海上浮式風電塔筒涂裝工藝方案研究

張 磊，王炬成，潘 琳

(1.江蘇科技大學 海洋裝備研究院，江蘇 鎮江 212003；2.江蘇現代造船技術有限公司，江蘇 鎮江 212003)

0 引言

海上浮式風電塔筒處于嚴酷的應用環境之中。海洋環境濕度大、鹽分高、溫度梯度大，海水在塔筒銹蝕表面附著后容易產生積水薄膜[1]，具備了進行電化學反應的條件，極大地加快了海上浮式風電塔筒的腐蝕進程。根據統計數據表明：部分海上浮式風電塔筒由于其涂裝工藝和涂層選擇的不合理，涂覆涂層難以有效地保證海上浮式風電站的正常使用，使用壽命被迫縮短。為了解決上述問題，有必要開展海上浮式風電塔筒的涂裝工藝研究，確保海上浮式風電塔筒在生產過程中采用科學的涂層體系以及合適的工藝方法進行涂裝，提高涂層的防腐性能，延長海上浮式風電塔筒的有效使用周期，進而保證海上風電站的安全使用。

1 腐蝕環境分析

海上風電塔筒底部筒體所處的腐蝕環境按照地球軸向，自上而下可以劃分為海洋大氣區、飛濺區、潮差區、全浸區和海泥區這五個典型腐蝕環境[2]。

(1)海洋大氣區的腐蝕特性

不同的溫度梯度、鹽度、濕度造就了海洋大氣與陸地大氣環境的顯著區別[3]。腐蝕表面的鋼鐵與海洋大氣中的鹽分構成了典型的電化學腐蝕環境，往往會極大地加劇腐蝕的程度，進而造成海上風電塔筒的結構失效。

(2)飛濺區的腐蝕特性

飛濺區是海上風電塔筒腐蝕最為嚴重的一個區域。在該區域中海浪在風電塔筒外壁上不間斷、不均勻沖刷，使得濕表面積交替往復，伴隨著富含高鹽分海水粒子附著，造成海上風電塔筒的鋼結構在飛濺區的腐蝕速度要遠高于其他腐蝕區域。

(3)潮差區的腐蝕特性

受天體引力影響，在一年之中海洋會呈現不同的潮位，位于低潮位與高潮位之間的區域稱為潮差區。潮差區的海上風電塔筒的鋼結構長期處于海水與大氣的接觸狀態，腐蝕面積較大。除此之外，當海上風電塔筒布置于高緯度海域，還存在受浮冰撞擊而導致涂層受損的風險[4]。

(4)全浸區的腐蝕特性

海上風電塔筒筒體的中下部長期浸泡在海水中(即全浸區)，鋼鐵的氧化還原反應受溶解氧的濃度影響而得到抑制，腐蝕進程較飛濺區和潮差區緩慢，但靠近潮差區且在平均潮位以下的海上風電塔筒筒體將出現較為明顯的腐蝕現象。

(5)海泥區的腐蝕特性

海泥實際上是海水與海底土壤的混合物，整個海泥區位于全浸區下方的海底。由于其成分的復雜性，海泥區的腐蝕特性既包含土壤的腐蝕特性，還包含海水的腐蝕特性，尤其是海底土壤中包含的硫酸鹽還原菌會對海上風電塔筒造成較為嚴重的侵蝕。但是，如果海上浮式風電塔筒為浮式結構，其通過錨泊定位系統固定在海水中，則不用考慮海泥區的腐蝕影響。

2 防腐涂層系統選擇

海上作業平臺的出現至今已有近百年的歷史，在此期間海洋平臺的各類防腐蝕技術也得到長足發展，各類防腐標準規范不斷完善。尤其在近三十年中，多國科學家及工程技術人員對海上平臺的防腐開展了大量海洋掛片試驗，分別采用不同類型防腐涂層系統對不同腐蝕區域進行腐蝕速度、涂層附著力、腐蝕蔓延率、涂層密封性、涂層系統失效周期等因素展開研究，提出了一系列各腐蝕區域針對性的防腐涂層方案，構建了綜合防腐性能最優的重防腐涂層系統，為海上浮式風電塔筒的防腐提供了寶貴的參考方案。

以上述重防腐涂層系統作為基礎，依據NORSOK M501標準(挪威石油工業技術法規《表面處理和防護涂層標準》)和ISO 20340《海上平臺及相關結構防護涂料體系的性能要求》中的試驗方法和驗收標準，結合涂層試驗、海上掛片試驗等試驗結論，針對海上浮式風電塔筒與海洋環境的不同接觸區域，采用有機涂層與熱噴鋅涂層相結合的方法，研究提出了針對海上浮式風電塔筒的優化防腐涂層方案。其主要內容為：在海上浮式風電塔筒的外壁，構建以富鋅底漆、環氧云鐵、脂肪族聚氨酯為主要成分的防腐涂層；在塔筒的內部結構采用脂肪族聚氨酯或聚硅氧烷為主要成分的防腐涂層；在海上浮式風電塔筒的外部作業平臺、潮差區或飛濺區采用環氧底漆打底，環氧玻璃鱗片主要成分的防腐涂層，從而保障海上浮式風電塔筒的使用壽命達到30 a以上。該海上浮式風電塔筒防腐方案的涂層成分及涂層厚度見表1。

表1 海上風電推薦的防腐涂層體系

3 涂裝工藝步驟

海上浮式風電塔筒一般采用分總段制作法。首先，由環形筒節在滾輪架上進行組對形成筒節分段；其次，筒節分段在高負載滾輪架或專用合同胎架上進行臥式總組；最后，筒節總段合攏形成整個海上浮式風電塔筒。海上浮式風電塔筒整體涂裝工藝步驟與常規海工產品涂裝工藝步驟類似，一般分為五個工藝步驟，工藝流程圖如圖1所示。

圖1 海上浮式風電塔筒涂裝工藝流程圖

步驟1：鋼板表面預處理。首先，對制造所用鋼板進行質量調查，確定鋼板表面被腐蝕程度等級；其次，通過鋼材預處理流水線進行拋丸除銹處理，使鋼材表面處理的清潔度達到ISO 8501—1《涂裝油漆和有關產品前鋼材預處理》的Sa2.5級或以上標準；最后，對鋼板進行噴涂車間底漆，使漆膜平均膜厚度控制在10～15 μm之間，要求漆膜整體膜厚均勻，無漏噴點。

步驟2：分段制造過程跟蹤補涂。制作塔筒分段時應對焊接、背燒、磨損、修正等區域的涂層破損進行標示，并清潔涂層破損表面，補涂車間底漆。

步驟3：分段涂裝。首先，將塔筒內外的焊疤、銳邊、毛刺磨平、焊渣與飛濺清除完畢，塔筒筒節結構報驗通過；其次，對分段內的鍍鋅件、舾裝件用布包扎好；再次，將分段吊運至專用的噴砂涂裝滾輪架上，進行二次除銹，去除開始氧化或銹蝕的部位；最后，按照油漆配套的要求，依次噴涂對應防腐涂層。

步驟4：合攏縫跟蹤補涂。待塔筒分段總組結束后，對合攏縫、合攏面進行清理；去除開始氧化或銹蝕的部位，補涂底漆；控制合攏縫局部的涂裝環境，按照油漆配套的要求，依次噴涂對應防腐涂層，形成完工涂層。

步驟5：完工涂層檢查。整個完工涂層表面應沒有顯著涂裝缺陷，例如：起皮、鼓泡、孔洞、凹凸不平、粗顆粒、掉塊及裂紋。當遇有少量夾雜，可用小刀剔刮；但當缺陷面積較大時，應鏟除重噴。

步驟3、步驟4中噴涂防腐涂層采用以下工藝：采用高壓無氣噴涂方式，依次噴涂對應防腐涂層，噴涂時應按照先里后外、先上后下、先左后右、先難后易、縱橫交錯的步驟，成90°交叉對塔筒內外表面進行涂裝作業，并對焊縫、結構反面、棱角等不易噴涂到的部位先行噴涂一次后再進行全面的噴涂。

4 結語

采用上文所述海上浮式風電塔筒防腐體系及具體涂層方案，應用海上浮式風電塔筒筒節分(總)段涂裝工藝步驟，實現了對海上浮式風電塔筒涂裝作業的有效控制，保證了塔筒的鋼板預噴涂、塔筒筒節制造過程中補涂、合攏塔筒筒節對合攏縫 (面)的噴涂、涂層完工檢查等涂裝作業過程的防腐涂層質量要求，為海上浮式風電塔筒全生命周期服役提供了可靠的技術保障，具備較高的經濟效益。