周繼承， 李 浩， 樊俊鵬， 梁偉鋒， 李家樂

(1.廣東電網(wǎng)有限責任公司東莞供電局， 廣東 東莞 523120； 2.華南理工大學電力學院， 廣東 廣州 510640)

0 前 言

預制艙式變電站是基于戶外箱式變電站產品的成熟制造技術。 相比于傳統(tǒng)的變電站建設模式，預制艙式變電站具有以下特點:①建造周期短；②占地面積小，便于移動；③現(xiàn)場工作少；④產品質量可靠。

由于預制艙需要代替原來變電站中的二次基建房屋使用，因此預制艙體設計的最大難題是防腐技術和使用壽命。 根據(jù)DL 5457－2012“變電站建筑結構設計技術規(guī)程”的要求，預制艙式變電站構架及設備最低使用年限為25～50 a，按最高設計年限50 a 設計[1]，因此對于防腐材料的選擇是至關重要的。 廣東地處南亞熱帶季風氣候且臨海，高溫、高濕且高鹽的海洋性大氣環(huán)境，容易引起大氣環(huán)境腐蝕，再加上重工業(yè)發(fā)展帶來的工業(yè)環(huán)境污染大氣使戶外布置變電設備容易發(fā)生腐蝕和故障，其腐蝕性遠遠超過我國北方大部分區(qū)域，變電站承受最嚴重的大氣環(huán)境腐蝕作用等級應為C5 級。為此，本工作選擇5 種傳統(tǒng)涂鍍/層(電鍍鋅層、熱鍍鋅板、熱鍍鋅增厚鍍層、熱鍍鋅＋聚氨酯涂層、氟碳漆復合涂層)以及環(huán)氧石墨烯涂層、熱鍍鋅鋁鎂鍍層、熱鍍鋅＋超疏水涂層3 種新涂層開展了不同涂層體系粘結強度試驗和中性鹽霧加速等腐蝕試驗，根據(jù)中性鹽霧及腐蝕失重率結果，總結出適合預制艙式變電站構架的防腐蝕方法。

1 試 驗

1.1 3 種新防腐涂層技術簡介

(1)鋼板＋石墨烯富鋅涂層 石墨烯具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性，對小分子具有不滲透性，具有導電性[2]。 石墨烯與有機相界面作用力較大，利用氧化石墨烯改性和還原制備在有機涂層中分散性較好的還原氧化石墨烯，可以增強石墨烯改性富鋅涂層的耐蝕性能[3]。

石墨烯/環(huán)氧富鋅涂層耐蝕機理主要包含:①物理抑制，涂層中不可滲透的片狀石墨烯可延長腐蝕介質到基體的滲透路徑；②化學抑制，隨著腐蝕介質擴散至鋼鐵基體表面，石墨烯起到“電橋”的鏈接作用，涂層中鋅粉粒子與基體之間形成犧牲陽極保護作用，從而抑制腐蝕并可以達到降低Zn 粉含量的功能[4]。

(2)鋼板＋鋅鋁鎂(HGAM)鍍層 Zn-Al-Mg 合金鍍層是在熱浸鍍技術高速發(fā)展的大環(huán)境下出現(xiàn)的，具有優(yōu)異的耐蝕性、成型性、涂漆性[5]。 Zn-Al-Mg 鍍層發(fā)生腐蝕時，MgZn2相、Al 相會逐步發(fā)生電離，結合OH－生成均勻致密的堿性鋅鹽、Zn-Al 或Mg-Al 層狀雙金屬氫氧化物膜層等腐蝕產物，降低陰極反應速率，抑制腐蝕[6，7]。 但是現(xiàn)在鋅鋁鎂技術多應用于連續(xù)鍍鋅板帶，其鋅層厚度較薄，在應用于傳統(tǒng)批量熱鍍鋅中，不能滿足GB/T 13912“金屬覆蓋層 鋼鐵制件熱浸鍍鋅層技術要求及試驗方法”中對鋅層厚度的要求。 本文試驗時將鋅鋁鎂板帶技術引入到批量熱鍍鋅中，鍍鋅層厚度滿足標準要求，而耐腐蝕大幅提高。

(3)鋼板＋熱鍍鋅＋聚氨酯超疏水涂層 當液滴滴在固體表面時，由于潤濕性不同可以出現(xiàn)不同的形狀。根據(jù)接觸角(液滴在固液接觸邊緣的切線與固體平面間的夾角θ)的大小，固體材料被分為親水材料和疏水材料。 當水接觸角大于150°的材料被認為是超疏水材料[8，9]，它是一種仿生材料，表面具有良好的自清潔性，腐蝕介質不容易殘留在表面，同時，超疏水表面存在一層空氣層，在超疏水涂層浸泡到腐蝕介質中時，可以阻擋腐蝕介質的侵蝕[10]。

1.2 涂層的制備

8 種涂/鍍層，基材都選用Q235 低碳鋼板，將其裁剪成尺寸150 mm × 75 mm × 2 mm。

1.2.1 傳統(tǒng)涂層的制備

對于傳統(tǒng)的涂層制備，按照表1 厚度標準進行制備，并得到試驗樣品，經(jīng)過測量得到以下數(shù)據(jù)。 其中氟碳漆復合涂層底漆厚度為80 μm，中間漆厚度為165 μm，面漆厚度為123 μm。 鋼板＋熱鍍鋅＋聚氨酯涂層的熱鍍鋅層厚度為83 μm，聚氨酯漆層厚度為90 μm。

表1 傳統(tǒng)涂層試驗樣品厚度要求及試驗樣品厚度Table 1 Traditional coating experimental sample thickness standard and experimental sample thickness

1.2.2 新涂層的制備

(1)鋼板＋石墨烯富鋅涂層 制備60%(質量分數(shù))鋅粉及0.3%(質量分數(shù))石墨烯含量的富鋅漆，然后經(jīng)過噴涂制備成鋼板＋石墨烯板，噴涂后在60 ℃下烘干48 h 使漆膜固化。 所制備的涂層經(jīng)過3 道噴涂后涂層厚度約為180～190 μm。

(2)鋼板＋鋅鋁鎂(HGAM)鍍層 試樣采用如下工藝進行前處理:堿洗除油→水洗→酸洗除銹→水洗→鋅鋁鎂專用助鍍→烘干。

取配制好的Zn-Al-Mg 合金錠置于石墨坩堝中加熱至(450±2) ℃。 試樣在前處理完成后進行鍍鋅，鍍鋅時間為3 min，鍍鋅后采用水冷。 所制備的鋁鎂鍍層鋅層厚度為50～60 μm，比傳統(tǒng)的鋼板＋熱鍍鋅層厚度減薄40%以上。

(3)鋼板＋熱鍍鋅＋聚氨酯超疏水涂層 基材經(jīng)打磨并在乙醇超聲清洗20 min 后用吹風機吹干，將超疏水粉末在機械攪拌下均勻分散至聚氨酯粉末中，直接噴涂至熱鍍鋅層表面，經(jīng)高溫烘烤固化成膜，水冷后即可在熱鍍鋅層表面成功制備超疏水聚氨酯粉末涂層。 制備的聚氨酯涂層總涂層厚度在170 ～180 μm，其中鋅層厚度90～100 μm，聚氨酯粉末超疏水涂層厚度約70～80 μm。

1.3 測試分析

1.3.1 結合力測試

涂層試樣附著力的測試方法采用GB/T 9286－2021“色漆和清漆漆膜的劃格試驗”進行:用劃格刀在涂層表面劃出5×5 一共25 個小方格，用膠布緊緊粘貼在劃格處后撕開，觀察劃格處涂層剝離情況。

1.3.2 中性鹽霧加速腐蝕試驗

參照GB/T 10125－2012“人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗”進行試驗，鹽霧試驗時間分別為480，960，1 440 h，電鍍鋅樣品進行480 h 鹽霧試驗。

1.3.3 腐蝕失重測試

鋼板＋熱鍍鋅層、鋼板＋熱鍍鋅增厚以及鋅鋁鎂鍍層經(jīng)過鹽霧試驗后，采用乙酸銨去除樣品表面的白銹，與原始試樣的質量進行對比，算出失重率。

2 結果與討論

2.1 不同漆層體系附著力試驗

不管是現(xiàn)有傳統(tǒng)涂層制備的鋼板＋氟碳酸漆復合涂層，還是鋼板＋環(huán)氧石墨烯富鋅涂層、鋼板＋熱鍍鋅＋普通聚氨酯涂層以及鋼板＋熱鍍鋅＋聚氨酯超疏水涂層，經(jīng)過劃格試驗后，未觀察到漆層剝落，附著力等級為0 級，表明涂層與基體的結合力都較好。

2.2 中性鹽霧加速腐蝕試驗

(1)電鍍鋅板 經(jīng)過480 h 鹽霧后，鋼板＋電鍍鋅板試片表面布滿紅銹，說明其耐腐蝕性較差。 這是因為電鍍鋅層厚度僅有3～5 μm 左右，在鹽霧條件下，電鍍鋅層快速被腐蝕完，鐵基體暴露后產生紅銹。 經(jīng)過1 440 h 鹽霧后，表面已經(jīng)形成非常厚的一層紅銹層。因此室外的工件，不建議采用電鍍鋅板。

(2)鋼板＋熱鍍鋅、鋼板＋熱鍍鋅增厚鍍層及鋼板＋鋅鋁鎂鍍層 經(jīng)過480 h 鹽霧后，熱鍍鋅層表面已經(jīng)整體覆蓋一層白銹，白銹由Zn(OH)2/ZnO、堿式碳酸鋅、堿式氯化鋅組成。 隨著鹽霧時間的延長，鍍鋅層表面的白銹逐漸增多，鍍鋅層增厚后的鍍件也存在一樣的現(xiàn)象。 經(jīng)過480 h 鹽霧后，鋅鋁鎂鍍層表面大部分區(qū)域出現(xiàn)白色腐蝕產物，但是仍有部分區(qū)域沒有覆蓋白色產物，并且腐蝕產物不厚，說明在相同的鹽霧時間下，鋅鋁鎂鍍層比純鋅層被腐蝕的程度更輕，鋅鋁鎂鍍層顯示出更好的耐腐蝕性。 與純鋅層相比，經(jīng)過960 h 和1 440 h鹽霧的鋅鋁鎂鍍層仍然顯示出更少白銹，表示出更好的耐腐蝕性。

采用乙酸銨去除樣品表面的白銹，與原始試樣的質量進行對比，算出失重率，結果如表2 所示。 圖1 為3 種涂層在鹽霧條件下的失重隨時間的變化圖，從圖可以看出，鋼板＋熱鍍鋅層及鋼板＋熱鍍鋅增厚鍍層在鹽霧條件下的腐蝕速率基本一樣，在前期腐蝕快一些，隨著腐蝕的進行，涂層表面覆蓋的腐蝕產物增多后，適當減緩了腐蝕的發(fā)生，腐蝕速率變緩，2 種鍍層的腐蝕行為基本一樣。 而鋼板＋熱鍍鋅增厚涂層因為具有更厚的涂層，在相等腐蝕速率下，可顯示出更長時間的耐腐蝕性。 鋼板＋鋅鋁鎂鍍層的腐蝕速率更低，在鹽霧條件下其腐蝕失重為純鋅層的1/3，耐腐蝕性比傳統(tǒng)熱鍍鋅層的提高了2 倍。 所以對于室外的一些熱鍍鋅件，為響應國家節(jié)能降耗的要求，可以使用鋅鋁鎂鍍層，這樣在適當減薄鍍層的條件下耐腐蝕性并未下降，或者與傳統(tǒng)熱鍍鋅層相等的鍍層厚度下，可以獲得更好的耐腐蝕性及更長的使用壽命。

圖1 不同鍍層經(jīng)不同鹽霧試驗后的腐蝕程度Fig.1 Corrosion degree of different coatings after different salt spray tests

表2 不同鍍層經(jīng)不同時間鹽霧的腐蝕速率Table 2 Corrosion rate of different coatings with different time salt spray

熱鍍鋅涂層在不同環(huán)境下的首次維修壽命及耐用度如表3 所示(參考標準GB/T 13912)。 根據(jù)表3 可知，85 μm 的熱鍍鋅層在C5 大氣環(huán)境下首次維護時間為10 ～20 a，而140 μm 的鍍鋅層的首次維護時間為17～33 a。 鋅層厚度85 μm 和140 μm 的鍍層在C5 環(huán)境下最短首次維護時間為10 a 和17 a，要滿足C5 環(huán)境下15 a 不銹蝕的要求，需要鋅層厚度達到140 μm。 對于預制艙室外的一些熱鍍鋅件，可以選擇熱鍍鋅層適當增厚的工藝，或者選用鋅鋁鎂鍍層，但鋅鋁鎂鍍層的長期耐腐蝕性需要在現(xiàn)實應用中驗證。 同時，可選擇熱鍍鋅＋涂漆工藝。

表3 熱鍍鋅涂層在不同腐蝕環(huán)境中首次維修壽命和耐用度Table 3 First service life and durability of hot-dip galvanized zinc coating in different corrosive environments

(3)鋼板＋氟碳酸漆涂層與鋼板＋環(huán)氧石墨烯涂層

鋼板＋氟碳漆復合涂層與鋼板＋環(huán)氧石墨烯富鋅涂層都是以鋼板為基體，且都是在鋼板表面直接進行涂裝，所以將鋼板＋氟碳漆涂層與石墨烯富鋅涂層進行對比，研究兩者的耐腐蝕性。 鋼板＋氟碳漆涂層經(jīng)過480 h 鹽霧后，漆層并未發(fā)生明顯變化，表面無起泡、脫落等現(xiàn)象，劃痕處出現(xiàn)紅銹，劃痕處無起泡、脫落等現(xiàn)象，展現(xiàn)了較窄的腐蝕擴展寬度。 經(jīng)960 h 鹽霧后，漆層仍未發(fā)生明顯變化，劃痕處的紅銹增多，腐蝕寬度也增加不明顯。 經(jīng)1 440 h 鹽霧后，漆層表面無起泡、脫落等現(xiàn)象，劃痕處的腐蝕寬度與960 h 差異不大，表明氟碳酸漆復合涂層具有良好的耐腐蝕性。

鋼板＋環(huán)氧石墨烯富鋅涂層經(jīng)過480 h 鹽霧后，漆層表面出現(xiàn)部分紅銹，這是試驗時樣品四周封邊未封好，樣品板反面的鋼基體腐蝕導致。 劃痕處未出現(xiàn)鼓泡或者漆層剝落現(xiàn)象。 經(jīng)過960 h 鹽霧和1 440 h 鹽霧后，劃痕處仍未出現(xiàn)漆層起泡或者剝落現(xiàn)象。

鋼板＋氟碳漆復合涂層與鋼板＋環(huán)氧石墨烯富鋅涂層經(jīng)過1 440 h 鹽霧后，膜層的劃痕處的涂層都未發(fā)生起泡或者剝落，都保持較好的耐腐蝕性。 但是石墨烯富鋅涂層厚度僅約為氟碳漆涂層厚度的1/2。 考慮成本因素，采用環(huán)氧石墨烯涂層可以在保持相同耐腐蝕性的前提下節(jié)約原材料。

鋼結構涂層材料的選擇及C5 環(huán)境下的防腐蝕層厚度可參照ISO 12944.5－2018“色漆和清漆-鋼結構防腐蝕保護的防護涂裝體系-第5 部分:防護涂裝體系”，見表4。

表4 ISO 12944.5-2018 腐蝕性級別C5 下碳鋼選用涂料體系Table 4 Coating systems for carbon steel in corrosion class C5

依據(jù)ISO 12944.5－2018，暴露在陽光下時，大多數(shù)環(huán)氧涂層會粉化，而聚氨脂涂料有芳香族的也有脂肪型族的。 因此，在C5 大氣環(huán)境下，室外暴曬的鋼結構表面涂層材料應避免選用環(huán)氧及芳香族聚氨酯作為面涂層。 除了上述涂裝技術，其他涂裝技術也可能是適合的，如聚硅氧烷、聚天門冬氨酸酯和氟聚合物等技術。 但由于沒有相關技術標準，在選用時需要根據(jù)該涂層技術的相關技術指標是否符合規(guī)定的耐久性要求，來加以確定。

試驗中的氟碳體系，底漆層為80 μm 環(huán)氧富鋅底漆，達到ISO 12944.5－2018 的推薦要求；中間漆層為厚漿型環(huán)氧云鐵，厚度160 μm，面漆層為120 μm 的氟碳面漆，總厚度為360 μm，可滿足C5 環(huán)境下長期的使用，若是需要達到超長的一個防腐效果，建議漆層再適當增厚。 同時，鋼板表面覆蓋石墨烯富鋅涂層，雖然石墨烯富鋅涂層的厚度僅有180 μm，但去其他涂層進行了相同時間的鹽霧試驗后，其顯示出較好的耐腐蝕性。雖然鋼鐵表面＋石墨烯涂層的耐鹽霧性能較好，但是其作為一種新的涂層技術，其長久耐腐蝕性也需在實際應用中進行認證。

(4)鋼板＋熱鍍鋅＋聚氨酯涂層及鋼板＋熱鍍鋅＋超疏水涂層 鋼板＋熱鍍鋅＋聚氨酯涂層經(jīng)過480 h 鹽霧試驗后，聚氨酯涂層表面未發(fā)生腐蝕，在劃痕處存在白銹，為劃痕處裸露鋅層產生的白銹。 而經(jīng)過960 h 及1 440 h 鹽霧后，劃痕處腐蝕寬度持續(xù)增加至2 mm，涂層表面仍然未發(fā)生腐蝕，未出現(xiàn)涂層起泡及脫落現(xiàn)象，僅是涂層處的白銹增多。

鋼板＋熱鍍鋅＋超疏水聚氨酯涂層經(jīng)過480 h 鹽霧后，表面存在部分的白色產物，為封邊不良導致(超疏水層的存在導致膠布與漆層的結合力較差)板周邊的鍍鋅層產生白銹而擴散到表面，漆層劃痕處不存在白銹，未出現(xiàn)漆層起泡、剝落等現(xiàn)象，劃痕處腐蝕寬度較窄。 繼續(xù)延長鹽霧時間至960 h 和1 440 h，漆層表面無明顯變化，劃痕處白銹增多，漆層無起泡剝落等現(xiàn)象。 從鹽霧結果看，聚氨酯涂層及超疏水聚氨酯涂層無明顯區(qū)別，劃痕腐蝕寬度為2 mm，顯示出較好的耐腐蝕性。

從前面熱鍍鋅層的鹽霧腐蝕結果可知，熱鍍鋅具有較好的耐腐蝕性，86 μm 厚度的鋅層在C5 環(huán)境下的不維護條件下的使用壽命至少可達10 a。 可進一步提高鋅層厚度，也可以在鍍鋅層表面再涂漆來提高耐腐蝕性。 熱鍍鋅層＋涂漆層不僅減少了基材腐蝕導致漆層從內被破壞，同時隔絕了腐蝕介質與鋅層的直接物理接觸，達到1＋1＞2 的效果，即熱鍍鋅＋涂漆層的耐腐蝕的壽命比熱鍍鋅層的壽命加涂漆層的壽命之和還高，約1.2～2.0 倍。

鋼構件熱鍍鋅后的涂裝要求，可依據(jù)ISO 12944.5－2018“色漆和清漆-鋼結構防腐蝕保護的防護涂裝體系-第5 部分:防護涂裝體系”熱鍍鋅鋼表面涂裝體系，在C5 大氣環(huán)境下具體要求見表5。

表5 ISO 12944.5-2018 腐蝕等級為C5 下熱浸鋅鋼用涂料體系Table 5 Coating system for hot-dip galvanized steel with corrosion class C5

由表5 可知，C5 大氣環(huán)境下，熱鍍鋅層表面再涂裝可選用環(huán)氧、聚氨酯或丙烯酸涂層。 但是依據(jù)ISO 12944.5－2018，暴露在陽光下時，大多數(shù)環(huán)氧涂層會粉化，而聚氨脂涂料有芳香族的也有脂肪型族的。 芳香族的不推薦用作面涂層，因為它們有粉化傾向。 因此，C5大氣環(huán)境下，熱鍍鋅層表面再涂裝宜選用脂肪族的聚氨酯或丙烯酸涂層，環(huán)氧涂層可作為底涂層而不作為面涂層。 除了上述涂裝技術，其他涂裝技術也可能是適合的，如聚硅氧烷、聚天門冬氨酸酯和氟聚合物等技術。 但由于沒有相關技術標準，在選用時需根據(jù)該涂層技術的相關技術指標是否符合規(guī)定的耐久性要求，來加以確定。

同時，由表5 可知，在熱鍍鋅層表面制備一層厚度為240 μm 的涂漆層，可以保證其超長期(VH)的耐腐蝕性。 本試驗中選擇在鍍鋅層表面制備一層100 μm的新型聚氨酯層和超疏水聚氨酯涂層，適當減薄了涂漆層的厚度，但從鹽霧結果看其仍顯示出非常好的耐腐蝕性。 對于其在C5 環(huán)境下的長久耐腐蝕性也需在現(xiàn)實應用中進行認證。

3 結 論

(1)對8 種試驗涂/鍍層進行1 440 h 中性鹽霧性能測試，發(fā)現(xiàn)電鍍鋅板耐腐蝕性能較差，電鍍鋅板因鋅層薄，耐腐蝕性差，不建議直接作為戶外的防腐材料。其他涂層經(jīng)1 440 h 中性鹽霧后被破壞程度較低，顯示出較好的耐腐蝕性。

(2)熱鍍鋅層板具有良好的戶外耐腐蝕性，但是若用于C5 環(huán)境下，為保證其良好的耐腐蝕性，需要對鍍鋅層適當增厚。 鋅鋁鎂鍍層比傳統(tǒng)熱鍍鋅層顯示出更好的耐腐蝕性，針對一些耐腐蝕要求高的熱鍍鋅件可采用此工藝，但是因鋅鋁鎂鍍層技術為新型技術，實際效果需要在現(xiàn)實應用中進行驗證。

(3)鋼板＋環(huán)氧石墨烯涂層可在減薄涂層厚度的情況下保持良好的耐腐蝕性，且在鋅粉濃度較低的情況下仍然具有陰極保護效果，具有成本優(yōu)勢，可在一些工程中選擇試用。

(4)鋼板＋熱鍍鋅＋涂層顯示出比熱鍍鋅層更好的耐腐蝕性，鋼板＋熱鍍鋅＋涂漆可滿足C5 環(huán)境下的耐腐蝕需求。 鋼板＋熱鍍鋅＋超疏水涂層表面具有超疏水性能，大大提高了其耐腐蝕性，同時涂層表面具有自清潔性，可使得其保持良好的涂裝外觀。

(5)C5 環(huán)境下的預制艙的室外結構件不建議單獨使用電鍍鋅板加工而成，而建議對鋼結構進行涂裝至涂層厚度360 μm 或者采用熱鍍鋅(鋅層厚度大于140 μm)或熱鍍鋅鋁鎂工藝，也可使用熱鍍鋅＋涂漆的雙涂層工藝。 另外，預制艙的防腐可以試用一些新型涂層工藝，如石墨烯富鋅涂層和超疏水涂層，以適當降低涂層厚度，節(jié)約材料。