林辰，駱漢英，王志敏

（威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣州 510663）

前言

隨著當(dāng)今對(duì)能源需求的不斷增長(zhǎng)與生存環(huán)境的日益惡化之間矛盾的加劇，可再生能源受到越來越多的關(guān)注，在國家政策的加持下，多個(gè)沿海省份明確在“十四五”期間發(fā)展海上風(fēng)電的目標(biāo)，海上風(fēng)電業(yè)的不斷發(fā)展對(duì)海上風(fēng)電用材料提出了更高的要求。由于海上風(fēng)電處在惡劣的海洋環(huán)境中，常常受到太陽光、氧氣、海水等因素影響，尤其是風(fēng)電塔筒這種處于海洋環(huán)境最復(fù)雜的部位，從下到上依次會(huì)受到海泥區(qū)、全浸區(qū)、潮差區(qū)、飛濺區(qū)、海洋大氣區(qū)的不同環(huán)境影響，對(duì)塔筒材料特別是其表面涂層材料提出了更高的要求。

海上風(fēng)電塔筒是風(fēng)力發(fā)電的塔桿，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組起到支撐作用，一般以鋼作為主體基材，表面涂覆防腐涂料，因此，防腐涂料的選擇直接決定了塔筒的壽命。聚氨酯涂料是目前國內(nèi)塔筒的常用材料，以歐美標(biāo)準(zhǔn)制造且技術(shù)成熟、耐候性好。然而，該材料也存在短壽命和維護(hù)成本高的缺點(diǎn)，使得成本不斷提高。近年來，隨著國內(nèi)涂料技術(shù)的發(fā)展，各類防腐型涂料層出不窮。因此，為了考察各類防腐型涂料的性能，本文通過對(duì)業(yè)內(nèi)四家涂料廠家的樣板進(jìn)行循環(huán)老化試驗(yàn)的研究對(duì)比，初步評(píng)價(jià)不同涂層材料的耐腐蝕性，為海上風(fēng)電塔筒涂層材料的選擇提供一個(gè)參考。

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 12944-9:2018[1]是基于海上建筑及結(jié)構(gòu)用防護(hù)涂料體系的實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試方法，使防護(hù)涂料體系對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕保護(hù)的評(píng)價(jià)提供了參考作用。涂料系統(tǒng)的耐久性取決于許多外部因素，如環(huán)境，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，表面處理以及應(yīng)用等，也和系統(tǒng)的物理和化學(xué)特性有關(guān)，如粘合劑組成、干膜厚度與材質(zhì)等。這些主要通過光照、濕氣、溫度和鹽霧這些常見因素來表現(xiàn)漆膜對(duì)基材的保護(hù)能力。從Jacques[2]闡述的光、溫度、濕度等影響因素對(duì)涂層性能的影響可知，循環(huán)老化試驗(yàn)是通過實(shí)驗(yàn)室模擬各類極端氣候的綜合性人工試驗(yàn)，涵蓋紫外暴露、冷凝水暴露、鹽霧暴露、低溫暴露階段，綜合考慮到各種影響因素從而模擬防護(hù)涂料在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中所受到的各類極端環(huán)境的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)采用業(yè)內(nèi)某 A、B、C 和D 四家涂料廠生產(chǎn)的海洋飛濺區(qū)樣板（黃色）和海洋大氣區(qū)樣板（白色）兩種類型樣板，各廠家生產(chǎn)的樣板所用涂層材料信息見表1 和表2，基材均為碳鋼。

表1 海洋飛濺區(qū)樣板（黃色）涂層材料信息

表2 海洋大氣區(qū)樣板（白色）涂層材料信息

此次試驗(yàn)所使用的設(shè)備如下：

試驗(yàn)部分采用無錫蘇南試驗(yàn)設(shè)備的SY/Q-020 型濕熱鹽霧試驗(yàn)箱、美國Atlas 的UVTEST 型熒光紫外燈冷凝老化試驗(yàn)箱和廣州精秀熱工設(shè)備的SH1000A-40 型溫濕度循環(huán)試驗(yàn)箱，光澤度測(cè)量采用德國BYK 的BYK-4430型微型多角度光澤計(jì)，色差測(cè)量采用美國HunterLab 的UltraScan Pro 型高精度分光測(cè)色儀，膜厚測(cè)量采用德國HELMUT FISCHWER GMBH 的FMP10-20 型涂層測(cè)厚儀。

1.2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)參考ISO 12944-9：2018 附錄B 的循環(huán)老化試驗(yàn)程序，選擇海洋飛濺區(qū)樣板（黃色）和海洋大氣區(qū)樣板（白色）各8 件。試驗(yàn)前對(duì)所有樣板按照ISO 12944-9：2018 附錄A 要求劃線，并測(cè)量膜厚、60 °光澤度和色差，然后開始試驗(yàn)。按照試驗(yàn)程序，黃色樣板每6 周期、12 周期、18 周期、25 周期各取兩件，白色樣板每4 周期、8 周期、12 周期、16 周期各取兩件，每次周期取樣均對(duì)取出的樣板進(jìn)行膜厚、60 °光澤度和色差的測(cè)量，并處理劃線處腐蝕情況。循環(huán)老化試驗(yàn)程序如圖1 所示，一個(gè)周期持續(xù)一周（168 h），包括三個(gè)階段：①72 h 的紫外/冷凝暴露試驗(yàn)，依據(jù)ISO 16474-3中方法A，循環(huán)1 進(jìn)行；②72 h 中性鹽霧試驗(yàn)，依據(jù)ISO 9227 規(guī)定進(jìn)行；③24 h 低溫暴露試驗(yàn)（-20±2）℃進(jìn)行。試驗(yàn)后由ISO 12944-9:2018 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)外觀的評(píng)定方法，根據(jù)ISO 4628-2、ISO 4628-3、ISO 4628-4和ISO 4628-5 對(duì)樣板未劃線區(qū)域試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)其起泡、生銹、開裂和剝落情況，根據(jù)ISO 12944-9：2018 附錄A 樣板劃線區(qū)域進(jìn)行腐蝕寬度的評(píng)價(jià)，并進(jìn)行膜厚、60 °光澤度和色差的測(cè)量。

圖1 循環(huán)老化試驗(yàn)程序

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 海洋飛濺區(qū)樣板（黃色）

在實(shí)驗(yàn)室完成試驗(yàn)后，圖2 所示為黃色樣板各周期的表面腐蝕形貌。對(duì)比各樣板之間、不同取樣周期間形貌觀察，可以得到：①外觀：目視非劃線處表面均未出現(xiàn)起泡、生銹、開裂和剝落，起泡，開裂、剝落等級(jí)均為0（S0），生銹等級(jí)均為Ri0；②涂層厚度：將非劃線處涂層厚度在各周期的測(cè)量值變化可以發(fā)現(xiàn)涂層厚度基本不變或較低程度的減小，見表3；③腐蝕寬度：劃線處均出現(xiàn)銹蝕，部分劃線處涂層呈翹起與基材脫離，樣板平均腐蝕寬度M=（C-W）/2（其中W 為劃線寬度，W=2 mm），得到表4 的數(shù)據(jù)，由此得到圖3 的各周期變化規(guī)律，可以看出整體平均腐蝕寬度隨著周期數(shù)增加近乎呈線性增長(zhǎng)變化。其中發(fā)現(xiàn)黃色樣板中，C 組的腐蝕擴(kuò)展速率（指單位周期的平均腐蝕寬度值）最大，達(dá)到1.1 064 mm/周期，平均腐蝕寬度超過標(biāo)準(zhǔn)要求的8 mm即為不合格，而A 組和D 組在12 周期后出現(xiàn)腐蝕擴(kuò)展，B 組在18 個(gè)周期后出現(xiàn)腐蝕擴(kuò)展；④非劃線區(qū)域失光率：由圖5 所示的各周期失光率變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，黃色樣板在18 周期前，失光率整體呈現(xiàn)降低變化，在18 周期后，黃色樣板失光率整體呈現(xiàn)增大變化；⑤非劃線區(qū)域色差：由圖7 所示的各周期色差變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，色差整體呈現(xiàn)增大變化，根據(jù)圖2 各樣板形貌圖可以看出，受到一定的劃線處腐蝕產(chǎn)物流掛在涂層表面對(duì)非劃線區(qū)域的影響。

圖2 海洋飛濺區(qū)樣板（黃色）各周期的表面腐蝕形貌

圖3 海洋飛濺區(qū)樣板（黃色）腐蝕寬度變化

圖4 海洋大氣區(qū)樣板（白色）腐蝕寬度變化

圖5 海洋飛濺區(qū)樣板（黃色）各周期失光率

圖6 海洋大氣區(qū)樣板（白色）各周期失光率

圖7 海洋飛濺區(qū)樣板（黃色）各周期色差

表3 海洋飛濺區(qū)樣板（黃色）各周期涂層厚度均值

表4 海洋飛濺區(qū)樣板（黃色）各周期劃線處腐蝕寬度均值

2.2 海洋大氣區(qū)樣板（白色）試驗(yàn)結(jié)果

圖9 所示為白色樣板各周期的表面腐蝕形貌，對(duì)比各樣板之間、不同取樣周期間形貌觀察，可以得到：①外觀：目視非劃線處表面均未出現(xiàn)起泡、生銹、開裂和剝落，起泡，開裂、剝落等級(jí)均為0（S0），生銹等級(jí)均為Ri0；②涂層厚度：將非劃線處涂層厚度在各周期的測(cè)量值變化可以發(fā)現(xiàn)涂層厚度基本不變或較低程度的減小，見表5；③腐蝕寬度：劃線處均出現(xiàn)銹蝕，部分劃線處涂層呈翹起與基材脫離，樣板平均腐蝕寬度數(shù)據(jù)見表6，各周期變化規(guī)律見圖4，可以看出整體平均腐蝕寬度隨著周期數(shù)增加近乎呈線性增長(zhǎng)變化。其中，C組的腐蝕擴(kuò)展速率最大，達(dá)到1.837 5 mm/周期，平均腐蝕寬度超過標(biāo)準(zhǔn)要求的8 mm 即為不合格，B 組腐蝕擴(kuò)展速率比較平緩，D 組在8 個(gè)周期后出現(xiàn)腐蝕擴(kuò)展，而A組在監(jiān)控周期內(nèi)未出現(xiàn)腐蝕擴(kuò)展；④非劃線區(qū)域失光率：由圖6 所示的各周期失光率變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，白色樣板在8 周期前，失光率整體呈現(xiàn)降低變化，在8 周期后，失光率整體呈現(xiàn)增大變化；⑤非劃線區(qū)域色差：由圖8所示的各周期色差變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，色差整體呈現(xiàn)增大變化，根據(jù)圖3 各樣板形貌圖可以看出，受到一定的劃線處腐蝕產(chǎn)物流掛在涂層表面對(duì)非劃線區(qū)域的影響。

圖8 海洋大氣區(qū)樣板（白色）各周期色差

圖9 海洋大氣區(qū)樣板（白色）各周期的表面腐蝕形貌

表5 海洋大氣區(qū)樣板（白色）各周期涂層厚度均值

表6 海洋大氣區(qū)樣板（白色）各周期劃線處腐蝕寬度均值

2.3 討論與分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，涂層板非劃線處均未出現(xiàn)腐蝕缺陷，表明四種樣板本身沒有明顯的有機(jī)涂層微觀缺陷[4]，對(duì)金屬基材有明顯的保護(hù)作用，而涂層板上劃線處的腐蝕情況比非劃線處顯著，說明涂層表面一旦遭受外界因素影響造成破壞產(chǎn)生宏觀缺陷[4]，腐蝕現(xiàn)象會(huì)沿著破壞處開始蔓延，不斷侵蝕著基材造成與基材連接的涂層部分出現(xiàn)失效，起不到保護(hù)作用。對(duì)比四個(gè)廠家生產(chǎn)的涂層樣板的劃線處腐蝕寬度結(jié)果，海洋飛濺區(qū)中B 廠家明顯優(yōu)于其他三家，而海洋大氣區(qū)中A 廠家明顯優(yōu)于其他三家。其中C 廠家所用的涂層材料在海洋飛濺區(qū)和海洋大氣區(qū)均出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕蔓延現(xiàn)象，底漆與基材明顯分離，且面漆呈現(xiàn)開裂翹起和蜷曲，說明在這四家中C 廠家的涂層組合不適宜應(yīng)用于海上風(fēng)電產(chǎn)品。對(duì)于非劃線區(qū)域涂層面漆的失光率和色差情況，光澤度雖有一段時(shí)間增大，但隨著試驗(yàn)周期的不斷增加，光澤度是不斷變小的，失光率逐漸增大，而色差整體是增大的，主要是由于涂層表面的樹脂受到加速老化的條件下發(fā)生大分子結(jié)構(gòu)斷裂，生成不穩(wěn)定的游離自由基，會(huì)在光照催化下發(fā)生鏈反應(yīng)形成老化產(chǎn)物，從而涂層表面變暗和發(fā)黃，造成光澤度下降，失光率上升，色差變大[5]。對(duì)比四個(gè)廠家樣板可以看出，在排除腐蝕產(chǎn)物影響的情況下（從圖2 中D 樣板的25 周期形貌圖片來看有明顯腐蝕產(chǎn)物的影響），D 廠家的失光率和色差整體稍微優(yōu)于其他三家。

3 結(jié)論

綜合考慮，從腐蝕耐久角度來說，A 廠家的SigmaZinc 109G+Sigmcover 410+PSX 700 RAL9003 的底漆+中間漆+面漆的涂層體系在海洋飛濺區(qū)最優(yōu)，B 廠家的環(huán)氧玻璃鱗片+環(huán)氧玻璃鱗片+氟碳的底漆+中間漆+面漆的涂層體系在海洋飛濺區(qū)最優(yōu)，更適合海上風(fēng)電塔筒的選材，D 廠家的環(huán)氧富鋅+環(huán)氧防銹漆+聚氨酯的底漆+中間漆+面漆的涂層體系次之，其在美觀層面更優(yōu)，以上結(jié)論對(duì)海上風(fēng)電塔筒的選材提供參考。