光固化防腐包覆材料在海上风电装备上适用性研究

鲁俊勇，苗顺超，何梓洋，杨嘉然，赵 琳，贺建超，董宝军，武俊伟，冷雪松

(1. 中广核阳江海上风力发电有限公司，广东 阳江 529900；2. 深圳国能宸泰科技有限公司，广东 深圳 518000；3. 哈尔滨工业大学(深圳)特殊环境物质科学研究院，广东 深圳 518055)

0 前 言

海上风电是我国“一带一路”倡议和“十三五”新能源产业的重要部分,是构建清洁低碳能源体系的重要组成部分,也是实现国家“碳达峰、碳中和”重大战略决策的重要途径。在海上风电急速发展的同时,也亟需突破许多瓶颈问题,海上风电装备腐蚀失效问题尤为严重[1-3]。其中,钢管桩的防腐性能关系到整个海上风电的安全运行,钢管桩的服役环境非常复杂,其环境特点为高温、高湿、高盐度和高辐照[4-6]。钢管桩暴露于强腐蚀性的海洋环境中,容易造成严重的腐蚀和老化,影响风电机组的安全服役寿命[7-9]。

目前,钢管桩的防腐工艺主要采用有机环氧涂层和包覆防腐材料[10-12]。在高温环境中有机环氧涂层承受强腐蚀介质的能力非常差。此外,在水流冲刷作用下,有机环氧涂层逐渐变薄,涂层体系的电化学测试低频阻抗模值迅速降低,涂层电容瞬间增加,降低了涂层对钢管桩的保护作用,诱发钢管桩的腐蚀[13-16]。包覆防腐材料主要包括纤维复合材料复合包覆技术(FRP)和复层矿脂包覆防腐蚀技术(PTC),其主要原理为缓蚀剂+复合材料物理隔绝,但FRP复合包覆技术和PTC复合包覆技术的施工难度高、时间长、成本昂贵,在海上风电装备中应用困难[17-19]。根据NB/T 310006“海上风电场钢结构防腐蚀技术标准”中规定,风电防腐材料的设计年限一般不小于15 a[20]。环氧涂层和包覆材料难以满足钢管桩防腐的需求,因此,亟需找到合适的钢管桩防腐材料以满足钢管桩的防腐要求。

光固化材料是一种以不饱和聚酯树脂或乙烯基酯树脂为基体、以玻璃纤维为增强体的玻璃纤维增强复合材料,其厚度均匀,材质致密,外观呈片状,具有良好的抗腐蚀性能[21-24],但光固化材料在海上风电装备中的适用性还需要进一步研究。本工作采用光固化材料,分别考察其力学性能、抗盐雾性能和抗酸碱性能,为光固化材料在海上风电装备的应用提供基础数据。

1 试 验

1.1 材 料

试验采用盈韧科技(北京)有限公司提供的CP201型光固化片材。为了对比光固化材料的抗中性盐雾腐蚀性能和抗酸碱腐蚀性能,分别采用商用的AS5600安盾护甲和双酚A型环氧乙烯基树脂(Atlac 430)材料进行对比实验。AS5600安盾护甲和双酚A型环氧乙烯基树脂(Atlac 430)已成功地应用于海上风电钢桩防腐技术并表现出优异的耐蚀性能。

CP201型光固化片材是一种以乙烯基酯树脂为基体、以玻璃纤维为增强体的玻璃纤维增强复合材料,其厚度均匀,材质致密,上下均附有塑料薄膜,外观呈片状。片材厚度为2 mm,质量为2.0～5.0 kg/m2。光固化片材的包覆工艺:碳钢表面除尘处理后,立即采用底漆(环氧丙烯酸)涂敷,且涂敷均匀、无漏涂,厚度约为200 μm。在底漆表面上涂刷界面胶,厚度约为250 μm,并将光固化片材粘贴到基材表面,确保片材表面平整,片材与片材之间正确搭接。光固化片材的固化工艺:采用紫外灯照射一定的时间,使光固化片材彻底固化,随后撕下表面膜,成品如图1a所示。固化时间取决于紫外线照度,一般条件下,在长波黑斑效应紫外线 (UVA)照度为2.0 mW/cm2时,固化需要35 min。

图1 材料的宏观形貌Fig. 1 Macromorphology of materials

商用的AS5600安盾护甲是由外部屏蔽保护层、增强层、缓冲层和固体矿物脂层复合而成的一体式防腐材料,如图1b所示。AS5600安盾护甲的样品尺寸为300 mm×300 mm。安盾护甲为一体式包覆,将护甲贴附在碳钢基体上,再通过紧固螺栓固定即可完成包覆。

商用的Atlac 430是环氧双酚A乙烯基树脂的苯乙烯溶液,具有中等反应活性和中等黏度。

1.2 试验方法

1.2.1 材料的力学性能测试

根据GB/T 1449-2005 “纤维增强塑料弯曲性能试验方法” 和GB/T 3857-2005“玻璃纤维增强热固性塑料抗化学介质性能试验方法”,截取尺寸为80.00 mm×14.90 mm×3.74 mm的CP201型光固化片材试样,使用型号为Zwick Z010的万能材料试验机,设置测试速度为10 mm/min,跨距为60 mm,先在室温下测试试样常态的弯曲强度,再测试抗酸碱溶液后试样的弯曲强度。

根据GB/T 3857-2005 “玻璃纤维增强热固性塑料抗化学介质性能试验方法”,截取尺寸为130.0 mm×130.0 mm×3.5 mm的CP201型光固化片材试样,使用型号为YDK01-C的电子天平,在室温下分别测量抗试剂前后试样的质量并计算出质量变化率,记录试样抗试剂后的外观变化。

根据GB/T 3854-2005 “增强塑料巴柯尔硬度试验方法”和GB/T 3857-2005 “玻璃纤维增强热固性塑料抗化学介质性能试验方法”,采用型号为GYZJ-934-1的巴氏硬度计,测量抗试剂前后CP201型光固化片材试样的硬度值,测量10次取平均值。

1.2.2 抗中性盐雾试验

光固化包覆材料在服役过程中将遇到复杂的腐蚀环境,其材料的抗腐蚀性能将影响海上风电机组的寿命。中性盐雾试验是用于评价海上风机材料适用性的通用方法。中性盐雾试验氯化物的盐浓度是天然环境氯化物浓度的10倍。采用中性盐雾试验将缩短试验时间。根据氯化物的盐浓度计算,光固化材料进行1 000 h盐雾试验,若光固化材料指标正常,即可说明光固化材料能够满足海上风电的服役需求。

依据GB/T 10125-2021 “人造气氛腐蚀试验 盐雾试验”,对光固化片包覆材料和AS5600安盾护甲包覆材料进行盐雾试验。试验溶液采用5%(质量分数)的NaCl溶液,盐雾的沉降率控制在(1.5±0.5) mL/h,喷雾溶液pH值在6.5～7.2范围内, 温度40 ℃,试验时间为1 000 h,每隔72 h观察1次试样外观。取出2组试样并去除包覆材料,对比2组样品表面锈蚀程度。

1.2.3 耐酸性试验

根据GB/T 3857-2005 “玻璃纤维增强热固性塑料抗化学介质性能试验方法”,将光固化片材试样和Atlac 430树脂试样浸泡在25%的H2SO4溶液100 ℃下100 h和10%的NaOH溶液100 ℃下10、50 h。通过测量试验前后样品的弯曲强度、增重率和巴柯尔硬度的变化率,并观察样品宏观形貌的变化,评价样品的抗酸碱性。

2 结果与分析

2.1 力学性能测试结果

图2和图3分别为光固化材料拉伸的标准载荷-标准变形曲线和光固化材料弯曲的标准载荷-标准变形曲线。根据测试结果,光固化材料拉伸强度为177.80 MPa,断裂延伸长度为8.22%,弯曲载荷为142.16 N,弯曲弹性模量为3 790.93 MPa。根据ISO 12944-5 “色漆和清漆-防护漆体系对钢结构的防腐蚀保护 第五部分:防护漆体系”和ISO 12944-9“色漆和清漆-防护漆体系对钢结构的防腐蚀保护 第九部分:海上建筑及相关结构用防护涂料体系和实验室性能测试方法”标准,光固化材料的力学性能优异,满足实际海上风电装备对防腐材料的力学性能要求。

图2 光固化材料拉伸的载荷-变形曲线Fig. 2 Load-deformation curve of UV curing materials under tension

图3 光固化材料弯曲的载荷-变形曲线Fig. 3 Load-deformation curve of UV curing materials under bending

2.2 抗中性盐雾测试结果

由中性盐雾试验结果可知,光固化片材包覆的试样和安盾护甲包覆的试样表面平整光滑,均无锈蚀,说明光固化片材包覆防腐工艺的抗中性盐雾性能优秀,满足实际海上风电装备对防腐材料的抗盐雾性能需求。

2.3 抗酸碱性测试结果

表1～3为光固化材料和Atlac 430树脂材料的抗酸碱性测试后增重率、 硬度变化率和弯曲强度保留率的变化情况。由表1～3可知,在酸碱溶液中,光固化片材料的增重率、硬度变化率都大于Atlac 430树脂材料,而弯曲强度保留率小于Atlac 430树脂材料。但在任意条件下光固化片材料和Atlac 430树脂材料的增重率都小于1.2%,硬度变化率小于8%,弯曲强度保留率超过92%(表1～3)。图4为酸碱试验前后光固化材料和Atalc树脂板材在酸碱实验后的宏观形貌。由图4可知,在酸碱实验后光固化材料表面存在明显的起皱,而Atlac树脂材料的表面无龟裂、裂纹、纤维裸露和发粘,表面保持光泽。光固化材料在酸碱环境中并未表现出明显的破损, 且酸碱实验后其增重率、硬度和弯曲强度均与Atlac 430树脂材料基本相同,说明光固化材料在酸碱环境中表现出良好的耐蚀性。

表1 光固化材料和Atlac 430树脂材料的抗酸碱性测试后增重率结果(100 ℃)Table 1 Weight-gain results after acid and alkaline resistance tests for UV cured materials and Atlac 430 resin materials (100 ℃)

表2 光固化材料和Atlac 430树脂材料的抗酸碱性测试硬度变化率结果(100 ℃)Table 2 Hardness-charging rating results after acid and alkaline resistance testing of UV cured materials and Atlac 430 resin materials (100 ℃)

表3 光固化材料和Atlac 430树脂材料的抗酸碱性测试后弯曲强度保留率结果(100 ℃)Table 3 Flexural strength retention results after acid and alkaline resistance testing of UV cured materials and Atlac 430 resin materials (100 ℃)

图4 光固化材料和Atalc 430树脂在酸碱实验后的宏观形貌Fig. 4 Macro-morphology of UV cured materials and Atalc 430 resin after acid-base experiments

3 结 论

(1) 光固化材料拉伸强度为177.80 MPa,断裂延伸率为8.22%,弯曲载荷为142.16 N,弯曲弹性模量为3 790.93 MP,其力学性能优异,基本满足实际海上风电装备对防腐材料的力学性能要求。

(2)光固化材料在盐雾试验后试样表面平整光滑,与安盾护甲的1 000 h抗中性盐雾性能相似,光固化片材包覆防腐工艺基本满足海上风电装备的抗盐雾需求。

(3)光固化片材料和Atlac 430树脂材料的增重率小于1.2%,硬度变化率小于8%,弯曲强度保留率超过92%,光固化片材料的抗酸碱性能优异,可有效地满足海上风电装备的抗酸碱性需求。