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5 MW 海上风力发电电机机座表面防护涂料的研究
朱紫棠，廖有为，胡春文，周海斌，黄笑阳，陈明军( 湖南湘江涂料集团有限公司，长沙410003)
海洋占地球面积70% 以上，部分海区常年风力达到5 级以上，在我国大力发展清洁能源的背景下，开发海上风力资源前景广阔［1 － 8］。由于海上湿度大，海水腐蚀性强，还常伴有台风、高温、寒流等恶劣天气，维修十分困难，因而对海上风力发电设备等钢铁构筑物的防护显得尤为重要。海上风电机座表面的防护目前主要是依靠涂料形成涂层阻挡腐蚀介质渗透，以及通过金属涂层材料( 锌、铝及其合金)自我牺牲而实现的阴极保护作用的协同作用来达到海上长期防护的目的。目前海上风力电机机座所用涂料体系以环氧富锌底漆( 提供电化学保护) + 环氧厚浆漆( 或环氧云铁漆，提供屏蔽保护) + 聚氨酯面漆( 或氟碳面漆，或硅氧烷涂料，提供防腐和装饰效果) 等体系为主，涂料产品主要依靠进口，丹麦的Hempel、挪威的Jotun、荷兰的Akzo － Nobel、美国的PPG 等涂料企业占有我国绝大部分市场，大力发展国产的风电涂料迫在眉捷。本文针对5 MW 大型海上风力电机机座的防护特点，研制出一种高耐候性的氟碳涂料，并对涂装方式进行了改进，将该涂料体系涂装于海上风力电机机座，并模拟海上环境，研究了复合涂层的性能，根据国际标准ISO12944—2《腐蚀环境分类》的规定，复合涂层能够满足C4( 高大气腐蚀环境) 至C5 －M［很高( 海洋) 腐蚀环境］的要求，防腐保护等级为长期，达到15 a 以上。
1 实验
1. 1 涂层体系设计
1. 1. 1 有机封闭底漆
封闭底漆采用自制环氧富锌底漆。
1. 1. 2 有机中间涂层
中间涂层采用环氧云铁厚浆涂层。配方设计如表1。
1. 1. 3 有机防腐面漆
防腐面漆采用高耐候的氟碳防腐面漆。其配方设计如表2。
1. 2 涂装基材
涂装基材为5 MW 海上风力电机机座相同材质的钢材。
1. 3 复合涂层制备
施工工序及膜厚为: 机座喷涂前处理( 除油除锈) → 喷锌( 100 ～ 150 μm) → 偶联剂封闭处理( 3 ～ 8 μm) → 喷涂环氧富锌底漆( 40 ～ 60 μm) → 喷涂中间层漆( 100 ～ 150 μm) → 喷涂氟碳涂料( 80 ～ 120 μm) 。先对喷锌处理的风电机座在喷涂封闭底漆前进行表面处理，喷1 层偶联剂，再涂环氧封闭底漆; 把环氧厚浆漆喷在已涂环氧封闭底漆的试板上，自干7 d，干膜厚度为100 ～150 μm; 将氟碳防腐面漆喷在已涂环氧封闭底漆和云铁厚浆漆的试板上，自干7 d，面漆干膜厚度为80 ～ 120 μm。
1. 4 性能检测方法
1. 4. 1 检测仪器
JKGZ 型光泽仪: 天津市精科材料实验机厂; 分光光度仪( CM － 2600d /2500d) : 美能达香港有限公司; 镀层测厚仪: 广州柏励司研磨介质有限公司。
1. 4. 2 检测方法
( 1) 高低温交变试验法: 甲法: － 40 ℃ ( 0. 5 h) →120 ℃( 0. 5 h) ，20 个循环共20 h; 乙法: － 40 ℃ ( 0. 5 h) →室温( 0. 5 h) →120 ℃( 0. 5 h) →室温( 0. 5 h) ，15 个循环共30 h;( 2) 耐盐雾性: 按GB/T 1771—2007 规定进行，试板不划“× ”线; ( 3) 耐湿热性: 按GB/T 1740—2007 规定进行; ( 4) 耐人工海水性: 耐人工海水6 个月; ( 5 ) 耐溶剂擦拭性: 按HG/T3792—2005 附录C 进行; ( 6 ) 耐人工气候老化性: 按GB/T1865—2009 规定进行; ( 7) 结果评定: 按GB/T 1766—2008 进行。根据式( 1) 计算样品保光率。
P = 1 － ( I0 － It) /I0 式( 1)
式中: P—涂层保光率; I0—涂层的初始光泽; It—t 时刻的光泽。
2 结果与讨论
2. 1 喷锌表面处理中锌粉的选择
对基材喷锌表面处理中锌粉的选择是一个关键，本体系选用片状锌粉，该片状锌粉属于低吸油、低吸水的高屏蔽颜料，能够多层平行地与基体排列，使介质扩散的路线变得弯弯曲曲，延长介质渗透扩散到基体的路程，耐酸碱性、耐盐雾性能得以加强，附着力、柔韧性、耐磨性和封闭性能好，防腐性能比球状锌粉要强。
2. 2 偶联剂对封闭底漆的影响
在该体系涂装工艺中，在对基材进行表面喷锌后，先喷涂一层偶联剂，再涂环氧封闭漆的涂膜。按GB/T 5210—1985涂层附着力拉开法对封闭环氧底漆进行了测试，结果见表3。
表3 环境对环氧封闭层与电弧喷锌涂层粘结强度的影响
注: a—自干168 h; b—1 000 h 海水浸泡后，常温下恢复48 h; c—加速老化1 000 h。
从表3 可以看出，先涂偶联剂、再涂环氧封闭漆的涂膜，在干态、浸海水和加速老化试验中，附着强度有明显增强。采用偶联剂溶液对机座表面进行处理后，可以封闭锌层表面的孔隙，可以有效地防止空气中的水、氧气的渗透等。
2. 3 封闭底漆与环氧厚浆漆复合涂层性能研究
封闭底漆与环氧厚浆漆复合涂层性能检测结果见表4。
表4 复合涂膜试验结果
表4 显示，试板的测试结果完全满足对中间漆的设计要求。
2. 4 涂装氟碳防腐面漆后复合涂层耐腐蚀性研究
封闭底漆与环氧厚浆漆复合后再涂装氟碳防腐面漆，复合涂层性能检测结果见表5。
测试结果表明: 无论是甲法还是乙法，高低温交变试验后，涂膜的附着力和耐冲击性不下降，涂膜表面无变化。工件表面涂层耐盐雾达4 000 h，涂膜不起泡、不生锈、不脱落、不开裂。工件表面涂层耐湿热3 000 h，涂膜不起泡、不生锈、不脱落、不开裂。工件表面涂层的涂膜海水浸渍180 d 不起泡、不生锈、不脱落、不开裂。工件表面涂层用MEK 擦拭均大于200次不露底。主要是因为选用了氟碳涂料作为面漆，由于氟碳涂料的漆膜致密，一些腐蚀介质( 如SO2、O2、水汽、盐雾等) 都很难渗透进去，因而具有优异的防腐蚀性。
2. 5 涂装氟碳防腐面漆后复合涂层耐候性研究
复合涂层耐QUV 老化实验采用313 nm 光源，用镜面光泽计测量样品60°镜面光泽，用色差仪测量色差，结果见表6。
表6 复合涂膜耐老化光泽及色差
根据表5、表6，作保光率和色差随时间变化曲线，如图1和图2 所示。
根据表6 可知，工件表面涂层的耐人工气候老化4 000 h，涂膜不起泡、不脱落、不生锈、不开裂、粉化≤1 级、变色≤1级、失光≤1 级，防腐面漆中含有键能高达487 kJ /mol 的F—C键，紫外线无法分解F—C键，因此该氟碳涂料具有超长的耐候性，涂层性能可望达到海上15 a 以上的防护目的。
3 结语
利用电化学防护与其他综合防护相结合的原理，研制出一种海上风力发电电机机座表面防护涂料及涂层体系，研究表明先对喷锌处理的风电机座在喷涂封闭底漆前喷涂一层偶联剂，可以有效地提高封闭底漆与基材间的附着力，采用高耐候性的氟碳防腐面漆可以使海上风力电机机座表面防护涂层达到预期的防护效果。本研究在5 MW 海上风力发电机机座上已实现批量应用。
