海上風電塔筒鋼構防腐蝕涂料耐循環老化性能研究

林辰，駱漢英，王志敏

（威凱檢測技術有限公司，廣州 510663）

前言

隨著當今對能源需求的不斷增長與生存環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注，在國家政策的加持下，多個沿海省份明確在“十四五”期間發展海上風電的目標，海上風電業的不斷發展對海上風電用材料提出了更高的要求。由于海上風電處在惡劣的海洋環境中，常常受到太陽光、氧氣、海水等因素影響，尤其是風電塔筒這種處于海洋環境最復雜的部位，從下到上依次會受到海泥區、全浸區、潮差區、飛濺區、海洋大氣區的不同環境影響，對塔筒材料特別是其表面涂層材料提出了更高的要求。

海上風電塔筒是風力發電的塔桿，為風力發電機組起到支撐作用，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塔筒的常用材料，以歐美標準制造且技術成熟、耐候性好。然而，該材料也存在短壽命和維護成本高的缺點，使得成本不斷提高。近年來，隨著國內涂料技術的發展，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，本文通過對業內四家涂料廠家的樣板進行循環老化試驗的研究對比，初步評價不同涂層材料的耐腐蝕性，為海上風電塔筒涂層材料的選擇提供一個參考。

國際標準ISO 12944-9:2018[1]是基于海上建筑及結構用防護涂料體系的實驗室性能測試方法，使防護涂料體系對鋼結構的防腐蝕保護的評價提供了參考作用。涂料系統的耐久性取決于許多外部因素，如環境，結構設計，表面處理以及應用等，也和系統的物理和化學特性有關，如粘合劑組成、干膜厚度與材質等。這些主要通過光照、濕氣、溫度和鹽霧這些常見因素來表現漆膜對基材的保護能力。從Jacques[2]闡述的光、溫度、濕度等影響因素對涂層性能的影響可知，循環老化試驗是通過實驗室模擬各類極端氣候的綜合性人工試驗，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涂料在現實環境中所受到的各類極端環境的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本次試驗采用業內某 A、B、C 和D 四家涂料廠生產的海洋飛濺區樣板（黃色）和海洋大氣區樣板（白色）兩種類型樣板，各廠家生產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 海洋飛濺區樣板（黃色）涂層材料信息

表2 海洋大氣區樣板（白色）涂層材料信息

此次試驗所使用的設備如下：

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

1.2 試驗方法

本次試驗參考ISO 12944-9：2018 附錄B 的循環老化試驗程序，選擇海洋飛濺區樣板（黃色）和海洋大氣區樣板（白色）各8 件。試驗前對所有樣板按照ISO 12944-9：2018 附錄A 要求劃線，并測量膜厚、60 °光澤度和色差，然后開始試驗。按照試驗程序，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，每次周期取樣均對取出的樣板進行膜厚、60 °光澤度和色差的測量，并處理劃線處腐蝕情況。循環老化試驗程序如圖1 所示，一個周期持續一周（168 h），包括三個階段：①72 h 的紫外/冷凝暴露試驗，依據ISO 16474-3中方法A，循環1 進行；②72 h 中性鹽霧試驗，依據ISO 9227 規定進行；③24 h 低溫暴露試驗（-20±2）℃進行。試驗后由ISO 12944-9:2018 標準中對外觀的評定方法，根據ISO 4628-2、ISO 4628-3、ISO 4628-4和ISO 4628-5 對樣板未劃線區域試驗進行評價其起泡、生銹、開裂和剝落情況，根據ISO 12944-9：2018 附錄A 樣板劃線區域進行腐蝕寬度的評價，并進行膜厚、60 °光澤度和色差的測量。

圖1 循環老化試驗程序

2 試驗結果

2.1 海洋飛濺區樣板（黃色）

在實驗室完成試驗后，圖2 所示為黃色樣板各周期的表面腐蝕形貌。對比各樣板之間、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起泡、生銹、開裂和剝落，起泡，開裂、剝落等級均為0（S0），生銹等級均為Ri0；②涂層厚度：將非劃線處涂層厚度在各周期的測量值變化可以發現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 的數據，由此得到圖3 的各周期變化規律，可以看出整體平均腐蝕寬度隨著周期數增加近乎呈線性增長變化。其中發現黃色樣板中，C 組的腐蝕擴展速率（指單位周期的平均腐蝕寬度值）最大，達到1.1 064 mm/周期，平均腐蝕寬度超過標準要求的8 mm即為不合格，而A 組和D 組在12 周期后出現腐蝕擴展，B 組在18 個周期后出現腐蝕擴展；④非劃線區域失光率：由圖5 所示的各周期失光率變化曲線可以發現，黃色樣板在18 周期前，失光率整體呈現降低變化，在18 周期后，黃色樣板失光率整體呈現增大變化；⑤非劃線區域色差：由圖7 所示的各周期色差變化曲線可以發現，色差整體呈現增大變化，根據圖2 各樣板形貌圖可以看出，受到一定的劃線處腐蝕產物流掛在涂層表面對非劃線區域的影響。

圖2 海洋飛濺區樣板（黃色）各周期的表面腐蝕形貌

圖3 海洋飛濺區樣板（黃色）腐蝕寬度變化

圖4 海洋大氣區樣板（白色）腐蝕寬度變化

圖5 海洋飛濺區樣板（黃色）各周期失光率

圖6 海洋大氣區樣板（白色）各周期失光率

圖7 海洋飛濺區樣板（黃色）各周期色差

表3 海洋飛濺區樣板（黃色）各周期涂層厚度均值

表4 海洋飛濺區樣板（黃色）各周期劃線處腐蝕寬度均值

2.2 海洋大氣區樣板（白色）試驗結果

圖9 所示為白色樣板各周期的表面腐蝕形貌，對比各樣板之間、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起泡、生銹、開裂和剝落，起泡，開裂、剝落等級均為0（S0），生銹等級均為Ri0；②涂層厚度：將非劃線處涂層厚度在各周期的測量值變化可以發現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據見表6，各周期變化規律見圖4，可以看出整體平均腐蝕寬度隨著周期數增加近乎呈線性增長變化。其中，C組的腐蝕擴展速率最大，達到1.837 5 mm/周期，平均腐蝕寬度超過標準要求的8 mm 即為不合格，B 組腐蝕擴展速率比較平緩，D 組在8 個周期后出現腐蝕擴展，而A組在監控周期內未出現腐蝕擴展；④非劃線區域失光率：由圖6 所示的各周期失光率變化曲線可以發現，白色樣板在8 周期前，失光率整體呈現降低變化，在8 周期后，失光率整體呈現增大變化；⑤非劃線區域色差：由圖8所示的各周期色差變化曲線可以發現，色差整體呈現增大變化，根據圖3 各樣板形貌圖可以看出，受到一定的劃線處腐蝕產物流掛在涂層表面對非劃線區域的影響。

圖8 海洋大氣區樣板（白色）各周期色差

圖9 海洋大氣區樣板（白色）各周期的表面腐蝕形貌

表5 海洋大氣區樣板（白色）各周期涂層厚度均值

表6 海洋大氣區樣板（白色）各周期劃線處腐蝕寬度均值

2.3 討論與分析

根據試驗結果可以發現，涂層板非劃線處均未出現腐蝕缺陷，表明四種樣板本身沒有明顯的有機涂層微觀缺陷[4]，對金屬基材有明顯的保護作用，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生宏觀缺陷[4]，腐蝕現象會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失效，起不到保護作用。對比四個廠家生產的涂層樣板的劃線處腐蝕寬度結果，海洋飛濺區中B 廠家明顯優于其他三家，而海洋大氣區中A 廠家明顯優于其他三家。其中C 廠家所用的涂層材料在海洋飛濺區和海洋大氣區均出現嚴重的腐蝕蔓延現象，底漆與基材明顯分離，且面漆呈現開裂翹起和蜷曲，說明在這四家中C 廠家的涂層組合不適宜應用于海上風電產品。對于非劃線區域涂層面漆的失光率和色差情況，光澤度雖有一段時間增大，但隨著試驗周期的不斷增加，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生大分子結構斷裂，生成不穩定的游離自由基，會在光照催化下發生鏈反應形成老化產物，從而涂層表面變暗和發黃，造成光澤度下降，失光率上升，色差變大[5]。對比四個廠家樣板可以看出，在排除腐蝕產物影響的情況下（從圖2 中D 樣板的25 周期形貌圖片來看有明顯腐蝕產物的影響），D 廠家的失光率和色差整體稍微優于其他三家。

3 結論

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最優，B 廠家的環氧玻璃鱗片+環氧玻璃鱗片+氟碳的底漆+中間漆+面漆的涂層體系在海洋飛濺區最優，更適合海上風電塔筒的選材，D 廠家的環氧富鋅+環氧防銹漆+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，以上結論對海上風電塔筒的選材提供參考。