郭峻嘉，車(chē)漢生，王志敏，李秋魁

（中國(guó)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(chē)漢生，王志敏，李秋魁

（中國(guó)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(jì)了耐中性鹽霧實(shí)驗(yàn)、耐濕性實(shí)驗(yàn)和耐霉菌實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)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(wú)污染，可再生的能源，風(fēng)力發(fā)電對(duì)于解決全球能源危機(jī)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(yán)重的安全問(wèn)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(duì)金屬具有極強(qiáng)的腐蝕性，因而會(huì)對(duì)風(fēng)電設(shè)備造成很大的破壞。同時(shí)，濕熱的沿海環(huán)境會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電設(shè)備的機(jī)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(hù)這兩類(lèi)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(hù)層。但是涂料作為有機(jī)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(hù)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(duì)這三種腐蝕情況設(shè)計(jì)了三種實(shí)驗(yàn)：耐中性鹽霧實(shí)驗(yàn)，耐濕性實(shí)驗(yàn)，耐霉菌實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(lái)自于國(guó)內(nèi)八個(gè)涂料公司。本文將詳細(xì)介紹這三種實(shí)驗(yàn)及其實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

耐中性鹽霧實(shí)驗(yàn)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(cè)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)前按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)金屬樣板進(jìn)行劃痕處理，樣板兩面均劃?rùn)M豎兩條劃痕。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為5 000 h，2 500 h取樣一次，取樣數(shù)目為每組3塊。在實(shí)驗(yàn)時(shí)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)中和實(shí)驗(yàn)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(píng)定》的第二部分到第五部分，分別為起泡、銹蝕、開(kāi)裂、剝落的外觀檢查。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)圖1和圖2）

1.2.1 金屬樣板的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表1和表2）

金屬樣板分別由國(guó)內(nèi)的八家涂料公司提供，每家公司提供的樣板分別針對(duì)塔筒的4個(gè)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(jì)了4種不同的厚度，其中大氣區(qū)封閉環(huán)境的設(shè)計(jì)厚度為280 μm，大氣區(qū)的設(shè)計(jì)厚度為400 μm，飛濺區(qū)的設(shè)計(jì)厚度為880 μm，全浸區(qū)的設(shè)計(jì)厚度為460 μm。實(shí)驗(yàn)前對(duì)樣板涂層的實(shí)際厚度進(jìn)行了測(cè)量，其平均測(cè)量值與設(shè)計(jì)厚度偏差明顯，且不同組別的實(shí)際厚度相差也較大。表1為飛濺區(qū)樣板涂層的設(shè)計(jì)厚度及實(shí)測(cè)平均值，表2為部分飛濺區(qū)涂層材料。樣板兩面均進(jìn)行了劃痕處理，所以實(shí)驗(yàn)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?yàn)榻饘俚穆懵?，腐蝕情況會(huì)遠(yuǎn)比非劃痕區(qū)嚴(yán)重，因而實(shí)驗(yàn)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(huì)從劃痕處向兩邊擴(kuò)展。腐蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)順序應(yīng)為銹蝕、起泡、開(kāi)裂、剝落。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后不久劃痕均出現(xiàn)銹蝕，而最早開(kāi)始有樣板出現(xiàn)起泡的時(shí)間為500 h。直至5 000 h后實(shí)驗(yàn)結(jié)束有少量樣板未出現(xiàn)起泡，所有樣板均未出現(xiàn)開(kāi)裂和剝落現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)

表2 部分飛測(cè)區(qū)涂層材料

非劃痕區(qū)有涂層的保護(hù)，因此這個(gè)區(qū)域的腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)順序?yàn)槠鹋?，開(kāi)裂和銹蝕，剝落。直至5 000 h后實(shí)驗(yàn)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(kāi)裂現(xiàn)象，最早出現(xiàn)起泡的時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.2.2 玻璃鋼樣板的實(shí)驗(yàn)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(jìn)行劃痕處理。直至5 000 h后實(shí)驗(yàn)結(jié)束，玻璃鋼樣板均未出現(xiàn)明顯變化?？梢酝茰y(cè)，海上的鹽霧環(huán)境不會(huì)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(huì)產(chǎn)生一層薄液膜，遇到活性強(qiáng)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(qiáng)，離子半徑又小，所以很容易穿過(guò)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(huì)使玻璃鋼樣板產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。但是顯然，未受涂層保護(hù)的金屬將遭到很?chē)?yán)重的腐蝕。

各個(gè)不同的涂層體系對(duì)氯離子的防護(hù)作用決定了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而最直觀的一個(gè)影響因素便是涂層的厚度。理論上講涂層越厚，涂層的防護(hù)性能越強(qiáng)。大部分樣板的飛濺區(qū)涂層的實(shí)驗(yàn)結(jié)果好于其它涂層的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也說(shuō)明了這一點(diǎn)。但是，對(duì)于同一涂層體系來(lái)說(shuō)，并非涂層越厚，防腐蝕性能越好，這與各個(gè)公司本身的涂料工藝有很大的關(guān)系。對(duì)于參與實(shí)驗(yàn)的幾家公司的樣品來(lái)說(shuō)，以更薄的涂層得到相同或相近的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其涂料工藝更好。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們可以得到幾家公司所提供的樣品中滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)而言之，當(dāng)提升涂料工藝后，涂層厚度達(dá)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(shí)驗(yàn)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?yàn)闃影宓耐繉訉?duì)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(dá)金屬表面，引起腐蝕。企業(yè)可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和原先的工藝去尋找更為具體的原因，從而改進(jìn)生產(chǎn)工藝，設(shè)計(jì)更薄的涂層，不僅滿(mǎn)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(yàn)結(jié)果

圖2 6-2涂層體系試驗(yàn)結(jié)果

2 耐濕性實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

耐濕性實(shí)驗(yàn)的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 13893-2008 《色漆和清漆 耐濕性的測(cè)定 連續(xù)冷凝法》，通過(guò)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(shí)驗(yàn)針對(duì)的是機(jī)艙內(nèi)部的電氣設(shè)備，所以實(shí)驗(yàn)樣板為金屬樣板。實(shí)驗(yàn)方法為通過(guò)對(duì)試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(gè)涂料公司提供。實(shí)驗(yàn)前不對(duì)樣板做任何處理。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2 000 h，1 000 h取樣一次，取樣數(shù)目為每組3塊。在實(shí)驗(yàn)時(shí)間的第500 h，1 000 h，1 500 h，2000 h進(jìn)行實(shí)驗(yàn)中和實(shí)驗(yàn)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(píng)定》的第二部分到第五部分，分別為起泡、銹蝕、開(kāi)裂、剝落的外觀檢查。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)圖3）

直至2 000 h后實(shí)驗(yàn)結(jié)束，所有樣板的涂層均未出現(xiàn)起泡、銹蝕、開(kāi)裂、剝落現(xiàn)象。這說(shuō)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(shí)候，在相同的時(shí)間段內(nèi)，風(fēng)電設(shè)備遭受鹽霧腐蝕的時(shí)間遠(yuǎn)比遭受凝露腐蝕的時(shí)間長(zhǎng)，所以連續(xù)冷凝法的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)間要少于中性鹽霧實(shí)驗(yàn)，以更好地模擬真實(shí)環(huán)境。但是2 000 h的耐中性鹽霧實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)耐濕性實(shí)驗(yàn)具有一定的參考價(jià)值。由于氯離子本身吸濕性很強(qiáng)，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(qiáng)[3]，所以表現(xiàn)出來(lái)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(lái)說(shuō)，2 000 h的耐中性鹽霧實(shí)驗(yàn)的結(jié)果應(yīng)當(dāng)比2 000 h耐濕性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果差。當(dāng)耐中性鹽霧實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(lái)說(shuō)，2 000 h耐濕性實(shí)驗(yàn)后，同樣的樣板涂層體系也不應(yīng)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。

3 耐霉菌實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

耐霉菌實(shí)驗(yàn)的依據(jù)是GB/T 1741-2007《漆膜耐霉菌性測(cè)定法》，實(shí)驗(yàn)菌種選用外墻漆膜防霉實(shí)驗(yàn)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(duì)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(yàn)和2 000 h耐濕性試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

實(shí)驗(yàn)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(gè)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(gè)不同的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的涂層分別為膩?zhàn)?、油漆、膩?zhàn)雍陀推岬幕旌贤繉?，用以比較同種膩?zhàn)硬煌推岬耐繉芋w系和同種油漆不同膩?zhàn)拥耐繉芋w系的長(zhǎng)霉情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果依據(jù)GB/T 1741-2007《漆膜耐霉菌性測(cè)定法》評(píng)價(jià)樣板的長(zhǎng)霉等級(jí)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

直至28天后實(shí)驗(yàn)結(jié)束，除了那一組每塊包含了三個(gè)區(qū)域的樣板，有4組樣板的長(zhǎng)霉等級(jí)均為2級(jí)（肉眼明顯看見(jiàn)長(zhǎng)霉，在樣品表面的覆蓋面積為10 %～30 %），剩下那組樣板的長(zhǎng)霉等級(jí)為3級(jí)（肉眼明顯看見(jiàn)長(zhǎng)霉，在樣品表面的覆蓋面積為30 %～60 %）。那一組每塊包含了三個(gè)區(qū)域的樣板中，只有一塊樣板的膩?zhàn)訁^(qū)域長(zhǎng)霉等級(jí)為3級(jí)，其它所有區(qū)域的長(zhǎng)霉等級(jí)均為2級(jí)。

3.3 結(jié)果分析（見(jiàn)圖4）

有機(jī)材料比無(wú)機(jī)材料更易長(zhǎng)霉，因?yàn)槊咕芊纸庥袡C(jī)材料并將它們作為自己的養(yǎng)分，同時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的主要原因。大多數(shù)樣板涂料的長(zhǎng)霉等級(jí)為2級(jí)，而長(zhǎng)霉等級(jí)為3級(jí)的樣板涂料可能含有更多的對(duì)霉菌敏感組分?？梢栽谕苛现性黾訉?duì)防霉劑的添加。

那一組每塊包含了三個(gè)區(qū)域的樣板中，兩種油漆的長(zhǎng)霉等級(jí)均為2級(jí)，兩種膩?zhàn)拥拈L(zhǎng)霉等級(jí)為2級(jí)和3級(jí)，但是油漆和膩?zhàn)踊旌贤繉娱L(zhǎng)霉等級(jí)均為2級(jí)。可以推測(cè)，短時(shí)間內(nèi)，霉菌對(duì)內(nèi)層的膩?zhàn)硬o(wú)影響。霉菌發(fā)芽、分解含碳分子以及降解材料的最短時(shí)間是28天，但是長(zhǎng)霉對(duì)試件產(chǎn)生的間接侵蝕和物理影響不可能在較短的試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)[4]，所以若想考察霉菌對(duì)內(nèi)層涂料的影響，或是在確定長(zhǎng)霉對(duì)樣板的影響方面需要提高確定度和降低風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可以考慮延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)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(huì)使其產(chǎn)生一些性能問(wèn)題，可以通過(guò)增加防護(hù)涂層以減緩其腐蝕速度，增加設(shè)備的服役時(shí)間。針對(duì)這種環(huán)境而設(shè)計(jì)的三種實(shí)驗(yàn)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(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果能獲得以下結(jié)論：

1）企業(yè)改進(jìn)涂料工藝可以適當(dāng)減小涂層的厚度，以節(jié)省成本。通過(guò)耐中性鹽霧實(shí)驗(yàn)獲得的最為經(jīng)濟(jì)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(yàn)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(hù)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(guó)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(duì)Q235鋼早期大氣腐蝕的影響[N].中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào), 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(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第10部分：霉菌試驗(yàn)[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(cè)試工作。