駱光杰,周茂強,李野,顧勇
(1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江 杭州 311122;2.浙江華東工程咨詢有限公司,浙江 杭州 311122;3.上海湟龍智能科技有限公司,上海 200240)
我國海上風(fēng)能資源豐富。風(fēng)能作為一種清潔環(huán)保的可再生能源替代傳統(tǒng)化石能源的產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景非常廣闊。目前在我國海上風(fēng)電項目中,風(fēng)機基礎(chǔ)大多采用大直徑單樁基礎(chǔ)型式,由于承載著風(fēng)機系統(tǒng)安全運營的重任,因此,鋼管樁的防腐性能關(guān)系到整個風(fēng)電工程的安全運行。環(huán)氧樹脂涂層因能良好阻隔外界環(huán)境對鋼結(jié)構(gòu)材料的腐蝕而被廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境中[1-2]。但是環(huán)氧樹脂在較高溫度下,承受較強腐蝕介質(zhì)(較強酸、堿和溶劑等)的能力較差[3],而且鋼管樁防腐涂層厚度在水流沖刷作用下會逐漸變薄,削弱涂層對鋼管樁的保護作用,使鋼管樁極易發(fā)生腐蝕。受腐蝕后鋼結(jié)構(gòu)的物理、力學(xué)性能會大幅下降,腐蝕嚴重時將會直接縮短整個工程結(jié)構(gòu)的使用壽命[4]。除正常的工作荷載、環(huán)境荷載的作用外,海上風(fēng)電工程鋼管樁還受到偶然荷載威脅,如船舶的碰撞等偶然荷載引發(fā)的海洋工程結(jié)構(gòu)事故。事故導(dǎo)致涂層的刮傷損壞引起的局部腐蝕危害更為嚴重,將造成巨大的經(jīng)濟損失。
實際運營中,防腐涂層的失效來自多方面的因素:存在于涂層表面或內(nèi)部的微觀缺陷導(dǎo)致在涂層/金屬界面的不同部位形成陰極區(qū)和陽極區(qū),加速金屬基體的腐蝕[5];涂層與金屬基體界面附著力的降低,使得涂層與金屬基體的結(jié)合強度降低,進而導(dǎo)致涂層起泡或剝離[6-7];機械損傷、應(yīng)力等因素導(dǎo)致的涂層損傷使涂層體系的低頻阻抗模值迅速降低,電容瞬間增大,腐蝕加速[8]。
在上述諸多微觀缺陷中,基體表面的不均勻性位列第一。涂層的耐蝕性能與涂層的附著力直接相關(guān)[9]。研究成果表明[10],通過增加涂層厚度可以降低微觀缺陷面積,從而有效提高涂層的抗介質(zhì)滲透能力和對金屬基體的保護作用。因此,本研究通過設(shè)置石墨烯光敏復(fù)合增強纖維預(yù)浸帶作為鋼管樁重防腐涂層的中間漆增強層,以提高海上風(fēng)電鋼管樁飛濺區(qū)重防腐涂層的綜合防腐性能,并比較改善措施的實施效果。
(1)飛濺區(qū)鋼管樁重防腐涂層:SIGMACOVER850環(huán)氧富鋅底漆、改性環(huán)氧中間漆,均為佐敦涂料(張家港)有限公司生產(chǎn)的佐敦工業(yè)保護漆Penguard pro GF;面漆,HARDTOP AX脂肪族聚氨酯面漆(SIGMADUR550),涂層采用無氣噴涂方式。
(2)石墨烯光敏復(fù)合增強纖維保護層:由粘結(jié)層(無溶劑柔性環(huán)氧底膠)、中間層(光敏復(fù)合增強纖維預(yù)浸帶)和表面層(光敏膠-石墨烯改性丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠)組成,江蘇修德材料科技有限公司生產(chǎn)。光敏復(fù)合增強纖維預(yù)浸帶規(guī)格尺寸見表1,主要技術(shù)性能指標見表2。
表1 光敏復(fù)合增強纖維預(yù)浸帶的規(guī)格尺寸
表2 光敏復(fù)合增強纖維預(yù)浸帶的主要技術(shù)性能指標
(1)試樣制備:首先用鋼砂對鋼板表面進行除銹,除銹等級為Sa2.5,粗糙度達到ISO 8503中規(guī)定的“中等(G)級別”;表面處理后4 h內(nèi)完成鋼板表面底漆的高壓無氣噴涂,底漆、第1道中間漆、第2道中間漆、面漆的設(shè)計厚度分別為400、400、200、60 μm(總厚度為1060 μm),在下道漆施工前,必須對前道涂層進行缺陷修正以及表面的清潔工作,清除油污、灰塵等。
(2)附著力測試:按ISO 4624—2002《色漆和清漆拉開法附著力試驗》,采用拉開法測試涂層的附著力,測試儀器為PAT M01液壓型測試儀。
(3)涂層干膜厚度測試:按GB/T 13452.2—2008《色漆和清漆漆膜厚度的測定》,采用磁性涂層測厚儀進行測試。
附著力反映涂層與金屬基體結(jié)合力,是決定涂層防護作用的重要因素之一[11]。由于附著力測試是破壞性試驗,現(xiàn)場采用尺寸為400 mm×200 mm×65 mm的3塊鋼樣板與鋼管樁同步進行防腐涂層噴涂,每塊樣板隨機取2個點進行測試。測試結(jié)果見表3,統(tǒng)計分析結(jié)果見表4、表5。
表3 鋼樣板涂層厚度及附著力測試結(jié)果
表4 現(xiàn)場鋼樣板各涂層厚度統(tǒng)計分析
表5 現(xiàn)場鋼樣板各涂層附著力統(tǒng)計分析
從表4可以看出,3塊鋼樣板小面積施工(400 mm×200 mm×65 mm)時,底漆、中間漆和面漆厚度的標準差在11.37~39.84之間,其中底漆與中間漆的標準差和變異系數(shù)差別不大,但面漆的標準差是底漆的2.57倍;變異系數(shù)在0.027~0.106之間,其中面漆的變異系數(shù)是底漆的3.31倍。說明面漆涂層的質(zhì)量波動大,其質(zhì)量最不穩(wěn)定。
從表5可以看出:中間漆和面漆的附著力標準差分別為底漆的1.8、1.2倍,變異系數(shù)分別為底漆的2.1、1.1倍,說明中間漆和面漆附著力的質(zhì)量波動較大;但各涂層的附著力均值均符合NB/T 10626—2021《海上風(fēng)電場工程防腐蝕設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的≥8 MPa的要求。
因為鋼管樁上無法進行附著力測試,所以鋼管樁重防腐涂層的現(xiàn)場施工僅僅對各涂層厚度進行控制,涂層厚度只要滿足施工技術(shù)規(guī)定“干膜厚度應(yīng)大于或等于設(shè)計厚度值者應(yīng)占檢測點總數(shù)的90%以上,其它測點的干膜厚度也不應(yīng)低于90%的設(shè)計厚度值”即可。極少有文獻關(guān)注各涂層施工質(zhì)量的波動。
為保證涂層質(zhì)量,飛濺區(qū)(π×5500 mm×20 000 mm),均勻分布測試32個測點,鋼管樁現(xiàn)場重防腐涂層底漆、第1道中間漆、第2道中間漆、面漆分4次涂裝,涂層厚度設(shè)計值分別為400、400、200、60 μm?,F(xiàn)場鋼管樁各涂層厚度測試結(jié)果見圖1。
從圖1可見,底漆、第1道中間漆的厚度分布基本呈兩端低、中間高的正態(tài)分布形態(tài),第2道中間漆與面漆的厚度分布非常散亂,毫無規(guī)律。以上各涂層厚度的統(tǒng)計分析結(jié)果見表6。
圖1 鋼管樁各涂層厚度測試結(jié)果
表6 現(xiàn)場鋼管樁各涂層厚度統(tǒng)計分析結(jié)果
從表6可見,現(xiàn)場鋼管樁重防腐涂層中,底漆、中間漆、面漆的標準差在29.16~98.82之間,變異系數(shù)在0.065~0.496之間,且隨涂層厚度累計增量的增加而增大;第1道中間漆、第2道中間漆、面漆的標準差和變異系數(shù)均大于底漆,分別為底漆的1.2、2.5、3.4倍,變異系數(shù)分別為底漆的1.2、3.3、7.6倍。
比較表4鋼樣板涂層厚度統(tǒng)計分析結(jié)果和表6鋼管樁涂層厚度統(tǒng)計分析結(jié)果可知,與鋼樣板涂層厚度的標準差相比,鋼管樁涂層實際施工時,各涂層厚度的標準差都增大了2倍以上;底漆、第1道中間漆的變異系數(shù)增大了2倍以上,第2道中間漆、面漆的變異系數(shù)增大了5~8倍。與鋼樣板面積相比,鋼管樁的涂刷面積增加了66倍。說明涂刷面積越大,各涂層厚度越不均勻。
為了改善鋼管樁中間漆和面漆質(zhì)量,將(2000±400)μm厚度的石墨烯光敏復(fù)合增強纖維預(yù)浸帶置于面漆之下,作為中間漆增強層,擬通過提高面漆附著力增強涂層的綜合防腐性能。
6組石墨烯光敏復(fù)合增強纖維預(yù)浸帶作為中間漆增強層鋼管樁涂層總厚度和整體附著力測試結(jié)果與統(tǒng)計分析結(jié)果分別見表7和表8。
表7 石墨烯光敏復(fù)合纖維預(yù)浸帶增強中間漆鋼樣板涂層測試結(jié)果
從表7可以看出,采用石墨烯光敏復(fù)合增強纖維預(yù)浸帶增強中間漆,其鋼樣板涂層總平均厚度為1708 μm,遠大于普通重防腐涂層設(shè)計厚度1060 μm,實現(xiàn)了厚膜化;其總體平均附著力增大了24%,達12.49 MPa,明顯大于普通重防腐涂層的10.07 MPa(見表5)。
同時分析現(xiàn)場鋼管樁采用石墨烯光敏復(fù)合增強纖維預(yù)浸帶增強中間漆后各涂層的質(zhì)量,現(xiàn)場測試結(jié)果見圖2。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析見表8。
圖2 石墨烯光敏復(fù)合增強纖維預(yù)浸帶增強中間漆鋼管樁各涂層厚度測試結(jié)果
表8 現(xiàn)場石墨烯光敏復(fù)合增強纖維預(yù)浸帶增強鋼管樁中間漆各涂層厚度統(tǒng)計分析結(jié)果
對比分析表8和表6可知,采用石墨烯光敏復(fù)合纖維預(yù)浸帶增強中間漆時,面漆厚度的標準差減小了45.9%,變異系數(shù)減小了72.6%,與小面積噴涂鋼樣板的涂層相近。而且其較小的標準差和變異系數(shù)也體現(xiàn)了石墨烯光敏復(fù)合增強纖維保護層作為中間漆增強層可使鋼管樁的防腐性能更穩(wěn)定。
(1)現(xiàn)場鋼管樁重防腐涂層中,底漆、中間漆、面漆的標準差和變異系數(shù)隨涂層厚度累計增量的增加而增大;第1道中間漆、第2道中間漆、面漆的標準差分別為底漆的1.2、2.5、3.4倍,變異系數(shù)分別為底漆的1.2、3.3、7.6倍。說明涂層厚度越大,其波動幅度越大,涂層質(zhì)量越不穩(wěn)定。
(2)雖然各涂層的附著力均值符合NB/T 10626—2021規(guī)定的不小于8 MPa的要求。但是與底漆相比,中間漆、面漆附著力的標準差和變異系數(shù)增大了近2倍,說明涂層附著力的質(zhì)量波動也隨涂層厚度增加而增大。
(3)采用石墨烯光敏復(fù)合增強纖維預(yù)浸帶增強中間漆,能使面漆總體平均附著力增大24%,使面漆的標準差減小45.9%,變異系數(shù)減小72.6%。