风电机组塔筒涂料体系及其涂装

摘要：介绍了风电塔筒运行环境，以及不同腐蚀环境下的内陆和沿海地区风电塔筒涂料体系，并对风电涂料最新技术动态和涂装工艺作了讨论。

关键词： 风力发电；塔筒；涂料；防腐

0  引言

化石能源的过度使用导致了当前日益严重的环境污染、能源枯竭和气候异常等现况，严重威胁了人类的生存环境。风能作为一种可再生的清洁能源，潜力巨大。近年，风电产业迎来快速增长，我国风电行业也得到了较快发展。

风力发电塔筒上连电机、叶片，下部通过连接基础环固定于地面，在风电机组中起固定、支撑作用，承受风力作用的摆动、推力、扭矩以及电机的振动等，并提供安装、维修的工作平台，其寿命关系到整个风机的生命周期。同时，塔筒检修难度大、成本高，其涂装质量是重要因素之一，尤其是环境恶劣的高寒和沿海地区。

作为全球最大的风电市场，我国风电产业的发展带动了风力发电装备及其风电防护涂料的发展与进步。本文对风电塔筒腐蚀环境与塔筒涂料防护进行了分析和综述。

1　风电塔筒服役环境条件

风场一般处于风力资源丰富、环境恶劣的沙漠、海洋、高原等边缘地带，风电设备受自然环境影响严重。一般风电设备的使用寿命要达到20年以上，且检修困难、施工难度大、成本高，因此必须用高效防腐涂层加以保护，来防止光照、风沙、风雨等因素的侵蚀，这对于风电机组涂料也提出了更高的性能要求。风电场的恶劣环境对风电设备是一项重大考验，腐蚀因素因不同环境而不同。

最新ISO 12944-2:2018标准中将大气腐蚀环境划分为6个等级：C1，很低；C2，低；C3，中；C4，高；C5，很高；CX，极端。而水和土壤的腐蚀环境则划分为4个等级：Im1，淡水；Im2，海水或微咸水（无阴极保护的浸入式结构）；Im3，土壤；Im4，海水或微咸水（有阴极保护的浸入式结构）。这是目前风电机组表面防腐设计的主要依据，等同于GB/T 30790.2。

我国幅员辽阔，海岸线长，风力资源比较丰富。风电资源丰富的我国北部及西北地区（内蒙古、辽宁、甘肃、新疆等）虽基本处于中等大气腐蚀环境中，但纬度高、多风沙、昼夜温差大、气候干燥。风电设备的钢结构、叶片表面除经受光照、雨雪等因素外，还会因风沙、冰雹、沙尘暴等物体的撞击而破坏，这在该地区风电场塔架、叶片表面、变压器迎风面较明显，造成了结构破坏。在此环境条件下，除了ISO 12944划分的环境等级外，应当充分考虑风沙、低温环境以及环境因素的共同作用，见表1。

表1　ISO 12944-2中的腐蚀环境分类

腐蚀级别	单位面积上质量和厚度损失（经1 a暴露后）				温性气候下的典型环境案例（仅供参考）
	低碳钢		锌		外部	内部
	质量损失 /（g·m^-2）	厚度损失	质量损失 /（g·m^-2）	厚度损失
		/μm		/μm
C1 很低	≤10	≤1.3	≤0.7	≤0.1		加热的建筑物内部，空气洁净，如办公室、商店、学校、宾馆等
C2 低	＞100~200	＞1.3~25	＞0.7~5	＞0.1~0.7	低污染水平的大气，大部分是乡村地带	有可能发生冷凝的未加热建筑（如库房、体育馆等）
C3 中	＞200~300	＞25~50	＞5~15	＞0.7~2.1	城市和工业大气，中等的二氧化硫污染以及低盐度沿海区域	高湿度和有些空气污染的生产厂房，如食品加工厂、洗衣场、酒厂、乳制品工厂等
C4 高	＞400~650	＞50~80	＞15~30	＞2.1~4.2	中等含盐度的工业区和沿海区域	化工厂、游泳池、沿海船舶和造船厂
C5 很高	＞650~1 500	＞80~200	＞30~60	＞4.2~8.4	高湿度和恶劣大气的工业区域和高含盐度的沿海区域	冷凝和高污染持续发生和存在的建筑和区域
CX 极端	＞1 550~5 500	＞200~700	＞60~180	＞8.4~25	具有高含盐度的海上区域以及具有极高湿度和侵蚀性大气的热带亚热带工业区域	具有极高湿度和侵蚀性大气的工业区域

而我国东南沿海地区光照辐射强、高温高湿、高盐雾，常伴有覆冰、台风、潮汐等。风电机组装置直接暴露于沿海大气环境中，直接影响到风电机组结构的腐蚀进程，腐蚀类型主要有电化学、酸雨、应力、微生物腐蚀等，其中以电化学腐蚀为主，另加其他因素的复合影响，它是影响风电机组塔筒寿命的重要因素。因此，对风电机组塔筒所处的腐蚀环境进行分析，以及相应的涂层配套设计应受到一定的重视。

2　风电机组塔筒涂料体系设计

2.1　内陆环境

ISO 12944 系列标准对腐蚀环境、表面处理、涂料体系、性能测试及涂装等均做出了规定，因其优异的有效性和实用性，受到世界各地业主、涂料商和科研人员的广泛应用。由于内陆风电场一般远离城市，风电场设定为C3中等腐蚀环境，但考虑到我国西北地区风电场的戈壁、沙漠环境，需考虑风沙磨蚀对涂层性能的影响。国标GB/T 19072—2003《风力发电机组 塔架》的规定的风电塔架涂层防护体系见表2。

表2　GB/T 19072—2003标准中规定的塔架防腐涂装体系

涂装部位	环境类型	涂装体系	类别	厚度/μm
塔筒外表面	C4、C5-I	表面处理	清洁度Sa3 粗糙度Rz 40～70 μm
		底漆	金属喷镀锌或锌/铝	60，20
			环氧封闭漆
		中间漆	环氧厚浆漆	90
		面漆	丙烯酸聚氨酯面漆	50
塔筒内表面		表面处理	清洁度Sa2.5 粗糙度Rz 40～70 μm
		底漆	环氧富锌底漆	40
		中间漆	环氧厚浆漆	100

而GB/T 31817—2015《风力发电设施防护涂装技术规范》中针对C3和C4环境给出了涂层配套体系要求，见表3～4。

表3  GB/T 31817—2015中等腐蚀环境（C3）涂层体系配套要求

涂装部位		设计年限为普通型涂装体系		设计年限为长效型涂装体系
		涂料名称	最低干膜厚度/μm	涂料名称	最低干膜厚度/μm
塔筒	外表面	厚浆型环氧漆	100	厚浆型环氧漆	140
		聚氨酯面漆	60	聚氨酯面漆	60
	内表面	厚浆型环氧漆	120	厚浆型环氧底漆	160
法兰（接触面）		无机富锌底漆	50	无机富锌底漆	50
基础环	外表面	厚浆型环氧漆	240	厚浆型环氧漆	240
		聚氨酯面漆	50	聚氨酯面漆	50
	内表面	厚浆型环氧漆	240	厚浆型环氧漆	240

表4  GB/T 31817—2015高等腐蚀环境（C4）涂层体系配套要求

涂装部位		设计年限为普通型涂装体系		设计年限为长效型涂装体系
		涂料名称	最低干膜厚度/μm	涂料名称	最低干膜厚度/μm
塔筒	外表面	环氧富锌底漆	60	环氧富锌底漆	60
		环氧云铁中间漆	80	环氧云铁中间漆	120
		聚氨酯面漆	60	聚氨酯面漆	60
	内表面	厚浆型环氧漆	80	厚浆型环氧底漆厚浆型环氧漆	100
		厚浆型环氧漆	80		100
法兰（接触面）		无机富锌底漆	50	无机富锌底漆	50
基础环	外表面	厚浆型环氧漆	500	厚浆型环氧漆	500
		聚氨酯面漆	50	聚氨酯面漆	50
	内表面	厚浆型环氧漆	330	厚浆型环氧漆	500

2.2　近海及海洋环境

土地、环评、噪声、分布不均等因素使陆上风电资源开发受到一定的限制，而开发海上风电逐渐成为新方向。我国海岸线漫长，近海风能资源丰富，具有发电稳定、电网接入便利等优势，开发和应用前景十分广阔。

海上风电技术水平较高，要求设备具有高可靠、低成本、易安装、少维护等特点。不同于陆上风能开发，严苛的海洋大气环境不仅高盐雾、高湿、强光照，还会受到船舶靠泊、异物撞击等，也还遭受到各种海洋生物的附着，这极大的影响到海上风电机组的日常安全运行，并对风电机组的防腐提出了更高要求。

GB/T 31817—2015《风力发电设施防护涂装技术规范》中针对海洋腐蚀环境（C5-M）/Im2的涂层配套体系要求见表5。GB/T 33423—2016《沿海及海上风电机组防腐技术规范》则列出了不同海洋工况条件下塔筒、导管架及桩基、其他金属件的防护涂层体系，见表6。

表5  GB/T 31817—2015高等腐蚀环境（C5-M）/Im2涂层体系配套要求

涂装部位		设计年限为长效型涂装体系/μm
		涂料名称	最低干膜厚度
塔筒	外表面	环氧富锌底漆	60
		环氧云铁中间漆	200
		聚氨酯面漆	60
	内表面	环氧富锌底漆	60
		环氧云铁中间漆	180
法兰（接触面）		无机富锌底漆	60
导管架及桩基	大气区	环氧玻璃鳞片漆或改性环氧漆	500
		聚氨酯面漆	80
	潮汐和浪溅区	环氧玻璃鳞片漆或改性环氧漆	600
	水下区	环氧玻璃鳞片漆或改性环氧漆	500
	桩基内表面暴露区	环氧玻璃鳞片漆或超强环氧漆	600

表6  GB/T 33423—2016塔筒、导管架及桩基、其他金属件防护涂层体系

工况	涂装部位		涂层类型	涂层耐久性设计年限/a
				低	中	高
				（5～15）	（15～25 ）	（25以上）
				最低干膜厚度/μm
沿海及海洋大气区域	塔筒	外表面	环氧富锌底漆	60	60	60
			环氧云铁中间漆	160	200	240
			聚氨酯面漆	60	60	60
		内表面	环氧富锌底漆	60	60	60
			环氧云铁中间漆	140	180	220
	套管架及桩基（大气环境）	外表面	环氧涂料	360	500	600
			聚氨酯面漆	60	60	60
		内表面	环氧涂料	360	500	600
	其他金属件	碳钢	环氧富锌底漆	60	60	60
			厚浆型环氧漆	160	200	240
			聚氨酯面漆	60	60	60
		镀锌铝及合金钢	低表面处理环氧涂料	120	180	240
			聚氨酯面漆	60	60	60
飞溅与潮差区域	套管架及桩基（飞溅区、潮差区）	外表面	高膜厚环氧涂料或环氧玻璃鳞片涂料	600	800	1000
		内表面	高膜厚环氧涂料或环氧玻璃鳞片涂料	500	600	800
全浸区域	套管架及桩基（海水浸泡、海泥区）	外表面	高膜厚环氧涂料或环氧玻璃鳞片涂料	500	600	800
		内表面	高膜厚环氧涂料或环氧玻璃鳞片涂料	500	600	800

3　风电机组塔筒涂料最新设计方向动态

在环保形势日益严峻的今天，风电塔筒涂料体系的发展方向逐渐向高性能化和水性化方向发展，而目前塔筒钢结构防腐涂装仍以环氧底漆+聚氨酯面漆为主，无法满足高腐蚀环境下的长效防腐要求。PPG、Hempel、国际涂料等厂商均致力于高性能防腐底漆、水性涂料体系的研究并推向市场，国内厂家也开发了氟碳涂料、聚硅氧烷涂料等用于塔筒涂装，并取得了不错的试验效果。

海虹老人Hempel日前推出了两款专门用于海上风电装置塔筒浪花飞溅区的最新涂料。飞溅区域是海上建筑物（如风力发电机等）最易产生腐蚀的区域，它正好在水线以上，因此遭受大气和浸没腐蚀的双重冲击，此外还受到磨损和冲击等物理损伤，特别是在船舶停靠部位。该涂料用高含量的活性稀释剂替代常规溶剂，增强交联性能，提高了涂层的耐腐蚀性能。此外，涂层中玻璃鳞片的加入进一步提高了其耐介质性。超高固体含量（99％）和低VOC使其更加环境友好。

当前我国的风电塔筒涂装仍以溶剂型涂料为主，水性涂料由于自身的特点限制了其发展，面临着较大挑战。但随着国家环保要求的提高和群众安全环保意识的增强，水性涂料依靠其节能、环保、施工安全等优势会更加前景光明。程璐等制备了用于塔筒涂装的水性环氧富锌底漆，具有涂装效率高、硬度好、防腐性强、节能环保等优异性能。吴竞等采用环氧树脂改性湿固化聚氨酯为基体树脂，添加片状锌粉制备了一种单组份湿固化富锌底漆。该涂料施工方便，基材可做低表面处理，防腐性能更优。

4　涂装工艺

4.1　环境控制

主要包括温度、湿度和露点温度。通常涂装过程中环境温度需大于5 ℃。温度过低影响涂料的固化且黏度较高，需另加稀释剂。温度过高则溶剂挥发太快，易出现漆膜缺陷。空气相对湿度要≤85%，过大会影响漆膜的干燥。聚氨酯漆、氟碳漆等施工时，相对湿度应控制在80%以内，以免表面发花。钢基材表面温度须高于露点温度3 ℃以上，严禁表面结露。

4.2　表面处理

钢铁表面的油、水、灰尘、盐和铁锈等影响涂层的附着力和防腐性能，必须对底材进行彻底的表面处理。

塔筒基材的表面处理包括除油、盐分、锈蚀、喷砂等。喷砂前，用专用清洗剂清除所有油脂，冲洗掉所有残余物，干燥后进行喷砂。喷砂完成后，彻底清除基材表面灰尘和喷砂残渣，并检查喷砂表面清洁度和粗糙度，一般为ISO 8501-1 Sa2.5。表面处理结束后，应确保基材表面清洁、干燥、无油脂，并尽快涂装第1道底漆，间隔时间一般不宜超过4 h，时间越短越好。如果钢材表面出现返锈、或被污染现象，必须重新对基材进行表面处理到所要求级别才可继续涂装。

4.3　涂装施工

在通风良好的室内施工，避免风沙和灰尘对施工的影响。认真阅读涂装工艺文件和说明书。严格按照设计工艺要求进行施工，涂装间隔时间应符合产品技术要求。涂料施工前采用电动或气动搅拌装置充分搅拌至均匀。高压无气喷涂用于构件大面积喷涂施工，刷涂和辊涂适用于小面积施工或预涂和小面积修补。

4.4　质量控制

涂装承包商应制定涂装质量控制程序，并建立完善的质量控制体系。利用测厚仪、温湿度计、露点仪、表面粗糙度样板、附着力测试仪、盐分测试仪等和有效的涂装标准、规范等。

1）外观:漆膜表面应平整，色泽、厚度均一，无针孔、流挂、发白、缩孔、污染、漏喷等明显的缺陷。

 2）厚度:施工后用湿膜测厚仪立即测量每道漆的湿膜厚度，以确保最终干膜厚度满足设计要求。用磁性测厚仪检测干膜厚度，膜厚不足时须按要求进行补涂。每道涂层的平均干膜厚度应达到最小干膜厚度要求，同时不能超出规定的最大干膜厚度。

 3）附着力:进行拉开法附着力试验，附着力应≥5 MPa。由于层间附着力的测试是破坏性的，因此试验不推荐在构件上进行测试，建议样板与构件同时施工，完全固化后在样板上进行测试。

5　结语

当今，国家正全面加强生态环境保护。随着技术的进步以及政策的明确引导，我国的风电产业布局必将更加成熟和进一步发展，但同时面临巨大的挑战。针对风电设备的实际应用环境，开发新型的风电涂料及涂装工艺，打破国外进口产品的市场、技术垄断和优势。随着国内塔筒涂料市场的不断扩大及需求，必将迎来发展的新契机。