光固化防腐包覆材料在海上風(fēng)電裝備上適用性研究

魯俊勇，苗順超，何梓洋，楊嘉然，趙 琳，賀建超，董寶軍，武俊偉，冷雪松

(1. 中廣核陽江海上風(fēng)力發(fā)電有限公司，廣東 陽江 529900；2. 深圳國能宸泰科技有限公司，廣東 深圳 518000；3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)特殊環(huán)境物質(zhì)科學(xué)研究院，廣東 深圳 518055)

0 前 言

海上風(fēng)電是我國“一帶一路”倡議和“十三五”新能源產(chǎn)業(yè)的重要部分,是構(gòu)建清潔低碳能源體系的重要組成部分,也是實(shí)現(xiàn)國家“碳達(dá)峰、碳中和”重大戰(zhàn)略決策的重要途徑。在海上風(fēng)電急速發(fā)展的同時(shí),也亟需突破許多瓶頸問題,海上風(fēng)電裝備腐蝕失效問題尤為嚴(yán)重[1-3]。其中,鋼管樁的防腐性能關(guān)系到整個(gè)海上風(fēng)電的安全運(yùn)行,鋼管樁的服役環(huán)境非常復(fù)雜,其環(huán)境特點(diǎn)為高溫、高濕、高鹽度和高輻照[4-6]。鋼管樁暴露于強(qiáng)腐蝕性的海洋環(huán)境中,容易造成嚴(yán)重的腐蝕和老化,影響風(fēng)電機(jī)組的安全服役壽命[7-9]。

目前,鋼管樁的防腐工藝主要采用有機(jī)環(huán)氧涂層和包覆防腐材料[10-12]。在高溫環(huán)境中有機(jī)環(huán)氧涂層承受強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的能力非常差。此外,在水流沖刷作用下,有機(jī)環(huán)氧涂層逐漸變薄,涂層體系的電化學(xué)測試低頻阻抗模值迅速降低,涂層電容瞬間增加,降低了涂層對鋼管樁的保護(hù)作用,誘發(fā)鋼管樁的腐蝕[13-16]。包覆防腐材料主要包括纖維復(fù)合材料復(fù)合包覆技術(shù)(FRP)和復(fù)層礦脂包覆防腐蝕技術(shù)(PTC),其主要原理為緩蝕劑+復(fù)合材料物理隔絕,但FRP復(fù)合包覆技術(shù)和PTC復(fù)合包覆技術(shù)的施工難度高、時(shí)間長、成本昂貴,在海上風(fēng)電裝備中應(yīng)用困難[17-19]。根據(jù)NB/T 310006“海上風(fēng)電場鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”中規(guī)定,風(fēng)電防腐材料的設(shè)計(jì)年限一般不小于15 a[20]。環(huán)氧涂層和包覆材料難以滿足鋼管樁防腐的需求,因此,亟需找到合適的鋼管樁防腐材料以滿足鋼管樁的防腐要求。

光固化材料是一種以不飽和聚酯樹脂或乙烯基酯樹脂為基體、以玻璃纖維為增強(qiáng)體的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,其厚度均勻,材質(zhì)致密,外觀呈片狀,具有良好的抗腐蝕性能[21-24],但光固化材料在海上風(fēng)電裝備中的適用性還需要進(jìn)一步研究。本工作采用光固化材料,分別考察其力學(xué)性能、抗鹽霧性能和抗酸堿性能,為光固化材料在海上風(fēng)電裝備的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 材 料

試驗(yàn)采用盈韌科技(北京)有限公司提供的CP201型光固化片材。為了對比光固化材料的抗中性鹽霧腐蝕性能和抗酸堿腐蝕性能,分別采用商用的AS5600安盾護(hù)甲和雙酚A型環(huán)氧乙烯基樹脂(Atlac 430)材料進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。AS5600安盾護(hù)甲和雙酚A型環(huán)氧乙烯基樹脂(Atlac 430)已成功地應(yīng)用于海上風(fēng)電鋼樁防腐技術(shù)并表現(xiàn)出優(yōu)異的耐蝕性能。

CP201型光固化片材是一種以乙烯基酯樹脂為基體、以玻璃纖維為增強(qiáng)體的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,其厚度均勻,材質(zhì)致密,上下均附有塑料薄膜,外觀呈片狀。片材厚度為2 mm,質(zhì)量為2.0～5.0 kg/m2。光固化片材的包覆工藝:碳鋼表面除塵處理后,立即采用底漆(環(huán)氧丙烯酸)涂敷,且涂敷均勻、無漏涂,厚度約為200 μm。在底漆表面上涂刷界面膠,厚度約為250 μm,并將光固化片材粘貼到基材表面,確保片材表面平整,片材與片材之間正確搭接。光固化片材的固化工藝:采用紫外燈照射一定的時(shí)間,使光固化片材徹底固化,隨后撕下表面膜,成品如圖1a所示。固化時(shí)間取決于紫外線照度,一般條件下,在長波黑斑效應(yīng)紫外線 (UVA)照度為2.0 mW/cm2時(shí),固化需要35 min。

圖1 材料的宏觀形貌Fig. 1 Macromorphology of materials

商用的AS5600安盾護(hù)甲是由外部屏蔽保護(hù)層、增強(qiáng)層、緩沖層和固體礦物脂層復(fù)合而成的一體式防腐材料,如圖1b所示。AS5600安盾護(hù)甲的樣品尺寸為300 mm×300 mm。安盾護(hù)甲為一體式包覆,將護(hù)甲貼附在碳鋼基體上,再通過緊固螺栓固定即可完成包覆。

商用的Atlac 430是環(huán)氧雙酚A乙烯基樹脂的苯乙烯溶液,具有中等反應(yīng)活性和中等黏度。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 材料的力學(xué)性能測試

根據(jù)GB/T 1449-2005 “纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法” 和GB/T 3857-2005“玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料抗化學(xué)介質(zhì)性能試驗(yàn)方法”,截取尺寸為80.00 mm×14.90 mm×3.74 mm的CP201型光固化片材試樣,使用型號為Zwick Z010的萬能材料試驗(yàn)機(jī),設(shè)置測試速度為10 mm/min,跨距為60 mm,先在室溫下測試試樣常態(tài)的彎曲強(qiáng)度,再測試抗酸堿溶液后試樣的彎曲強(qiáng)度。

根據(jù)GB/T 3857-2005 “玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料抗化學(xué)介質(zhì)性能試驗(yàn)方法”,截取尺寸為130.0 mm×130.0 mm×3.5 mm的CP201型光固化片材試樣,使用型號為YDK01-C的電子天平,在室溫下分別測量抗試劑前后試樣的質(zhì)量并計(jì)算出質(zhì)量變化率,記錄試樣抗試劑后的外觀變化。

根據(jù)GB/T 3854-2005 “增強(qiáng)塑料巴柯爾硬度試驗(yàn)方法”和GB/T 3857-2005 “玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料抗化學(xué)介質(zhì)性能試驗(yàn)方法”,采用型號為GYZJ-934-1的巴氏硬度計(jì),測量抗試劑前后CP201型光固化片材試樣的硬度值,測量10次取平均值。

1.2.2 抗中性鹽霧試驗(yàn)

光固化包覆材料在服役過程中將遇到復(fù)雜的腐蝕環(huán)境,其材料的抗腐蝕性能將影響海上風(fēng)電機(jī)組的壽命。中性鹽霧試驗(yàn)是用于評價(jià)海上風(fēng)機(jī)材料適用性的通用方法。中性鹽霧試驗(yàn)氯化物的鹽濃度是天然環(huán)境氯化物濃度的10倍。采用中性鹽霧試驗(yàn)將縮短試驗(yàn)時(shí)間。根據(jù)氯化物的鹽濃度計(jì)算,光固化材料進(jìn)行1 000 h鹽霧試驗(yàn),若光固化材料指標(biāo)正常,即可說明光固化材料能夠滿足海上風(fēng)電的服役需求。

依據(jù)GB/T 10125-2021 “人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)”,對光固化片包覆材料和AS5600安盾護(hù)甲包覆材料進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)。試驗(yàn)溶液采用5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的NaCl溶液,鹽霧的沉降率控制在(1.5±0.5) mL/h,噴霧溶液pH值在6.5～7.2范圍內(nèi), 溫度40 ℃,試驗(yàn)時(shí)間為1 000 h,每隔72 h觀察1次試樣外觀。取出2組試樣并去除包覆材料,對比2組樣品表面銹蝕程度。

1.2.3 耐酸性試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 3857-2005 “玻璃纖維增強(qiáng)熱固性塑料抗化學(xué)介質(zhì)性能試驗(yàn)方法”,將光固化片材試樣和Atlac 430樹脂試樣浸泡在25%的H2SO4溶液100 ℃下100 h和10%的NaOH溶液100 ℃下10、50 h。通過測量試驗(yàn)前后樣品的彎曲強(qiáng)度、增重率和巴柯爾硬度的變化率,并觀察樣品宏觀形貌的變化,評價(jià)樣品的抗酸堿性。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能測試結(jié)果

圖2和圖3分別為光固化材料拉伸的標(biāo)準(zhǔn)載荷-標(biāo)準(zhǔn)變形曲線和光固化材料彎曲的標(biāo)準(zhǔn)載荷-標(biāo)準(zhǔn)變形曲線。根據(jù)測試結(jié)果,光固化材料拉伸強(qiáng)度為177.80 MPa,斷裂延伸長度為8.22%,彎曲載荷為142.16 N,彎曲彈性模量為3 790.93 MPa。根據(jù)ISO 12944-5 “色漆和清漆-防護(hù)漆體系對鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕保護(hù) 第五部分:防護(hù)漆體系”和ISO 12944-9“色漆和清漆-防護(hù)漆體系對鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕保護(hù) 第九部分:海上建筑及相關(guān)結(jié)構(gòu)用防護(hù)涂料體系和實(shí)驗(yàn)室性能測試方法”標(biāo)準(zhǔn),光固化材料的力學(xué)性能優(yōu)異,滿足實(shí)際海上風(fēng)電裝備對防腐材料的力學(xué)性能要求。

圖2 光固化材料拉伸的載荷-變形曲線Fig. 2 Load-deformation curve of UV curing materials under tension

圖3 光固化材料彎曲的載荷-變形曲線Fig. 3 Load-deformation curve of UV curing materials under bending

2.2 抗中性鹽霧測試結(jié)果

由中性鹽霧試驗(yàn)結(jié)果可知,光固化片材包覆的試樣和安盾護(hù)甲包覆的試樣表面平整光滑,均無銹蝕,說明光固化片材包覆防腐工藝的抗中性鹽霧性能優(yōu)秀,滿足實(shí)際海上風(fēng)電裝備對防腐材料的抗鹽霧性能需求。

2.3 抗酸堿性測試結(jié)果

表1～3為光固化材料和Atlac 430樹脂材料的抗酸堿性測試后增重率、 硬度變化率和彎曲強(qiáng)度保留率的變化情況。由表1～3可知,在酸堿溶液中,光固化片材料的增重率、硬度變化率都大于Atlac 430樹脂材料,而彎曲強(qiáng)度保留率小于Atlac 430樹脂材料。但在任意條件下光固化片材料和Atlac 430樹脂材料的增重率都小于1.2%,硬度變化率小于8%,彎曲強(qiáng)度保留率超過92%(表1～3)。圖4為酸堿試驗(yàn)前后光固化材料和Atalc樹脂板材在酸堿實(shí)驗(yàn)后的宏觀形貌。由圖4可知,在酸堿實(shí)驗(yàn)后光固化材料表面存在明顯的起皺,而Atlac樹脂材料的表面無龜裂、裂紋、纖維裸露和發(fā)粘,表面保持光澤。光固化材料在酸堿環(huán)境中并未表現(xiàn)出明顯的破損, 且酸堿實(shí)驗(yàn)后其增重率、硬度和彎曲強(qiáng)度均與Atlac 430樹脂材料基本相同,說明光固化材料在酸堿環(huán)境中表現(xiàn)出良好的耐蝕性。

表1 光固化材料和Atlac 430樹脂材料的抗酸堿性測試后增重率結(jié)果(100 ℃)Table 1 Weight-gain results after acid and alkaline resistance tests for UV cured materials and Atlac 430 resin materials (100 ℃)

表2 光固化材料和Atlac 430樹脂材料的抗酸堿性測試硬度變化率結(jié)果(100 ℃)Table 2 Hardness-charging rating results after acid and alkaline resistance testing of UV cured materials and Atlac 430 resin materials (100 ℃)

表3 光固化材料和Atlac 430樹脂材料的抗酸堿性測試后彎曲強(qiáng)度保留率結(jié)果(100 ℃)Table 3 Flexural strength retention results after acid and alkaline resistance testing of UV cured materials and Atlac 430 resin materials (100 ℃)

圖4 光固化材料和Atalc 430樹脂在酸堿實(shí)驗(yàn)后的宏觀形貌Fig. 4 Macro-morphology of UV cured materials and Atalc 430 resin after acid-base experiments

3 結(jié) 論

(1) 光固化材料拉伸強(qiáng)度為177.80 MPa,斷裂延伸率為8.22%,彎曲載荷為142.16 N,彎曲彈性模量為3 790.93 MP,其力學(xué)性能優(yōu)異,基本滿足實(shí)際海上風(fēng)電裝備對防腐材料的力學(xué)性能要求。

(2)光固化材料在鹽霧試驗(yàn)后試樣表面平整光滑,與安盾護(hù)甲的1 000 h抗中性鹽霧性能相似,光固化片材包覆防腐工藝基本滿足海上風(fēng)電裝備的抗鹽霧需求。

(3)光固化片材料和Atlac 430樹脂材料的增重率小于1.2%,硬度變化率小于8%,彎曲強(qiáng)度保留率超過92%,光固化片材料的抗酸堿性能優(yōu)異,可有效地滿足海上風(fēng)電裝備的抗酸堿性需求。