論

風(fēng)電設(shè)備在沿海地區(qū)遭受的高溫、高濕以及鹽霧環(huán)境會使其產(chǎn)生一些性能問題，可以通過增加防護涂層以減緩其腐蝕速度，增加設(shè)備的服役時間。針對這種環(huán)境而設(shè)計的三種實驗很好地反映了眾多涂層體系的優(yōu)劣，并為我們提供了一套環(huán)境可靠性分析案例。通過分析實驗結(jié)果能獲得以下結(jié)論：

1）企業(yè)改進涂料工藝可以適當(dāng)減小涂層的厚度，以節(jié)省成本。通過耐中性鹽霧實驗獲得的最為經(jīng)濟的涂層厚度為：大氣區(qū)——372 μm，飛濺區(qū)——854 μm，全浸區(qū)——479 μm，大氣區(qū)封閉環(huán)境——280 μm。

圖4 各區(qū)域涂層霉菌試驗結(jié)果

2）涂層若具有良好的耐中性鹽霧性能，一般也具有良好的耐濕性。

3）為了保證涂料的防護性能，企業(yè)可以在涂料中增加防霉劑。

[1]李嬋.風(fēng)力發(fā)電設(shè)備在我國不同氣候條件下環(huán)境適應(yīng)性分析[J].環(huán)境技術(shù), 2013(2)：29-33.

[2]肖葵，董超芳,等.NaCl顆粒沉積對Q235鋼早期大氣腐蝕的影響[N].中國腐蝕與防護學(xué)報, 2006,26(1)： 26-29.

[3]趙鉞.大氣環(huán)境下風(fēng)電塔筒金屬材料的應(yīng)力腐蝕[J].環(huán)境技術(shù), 2013 (1)： 5-8.

[4]GJB 150.10A-2009.軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 第10部分：霉菌試驗[S].

Research on Anti-corrosion Coatings for Offshore Wind Power Generation Equipments

GUO Jun-jia, CHE Han-sheng, WANG Zhi-min, LI Qiu-kui
(China National Electric Apparatus Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510300)

According to the marine environment, the neutral salt spray test, the condensation test and the mould test are designed for a comprehensive study of the anti-corrosive of the offshore wind power equipment coating, to obtain environment reliability cases and factors that affect the coating’s anticorrosive by compare the merits of different coatings.

anti-corrosion; neutral salt spray; condensation; mould

TB304

A

1004-7204（2015）04-0018-05

郭峻嘉（1991-），男，工程師，主要從事工業(yè)產(chǎn)品的環(huán)境可靠性測試工作。