海上风电涂料防腐蚀性能的研究

郭峻嘉，车汉生，王志敏，李秋魁

（中国电器科学研究院有限公司，广州 510300）

海上风电涂料防腐蚀性能的研究

郭峻嘉，车汉生，王志敏，李秋魁

（中国电器科学研究院有限公司，广州 510300）

为了综合考察海上风电涂料的防腐蚀性能，根据海上环境设计了耐中性盐雾实验、耐湿性实验和耐霉菌实验，通过对比不同涂层体系的优劣，从而获得相关环境可靠性分析案例以及影响海上风电涂料的防腐蚀性能的因素。

防腐蚀性能；中性盐雾；冷凝水；霉菌

引言

风能是一种无污染，可再生的能源，风力发电对于解决全球能源危机有着重要的意义，其中，海上风力发电具有十分广阔的发展前景。但是沿海地区较高的温度、湿度以及盐雾等环境因素极易造成风电设备的腐蚀，影响其工作性能，甚至是严重的安全问题。

沿海地区空气湿度大，而且还含有大量盐分，形成了高浓度的盐雾。盐雾对金属具有极强的腐蚀性，因而会对风电设备造成很大的破坏。同时，湿热的沿海环境会导致风电设备的机舱内部产生凝露现象，造成电气设备的短路[1]。防护这两类腐蚀现象的一种重要手段就是在设备金属材料表面增加防腐蚀涂层，形成保护层。但是涂料作为有机物，在湿热的沿海地区又十分容易产生霉菌，导致涂层损伤，降低其防护性能，所以涂料也应当具有一定的防霉性能。

为了综合考察海上风电涂料的防腐蚀性能，我们针对这三种腐蚀情况设计了三种实验：耐中性盐雾实验，耐湿性实验，耐霉菌实验。实验样品为环氧漆涂料板，底材分为金属与玻璃钢两种，分别来自于国内八个涂料公司。本文将详细介绍这三种实验及其实验结果，并探讨影响海上风电涂料的防腐蚀性能的因素。

1 耐中性盐雾实验

1.1 实验方法

耐中性盐雾实验的依据标准是GB/T 1771-2007 《色漆和清漆 耐中性盐雾性能的测定》，用以模拟海上的盐雾环境，从而考察涂料板的耐中性盐雾性能。

实验所用的样板包括金属样板与玻璃钢样板。玻璃钢样板为单面涂层体系，涂层面为考察面；金属样板为双面涂层体系，分别记为F面和B面，其中F面为主要考察面。金属样板用于模拟塔筒的涂层体系，共19组；玻璃钢样板用于模拟叶片的涂层体系，共6组；每组样板均为6块。

实验前按照标准对金属样板进行划痕处理，样板两面均划横竖两条划痕。实验时间为5 000 h，2 500 h取样一次，取样数目为每组3块。在实验时间的第500 h、1 000 h、2 000 h、2 500 h、3 000 h、4 000 h和5 000 h进行实验中和实验后检查。检查依据的标准为ISO 4628：2003 《色漆和清漆 涂层破坏的评定》的第二部分到第五部分，分别为起泡、锈蚀、开裂、剥落的外观检查。

1.2 实验结果（见图1和图2）

1.2.1 金属样板的实验结果（见表1和表2）

金属样板分别由国内的八家涂料公司提供，每家公司提供的样板分别针对塔筒的4个不同的区域（塔筒内部的大气区封闭环境，塔筒外部上端的大气区，塔筒外部中间的飞溅区，塔筒外部底端的全浸区）设计了4种不同的厚度，其中大气区封闭环境的设计厚度为280 μm，大气区的设计厚度为400 μm，飞溅区的设计厚度为880 μm，全浸区的设计厚度为460 μm。实验前对样板涂层的实际厚度进行了测量，其平均测量值与设计厚度偏差明显，且不同组别的实际厚度相差也较大。表1为飞溅区样板涂层的设计厚度及实测平均值，表2为部分飞溅区涂层材料。样板两面均进行了划痕处理，所以实验结果由划痕区和非划痕区两部分组成。

划痕区能够模拟设备涂料破损后的耐腐蚀情况，因为金属的裸露，腐蚀情况会远比非划痕区严重，因而实验效果更加显著。由于划痕深至金属底材，导致金属裸露，所以腐蚀现象会从划痕处向两边扩展。腐蚀现象的出现顺序应为锈蚀、起泡、开裂、剥落。实验开始后不久划痕均出现锈蚀，而最早开始有样板出现起泡的时间为500 h。直至5 000 h后实验结束有少量样板未出现起泡，所有样板均未出现开裂和剥落现象。实验结束后，出现最大的单边起泡宽度为24 cm，起泡已经接触到样板边缘。

表1 金属样板的实验

表2 部分飞测区涂层材料

非划痕区有涂层的保护，因此这个区域的腐蚀现象出现顺序为起泡，开裂和锈蚀，剥落。直至5 000 h后实验结束，仅少部分样板出现起泡现象，且只有一块样板边缘出现开裂现象，最早出现起泡的时间为2 500 h。表3为2 500 h部分样板取样的结果，表4为5 000 h后部分样板的实验结果。

1.2.2 玻璃钢样板的实验结果

表3 2 500 h后部分样板取样结果

表4 5 000 h后部分样板取样结果

玻璃钢样板由六家涂料公司提供，样板未进行划痕处理。直至5 000 h后实验结束，玻璃钢样板均未出现明显变化。可以推测，海上的盐雾环境不会使风电设备的叶片部位产生腐蚀现象。

1.3 结果分析

中性盐雾的主要成分为氯化钠，其中起腐蚀作用的主要是氯离子。在湿度较高的环境下，金属表面会产生一层薄液膜，遇到活性强的阴离子很容易发生电化学腐蚀。氯离子本身活性很强，离子半径又小，所以很容易穿过金属表面的氧化膜内部的小孔隙，直接与金属发生反应[2]。因此，中性盐雾几乎不会使玻璃钢样板产生腐蚀现象。但是显然，未受涂层保护的金属将遭到很严重的腐蚀。

各个不同的涂层体系对氯离子的防护作用决定了实验结果，而最直观的一个影响因素便是涂层的厚度。理论上讲涂层越厚，涂层的防护性能越强。大部分样板的飞溅区涂层的实验结果好于其它涂层的实验结果也说明了这一点。但是，对于同一涂层体系来说，并非涂层越厚，防腐蚀性能越好，这与各个公司本身的涂料工艺有很大的关系。对于参与实验的几家公司的样品来说，以更薄的涂层得到相同或相近的实验结果，其涂料工艺更好。根据实验结果，我们可以得到几家公司所提供的样品中满足实验要求的最薄涂层：大气区——372 μm，飞溅区——854 μm，全浸区——479 μm，大气区封闭环境——280 μm。简而言之，当提升涂料工艺后，涂层厚度达到以上的数据，甚至是小于这些数据，就能具有良好的耐中性盐雾性能。

涂料工艺不佳导致涂层缺陷也是实验结果出现差异的原因，如划痕区起泡多且宽度大是因为样板的涂层对底材的吸附力较弱的。非划痕区起泡的原因则是水分和氯离子穿透涂层直接到达金属表面，引起腐蚀。企业可以根据实验结果和原先的工艺去寻找更为具体的原因，从而改进生产工艺，设计更薄的涂层，不仅满足风电设备的防腐蚀性要求，还能节省成本。

图1 0-2涂层体系试验结果

图2 6-2涂层体系试验结果

2 耐湿性实验

2.1 实验方法

耐湿性实验的依据标准是GB/T 13893-2008 《色漆和清漆 耐湿性的测定 连续冷凝法》，通过模拟沿海地区的高湿环境考察涂料板的耐湿性。由于耐湿性实验针对的是机舱内部的电气设备，所以实验样板为金属样板。实验方法为通过对试验箱底部的纯水加热的方式使位于箱体上层的样板表面不断地产生冷凝水，从而模拟高湿度环境下的凝露现象。

实验样板为双面涂层体系，分别记为F面和B面，其中F面为主要考察面。样板共9组，每组均为6块，分别由八个涂料公司提供。实验前不对样板做任何处理。实验时间为2 000 h，1 000 h取样一次，取样数目为每组3块。在实验时间的第500 h，1 000 h，1 500 h，2000 h进行实验中和实验后检查。检查依据的标准是ISO 4628：2003 《色漆和清漆 涂层破坏的评定》的第二部分到第五部分，分别为起泡、锈蚀、开裂、剥落的外观检查。

2.2 实验结果(见图3）

直至2 000 h后实验结束，所有样板的涂层均未出现起泡、锈蚀、开裂、剥落现象。这说明所有的涂层体系具有良好的耐湿性。

2.3 结果分析

由于凝露现象通常发生在如昼夜交替等出现较大温差的时候，在相同的时间段内，风电设备遭受盐雾腐蚀的时间远比遭受凝露腐蚀的时间长，所以连续冷凝法的设计实验时间要少于中性盐雾实验，以更好地模拟真实环境。但是2 000 h的耐中性盐雾实验的结果对耐湿性实验具有一定的参考价值。由于氯离子本身吸湿性很强，能够从大气中吸附水分，加上氯离子的离子半径小，穿透力强[3]，所以表现出来的就是盐雾比纯水更加容易穿透涂层。因此，在相同的涂层体系来说，2 000 h的耐中性盐雾实验的结果应当比2 000 h耐湿性实验的结果差。当耐中性盐雾实验进行到2 000 h后，所有涂层体系的非划痕区均未出现腐蚀现象，那么理论上来说，2 000 h耐湿性实验后，同样的样板涂层体系也不应出现腐蚀现象，实际的实验结果也证明了这一点。

3 耐霉菌实验

3.1 实验方法

耐霉菌实验的依据是GB/T 1741-2007《漆膜耐霉菌性测定法》，实验菌种选用外墙漆膜防霉实验菌种，包括黑曲霉、黄曲霉、球毛壳霉、腊叶芽枝霉、宛氏拟青霉、桔青霉、绿色木霉、出芽短梗霉、链格孢共九种。将菌种接种到样板涂层表面上，然后将样板放入温度控制25～30 ℃，相对湿度不低于85 %的条件下培养28天，检查结果。

图3 0-1涂层体系2 000 h盐雾试验和2 000 h耐湿性试验结果对比

实验的样板为玻璃钢样板，是单面涂层体系。样板共6组，每组三块，分别由六个涂料公司提供。这其中有一组特殊的样板，每块样板上有三个不同的区域，每个区域的涂层分别为腻子、油漆、腻子和油漆的混合涂层，用以比较同种腻子不同油漆的涂层体系和同种油漆不同腻子的涂层体系的长霉情况。实验结果依据GB/T 1741-2007《漆膜耐霉菌性测定法》评价样板的长霉等级。

3.2 实验结果

直至28天后实验结束，除了那一组每块包含了三个区域的样板，有4组样板的长霉等级均为2级（肉眼明显看见长霉，在样品表面的覆盖面积为10 %～30 %），剩下那组样板的长霉等级为3级（肉眼明显看见长霉，在样品表面的覆盖面积为30 %～60 %）。那一组每块包含了三个区域的样板中，只有一块样板的腻子区域长霉等级为3级，其它所有区域的长霉等级均为2级。

3.3 结果分析（见图4）

有机材料比无机材料更易长霉，因为霉菌能分解有机材料并将它们作为自己的养分，同时导致材料性能的劣化。因此，在相同的温湿度环境下，涂料的成分为影响耐霉菌实验结果的主要原因。大多数样板涂料的长霉等级为2级，而长霉等级为3级的样板涂料可能含有更多的对霉菌敏感组分。可以在涂料中增加对防霉剂的添加。

那一组每块包含了三个区域的样板中，两种油漆的长霉等级均为2级，两种腻子的长霉等级为2级和3级，但是油漆和腻子混合涂层长霉等级均为2级。可以推测，短时间内，霉菌对内层的腻子并无影响。霉菌发芽、分解含碳分子以及降解材料的最短时间是28天，但是长霉对试件产生的间接侵蚀和物理影响不可能在较短的试验持续时间内出现[4]，所以若想考察霉菌对内层涂料的影响，或是在确定长霉对样板的影响方面需要提高确定度和降低风险时，可以考虑延长试验时间。

4 结论

风电设备在沿海地区遭受的高温、高湿以及盐雾环境会使其产生一些性能问题，可以通过增加防护涂层以减缓其腐蚀速度，增加设备的服役时间。针对这种环境而设计的三种实验很好地反映了众多涂层体系的优劣，并为我们提供了一套环境可靠性分析案例。通过分析实验结果能获得以下结论：

1）企业改进涂料工艺可以适当减小涂层的厚度，以节省成本。通过耐中性盐雾实验获得的最为经济的涂层厚度为：大气区——372 μm，飞溅区——854 μm，全浸区——479 μm，大气区封闭环境——280 μm。

图4 各区域涂层霉菌试验结果

2）涂层若具有良好的耐中性盐雾性能，一般也具有良好的耐湿性。

3）为了保证涂料的防护性能，企业可以在涂料中增加防霉剂。

[1]李婵.风力发电设备在我国不同气候条件下环境适应性分析[J].环境技术, 2013(2)：29-33.

[2]肖葵，董超芳,等.NaCl颗粒沉积对Q235钢早期大气腐蚀的影响[N].中国腐蚀与防护学报, 2006,26(1)： 26-29.

[3]赵钺.大气环境下风电塔筒金属材料的应力腐蚀[J].环境技术, 2013 (1)： 5-8.

[4]GJB 150.10A-2009.军用装备实验室环境试验方法 第10部分：霉菌试验[S].

Research on Anti-corrosion Coatings for Offshore Wind Power Generation Equipments

GUO Jun-jia, CHE Han-sheng, WANG Zhi-min, LI Qiu-kui
(China National Electric Apparatus Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510300)

According to the marine environment, the neutral salt spray test, the condensation test and the mould test are designed for a comprehensive study of the anti-corrosive of the offshore wind power equipment coating, to obtain environment reliability cases and factors that affect the coating’s anticorrosive by compare the merits of different coatings.

anti-corrosion; neutral salt spray; condensation; mould

TB304

A

1004-7204（2015）04-0018-05

郭峻嘉（1991-），男，工程师，主要从事工业产品的环境可靠性测试工作。