海上风电基座及塔筒防腐涂层国产化配套解决方案.pdf

腐蚀与控制 CORROSION AND CONTROL海上风电基座及塔筒防腐涂层国产化配套解决方案韩志伟1，沈雪锋2，龚骏3，夏渊2（1.91184部队，辽宁大连 116041；2.中海油常州涂料化工研究院有限公司，江苏常州213016；3.中远佐敦船舶涂料（青岛）有限公司，山东青岛 266109）Solutions to Localized Anticorrosive Coating forPedestal and Tower of Offshore Wind Power摘要：海上风电设施所处恶劣海洋腐蚀环境，对防腐涂料提出更高的要求。当前海上风电设施的防腐涂料均采用国外涂料产品，从打破国外公司技术垄断的角度考虑，非常有必要开展海上风电设施防护涂装体系国产化研究。本研究主要针对海上风电的长效防腐及相关其他性能要求，采用国产重防腐涂料产品开展相关配套设计、性能评价及现场涂装应用研究，为后续的大规模应用奠定基础。关键词：海上风电；长效防腐；国产化；涂装应用中图分类号：TQ639文献标识码：A文章编号：2096-8639(2023)08-0005-07Han Zhiwei1,Shen Xuefeng2,Gong Jun3,Xia Yuan2(1.Military 91184,Dalian,Liaoning 116041;2.CNOOC Changzhou Paint and Coatings IndustryResearch Institute Co.,Ltd.,Changzhou,Jiangsu 213016,China;3.Jotun COSCO Marine Coatings(Qingdao)Co.,Ltd.,Qingdao,Shandong 266109,China)0 引言按照国家“碳达峰、碳中和”的发展战略，将在2030 年之前，把 CO2的排放量达最大，碳中和目标在2060 年之前实现。风电由于其自然的环保特性，不会造成任何的碳排放，在可再生能源领域，是一种被广泛认可、具备广泛商业化前景和规模开发的发电方式。目前全球已有不少于 70 个国家和地区在利用风能发电。在国家政策的支持下和能源供应的紧张形势下，中国的风力发电行业迅速兴起并成为全球最活跃的风电投资领域。大力发展风电产业是实现“碳达峰、碳中和”战略目标的重要举措之一1-4。海上风电相较于陆地风电，有着以邻近沿海城市供应为优势。同时，海上风电利用资源丰富、发电小Abstract:The offshore wind power facilities are located in the harsh marine corrosion environment,which puts forward higher requirements for anticorrosive coatings.At present,the anticorrosivecoatings for offshore wind power facilities are produced by foreign companies.It is very necessaryto carry out the research on the localization of the protective coating system for offshore wind powerfacilities.In this paper,based on the longlasting anticorrosion and other related performancerequirements of offshore wind power,the domestic heavy-duty anticorrosive coatings are used tocarry out related supporting design,performance evaluation and on-site coating application research,which is useful for further large-scale application.Keywords：offshore wind power;longlasting anticorrosion;localization;coating and application涂层与防护第44卷第8期2023年8月Vol.44 No.8Aug.2023COATING AND PROTECTION5腐蚀与控制 CORROSION AND CONTROL时数高、持续稳定、发电量大，且不需要占用土地，更适宜进行大规模开发。如今，它已成为全球风电发展的最新趋势。但是由于海洋环境的高腐蚀性，金属材料在海洋环境的腐蚀速率是常规腐蚀环境下的数倍及数十倍。海洋环境中的高温、高湿、高盐雾、高紫外线辐射等环境条件对涂料的长效防腐性能提出了很高的要求，因此用于海上风电设施的防腐涂料要求具有长效防腐性能5。目前海上风电所采用防腐涂料基本都是国外进口的产品。但是，采用国外涂料产品存在价格偏高、工程适应性差、供货不及时及关键技术卡脖子等问题。因此，开展海上风电用防腐涂料的国产化应用研究对响应国家提出的解决“卡脖子”问题具有重要的战略意义6。1海上风电设施服务环境一般将海水侵蚀分为大气区、浪溅区、潮差区、全浸区、海泥区等几个区域。以上各类环境因子差异较大，对钢筋与水泥构件的侵蚀效果也不尽相同。(1)海洋大气区的腐蚀由于海上空气含水量高导致相对湿度大，在风机塔的钢结构上极易结成水薄膜。另外，由于海水中的盐含量高，与海水中的水薄膜共同构成了高导电性的液体薄膜，使其在海水中的电化学腐蚀创造了有利的环境。因而，在海上环境中，风机塔的钢材受到的侵蚀要大于陆地环境中的 45 倍。大部分风机塔都在近海地区，其外层防腐蚀涂层一般为富锌底漆、环氧云铁涂层及脂族型聚氨酯涂层。此外，还可以选用具有较长寿命的有聚硅氧烷涂层材料，以增强其耐久性。与外部相比，内部没有受到太阳照射，腐蚀性比较小，所以可以直接涂敷环氧涂料即可。(2)飞溅区的腐蚀除了大气中的盐分、相对湿度和温度等侵蚀因子外，风机塔底座还会遭受海波的冲击，且飞溅区的底部往往会被短暂的海水浸透，出现大量的干湿交替现象。同时，飞溅区的海水中含有更多的氧气，这些氧气对钢筋的去极化起到了加速钢筋锈蚀的效果。海水波浪的撞击对于涂层的防护也有很大的破坏作用，加快了侵蚀。因而，飞溅区对碳钢板的侵蚀速率要比其他区域快得多。在近海风机塔的基座上，通常会有一个平台（承台），供其工作及维修之用，此位置为飞溅区，其涂料防护系统通常为无溶剂环氧材料或者采用环氧玻璃鳞片材料。如需调整底漆的色彩，可再选择聚氨酯面漆。(3)潮差区的腐蚀即在涨潮时浸在水下，在落潮时在水线上的地区为潮差区。在潮差区，风机塔的钢结构往往与含饱和空气海水接触，从而使钢结构的锈蚀更加严重。当冬天有结冰时，漂浮的冰块会对潮差区内的金属设备造成冲击。基础底部是近海风机塔防护的关键部位，因此，海上风机塔架的防腐措施主要集中在基座下部。一般来说，采用环氧玻璃鳞片系统或者无溶剂环氧涂料来进行防腐。为了控制腐蚀在漆膜下的扩散，还可以增加一道具有阴极保护性能的环氧底漆。(4)全浸区的腐蚀风机导管架式平台中下部和钢桩等因长期处于海水中而受溶解氧、海流、盐度等环境因素影响；海洋污染物、海洋微生物等对钢桩产生了多方面的侵蚀，而在这些侵蚀过程中，溶解氧与海盐是主要的侵蚀因素。近海风机塔架钢桩全浸区的防腐蚀涂层，以环氧底涂层+玻璃鳞片材料为主，其厚度以300 m左右为宜。(5)海泥区的腐蚀浅海和沿海滩涂的底座式风机需要将钢管桩埋设在海泥区，而海泥区是一个既有土壤腐蚀特征，又有海水侵蚀特性的较为复杂的区域。海泥区虽然具有较高的盐度和较低的电阻率，但是其氧气含量非常低，因此相对于全浸水区域，海水对铁塔结构的侵蚀速率相对较慢。另外，海洋沉积物中所含的硫酸根还原细菌，在低氧条件下繁衍生息，也是导致钢铁锈蚀的重要原因。在海泥区，风机塔的钢桩通常仅进行阴极保护，但也可以与防腐蚀涂料相结合，防腐涂层无需太厚。2 海上风电设施防腐涂料防护标准和配套体系性能指标海上风电设施防腐涂料规范和标准：ISO12944(9)色漆和清漆 防护涂料体系对钢结构的防腐蚀保护；ISO20340 近岸和相关机构防护涂料体系的性能要求；NORSOK M-501 表面处理和防护涂料；GB/T318172015 风力发电设施防护涂装技术规范；NB/T310062011 海上风电场钢结构防腐技术标准；NB/T106262021海上风电场工程防腐蚀设计规范；NACE韩志伟，等：海上风电基座及塔筒防腐涂层国产化配套解决方案6腐蚀与控制 CORROSION AND CONTROLSP 0108防护漆对海上平台结构进行防腐控制。海上风电防腐涂层配套体系性能指标包括大气区配套体系、飞溅区配套体系、浸泡区配套体系，其性能指标如表1所示。耐盐雾测试：依照 GB/T 17712007，将样板放入盐雾箱中，每块样板的受试表面朝上，与垂线夹角是海上风电塔筒涂层配套方案见表5、表6。4海上风电防腐涂料涂装应用案列以国产某品牌涂料产品在广东省阳江市中国三峡/中国电建的海上风电设备应用情况为例，其施工技术要求涉及以下几个方面。4.1 表面处理在喷砂或抛丸除锈的时候，喷嘴应该与工作表面形成 7085的夹角，两者距离应该在 0.3 m 左右。在将牢固附着的厚铁锈去除之后，应该再持续喷砂一段时间，以除去底层锈迹；达到钢板原本的颜色。作业应该有步骤地进行，这样才能避免漏喷和二腐蚀环境大气区飞溅区浸泡区耐盐雾/h4 2004 200耐湿热/h4 2004 200耐循环老化/h4 2004 200耐海水浸泡/h4 2004 200耐阴极剥离/h4 2004 200（205），盐雾箱内温度为（352）。耐湿热测试：依照 GB/T 17402007，将样板垂直悬挂于搁板上，样板之间不能接触，温度为（471）、相对湿度为（962）%。循环老化测试：依照 ISO 12944-92018，本程序所采用的每个暴露循环持续1周（168 h）。耐阴极剥离测试：依照 ISO 12944-92018，将样板固定在试验容器中的样板架上，调整使每块样板与阳极距离相等且300 mm，距离容器底部50 mm，确保样板完全浸没在溶液中，溶液温度为（232）。耐海水浸泡测试：ISO 12944-9(2018)，将样板放入水槽中，确保在支架上的样板四分之三浸泡于人工海水中，调节水温为（401）。3海上风电设施防腐涂层配套解决方案与陆上风机相比，海上风机较为复杂，分为底座式和浮体式两种。底座式风机使用管桩作为承台，然后在承台上建筑钢筋混凝土塔筒。由于海洋工程施工环境复杂，气候条件恶劣，盐雾浓度较高，因此对其进行了研究。在高湿度和潮汐间隔短的情况下，对混凝土承台部位的防腐蚀涂层质量提出了更高的要求，以期达到延长防腐蚀周期的目的。浮体风机与船舶、海上平台等相似，但在深海海上风电场，因其人迹罕至、人员进出受限等特点，其防腐蚀维护难度较大。因而对防腐蚀性能的要求较高。海上风电防腐涂料要求设计防护寿命25 a以上，抗海洋大气，海浪飞溅以及海上浸泡和海泥腐蚀。有良好的附着性、耐蚀性、耐候性、耐磨损、耐冲击性能，能适应干湿交替变化、耐温度的冷热变化。水下部分采用的涂料与阴极保护相配套，具有良好的耐水性、耐阴极剥离和耐碱性。海上风电管桩基座涂层配套方案见表2、表3、表4。表1海上风电防腐涂层配套体系性能指标Tab.1 Performance of anticorrosive coating for offshore wind power facilities表2 管桩基座配套产品类型和特点Tab.2 Type and characteristics of coatings for wind power pedestal产品类型聚氨酯面漆玻璃鳞片环氧树脂漆厚浆改性环氧漆耐磨改性环氧漆低表面改性环氧漆牌号MC-AT-1丙烯酸聚氨酯面漆MC-EI-2环氧玻璃鳞片漆MC-EP-4厚浆型环氧漆MC-SRT-1环氧甲板漆MC-STE-2改性环氧漆产品特点耐候，保光，保色高固含，厚膜，屏蔽干湿交替，屏蔽防滑，耐磨湿固化，低表面处理韩志伟，等：海上风电基座及塔筒防腐涂层国产化配套解决方案7腐蚀与控制 CORROSION AND CONTROL表3 海上风电管桩基座主体结构涂层配套体系Tab.3 Coating system for major structure of offshore wind power pedestal at different zone表4 海上风电管桩基座附属结构涂层配套体系Tab.4 Coating system for accessory structure of offshore wind power pedestal表5 塔筒配套产品类型和特点Tab.5 Type and characteristics of coatings for wind tower表6 海上风电塔筒涂层配套体系Tab.6 Coating system for offshore wind tower次喷砂。一般情况下应该按照“先上后下、先内后外、先难后易”的施工原则在喷砂或抛丸完成后，要将喷砂罐关闭。首先要将砂阀关闭，待砂管内的磨料全部吹出后，再关闭进气（如果需要用压缩空气除尘，则应使用范围大气区浪溅区浸没区产品类型MC-EP-1环氧富锌底漆MC-EI-1环氧云铁漆MC-AT-1丙烯酸聚氨酯面漆MC-EP-4厚浆型环氧漆MC-EI-2环氧玻璃鳞片MC-AT-1丙烯酸聚氨酯面漆MC-EP-4厚浆型环氧漆MC-EI-2环氧玻璃鳞片干膜厚度/m75200601502400601502300总膜厚/m3351 010750使用范围基座甲板靠泊结构和防撞钢爬梯及栏杆产品类型MC-EP-1环氧富锌底漆MC-SRT-1环氧甲板漆MC-SRT-1环氧甲板漆MC-EP-4厚浆型环氧漆MC-EI-2环氧玻璃鳞片MC-AT-1丙烯酸聚氨酯面漆MC-EP-6多用途环氧漆MC-EI-2环氧玻璃鳞片MC-AT-1丙烯酸聚氨酯面漆干膜厚度/m752502501502400605040060总膜厚/m5751 010510产品类型环氧富锌底漆厚浆环氧中间漆环氧封闭底漆聚氨酯面漆聚硅氧烷面漆牌号MC-EP-1环氧富锌底漆MC-EI-1环氧云铁漆MC-EP-6多用途环氧漆MC-AT-1丙烯酸聚氨酯面漆MC-ST-1聚硅氧烷面漆产品特点80%以上锌含量，高固含快干，高固含封闭，连接，过渡耐候，保光，保色绿色，环保，耐紫外使用范围塔筒外表面塔筒内表面产品类型MC-EP-1环氧富锌底漆MC-EI-1环氧云铁漆MC-AT-1丙烯酸聚氨酯面漆（MC-ST-1聚硅氧烷面漆）MC-EP-4厚浆型环氧漆MC-EI-1环氧云铁漆MC-AT-1丙烯酸聚氨酯面漆干膜厚度/m75200607016060总膜厚/m335290韩志伟，等：海上风电基座及塔筒防腐涂层国产化配套解决方案8腐蚀与控制 CORROSION AND CONTROL在吹尘完成后，再将进气阀关闭）。不得通过关掉空气压缩机而使其停止喷砂、抛丸操作，以防止磨粒倒转而对设备造成损害。喷砂或抛丸除锈达到的处理等级见表7。4.2环境要求（1）环境温度如果周围温度过低，则会导致涂料凝固时间过长，导致涂料流挂等不良现象；环境温度过高则会产生干喷、多孔等弊端。在实施之前，先阅读产品说明书，并按照说明书的要求实施。因为钢板表面温度过高，可能会导致喷射物的蒸发速度加快，从而产生气泡、皱皮等不利影响。为了保证涂层的质量，最佳的做法是在钢板变暖之后，再开始施工涂料。因为过低的温度会影响涂料的干燥速度，并且当底材温度低于露点时，会产生凝露和冰霜，从而严重影响涂层质量。为了确保钢板表面温度符合标准，应当使用钢板温度计进行测量，其测量值应当高于露点 3，而不得超过50。（2）相对湿度相对湿度是衡量空气中水分含量的重要参数，它可以通过计算空气中水分含量与其所能承受的最大水分含量之比来确定。当空气中的相对湿度85%，由于气温的下降或者表面温度的变化，涂层表面很容易出现结露现象。因此，为了确保涂层质量，空气中的相对湿度必须保持在85%以下。当物体表面温度低于它所处的环境时，它的相对湿度就会升高。因此，为了保证涂层的牢固性，钢板表面的温度应该比露点高出 3 或更多，但最好不要超过50。这样，即使在日夜温度变化的情况下，钢板表面的水滴也不会凝结成霜，保证涂层的牢固性。为了更精确地监测和评估相对湿度和露点，使用温湿度计和露点计算器进行测量。4.3涂料施工要求在涂装施工开始之前，表面处理和前道涂层必须符合相关的设计标准。涂装技术多种多样，从刷涂到空气喷涂，再到高压无气喷涂，都可以满足不同的需求。但是，在施工过程中，应根据实际情况，如施工条件、涂层结构、涂层厚度等，选择最合适的涂装方法，以达到最佳的涂装效果。一般来说，高压无气喷涂是最佳的选择，因为它的涂装效率更高，稀释剂用量更少，更不容易流挂。在使用双组分涂料之前，应该仔细研究其中的漆料和固化剂的比例，并且要求每一种成分都要严格按照规定的比例混合，否则将会对涂料的性能产生极大的影响。混合搅拌是涂料制作中至关重要的一环，它能够有效地促进涂料的固化，同时也能够确保漆膜的均匀性。为了获得最佳的效果，机械搅拌器是最常见的选择。通过搅拌，涂料的颜色会变得更加均匀，而且不会出现结块或沉淀的问题。在混合完成后，应将其放置 2030 min，以便让涂料达到最佳的熟化状态。当温度高于正常范围，或者涂料雾化效果不佳时，应当采取适当的稀释剂来调整，以达到最佳的效果。添加适量的稀释剂可以提高液状涂料的使用率，但同时也会导致其固体含量的降低，从而影响涂料膜的厚度，因此，为了获得最佳的喷涂效果，应当尽可能控制稀释剂的用量。双组分涂料的使用期是有限的，因此必须在规定的时间内进行施工。此外，由于温度的变化，使用期也会相应变化。因此，在施工前，应当仔细阅读说明书，以确保产品的正确使用。在施工之前，应该采取辊涂等方法来处理焊缝和边角等难以涂覆的区域。处理等级Sa 1级，轻度喷射或抛射除锈Sa 2 级，彻底喷射或抛射除锈Sa 2 12级，非常彻底的喷射或抛射除锈Sa 3 级，使钢材表观洁净的喷射或抛射除锈质量要求无可见的油脂和污垢，没有附着不牢的氧化皮、铁锈、油漆涂层等附着物无可见的油脂和污垢，氧化皮、铁锈、油漆涂层已基本清除，残留物应当牢固附着无可见油脂和污垢、氧化皮、铁锈和油漆涂层附着物，任何残留的痕迹应仅是点状或条纹状的轻微色无可见油脂和污垢、氧化皮、铁锈和油漆涂层附着物，显示均匀的金属色泽表7 喷砂或抛丸除锈达到的处理等级Tab.7 Surface treatment and requirement of sand and ball blasting韩志伟，等：海上风电基座及塔筒防腐涂层国产化配套解决方案9腐蚀与控制 CORROSION AND CONTROL涂装施工的工具应保持干燥、清洁。在喷涂施工过程中，喷枪的运动速度必须保持一致，以确保涂层的搭接宽度达到最佳效果。空气喷涂的搭接宽度应当在喷涂幅度的 1/41/3 之间，以确保涂层的均匀性和质量。为了确保施工质量，应当采取措施确保涂层厚度均匀，以防止漏涂或误涂，并且采用湿膜测厚仪进行精确的测量。在施工结束后，应立即使用适量的清洁剂来清洁工具。为了确保漆膜的完美干燥，应该确保周围的环境保持清洁，避免受到灰尘、雨水、雪等物质的污染。完成涂装后涂层需要自然养护 7 d 以上，再进行使用。4.4涂装效果涂装效果如图1所示。(c)施工场地喷涂效果(d)风电机组现场整体状态图1 海上风电防腐涂料涂装效果Fig.1 Coating process and result of anticorrosion for offshore wind power facilities5结语海水中含有丰富的 Na+、Cl-、Mg2+、Ca2+等离子，特别是Cl-离子半径小、穿透性强、腐蚀速度快，另外，海水飞溅、太阳暴晒、昼夜温湿度变化、海水中的微生物腐蚀等都是导致海水腐蚀的重要原因。处于海洋环境下的风力发电机组塔架及其零部件应具有长期防腐防护性能，在遵照 ISO12944-1 标准的耐久性高（1525 a）和耐久性很高（25 a）的基础上，塔架及零部件的防腐设计寿命年限为 28 a。其目的就是确保海洋气候环境区域的风力发电机组腐蚀控制工程全生命周期的有效管理。本研究针对海上风电的长效防腐及相关性能要求，采用国产重防腐涂料产品配套到达了以下效果。（1）产品的无空气喷涂性、厚膜施工性能满足塔筒的配套设计要求；（2）产品的干燥性能、涂层配套性满足现场建造工艺要求；（3）产品的物理机械性能满足现场的吊装、搬运等后续操作要求；（4）产品外观、附着力、综合防腐性能等满足海上风电的检验规程要求。(a)塔筒部位现场状态(b)现场油漆施工（下转第15页）韩志伟，等：海上风电基座及塔筒防腐涂层国产化配套解决方案10涂装工艺 COATING PROCESS（3）生产期间重点关注各槽液及水箱液体生菌现象。菌体会导致EDUF和EDRO系统的瘫痪，影响超滤液和再生纯水的制水量，堵塞膜组并影响整个电泳系统。所以作为重点关注事项，并定期检测，特别是停产期间需将膜组加药剂清洗，根据停产时间的长短决定膜组是否用纯水封存，保证膜组湿润不影响再次使用。（4）车型内腔底板设计结构、四门工装开启角度影响着车身沥液效果；各槽体间避免槽液带入后道工序的风险；步进式输送可考虑增加沥液时间解决；连续式输送可通过增加槽体间距解决。改造线体无法避免的可通过车型设计时底板结构增加沥液孔和四门工装长度加长解决，最终目的避免槽体间窜液的风险，避免后道工序槽液污染，影响电泳车身的清洗效果。（5）EDUF 和 EDRO 设备采用全自动化控制，24 h按频次点检，监控设备运行的状态，避免设备停机造成电泳整个循环系统液位的失衡，影响电泳漆固体分等参数指标，造成成本上升。4 结语随着汽车涂装车身质量的不断提升，车身防腐性能一直是质量的基石。各大涂料厂推广的高泳透力、超高泳透力、高光泽电泳漆，保证了车身的防腐性能，而电泳的节能减排一直是各汽车主机厂忽略的问题。电泳 EDRO 系统的应用及管理，完成涂装电泳循环系统“零”排放的目标，真正做到了低碳、环保、智能。参考文献1王锡春.涂装车间设计手册（第二版）M.北京:化学工业出版社,2013.2朱孝鹰.EDRO 系统在电泳生产线上的应用J.汽车材料与涂装，2017(23):55-57,74.（上接第10页）阳江基地的涂装应用结果显示，某国产品牌风电防腐涂料防腐性能满足海上风电设施防腐涂料防护标准和规范，施工性能满足涂装施工性能要求。某国产品牌防腐涂层体系在海上风电领域的应用打破了国外涂料公司在海洋环境“高湿、高盐及高温（低纬度海域）”长效防腐涂层配套体系技术产品领域的技术和市场垄断，推动了海上风电防腐涂料的国产化进程。参考文献1时士峰,徐群杰,云虹,等.海上风电塔架腐蚀与防护现状J.腐蚀与防护,2010,31(11):875-877.2王芳.海上风电塔筒 全副武装防腐蚀J.风能,2022(1):30-33.3郭峻嘉,车汉生,王志敏,等.海上风电涂料防腐蚀性能的研究J.环境技术,2015,33(4):18-22.4王芳.麦加涂料为风电再造“新绿”J.风能,2020(10):32-34.5崔立川,吴云青,苏萌,等.海上风电钢制基础的防腐质量控制分析J.风能,2014(5):102-105.6陈川,黄海军,王俊,等.我国湿热海上风电大气区金属重防腐涂料的性能研究J.装备环境工程,2015,12(4):89-94.（上接第4页）参考文献1李世涛,兰旭,赵大伟，等.某海上油田防垢剂性能研究及评选J.全面腐蚀控制,2013,27(12):67-69,72.2宋良业,王大卫,张磊,等.油田某区块结垢预测及阻垢剂性能评价J.化学工程师,2020(7):47-50.3徐军,陶荣德,李养池,等.油田结垢机理及阻垢剂评价方法探讨J.广州化工,2013,41(16):18-19,31.4张伟国,金颢,杜庆杰,等.LH 某油田采出水结垢预测及阻垢剂性能评价J.石化技术,2021,28(9):98-102.5程耀丽.海上油田注水系统防垢剂效果评价及应用J.天津化工,2020,34(6):35-37.贾永红，等：汽车涂装环保型电泳系统的研究15