吳 昊，鄒宜哲，白 珂

（1.安徽航大生態(tài)材料有限公司，安徽蚌埠233000；2.重慶誠投再生能源發(fā)展有限公司，重慶404100）

非并網(wǎng)風(fēng)電應(yīng)用中金屬材料清洗與防護(hù)技術(shù)

吳 昊1，鄒宜哲1，白 珂2

（1.安徽航大生態(tài)材料有限公司，安徽蚌埠233000；2.重慶誠投再生能源發(fā)展有限公司，重慶404100）

為了保證大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電裝備，特別是金屬構(gòu)件的正常使用，需要對(duì)其進(jìn)行必要的清洗及預(yù)防腐處理等前處理，為后續(xù)涂層等最終防護(hù)工序打下良好材料基礎(chǔ)。本文針對(duì)金屬部件的清洗與預(yù)防腐處理技術(shù)進(jìn)行了研究，研發(fā)出金屬清洗與防護(hù)產(chǎn)品，并進(jìn)行了應(yīng)用研究。

大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電；金屬；清洗；預(yù)防腐；前處理

1 前言

大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電有著諸多重要應(yīng)用領(lǐng)域[1，2]，風(fēng)電裝備面臨復(fù)雜的環(huán)境考驗(yàn)。為了保證風(fēng)電設(shè)備，特別是金屬結(jié)構(gòu)件在服役期間的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，必須做好金屬表面的清洗及預(yù)防腐處理等前處理，為后序防護(hù)工藝打下良好基礎(chǔ)。

目前國內(nèi)外市場(chǎng)的黑色金屬防腐主要采用傳統(tǒng)的防腐工藝，包括：a.鍍鋅或鍍鉛工藝；b.酸洗、磷化、鈍化、達(dá)可羅等工藝；c.酸洗、磷化、鈍化、電泳或噴粉工藝。上述傳統(tǒng)的防腐處理工藝不僅工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，關(guān)鍵是產(chǎn)生較為嚴(yán)重的污染。在生產(chǎn)過程中，除大量的排放有毒有害的化學(xué)污染物，同時(shí)，在產(chǎn)品使用過程中還可能排放有害重金屬，造成二次污染[3～6]。因此傳統(tǒng)的防腐工藝與當(dāng)今國家倡導(dǎo)的綠色環(huán)保的改善環(huán)境，減少污染政策已很不適應(yīng)，需要開發(fā)環(huán)保高效的表面預(yù)防腐新技術(shù)，本文正是針對(duì)金屬表面預(yù)防腐技術(shù)進(jìn)行了初步研究。

2 大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電金屬結(jié)構(gòu)件清洗預(yù)處理研究

2.1 金屬表面清洗的必要性

金屬表面的潔凈是后續(xù)防護(hù)措施能否發(fā)揮作用的關(guān)鍵。由于金屬基體處理不當(dāng)造成的酸堿或其他化學(xué)物質(zhì)不當(dāng)殘留，會(huì)造成后續(xù)涂層開裂或剝落，最終導(dǎo)致金屬構(gòu)件失效，威脅非并網(wǎng)風(fēng)電裝備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。金屬構(gòu)件加工后表面往往會(huì)出現(xiàn)斑跡，主要包括銹蝕和乳化液斑。銹蝕可分為黃斑和黑斑兩種，產(chǎn)生黃斑的主要是鋼與鹽酸、空氣和水接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成鐵化合物，而黑斑的主要化學(xué)成分是鐵粉，由于熱處理是全氫罩式退火，退火時(shí)采用H做為還原氣氛，F(xiàn)eO(OH)被還原成鐵而形成鐵粉。乳化液斑的產(chǎn)生是由于軋后帶鋼表面帶有的鐵粉微粒吸附大量濃縮油，而包住鐵粉微粒變成油膜，其中水分形成水蒸氣同鐵粉微粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氧化鐵，這樣在鐵粉微粒間就產(chǎn)生空隙，使水蒸氣與添加劑和鋼板產(chǎn)生氧化反應(yīng)，板面氧化部位形成疏松氧化鐵層，退火加熱時(shí)，再形成四周封閉的空室區(qū)，油氣排不出，而進(jìn)入氧化鐵層內(nèi)形成乳化液斑。金屬構(gòu)件表面的銹蝕和乳化液斑直接影響到構(gòu)件表面質(zhì)量和后續(xù)加工。因此，迫切需要一種高效清洗劑用于金屬前處理工藝。

本研究中，清洗劑主要原料為天然植物提取物，對(duì)環(huán)境無任何影響。清洗劑中含有活性酶，可有效分解機(jī)油、潤(rùn)滑油、切削油等油品中的大分子，活性酶與清洗劑中所含的高效環(huán)保型乳化劑協(xié)同作用，能使附著在金屬表面的油更易乳化，在外力作用下（如高壓水流、超聲波振蕩、擦拭等）從金屬表面剝離，達(dá)到清潔表面的效果。對(duì)于傳統(tǒng)清洗劑難以處理的研磨浮塵，冷拔殘留潤(rùn)滑劑的清洗效果非常好。由于活性酶的作用，清洗液表面無浮油，杜絕零件出清洗槽時(shí)的二次污染。此外，清洗防銹劑中還含有一種從植物提取的活性有機(jī)酸，在清洗油污的同時(shí)迅速鈍化金屬表面，起到抑制閃蝕及短期防銹作用。圖1為清洗后金屬管件的表面。

圖1 清洗處理后的金屬管件Fig.1 Pipeline after rinsing

3 大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電金屬結(jié)構(gòu)件的預(yù)防腐研究

3.1 金屬構(gòu)件預(yù)防腐研究現(xiàn)狀

金屬構(gòu)件預(yù)防腐通常采用磷化處理。磷化廢水無機(jī)磷含量高，化學(xué)需氧量和生化需氧量相對(duì)較低，用生化法處理難以達(dá)到廢水排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。多數(shù)富營養(yǎng)化水體中控制因素為磷，因此富營養(yǎng)化污染已成為目前所面臨的重大環(huán)境問題。大量含磷的工業(yè)廢水排入江河湖泊中，增加了水體營養(yǎng)負(fù)荷，引起水體(特別是封閉水體)的富營養(yǎng)化。磷化液使用后的處理工作量大。磷化廢渣的主要成分是磷酸鐵和磷酸鋅，隨著磷化的廣泛使用以及我國污染物排放法規(guī)的嚴(yán)格執(zhí)行，磷化廢渣的處理問題愈顯突出[6～10]。

3.2 環(huán)保型金屬構(gòu)件預(yù)防腐的研究[7～12]

材料表面科學(xué)的研究和電化學(xué)研究表明，金屬表面能越低越有利于表面的防護(hù)，同時(shí)基體金屬在腐蝕環(huán)境中電化學(xué)活性越低越容易避免腐蝕的侵害。本研究中所用的成膜劑高分子鏈上的官能團(tuán)具有孤對(duì)電子，能與金屬表面形成配位鍵，從而使得水基防銹劑膜層在金屬表面具有很好的附著力。成膜劑所形成的高分子膜層比較致密，能有效隔絕腐蝕介質(zhì)與金屬表面接觸，從而保護(hù)金屬。且該高分子膜層可以在烘烤條件下，保持完整和致密的結(jié)構(gòu)。本研究中金屬構(gòu)件預(yù)防腐處理劑所形成的膜層可以在200℃下，保持膜層完整，且性能穩(wěn)定。這滿足了后續(xù)噴涂工藝的烘烤要求。

此外，本金屬構(gòu)件預(yù)防腐處理劑還含有可降低材料表面能的功能性物質(zhì)，可以有效降低金屬表面能，使得腐蝕介質(zhì)不易黏附和停留在金屬表面，從而提高了預(yù)防腐的綜合防護(hù)性。處理劑中的微米或納米級(jí)電化學(xué)活性成份，可以在材料表面形成微區(qū)電化學(xué)保護(hù)陣列，對(duì)基體金屬進(jìn)行電化學(xué)保護(hù)，從而使防護(hù)性進(jìn)一步增強(qiáng)。對(duì)預(yù)防腐處理劑的組分進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整可以形成預(yù)防腐時(shí)間為1周至1年的系列產(chǎn)品。

為了保證后續(xù)噴涂時(shí)的結(jié)合力要求，所選用的成膜劑與有機(jī)涂料化學(xué)結(jié)構(gòu)相近，且其中部分官能團(tuán)在適當(dāng)條件下可以與有機(jī)涂料發(fā)生交聯(lián)，從而保證了生產(chǎn)后期噴涂粉末涂層的工藝需要，使得粉末涂層與防銹膜層具有良好的結(jié)合力。圖2為預(yù)防腐處理后的金屬表面微觀結(jié)構(gòu)，圖中表面為在金屬表面形成了有序排列的粒子陣列。圖3為金屬預(yù)防腐處理劑采用馬爾文納米粒度儀測(cè)定的防銹劑粒度圖，測(cè)試表明平均粒徑約為100 nm。

阻抗變換在歸一化濾波器設(shè)計(jì)中，源和負(fù)載的電阻為1。這里R0=50Ω阻抗變換后濾波器元件值與初始值關(guān)系為

圖2 預(yù)防腐處理后的金屬表面微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Microstructure of surface after treatment

圖3 馬爾文納米粒度儀測(cè)定的粒度圖Fig.3 Size distribution by intensity measured by Melvin nano particle sizer

預(yù)防腐膜的熱失重分析結(jié)果(TG/DTG，Thermal gravity analysis/differential thermal gravity)如圖4所示，防銹膜在250℃時(shí)開始失重，在325～360℃時(shí)失重速率不斷增大，在360℃時(shí)質(zhì)量損失速率達(dá)到最大，之后在360～409℃，失重速率逐漸變小，409℃后失重速率較低，試樣質(zhì)量變化變緩。575℃時(shí)失重最嚴(yán)重。預(yù)防腐膜250℃以內(nèi)熱穩(wěn)定性較好。

圖4 金屬預(yù)防腐處理后熱失重分析圖Fig.4 TG/DTG analysis after surface treatment

為了保證上述預(yù)防腐處理的效果，本研究專門設(shè)計(jì)了相應(yīng)的裝置對(duì)金屬表面進(jìn)行預(yù)防腐處理。如圖5所示。

圖5 預(yù)防腐處理設(shè)備示意圖Fig.5 Schematic plot of surface treatment facility

預(yù)防腐處理工藝包括上料、除銹除油、清洗、漂洗、預(yù)防腐、下料等步驟。上料臺(tái)為移動(dòng)平臺(tái)，料框放在平臺(tái)上，人工將待處理工件推入上料處。除銹除油槽內(nèi)層用耐酸的聚四氟乙烯板制作，外加保溫材料，加熱器安裝在槽四角，超聲波振板嵌裝在四壁和底面。循環(huán)泵為聚四氟塑料泵，循環(huán)的作用主要有兩點(diǎn)，一是通過循環(huán)使溶液和溫度均勻，二是在管道中能加裝濾清器，將溶液中游離顆粒分離。溶液上油污由溢流口流入集油槽，通過油水分離器分離。清洗槽內(nèi)層采用不銹鋼板制作，工件進(jìn)入槽溶液中，溶液通過管道泵進(jìn)行循環(huán)，并配置顆粒過濾器和離子交換樹脂，確保進(jìn)入槽中的水得到凈化，管道泵為不銹鋼管道泵。過濾后的水送到第三槽，第三槽清洗后的水溢流到本槽進(jìn)行循環(huán)清洗。清洗后的工件進(jìn)入漂洗槽中進(jìn)行漂洗，漂洗槽內(nèi)層采用不銹鋼板制作，工件浸入槽溶液中，溶液通過管道泵進(jìn)行循環(huán)，顆粒過濾器和離子交換樹脂器凈化后的水首先進(jìn)入該槽中。工件漂洗結(jié)束后須進(jìn)行烘干，烘干在漂洗槽上方進(jìn)行。帶有加熱器的風(fēng)扇安裝在龍門吊支架上，工件出水后進(jìn)行烘吹，快速去除工件表面水分。預(yù)防腐槽內(nèi)層采用不銹鋼板制作，外加保溫層，加熱器裝在槽內(nèi)四角，循環(huán)泵采用不銹鋼循環(huán)泵。處理結(jié)束的工件放入完成臺(tái)，由人工拉出。所有工藝過程都在密封室內(nèi)進(jìn)行，室內(nèi)上方設(shè)有排氣口，密封室骨架由槽鋼構(gòu)成，可作為龍門吊車的機(jī)架，密封室下半層用鐵板封閉，密封室上半層為玻璃觀察窗。采用龍門式吊車，剛性提升，精確定位，提升機(jī)械手有抖動(dòng)功能，減少加工零件對(duì)處理液的帶出量。整個(gè)設(shè)備采用可編程邏輯控制器實(shí)時(shí)控制。

4 水循環(huán)利用研究

為了配合生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污水，形成綠色生產(chǎn)鏈，本研究中采用高效活性樹脂作為核心填料，實(shí)現(xiàn)化學(xué)催化反應(yīng)及物理吸附多效作用；以水分類治理、水資源及金屬等資源循環(huán)利用、模塊化設(shè)計(jì)為主要理念，將非膜工業(yè)循環(huán)水處理及金屬回收工藝、生物凈水工藝、物化凈水工藝等技術(shù)模塊合理設(shè)計(jì)及組合，實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢水和水中金屬等資源循環(huán)利用。該處理技術(shù)較傳統(tǒng)污水處理工藝，具有投資節(jié)省、占地面積節(jié)省、綜合經(jīng)濟(jì)效益高、設(shè)備使用期長(zhǎng)等特點(diǎn)，不僅節(jié)約排污的各項(xiàng)費(fèi)用，而且可以將廢水轉(zhuǎn)化為車間用水，水中金屬等成分轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)原料，經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益較高。

5 結(jié)語

大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電是綠色產(chǎn)業(yè)鏈的重要能源源頭。為了保證產(chǎn)業(yè)鏈的正常運(yùn)行，其每個(gè)節(jié)點(diǎn)的可靠性都非常關(guān)鍵。材料科學(xué)與工程是構(gòu)成產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)，本研究中研發(fā)出的清洗，預(yù)防腐及水循環(huán)利用等技術(shù)為大規(guī)模非并網(wǎng)風(fēng)電實(shí)施中的選材用材方面，提供了一個(gè)全新的選擇，能將環(huán)保，可持續(xù)生產(chǎn)，高效防護(hù)等技術(shù)要素有機(jī)結(jié)合起來，為非并網(wǎng)風(fēng)電在更廣范圍內(nèi)，更復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境下推廣提供有力的技術(shù)支持。

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Technology of cleaning and protecting corrosion for metal structures in largescale non-grid-connected wind power application

Wu Hao1，Zou Yizhe1，Bai Ke2
（1.Anhui Hangda Eco-materials Co.，Ltd.，Bengbu，Anhui 233000，China；2.Chongqing Chengtou Renewable Energy Development Co.Ltd.，Chongqing 404100，China）

The equipments of large-scale non-grid-connected wind power should be cleaned and properly treated to protect corrosion as pretreatment and make preparations for painting later.It is necessary，especially for metal structures.In this paper，the methods of cleaning，rinsing and treating metal parts would be studied.And some products would be introduced to clean and protect the parts.

large-scale non-grid-connected wind power；metal；clean；protect corrosion；pretreatment

TV511

A

1009-1742（2015）03-0041-04

2014-12-08

科技部科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金（11C26213401871）

吳 昊，1975年出生，男，安徽涇縣人，副教授，主要從事金屬腐蝕機(jī)理與防護(hù)技術(shù)研究；E-mail：haowu6@163.com