電力設施生物污損腐蝕與熱噴涂表面防護研究進展

寧淼福，孫闊騰，蔡瑋辰，黃松強，何學敏，陳何成，劉奕，周平，吳雙杰

電力設施生物污損腐蝕與熱噴涂表面防護研究進展

寧淼福1，孫闊騰1，蔡瑋辰1，黃松強1，何學敏1，陳何成1，劉奕2，周平2，吳雙杰2

（1.中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 545006；2.中國科學院寧波材料技術與工程研究所，浙江 寧波 315201）

海洋生物容易附著和生長于沿海電力設施裝備表面，其代謝過程及產物能夠引起表面金屬材料的腐蝕加速、電力設施的老化破損，進而造成巨大的危害和經濟損失，因此降低和抑制電力設施表面生物污損的涂層防污技術有著重要的研究與應用價值。基于熱噴涂的防污涂層制備技術是防生物污損腐蝕的重要方法之一，是未來將研究工作應用于實際的重要方向。截至目前，有關電力設施裝備生物腐蝕現狀和熱噴涂表面防護的研究進展尚未見報道，這里將對電力設施裝備生物污損腐蝕現狀、應用案例及熱噴涂防污措施研究進展進行歸納整理，并進行系統性綜述。首先介紹了不同深度近海區域電力裝備生物污損和腐蝕的現狀、特點，引用了近年來典型電力設備涂裝防污損的技術方案和應用案例，然后依據不同的技術特點和發展趨向，對近10年來熱噴涂制備的復合防污涂層研究進展進行了綜述，分析其在沿海電力設施防護方面的應用前景，以期為未來電力設施防污損等研究工作起到一定指引作用。

電力裝備；生物腐蝕；熱噴涂；表面防護措施

近年來，我國在沿海建設了清潔低碳的電力能源體系，包括可再生能源電站（風力發電站、潮汐電站等）、高壓遠距離輸電工程，以及配套的海底電纜、海水抽水蓄能電站等諸多電力設施和裝備[1-3]。在這些應用場合，有的需抽取海水作為工作介質，有的需將電力設施建設在近海灘涂或海底。這些電力設施與設備將不可避免地面臨著生物污損等問題[4-5]。海洋生物附著不僅會造成管線的堵塞、發電效率的降低，其產生的污損效應還將加速金屬材料的腐蝕，引起設備的老化破損，從而帶來巨大危害和經濟損失。由此可見，降低和抑制沿海電力設施表面生物吸附與生長的涂層防污技術有著重要的研究和應用價值。

防污涂料被認為是防止海洋污損最經濟有效、應用最廣泛的方法，人們曾使用可釋放錫類、銅類毒性金屬離子的防污涂層，取得了優異的防污效果[6-7]。由于錫類防污產品被研究證明會嚴重影響環境，因而在2001年被國際海事組織立法禁止使用[8]。隨后，以氧化亞銅復合材料為代表的主流防污涂料，現已廣泛應用于電力設備表面抗生物污損中，例如沿海核電站吸水管道、濾網，海水抽水蓄能電站管道等[9]。與此同時，人們在發展其他新型環保無毒抗生物污損涂料、涂層方面付出了越來越多的努力，預期會應用于沿海電力設備防污方面[10]。

雖然國內外對沿海電力設施設備開展了防污技術研究，并應用于生產實際，但當前仍缺少綜述文獻對已有電力設施防生物污損方法進行總結，或對未來技術的發展趨勢進行展望。熱噴涂法是一種重要的涂層材料制備方法，具有經濟、靈活、可現場作業的優勢，可在電力設施表面制備高性能防腐蝕涂層等。為此，文中將首先總結海洋污損生物的種類及其造成各類電力設施腐蝕的現狀；介紹已有涂裝防生物污損的措施、技術特點，以及在沿海電力設施防污中的應用案例；隨后依據不同的技術特點與發展趨向，詳細總結與歸納整理近10年熱噴涂防污損涂層的研究工作進展，分析其在沿海電力設施防護方面的應用前景，以期為未來電力設施海洋生物污損與腐蝕防護研究工作起到一定指引作用。

1 沿海電力設施的生物污損、腐蝕現狀與特點

海洋污損生物指能夠附著、棲息、定殖在各種海洋工程設施上，造成經濟損失或危害的微生物和動植物的總稱[11-12]。根據沿海電力設施所在位置海水深度的不同，可分為淺海區、大陸架全浸區、深海區。不同位置海洋環境的不同，使得電力設施生物污損及腐蝕問題呈現出不同特點：在淺海區，海水流速大，海洋生物密度大且活躍，水溫較高，微生物和大型動植物表面污損將對設備腐蝕起到較強的促進作用；在大陸架全浸區，水深增大，含氧量、水溫和速度下降，物理因素減弱，細菌等微生物將起到抑制或增強化學腐蝕的作用；在深海區，礦物質鹽溶解量下降，水流、溫度均較低，以電化學和應力腐蝕為主，生物污損腐蝕起到了輔助作用[13]。以下將分別對不同區域電力設施生物污損及腐蝕現狀進行舉例分析。

1.1 沿海陸上電站海水系統生物污損及表面腐蝕

對于建設于沿海陸上的電力設施（核電站、海水抽水蓄能電站），輸水管道表面貼附的藤壺等大型生物會使其有效內徑下降, 冷卻水流量降低，微生物分泌物則將加速管壁的腐蝕，嚴重時甚至影響機組的正常運行。

江峰等[14]報道了秦山核電重水堆機組海水系統的防污涂層技術方案，并比較了2017—2020年期間，未涂裝防污涂層和有防污涂層的生物污損情況。如圖1所示，未作防污涂層保護的廠用水（Raw Service Water，RSW）吸入管和旋轉濾網表面附著生長了大量牡蠣、藤壺等大型生物。研究結果表明，如不加以控制，將對核電站海水系統運行效率造成影響。作者指出，通過涂刷附著力較好的含氧化亞銅防污漆，利用銅離子的毒性殺滅作用，可在數年內有效控制其表面生物污損狀況。

圖1 海水系統管壁生物附著形貌對比[14]

肖微等[15]分析了海水抽水蓄能電站電力設施金屬材料腐蝕的特點。海水抽水蓄能電站中的水泵水輪機作為其核心裝置，其金屬結構件表面腐蝕較為嚴重，且伴隨生物污損加劇腐蝕的情況。水泵水輪機內的高壓/高速水流將使溶解氧更快地擴散到金屬表面，從而加快其表層的腐蝕，甚至導致保護膜的剝落。諸如藤壺、牡蠣等海洋生物在水泵水輪機金屬表面及破損處附著并產生縫隙，使水中的氧不易到達，從而與其他氧分子容易到達的位置形成濃度差電池，而縫隙附著處的金屬表面作為陽極會被腐蝕。另一方面，微生物的腐蝕性代謝產物也將使水輪機內金屬表面的腐蝕速度加快。

1.2 風電站、潮汐電站電力設施表面污損及腐蝕

對于建設在淺海灘涂區域呈干濕交替狀態工作環境的電力設施（例如風電站、潮汐電站等），惡劣的高濕度、高鹽工況條件會對其產生較強的化學腐蝕作用。另一方面，大型海洋生物（如海蠣子、藤壺）易附著于金屬材料表面，其分泌物將造成腐蝕的加速，且葉片附著污垢物后將使機組的運行效率下降[16]。

張斌[17]報道了安裝在廣東省珠海市桂山海域的破損海上風電塔架的腐蝕情況。作者根據風電塔架不同的服役環境，分別在大氣區、飛濺區、全浸區、海泥區等4個不同區域進行了取樣分析，如圖2所示。結果表明，在大氣區，樣品中間區域的涂層基本完好，但涂層表面存在明顯的鼓泡和劃痕；在飛濺區，僅在樣品的中間區域殘留有少量涂層，而面漆表面大部分脫落，或被貝殼等海洋生物所覆蓋，涂層出現了明顯的分層剝離等情況；在全浸區，樣品的中間位置附著有大量的貝殼生物，紅色面漆基本消失，局部出現了剝離現象；在海泥區，樣品的表面涂層基本完好，表面僅有少量鼓泡、劃痕。

曹廣啟等[18]報道了某海上風電站鋼結構基座的表面腐蝕情況。某海上風電站表面涂覆有設計壽命為15年的油漆防污層，然而在飛濺區其表面在數年內就附著有大量海洋生物（如牡蠣），并發生了較為嚴重的生物腐蝕。作者分析，風電站的鋼結構表面附著的海蠣子形成了外污層，雖然能夠減少氧分子向碳鋼層的擴散，但是外部污損層嗜氧菌的呼吸作用使得碳鋼表面缺氧，促進了硫酸鹽還原菌（SRB，Sulfate- Reducing Bacteria）的生長，從而加速了碳鋼的厭氧腐蝕。

圖2 海上風電塔架不同區域生物污損及腐蝕狀況外觀形貌[17]

由于潮汐發電機處于較惡劣的海水工況中，因此其海洋污損和腐蝕問題尤為突出。Chen等[19]總結報道了潮汐發電機失效的主要因素，表面海洋污損及腐蝕被認為是造成潮汐發電機效率降低乃至失效的五大主要原因之一。楊凡[20]報道了韓國賈洛林、浙江江廈兩地潮汐電站的鋼結構設施表面腐蝕的特點。作者指出，由于海水水位的變化，電站的機組過流面和鋼閘門等設備將面臨空氣、海水、海水?空氣交替等3種腐蝕介質工況，這使得兩者將承受海鹽顆粒沉積的影響，以及海水活性氯離子的侵入。另外，海水中微生物和動植物的附著將加速其表面的生物腐蝕，使得單一防腐蝕漆方法不足以長期有效地實現對潮汐電站電力設施結構的保護。張紹正等[21]報道了江廈潮汐電站水輪機過流部件的防護方法。作者指出，機組過流部件表面容易被海洋生物附著、生長，從而導致過流斷面減小、生物分泌物腐蝕等一系列問題。該電站通過在過流部件表面涂刷配套漆（主要為高接觸型氧化亞銅防污漆），取得了較好的效果，在2年運行時間內，被保護體表面僅有零星的藤壺等海洋生物單體附著。

1.3 海底管線電纜金屬保護層表面腐蝕

海底管線、海底電纜建設于幾十、數百米甚至更深的大陸架全浸區、深海區，相對于淺海區，在此區域內的大型海洋動植物數量更少，嗜氧、厭氧細菌等微生物的附著對設備材料的腐蝕作用更為顯著[22-24]。微生物附著生長在金屬表面并形成了特定的生物膜，該膜層將改變金屬?溶液界面環境的物理化學特性，從而影響金屬的腐蝕行為。由此可見，研究海纜所在區域的實際海底腐蝕環境、探索管線外層表面微生物的腐蝕機制，對于確保海纜的長期安全運行尤為重要。

海底電纜敷設于海水、海泥中，其最外層的鑄鐵套管、鎧裝銅芯電纜直接接觸海水或海泥。由于海水或海泥均為高鹽、細菌腐蝕等環境[24]，使得海底電纜易被加速腐蝕而損壞，縮短了海纜的壽命。吳聰等[25]研究報道了瓊州海峽500 kV海底電纜沿線的海底腐蝕環境情況，作者通過在北線站點廣東徐聞到南線站點海南澄邁總長31 km范圍內布設數據采樣和分析站點，對海底沉積物進行了取樣分析，獲取了包括泥溫、總有機碳（Total Organic Carbon，TOC）、硫酸還原菌在內的數十種環境腐蝕因子。結果表明，徐聞近岸海區0.5～1.0 m淺海灘涂區域具有溫度高、有機物含量豐富、硫酸鹽還原菌（SRB）含量較高等特點，需重點加強海纜鑄鐵套管和本體的污損腐蝕防護工作。卞培旺等[26]研究了大亞灣海區海底沉積物的腐蝕性環境參數，該區域沉積物中的Fe3+/Fe2+含量比值的平均值為0.38，處于還原性環境；該區域的海洋沉積物中SRB豐度處于一般水平，對金屬的腐蝕速率具有一定加速作用。考慮到可能同時發生宏觀電偶腐蝕和硫酸鹽還原菌的腐蝕作用，作者建議適當將陽極塊布設距離縮小，并采取強化防護措施，以應對強力電偶腐蝕。

李秋實[27]研究了深海管線鋼表面細菌的腐蝕機理，提出了硫酸鹽還原菌對X65鋼在有氧中性溶液中腐蝕行為的影響機制。結果表明，SRB附著于金屬試樣表面，形成了生物膜，在一定程度上使得X65的腐蝕進程減緩。作者指出，材料的緩蝕率與SRB的生長過程相關：在對數期內迅速升高，在穩定期保持穩定，在衰亡期降低。王竹等[28]、胡家元等[29]研究了硫酸鹽還原菌和鐵氧化細菌（FEB）對海底電纜鎧裝銅絲的影響規律。作者發現，在模擬海水溶液條件下，在僅有SRB溶液中腐蝕過程的主要產物為Cu2O、CuS、Cu2Cl(OH)3；在僅有FEB的模擬海水溶液中，其腐蝕產物主要為Cu2O和Cu2Cl(OH)3；在同時加入2種細菌的模擬海水溶液中，其主要腐蝕產物為Cu2O和Cu2Cl(OH)3。腐蝕實驗結果表明，單純SRB或FEB都會使腐蝕程度加劇，但前者對銅材料腐蝕的影響比后者大，并且在同時存在SRB和FEB的情況下，其腐蝕速率相比只存在單一細菌時的腐蝕速率小；在細菌的模擬溶液中，升高溫度將使均勻腐蝕加劇。

2 沿海電力設施海洋防污技術應用典型案例

針對沿海電力設施防生物污損的應用需求，人們開展了廣泛的研究和試驗，不斷探索并開發出多種防海洋生物污損的治理方法。其中，涂裝防生物污損是代表性措施之一。現有主流的防污涂料涂層主要分為兩大類：一類是含有防污劑材料（化學或生物毒性物質）的防污涂料；另一類是無防污劑涂料。前者主要依靠有毒化學或生物防污劑緩慢釋放進入海水，從而抑制海洋生物的附著和生長；后者具有低表面能光滑表面，雖然海洋生物可以在材料表面生長，但其低表面能特性使得海洋生物附著不牢，容易通過外部作用將其從涂層表面去除。

涂裝防污措施具有環保性能好、毒性可連續緩慢滲出、耐海浪沖擊性強等優點。該方式只能在一定時間內防止電力設施表面的海洋生物附著，在3～5年后需重新進行表面涂刷，對于潮汐電站等腐蝕工況惡劣的場合，還需要與其他防污措施結合，以加強防污、防腐蝕的效能。以下根據不同類型可再生能源電站的工作模式和特點，介紹現有應用于電力材料的涂裝防污典型案例。

2.1 核電站、海水抽水蓄能電站海水系統防生物腐蝕案例

江峰等[14]報道了秦山核電站所處海域海水系統設施生物污損的主要來源，并且結合所采用的防污漆類型，介紹了秦山核電重水堆機組的RSW吸入管和旋轉濾網所使用的防污漆種類和涂裝防污應用情況（圖3）。其中，RSW吸入管選用海虹老人牌環氧漆47188和同品牌防污漆78950涂層配套體系（2017—2020年），可防止海生物的附著。2019年的檢修結果表明，RSW吸水管表面因海水沖刷造成了涂層表面的磨損，可見防污漆層多處鼓泡，但未發現海生物附著，防污效果較為顯著。另一方面，通過在旋轉濾網框架上人工涂裝表面防污涂料，緩解了海生物的附著沉降，涂層配套系統底漆采用PPG高固態環氧漆Sigma Cover 850，鏈接漆為環氧漆Sigma Cover 555，面漆采用自拋光防污漆Sigma Ecofleet 290，2019—2020年的檢查結果表明，旋轉濾網框架上沒有海生物附著，表面較為光潔。

圖3 RSW吸入管和旋轉濾網涂裝防污應用效果[14]

熊偉平等[30]總結報道了日本沖繩海水抽水蓄能電站的涂裝防污方案，作者指出，該電站的取排水口內張管、壓力鋼管彎曲部管、尾水進入門、尾水閘門等部件采用了碳素鋼材料，在鋼體涉水面上涂有高耐久性、性能強韌的含有玻璃鱗片的乙烯基酯樹脂（Glass Flake Vinylester），用以隔絕海水，并防止海洋生物污損腐蝕。在5年運行周期的2次例行檢查中，上述提到的碳素鋼制部件中有部分含玻璃鱗片的乙烯基酯樹脂涂裝表面出現了膨脹、剝離等物理變化；由于采取了電氣防腐蝕手段，因此并沒有出現海洋生物的附著或表面腐蝕。

2.2 海上風場鋼結構基礎防腐層防污措施

曹廣啟等[18]報道了某海上風電場鋼結構基座表面基礎防腐層提前失效的應對解決方案。為了保障風力發電機組在惡劣腐蝕環境工況下長期穩定工作，該風電場的基礎鋼結構的防腐蝕性能按照15年的高標準進行了設計，然而實際運行遠不到15年時，大量的鋼結構基座表面的基礎防腐層就出現大面積生物污損和腐蝕損害等現象。作者對此給出了針對性的解決方案，制作玻璃鋼保護管，將其包裹在鋼結構的基礎外表，然后將低表面能防污漆涂刷于保護管外部，以防止海洋生物的附著，待防污漆提前失效后，將表面污損的玻璃鋼保護管拆下運回工廠，在去除附著生物后再重新人工涂刷新的防護漆，并再次用于風力發電機鋼結構的表面，以防止海洋生物表面的附著。該方案避免了現場人工涂刷防污漆時易受到環境影響的問題，從而有效保證了施工質量。

2.3 潮汐水電站防污防腐蝕案例

海洋生物污損問題會嚴重影響潮汐發電站的運行效率，因此必須采取必要的防護應對措施。Walker等[31]、Batten等[32]研究了潮汐發電機渦輪葉片表面不同生物污垢體的種類、數量對能量提取裝置性能的影響。理論分析與實驗結果表明，少量生物污垢便會顯著影響發電機的工作效率，而且隨著葉片轉速的增加更為顯著，較高的污垢水平導致葉片效率下降了約70%。為此，國外較早開展了潮汐電站電力設施表面海洋污損及腐蝕防護措施的研究，大多數已部署的大型潮流輪機都采用耐久性的防污涂料，并輔以人工清理方式，以遏制海洋生物污損。朱春英[33]報道了溫嶺江廈潮汐試驗電站近年來新機組的防污技術方案。該電站6號新機組的過流面外殼采用不銹鋼材料，其本身具有較強的耐腐蝕性，主要采用了防腐防污涂料與外加電流陰極保護系統雙重保護的方案，在國內外在運行潮汐機組中屬于首例。作者指出，僅僅利用防污漆的涂裝方法不能長期有效地保護機組的過流面，需選用防腐防污涂料與外加電流陰極保護系統相結合的方案。該案例中，防護漆體系為涂刷較厚的氯化橡膠瀝青防銹漆和長效防污漆，一方面可以將海水與過流面表面隔離，防止不銹鋼腐蝕的產生；另一方面長效防污漆涂料逐漸將有毒化學物質釋放出，以殺死表面附著的海生物。實際運行結果表明，2007年采用防污防腐蝕相結合的保護方案后電站順利并網發電，直到作者2009年發表研究論文為止，機組的總體運行狀況良好。

3 基于熱噴涂方法的防污損技術研究進展

電力設施的涂裝防污損技術有著重要的應用價值，但需要兼顧對海洋環境無毒（低毒）作用的問題，例如在海底電纜防污應用場合，回收海底電纜的成本有時會高于總的鋪設成本，因此需要考慮其全服役周期防污材料的長效、無毒特性[34]。近年來，人們在無毒環保防污涂料、涂層方面開展了大量的研究工作[35]。總體基于2個方面的思路：一是采用物理方法，使防護涂層具有低表面能特性，使海洋生物不易在其表面附著[36-37]；二是采用環境友好的生物防污劑，以替代金屬毒素[38]。2種思路實現的海洋防污損涂層具備各自的優勢。單一抗污損方式存在不足之處，通常低表面能有機材料的機械強度較低、耐磨損性較差，易受紫外光照老化[39]，因此耐久性也較差；雖然生物毒素具有環保優勢，但它容易快速釋放到海水中，難以實現長效的防護作用。由此可見，采取復合方式構筑環境友好型涂層材料，能在提高其抗生物污損性能的同時，實現防護功效的長效性和耐久性。熱噴涂方法具有工藝成本低、可選擇材料范圍廣、便于進行現場操作等優勢，適合于電力材料防污涂層的制備，是有希望將防生物污損新技術應用于實際電力設備防護方面的重要技術手段之一。按照技術思路的不同，近年來熱噴涂復合涂層的研究思路主要分為以下4類。

1）對原有防護涂層進行表面修飾或改性，提高其抗污損性能。

2）構筑有機–無機復合涂層，同時實現低表面能和金屬離子抗污損。

3）將天然防污劑復合于涂料、涂層中，使其在具有抗污損作用的同時還具有環保特性。

4）發展多元合金材料或層狀結構，制備緩釋能力優異的無機防污涂層。

以下將依次對這4類熱噴涂復合涂層防污損材料的制備進行總結和分析。

3.1 表面修飾改性防污復合涂層

多數基于熱噴涂法制備的海洋防腐蝕涂層材料不能有效地防止生物污損，而通過對熱噴涂涂層表面進行后修飾改性等處理，則可有效提高其防污損性能。典型方法包括對熱噴涂涂層表層進行物理/化學處理，使其具備多尺度微納結構，或采用有機鹽類改變其表面的親疏水性或生物毒性，同時結合結構防污和化學防污的優勢提高涂層的表面防污性能。以下將介紹近年來表面修飾改性的熱噴涂防污復合涂層的重要研究進展。

賀小燕[40]研究了熱噴涂Al樣品表面結構和化學成分對微生物附著的協同影響機制，研究了對熱噴涂Al表面進行織構化處理和季銨化反應樣品的生物防污損性能。首先對熱噴涂Al涂層進行簡單沸水處理，可在其表面獲得微納結構，同時使其表面帶有豐富的羥基，命名為Al?micro。進一步經過簡單的聚乙烯亞胺（PEI）自組裝和季銨（QPEI）化反應，分別獲得織構化的聚乙烯亞胺修飾樣品（Al?micro?PEI）和季銨鹽修飾樣品（Al?micro?QPEI）。結果表明，處理后的2種樣品相較于無修飾樣品減少了95%的三角褐指藻、98%的小球藻附著，其根本原因在于有機物的修飾使得熱噴涂Al涂層表面的親水性發生了改變。另一方面，Al?micro、Al?micro?PEI樣品表面附著的微生物形貌保持原樣，與之不同的是，Al?micro?QPEI上附著的三角褐指藻和小球藻細胞膜的表面出現了孔洞、卷曲，甚至坍塌現象。這是因為季銨陽離子與污損微生物細胞膜的蛋白質類、多糖類分子相結合，增加了細胞膜的通透性，可能導致細胞膜破裂和細胞內物質的泄漏，從而使微生物死亡，此獨特性質抑制了污損微生物在涂層表面的附著。

He等[41]研究了構筑多層微圖紋的表面熱噴涂鋁涂層并經修飾后的防生物污損性。作者在鋁涂層沉積過程中，采用鋼網作為屏蔽板，實現了涂層的微結構，而后將用于密封和連接的有機硅彈性體層進一步刷涂在微圖紋涂層上。另外，還利用兩性離子分子通過DOPA鍵進行了表面修飾。抗生物污損實驗結果表明，表面改性涂層兩性離子分子的修飾能有效地抑制條件膜的生成，從而抵抗圓柱形莢膜菌的定植；涂層的微圖紋顯著影響了海洋硅藻的定殖行為。雙重效果使得改性后的熱噴涂鋁涂層具備較強的抗污防腐蝕性能。

López?Ortega等[42]通過在涂料中添加SiO2納米顆粒和殺菌劑，使涂料具有超疏水和抗菌性能，進而將復合涂料涂于熱涂覆噴涂鋁涂層上，獲得了復合防污涂層材料（圖4），提高了其防污、防腐蝕性能。對3種殺菌劑進行了評價，并選擇了最有前途的一種殺菌劑。作者進行了潤濕性測試、細菌活性評估、生態毒性測試、水生海洋環境中的黏附測量等，以評估涂料在腐蝕性大氣中使用時的防腐能力。該涂料中SiO2的質量分數為25%，Cu2O的質量分數為1.5%，表現出較優的超疏水性。

圖4 基于熱噴涂鋁的超疏水?抗菌復合防污涂層制備流程[42]

3.2 有機–無機復合超疏水防污涂層

結合有機材料低表面能特性與無機金屬材料（如銅納米顆粒）的抗菌殺菌毒性，制備了熱噴涂防污涂層。前者的低表面能特性能使得涂層不易被微生物黏附，而后者在有機涂層的包裹下可緩慢釋放出低毒銅離子，以殺滅藻類等微生物，從而提高了其防污損長效性。在此基礎上，研究人員提出了實現具備良好防污性能無機/有機復合涂料的新技術路線。

銅涂層在防生物污損中的作用顯著，但表層的銅離子在釋放結束后，就不能繼續防止生物污損，此問題的解決方案之一是構筑以低毒的銅材料為防污劑主體的有機?無機復合涂層。Vucko等[43]研究了采用冷噴涂方法制備的嵌有銅顆粒的聚氨酯的防生物污損特性，結果表明，高的銅顆粒含量可獲得更好的生物防污性能，不同密度聚氨酯的服役期不同，低密度聚氨酯的服役期只有42 d，而高密度聚氨酯的服役期則可達210 d。Vucko等[44]利用冷噴涂方法將銅、鋅顆粒嵌入聚合物材料中，制備了具有密度梯度的涂層材料，研究了不同密度梯度控制銅離子、鋅離子的釋放速率規律，達到了延長防生物污損服役時間的目的。Liu等[45]利用懸浮火焰噴射法制備了聚酰亞胺?銅復合防污板，噴涂制備得到了內部為分散型膠囊微結構的聚酰亞胺板，它具有內孔和頂部表面小孔的中空結構。在沉積過程中，將200～1 000 nm的銅粒子包裹在板內，以限制銅的釋放，獲得了持續的防污性能。經24 h的涂層防污測試，結果表明，銅摻雜板有效地阻止了大腸桿菌的附著，它兼具釋放?殺滅和接觸?殺滅機制的雙重功能結構。Liu等[46]采用液體火焰噴涂法，利用聚酰亞胺前驅體和銅顆粒混合物制備了防污涂層，該涂層在人工海水中具有良好的耐腐蝕性，涂層能有效抵抗大腸桿菌和芽孢桿菌在其表面的定植，具有顯著的防污性能。Jia等[47]通過化學鍍方法制備了銅（Cu）?高密度聚乙烯（HDPE）核殼顆粒，并以之為填料采用火焰噴涂沉積法制備了防污損涂層，獲得了周圍單個HDPE顆粒厚度為1 μm的銅殼。如圖5 所示，耐污損實驗結果表明，在含銅涂層表面，芽孢桿菌的附著能力明顯受到抑制，證明該涂層具有良好的防污性能。其中，低劑量銅離子的連續釋放使涂層具有長期的防污能力。

圖5 不同涂層在含芽孢桿菌培養液中培養72 h后表面形貌比較及銅離子釋放速率的變化規律[47]

除了利用有機聚合物作為銅顆粒的包裹層，實現低表面能和銅離子緩釋的雙重效果，以提高長效防污性能以外，還可以采用有機聚合物層作為不同材質金屬間的隔離層，同時提高復合涂層的耐腐蝕和耐污損性能。Wang等[48-49]采用芯絲電弧噴涂法研制了鋁?聚甲基丙烯酸甲酯?銅復合涂層，利用細菌對涂料的防污性能進行了評價，并對涂層微觀結構和防污機理進行了研究和討論。結果表明，復合涂層具有較好的防污性能，其中可能存在2種防污機理：一方面，Al組分的腐蝕使銅納米粒子被釋放到海水中，從而轉化為銅離子，殺死了細菌；另一方面，Cu?Al原電反應加速了Al的氧化，形成了針狀腐蝕產物，刺穿了細胞膜，并殺死細菌。評價了PMMA對涂層電化學性能的影響，結果表明，PMMA組分的密封性能提高了Al?PMMA?Cu涂層的耐蝕性。

3.3 基于天然產物防污劑的復合防污涂層

將諸如生物毒性酶、天然代謝產物、植物毒素等具有微生物毒性且可降解的天然產物防污劑（Natural Product Antifoulants，NPA）與熱噴涂材料組合，可以獲得具有抗污損力且同時具有無毒環保優點的防污涂層。需要解決防污涂層中NPA容易發生快速泄漏、涂層表面形貌不易實現等實際應用中的重要問題。

Liu等[50]研究開發了用于海洋防污的火焰噴涂高密度聚乙烯（HDPE）?辣椒素復合涂層，辣椒素粉通過聚合物基體固定，并均勻分布于涂層，通過檢測大腸桿菌、芽孢桿菌和三角褐指藻的存活和定殖行為來評價膜的防污性能。抗污試驗結果表明，HDPE?辣椒素復合涂層對革蘭氏陰性大腸桿菌和革蘭氏陽性海洋芽孢桿菌均具有良好的抗菌性能。Lu等[51]研究了具有定向納米形貌和不泄漏辣椒素的柔性疏水防污涂料。如圖6所示，通過將辣椒素與CoFe2O4/明膠磁性納米顆粒結合，并與聚二甲基硅氧烷（PDMS）基嵌段共聚物混合，采用噴涂方法制備得到了抗污損薄膜，它顯著減少了舟形藻的沉降速率。通過與CoFe2O4/明膠納米微球的化學鍵抑制了辣椒素的泄漏，實現了長效緩釋防污。相關報道都獲得了具有緩釋效果的熱噴涂復合涂層，對細菌和藻類均具有良好的防污性能，為其在海洋環境中作為環保型防污層的應用提供了新的指導思路。

3.4 基于緩釋方法的無機防污損涂層

含銅有機涂層在防止生物污損和腐蝕領域有著廣泛的應用[52]，在含銅熱噴涂無機涂層研究領域，調控銅離子的釋放率仍存在較大的困難。為此人們基于熱噴涂方法開展了含銅無機緩釋涂層的研究。

圖6 舟形藻在不同襯底表面的光學圖像和沉降密度[52]

Fang等[53]報道了利用電弧噴涂制備具有防腐和防污性能的新型鋁銅涂層。銅顆粒被分散在涂層中，在沉積過程中Cu顆粒與Al基體相互作用，產生了部分Al2Cu。與Al2Cu的化學反應為涂層提供了一種錨定效應，防止Cu顆粒快速釋放到水環境中。檢測了大腸桿菌、芽孢桿菌和典型海藻的沉降和定殖行為，并對涂層進行了防污試驗，結果表明，涂層具有良好的防污性能。涂層的防污性能主要來自于銅離子的連續釋放。

Tian等[54]采用機械混合Cu/Ti粉末等離子噴涂的方法，研制了一種微米級Cu/Ti交替層狀結構的Cu?Ti復合防污涂層。該涂層可通過Cu層板在水溶液中的電溶解控制Cu離子的釋放。結果表明，Cu?Ti涂層對細菌的防污效果較顯著，附著率接近100%。Cu?Ti涂層內原位形成了Cu/Ti微原電池，Cu層合板的連續溶解導致Ti層合板的近表面形成了微通道，有助于控制Cu離子的緩慢釋放和自拋光防污損。結果表明，Cu?Ti涂層具有比常規有機防污涂層高200%的環保防污性能，防污壽命也比常規有機防污涂層高200%。Tian等[55]研究了防污性能隨Cu負載量增加的變化規律，結果表明，銅離子的釋放速率和防污時間隨著Cu負載量的增加而增大。隨著Cu的負載量從8.1%增至19.2%，Cu?Ti涂層對細菌的防污效果也不斷增加。當Cu的負載量超過19.2%時，防污效果接近100%。不同Cu負載量的電化學測試結果表明，相較于單個電池的溶出速率，微原電池數量對銅總溶出率的影響更為顯著，后者將決定Cu離子的釋放速率和自拋光效果。

4 結語

生物污損是造成沿海電力設施腐蝕加速的重要原因之一，如何有效控制其表面生物污損問題、延長電力設施服役時間對于保障我國能源安全有著重要意義。文中對沿海電力設施的生物腐蝕現象、涂裝防生物污損腐蝕方法（包括具體案例）、熱噴涂復合防污涂層制備及應用研究進展進行了綜述。

1）建設在淺海灘涂的風電站、潮汐電站、海水抽水蓄能電站長期處于干濕交替、海鹽腐蝕等工況條件下，容易發生較嚴重的生物污損和腐蝕，通常需要將涂裝防污技術配合其他措施共同作用，以達到理想的防污效果。

2）核電站海水系統、海底電纜等電力設施所處的環境條件相對較為穩定，采用涂裝防污措施通常可以達到理想的效果。

3）在報道的實際案例中，單獨采用涂層防污措施，或與其他防腐蝕方法并用，都可以實現良好的防腐蝕性能。

未來，電力設施的防生物污損與腐蝕需制備無毒（低毒）、環保、長效的復合防污涂層。文中按4種不同的技術思路，對熱噴涂制備無毒（低毒）復合型防污涂層的研究進展進行了綜述。

1）熱噴涂制備防污涂層技術具有可現場作業、材質成分選取靈活、成本低等優勢，是未來有希望將新型復合防污涂層應用于實際場合的技術方法之一。

2）通過對原有防護涂層進行表面修飾或改性，可提高其抗污損性能。通過構筑有機?無機復合涂層，可同時實現低表面能和金屬離子抗污損。通過將天然防污劑復合到涂料、涂層中，可使其具有抗污損性，且具有環保特性。發展多元合金材料或層狀結構可制備緩釋能力優異的防污涂層。

基于這些技術趨勢的新型熱噴涂涂層研究工作，有望為未來發展新型電力設施防海洋污損與腐蝕的防護方法起到一定指引作用。

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Research Progress on Biological Fouling and Corrosion and Thermal Spraying Surface Protection of Power Facilities

1,1,1,1,1,1,2,2,2

(1. Liuzhou Bureau, EHV Transmission Company, China Southern Power Grid Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545006, China; 2. Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Zhejiang Ningbo 315201, China)

Marine organisms are inclined to attach and grow on the surface of coastal power facilities, and their metabolic process and products lead to accelerated corrosion of metal surfaces and aging damage of power facilities, resulting in potential harm and economic loss. Therefore, anti-fouling coating techniques that can reduce and inhibit biological fouling on the surface of power facilities are of crucial research and application value. The preparation of anti-fouling coating by thermal spraying is one of the important methods to prevent biological fouling and corrosion and also an important direction to apply research work to practice in the future. Up to now, the research progress of biological corrosion status of power facilities and equipment and thermal spraying surface protection has not been reported. The current situation of biological fouling corrosion and the research progress of thermal spraying anti-fouling measures of power facilities and equipment were summarized in order to give a timely and comprehensive review. Firstly, the present situation of biological fouling and corrosion characteristics on power equipment in different coastal regions was introduced, typical application cases of anti-fouling coatings for different power facilities in recent years were cited, and then the research progress of the thermal spraying composite anti-fouling coating for nearly 10 years was exclusively reviewed according to different technical characteristics and developing trends. Additionally, the application prospect in coastal power facility protection was also analyzed, so as to provide important guidance for future research in the related fields.

power equipment; biological corrosion; thermal spraying; surface protection measure

TQ630

A

1001-3660(2022)10-0155-12

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.10.015

2021–08–30；

2021–10–28

2021-08-30；

2021-10-28

中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司科技項目（CGYKJXM20180208）

Foundation of China Southern Power Grid Co., Ltd. Liuzhou Bureau of EHV Transmission Company (CGYKJXM20180208)

寧淼福（1981—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為高壓輸電線路運維、電網材料應用、腐蝕控制技術。

NING Miao-fu (1981-), Male, Master, Senior engineer, Research focus: high voltage transmission line operation and maintenance, grid material application, corrosion control technology.

劉奕（1985—），女，博士，副研究員，主要研究方向為海洋防生物污損涂層制備及防護機理。

LIU Yi (1985-), Female, Doctor, Associate research fellow, Research focus: preparation and protection mechanism of marine biological fouling coating.

寧淼福, 孫闊騰, 蔡瑋辰, 等.電力設施生物污損腐蝕與熱噴涂表面防護研究進展[J]. 表面技術, 2022, 51(10): 155-166.

NING Miao-fu, SUN Kuo-teng, CAI Wei-chen, et al. Research Progress on Biological Fouling and Corrosion and Thermal Spraying Surface Protection of Power Facilities[J]. Surface Technology, 2022, 51(10): 155-166.

責任編輯：彭颋