防生物污損涂料技術(shù)在潮汐發(fā)電機組上的應(yīng)用

苗旺

摘 要：文章分析了防生物污損涂料的類型和作用原理，對其發(fā)展方向進行了論述，并結(jié)合我國潮汐能源開發(fā)的現(xiàn)狀和前景，對防生物污損涂料技術(shù)在潮汐發(fā)電機組上的應(yīng)用工藝進行了介紹。

關(guān)鍵詞：防生物污損；涂料；潮汐電站

中圖分類號：TV744 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）23-0172-02

1 概述

1.1 潮汐電站簡介

潮汐電站是利用潮汐過程的水位變化進行發(fā)電的裝置、設(shè)備及設(shè)施的總稱。其原理是在海灣或河口筑壩形成水庫，海水漲潮時水庫蓄水，落潮后海水水位降低，水庫水位與海水水位形成水位差，水庫泄水后，水的重力勢能可轉(zhuǎn)化為動能形成水頭，推動水輪發(fā)電機組運行發(fā)電，將海洋潮汐能轉(zhuǎn)變成可利用的電能。潮汐電站機組的特點是水頭低、流量大，主要有單庫單向型（一個水庫，落潮時放水發(fā)電）、單庫雙向型（一個水庫，漲潮、落潮時都能發(fā)電）、雙庫單向型（利用兩個始終保持不同水位的水庫發(fā)電）三種類型。浙江省的江廈潮汐電站是我國目前裝機規(guī)模最大的潮汐電站，設(shè)計安裝6臺500～700kW機組，總裝機容量3900kW，年發(fā)電量可達1100萬kW·h，建設(shè)規(guī)模居亞洲第一位，世界第三位。

1.2 潮汐電站開發(fā)的優(yōu)勢

我國有長達18000公里的海岸線，擁有300萬平方公里的海域面積，其中蘊藏著豐富的海洋能源，據(jù)中國潮汐能資源普查，全國可開發(fā)潮汐電站191處，可裝機容量21580MW，年發(fā)電量619億kW·h，僅浙江省可以建造10MW級潮汐電站的理想站址就有10余處。但目前我國已建潮汐電站不到10處，潮汐能源的開發(fā)，可以有效緩解沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達省份能源短缺的現(xiàn)狀，減小火電站的發(fā)電壓力，降低煤炭消耗量，減少石化能源燃燒造成的排放污染。

1.3 海洋生物污染對發(fā)電機組的影響

潮汐過程中的海水含有大量的藻類植物、貝殼類生物，這些海生物容易吸附在發(fā)電機組部件表面。其中，藻類植物通過光合作用產(chǎn)生氧氣，使附近水體含氧量增加，貝殼類生物呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳及動植物腐化后的分解產(chǎn)物會增加附近水體的酸性，有些海生物甚至會破壞設(shè)備表面的保護涂層，這些情況都會引起金屬部件發(fā)生腐蝕，縮短發(fā)電機組的使用壽命。此外，海生物的大量吸附還會影響水體流量和機組散熱，降低發(fā)電設(shè)備的運行性能和穩(wěn)定性。

2 防生物污損涂料技術(shù)

防止海生物污損的方法較多，常用的有涂覆防生物污損涂料、施加液態(tài)氯、電解海水制氯防污、電解重金屬防污、銅合金覆膜、電解氯-銅聯(lián)合防污等，在某些局部的特定環(huán)境下，還可以使用過濾法、灼熱法、超聲波法、紫外線法等方式防止生物污染。

2.1 防生物污損涂料

涂覆防污涂料是最方便有效、應(yīng)用范圍最廣的防止生物附著污染的方法，防污涂料由基料、防污劑、填料和溶劑組成，其作用原理是：將防污涂料涂覆于發(fā)電機部件金屬表面，依靠涂膜中防污劑的逐步溶解、滲出，在漆膜表面形成有毒溶液薄層，用以抑制或殺死停留在設(shè)備表面的污損生物，防止海洋生物的吸附、破壞。

2.2 防污涂料的分類

根據(jù)涂料組成和滲出機理，傳統(tǒng)防污涂料通?？煞譃槿N類型：

2.2.1 溶解型防污涂料

溶解型防污涂料的防污原理是：涂層中的基料（主要為松香、油基樹脂等）和防污劑（主要為氧化亞銅、有機氯類化合物等）可以在海水中溶解，其中的防污劑成分發(fā)生水解反應(yīng)生成氯化物，隨著基料的逐漸溶解，涂層內(nèi)含有的防污成分不斷暴露、水解，使發(fā)電機組金屬表面維持具有氯化物的溶液薄層保護，防止海洋生物附著污損。

2.2.2 接觸型防污涂料

接觸型防污涂料的基料（主要為氯化橡膠、乙烯共聚物等）不易溶解，此類涂料中的防污劑（主要為氧化亞銅和銅粉）的含量較高，以顆粒狀存在，當漆膜表面的防污顆粒從涂料中析出后，漆膜表面就形成空洞或溝穴，海水可以滲入并與內(nèi)部的防污劑表面接觸，使其繼續(xù)析出，與海水發(fā)生水解反應(yīng)生成氯化銅，起到保護機組的目的。

2.2.3自拋光型防污涂料

自拋光型防污涂料的基料是丙烯酸有機錫酯共聚物，聚合物的本身是疏水性的，它在海水中會發(fā)生水解，酯鍵斷裂，并釋放出有機錫，留下羧酸鹽進而提高聚合物的親水性。此類涂層的基料水解后的產(chǎn)物成分具有水溶性，在釋放出有機錫防止海生物附著的同時，還能有效降低涂層表面的原始粗糙度，起到拋光漆膜的作用。

3 影響涂料防污效果的因素

防生物污染涂料的防污效果主要體現(xiàn)在可預防的對象種類范圍和使用壽命兩個方面，即在具有明顯防止海洋生物附著污染能力的同時，還應(yīng)具有較理想的有效時間。大多數(shù)海洋防污涂料的理論有效時間為2到3年，根據(jù)防污涂料的成分和作用機理，影響防污效果的條件主要有：

（1）防污劑的含量：通常，涂料中的防污成分含量越大，其使用時間也越久。

（2）防污涂層的表面自由能：表面自由能低的涂層不容易被海洋生物附著，即使被生物附著后也較容易將附著物從涂層表面清除。

（3）涂層的彈性模量：將附著在部件表面的生物剝離所需的功（W）為表面張力（γ）和彈性模量（E）乘積的1/2次方，即W=（γ·E）1/2。對于彈性模量低的涂層，在較小的外力下就可以將海洋生物剝離。

（4）涂層的粗糙度：涂層表面粗糙度越小，越不易被海洋生物附著。同時，涂料表面的粗糙程度也會影響涂層的使用壽命和清潔周期。

（5）涂層的疏水性：防污涂料的疏水性越強，對海生物的防污效果越好，目前已有將表面與水的接觸角大于150°的超疏水性防污材料應(yīng)用于海洋中金屬設(shè)備的防污。

（6）涂層對氫離子濃度的影響：漆膜表層水體與當前海域海水的氫離子濃度相差越大，海洋生物越不易附著。

（7）涂層的顏色：選擇當前海域中主要海生物排斥的顏色作為設(shè)備涂層的顏色。通常情況下，與深色系的涂層相比，淺色系顏色的涂層不易被海洋生物附著。endprint

4 防生物污損涂料技術(shù)在潮汐發(fā)電機組上的應(yīng)用

防污涂層主要應(yīng)用于潮汐電站水輪機部件與水接觸的表面，對表面涂層有較高的涂裝質(zhì)量要求，防生物污損涂料通?？膳c常規(guī)防腐油漆配套按如下工藝要求涂覆于發(fā)電機組的金屬部件表面，對發(fā)電機組進行防腐防污。

4.1 表面預處理

4.1.1 涂裝前部件表面狀態(tài)要求：金屬表面應(yīng)平順，不允許有毛刺、尖角、焊豆、凸瘤、砂孔，無探傷殘留物。

4.1.2 溶劑清理：對有油污及其他污染物的表面，用有機溶劑（如200#汽油）清理，目視檢查清理后的表面，應(yīng)無油脂、污物、切削化合物。

4.1.3 噴砂清理：按照美國防護涂料協(xié)會SSPC-SP5標準要求，使用棕剛玉磨料對發(fā)電機部件表面進行噴砂預處理，噴砂清理后的表面清潔度需達到ISO8501-1 Sa3標準要求，表面應(yīng)無可見的油污、氧化皮、鐵銹和其他異物，具有均勻的金屬色澤，表面粗糙度Rz在70～100微米。噴砂預處理后的金屬表面，應(yīng)盡快噴涂油漆，當環(huán)境相對濕度≤60%時，應(yīng)在噴砂后8小時內(nèi)進行噴涂；當60%≤環(huán)境相對濕度≤80%時，應(yīng)在噴砂后4小時內(nèi)進行噴涂；當環(huán)境相對濕度≥80%時，不允許噴涂。

4.2 噴涂防污防腐涂料

4.2.1 涂裝場地要求：應(yīng)在具有排風系統(tǒng)的噴漆室進行施工，要求室內(nèi)平均照度≥400Lux，空氣中無肉眼可視灰塵分散。

4.2.2 涂裝溫度和濕度條件：涂裝場地的溫度應(yīng)在控制在15℃至45℃，環(huán)境濕度在20%至80%，涂裝前產(chǎn)品表面的溫度應(yīng)比露點值高3℃以上。

4.2.3 噴涂前對使用的壓縮氣體應(yīng)經(jīng)除油、除水裝置處理。

4.2.4 涂料檢查：核對涂料的牌號、顏色，確認是否在質(zhì)保期內(nèi)。

4.2.5 涂料配制：按照涂料的指導說明書調(diào)制油漆，用稀釋劑調(diào)整涂料粘度、用攪拌器使混合均勻，并用濾網(wǎng)過濾后在活化期內(nèi)使用。

4.2.6 涂漆方法：使用高壓無氣噴涂方式，噴漆噴孔：0.5mm，工作壓力：250kg/cm2。施工時保持噴漆方向與被涂漆表面呈直角，噴槍距離被涂漆表面距離控制在0.2至0.3m之間，并以0.3至0.5m/s的速度勻速平行移動。

4.2.7 按施工工藝要求依次涂覆下列種類油漆：

（1）高固態(tài)環(huán)氧富鋅底漆75？滋m；（2）耐水環(huán)氧漆300？滋m；（3）防生物污損涂料75？滋m。

4.3 漆膜質(zhì)量檢查

4.3.1 漆膜涂覆均勻，不得有流掛、分層、漏涂現(xiàn)象。

4.3.2 漆膜附著力按美國材料試驗協(xié)會ASTM D3359標準中的劃×法進行檢查，測試結(jié)果等級需達到5A標準。

5 防污涂料的研究方向

含銅、錫元素的防污涂料主要是通過釋放對海洋生物具有毒性的元素抑制和防止海洋生物的附著，因此也會污染海洋的水體環(huán)境。所以，無污染、環(huán)保類的海洋防污涂料成為了當前研究方向：

5.1 低表面能防污涂料

當涂層表面張力小于22dyn·cm-1時，就可認為海洋生物難于附著，日本關(guān)西涂料公司的防污硅氧烷涂料采用含有硅氧烷等單體的復雜共聚物，并加入硅油和硅膠溶劑，此材料涂層臨界表面張力為20.5dyn·cm-1，海灣掛片試驗12個月后無污損。

5.2 導電防污涂料

應(yīng)用此類涂料進行防生物污染的原理與電解海水防污相似，電解海水技術(shù)的關(guān)鍵是設(shè)置一個壽命長、性能穩(wěn)定、可在海水中浸潤的電解電極。若在發(fā)電機表面涂覆絕緣涂料后再涂覆導電防污涂料，并對其表面施加微弱電壓，此時的導電涂層可作為電解電極，將海水電解生成次氯酸，進而防止海洋生物附著。

5.3 仿生防污涂料

海洋中的魚類、哺乳類動物表皮不易被生物附著，這是因為此類動物的表皮可分泌活性物質(zhì)或具有特殊結(jié)構(gòu)，目前研究的原理有：

5.3.1 從海洋魚類生物中提取出具有抑制海洋生物及幼蟲附著的天然活性物質(zhì)，在培養(yǎng)衍生后作為防污成分加入涂料中，發(fā)揮防生物污染的作用。

5.3.2 模擬大型海洋動物的表皮結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)防生物附著。如使用塑料和橡膠材料仿制具有鯊魚皮表面紋理的防污涂層，防止海底生物附著。

6 結(jié)束語

我國沿海蘊藏豐富的海洋能資源，利用海洋能發(fā)電既經(jīng)濟，又不占用土地，無需移民，不受氣候影響，不污染環(huán)境，開發(fā)利用價值極高，而且這些海洋能源主要集中在經(jīng)濟發(fā)達、能源需求量大的東南沿海地區(qū)。但目前我國沿海地區(qū)對潮汐電站的開發(fā)率還較低，充分利用海洋能源，將有效緩解沿海地區(qū)能源緊缺的現(xiàn)狀，減少化石能源燃燒造成的環(huán)境污染，因此，潮汐電站在我國具有很大的開發(fā)前景。同時，海洋性環(huán)境對機組的防腐防污要求較高，機組長期置于環(huán)境惡劣、復雜的海水中，面臨著嚴重的海水侵蝕和生物污染，對機組進行合理有效的防生物污損涂料技術(shù)保護，有助于發(fā)電設(shè)備的運行穩(wěn)定性，延長機組的使用壽命，是潮汐電站發(fā)電機組設(shè)備生產(chǎn)中的一項重要的工作。

參考文獻：

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[2]葉揚祥，潘肇基.涂裝技術(shù)實用手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.endprint