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海上風電的鋼結構涂層防護體系工程實踐以及修復產(chǎn)品研究

發(fā)布日期:2018-03-26

  作為海洋資源大國,合理開發(fā)我國海洋資源,大力推動藍色經(jīng)濟的發(fā)展已提上當下中國經(jīng)濟發(fā)展日程。依據(jù)“十三五”可再生能源規(guī)劃,我國在2017年建成海上風電800萬kW,探索出海上風電技術,逐步完善,力求構建出完備的相關產(chǎn)業(yè)鏈。2020年,中國海上風電總量預計可達3×107  kW。雖然我國海上風電技術在短時間內(nèi)發(fā)展遲緩,任務較為艱巨,然而隨著國家相繼出臺了一系列相關產(chǎn)業(yè)調整政策,極有可能整合相關行業(yè),可以繼續(xù)期待未來中國風電行業(yè)發(fā)展前景。

 

  2010年3月,國家能源局召開了能源行業(yè)風電標準化工作會議,頒布《風電標準體系框架(討論稿)》。隨著新標準的出臺,許多現(xiàn)有技術和材料都未能及時跟上新標準要求,大多技術和產(chǎn)品只能單方面依賴國際已有經(jīng)驗,并不能完全貼合我國實際風電場環(huán)境和氣候。因此,現(xiàn)在海上風電防護方面最緊迫的工作就是要按照我國的地理環(huán)境和腐蝕環(huán)境,有針對性地研發(fā)和生產(chǎn)能承受海洋惡劣腐蝕環(huán)境下的新型高性能防護材料,提出合理而又全面的防護措施,完成風電防護體系按照該領域新標準的貫徹落實工作。

 

  海上風電塔架和電機等設施長期持續(xù)承受高溫高濕度的海洋大氣環(huán)境和海水的影響。全球第一個大規(guī)模海上風電場——荷斯韋夫(Horns Rev)在投入運行后,一些風機機組的發(fā)電機和變壓器很快就出現(xiàn)技術性問題。綜合各類故障原因,除了安裝、制造問題外,風電場的氣候條件、大氣中鹽分侵蝕也被認為是重要的因素。所以,風力發(fā)電設備在設計研發(fā)之初,就必須提高其防腐蝕能力,降低后期維護的需求。當前,發(fā)展海上風電亟待解決的問題之一,就是對受到海洋大氣腐蝕的長期運行的海上風電設備的防護。

 

  1 海上風電鋼結構涂層防護體系的工程實踐

 

  科學技術的巨大進步以及人類對海洋認知的逐步深入,推動著海洋相關產(chǎn)業(yè)的前進,如海洋養(yǎng)殖、海洋能源、海洋化工等產(chǎn)業(yè)都逐漸從淺海走向深海。由于海洋設備鋼結構長期固定在海水中,由惡劣的海洋環(huán)境引起的嚴重腐蝕會直接影響到海上鋼結構的安全使用,因此需要保護海上鋼結構,增加其使用年限,這有益于海洋工程鋼結構的腐蝕控制的發(fā)展。

 

  1.1 金屬熱噴涂技術

 

  熱噴涂技術是一項成熟的防護手段,在國內(nèi)外許多海洋工程鋼結構項目上都有應用,效果大都很好。金屬熱噴鋅鋁及其合金涂層以微冶金和機械鑲嵌方式與基底金屬結合,熱噴涂后,涂層與鋼結構構件的表面形成了非常牢固的涂層結合力(經(jīng)測試最大可以達到10 MPa以上)。當金屬熱噴涂層被破壞時,鋅鋁涂層可以作為被犧牲的陽極依舊保護鋼體表面。試驗和實例證實,200 μm厚度的熱噴鋁涂層的防腐年限久至30 a。目前國內(nèi)已建成較大的熱噴鋁涂層應用工程是巴西石油公司(Petrobras)設計,武昌船舶重工有限責任公司建造的30 a免維護深海浮體,涂層厚度為225~400 μm的熱噴鋁涂層作為浮體內(nèi)部的鋼體表面,其面積達1×105 m2。熱噴鋁施工空間封閉,易升高密閉空間溫度,粉塵累積,對涂層附著力也有所影響,不但威脅到施工人員的安全,且難以連續(xù)生產(chǎn)。在封閉空間內(nèi)進行熱噴鋁施工時,為了保障熱噴涂施工的連續(xù)性,需要精密地監(jiān)控環(huán)境溫度、濕度,保證通風,嚴格要求操作人員。然而,較高的施工成本使該技術在海洋工程鋼構件、鋼結構外部區(qū)域的防腐防護發(fā)展空間更大。

 

  1.2 高強度環(huán)氧樹脂涂層防護技術

 

  按照ISO 12944-5規(guī)定,預期防腐年限大于15 a的涂層暴露于大氣環(huán)境中時,其厚度應為280~400 μm,在浸泡或掩埋環(huán)境中具有同等效果的涂層厚度應為480~1 000 μm。由于需要延長海洋工程的使用壽命,因此漆膜厚度也在不斷增加,總干膜厚度由300 μm增至1 mm,甚至更厚。所用樹脂決定漆膜性能、成膜厚度。環(huán)氧樹脂附著力、成膜性能良好,收縮率較低,與多種樹脂、填料和助劑均能混合,得到不同防腐涂料,因此該涂料在目前海洋工程防腐涂料中所占比重最大。海浪、外物對浪花飛濺區(qū)的防腐涂層撞擊強烈,且持續(xù)時間較長,使其需要迅速維護,通常在1~2 a內(nèi)。然而在水下修復的涂層的施工難度較大,質量較差,所以需增強浪花飛濺區(qū)涂層的抗沖擊性。高強度環(huán)氧涂層、厚膜型環(huán)氧玻璃鱗片涂層可有效用于飛濺區(qū)的防腐防護。通過向環(huán)氧樹脂內(nèi)添加玻璃鱗片、玻璃絲,可得到厚膜型環(huán)氧玻璃鱗片涂層,添加玻璃鱗片有益于增強涂層的機械強度和屏蔽性能,所得產(chǎn)品能較好地抗熱沖擊、抗?jié)B透且涂層收縮率低,然而需要在施工時達到一次性成膜,且漆膜較硬修復較難。Jotun公司的Bal-toflake系列聚酯漆作為一種快速固化型耐磨聚酯玻璃鱗片厚漿涂料,防腐效果可達30 a以上。對比熱噴鋅鋁涂層,其優(yōu)勢在于低成本、表面處理及修補較方便、對施工設備與施工人員要求較低等;對比玻璃鱗片環(huán)氧漆,該產(chǎn)品玻璃鱗片含量較高,涂層力學性能優(yōu)異,且防腐年限長,適用范圍更廣。

 

  1.3 聚氨酯涂層防護技術

 

  通過混合多異氰酸酯、多元醇兩組分,可制得100%固含量結構性聚氨酯樹脂涂層,一次成膜厚度可達1mm。該反應快速、放熱,尤其適于快速作業(yè)、冬季防腐施工,該涂料不含溶劑,安全環(huán)保,此外其耐腐蝕、耐磨損、附著力強,擁有良好的施工性能和較長的使用壽命。100%固含量且無溶劑型聚氨酯防腐涂料防腐效果優(yōu)異,防腐年限久至數(shù)十a(chǎn),因此在海上石油平臺、船舶、儲罐內(nèi)外及鋼結構防腐均有廣泛應用。

 

  2003年和2007年,美國海軍曾撰文介紹無溶劑結構性聚氨酯重防腐涂料在海軍軍艦領域的應用實例,其中寫到:“最成功的案例是以無溶劑結構性聚氨酯涂料和涂層技術為主的快速光固化重防腐技術”。同時,他們比較了聚脲樹脂和彈性聚氨酯樹脂2種防護涂料,發(fā)現(xiàn)二者均無無溶劑結構性聚氨酯樹脂防腐涂料所擁有的優(yōu)異防腐性能。兩者的分子間都呈現(xiàn)出線性結構,其交聯(lián)度較低、韌性很高、抗沖擊性良好,但附著效果較差、耐腐蝕性及陰極剝離性能較弱。結構性和剛性聚氨酯樹脂涂層的附著力良好,交聯(lián)度極高,可對金屬的化學腐蝕進行高效防護。

 

  1.4 氟碳涂層防護技術

 

  通過加工改性后的氟樹脂,可制得新型涂層材料:氟碳涂料。該樹脂突出的穩(wěn)定性得益于其結構中高鍵能的C—F分子鍵。相比而言,丙烯酸類、聚酯類面漆的耐候性、耐腐蝕性、耐磨損性和耐污損性遠不如氟碳涂料。氟碳樹脂面漆在海水中的防腐效果卓越,其外觀的初始狀態(tài)可保持20 a以上,因此完全適用于海洋工程鋼鐵結構長效防腐。此外,相比其他涂料,氟碳涂層的耐酸堿、耐化學品腐蝕性能也更優(yōu)異,可直接用于接觸強腐蝕介質的液艙。

 

  通過世界各國研究者的不斷努力,海上風電鋼結構涂層防護體系的工程實踐的防護技術已取得很大的進步,金屬熱噴涂技術能使涂層與鋼結構構件的表面形成了非常牢固的涂層結合力,當金屬熱噴涂層遭到破壞時,鋅鋁涂層可作為被犧牲的陽極繼續(xù)保護鋼結構表面,尤其適用于海上鋼結構的外表面。通過采用高強度環(huán)氧樹脂涂層防護技術,可以更好地抗熱沖擊、抗?jié)B透且涂層收縮率低,然而需要在施工時達到一次性成膜,且漆膜較硬、修復較難。

 

  聚氨酯涂層的涂料反應快速、放熱,尤其適于快速作業(yè)、冬季防腐施工,該涂料不含溶劑,安全環(huán)保,此外其抗腐蝕、抗磨損、附著效果極佳,便于施工作業(yè),且使用壽命較長。

 

  氟碳涂料的穩(wěn)定性超高,其耐候性、耐腐蝕性、耐磨損性和耐污損性等方面較丙烯酸類、聚酯類面漆有著明顯優(yōu)勢。此外,相比其他涂料,氟碳涂層的耐酸堿、耐化學品腐蝕性能也更優(yōu)異,可直接用于接觸強腐蝕介質的液艙。

 

  水下固化涂層擁有優(yōu)良的防腐性能,有利于在水下及潮濕界面上的直接涂裝,因此適于海洋船舶業(yè)及建筑業(yè)領域的防腐防護。盡管水下固化涂料成本較高、施工性能差、防腐期較短,但作為飛濺區(qū)水下鋼制物的最重要、最經(jīng)濟有用的防腐蝕手段,該涂料今后必將日益受到人們的關注,發(fā)展前景遼闊。而光固化材料因其固化速度較快、無溶劑、水性化、有機揮發(fā)物較低及安全環(huán)保等優(yōu)勢,定會擁有愈加廣闊的世界市場。

  容大擁有一批在業(yè)內(nèi)取得顯著成就的專業(yè)技術人員,對行業(yè)內(nèi)的檢測需求理解較深,并且有豐富的檢測經(jīng)驗,本著精益求精的原則,針對不同樣品成立不同領域的技術小組進行分析、實驗,由相關專業(yè)經(jīng)驗最豐富的高級工程師擔任負責人。保證每個報告的準確性、嚴謹性。適用于鋼鐵企業(yè)、石化行業(yè)、科研院所、大專院校等部門的相關研究和測試。

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