風電設備的粉末涂裝和技術要求

　　風能與水能、太陽能、生物能、地熱能和海洋能一樣屬于可再生能源。具有資源分布廣，開發潛力大、環境影響小、可持續利用等特點。近年來，隨著風電技術水平的不斷提高，風電設備的建設成本越來越低，世界各國風電裝機容量迅速增長，截止2018 年底，全球風電累計裝機容量已達590.8 GW，我國累計風電裝機容量已達209.5 GW。
　　
　　要想實現風電設備安全運行15甚至25年以上，必須重視其鋼結構件的防腐，根據其運行環境腐蝕等級的高低，需要使用不同的防腐結構和不同種類的涂料體系。粉末涂料是一種環保綠色涂料，涂裝時可以很容易獲得較厚的涂層，涂覆后的設備在運輸及應用中涂層不易被破壞，對基材的保護具有長效性。另外粉末涂料還有利用率高，綜合成本低等特點，應用于風電設備鋼結構件有其天生優勢。
　　
　　本文依據ISO 9223~9226、ISO12944-2018、Qualisteelcoat 4.1-2019中大氣腐蝕等級的劃分及測試方法，提出了風電設備地上部分的鋼結構件在不同大氣腐蝕等級下的防腐技術、涂裝體系和粉末涂裝的解決方案。
　　
　　1 風電設備涂裝技術要求
　　
　　1.1 風電設備的運行環境
　　
　　風電設備的運行環境多種多樣，從平原到山區，從內陸到沿海和海上，不同環境對設備的腐蝕能力要求差別很大，因此需要的防護體系也不同。目前我國風電行業發展迅速，大型風力發電場建設已經從“三北地區”向沿海、內陸地區發展，并逐步開始進軍海上，這對風電設備的防腐提出了更高的要求。
　　
　　國際標準化組織頒布的ISO 9223~9226 標準，根據金屬標準試件在環境中自然暴露試驗獲得的腐蝕速率及綜合環境中大氣污染物濃度和金屬表面潤濕時間，對大氣腐蝕性進行了分類，具有廣泛的適用性。ISO9223-2012將大氣腐蝕性分為6類，C1：腐蝕性很低；C2：低；C3：中；C4：高；C5：很高；CX：極高。標準根據暴露了一年的低碳鋼或鋅標準樣板的質量或厚度損失數據來評估定義腐蝕性類別，具體見表1。ISO 12944直接引用了此表數據。此表的數據具體標本及其在暴露前后的處理參考ISO 9226。
　　
　　表1 ISO9223-2012基于標準樣板暴露實驗定義的大氣環境腐蝕性分類和典型環境案例
　　1.2 風電設備鋼結構件涂裝實驗室檢測要求
　　
　　ISO12944是目前鋼結構的涂層防腐蝕領域公認的參考標準之一，目前國內外風電設備的防腐蝕保護也主要參考次標準。該標準論述了采用防護涂料體系對鋼結構進行防腐蝕保護的內容，其應用領域由以下條件界定：鋼結構類型、表面類型和表面處理類型、環境類型、防護涂料體系的類型、工作類型和防護涂料體系的耐久性。鋼結構類型定義了被保護鋼結構基材的范圍；表面類型和表面處理定義了鋼結構的表面類型和它們的表面處理；環境類型定義了6種大氣環境腐蝕性級別C1，C2，C3，C4，C5，CX和4種結構浸水或埋地腐蝕性級別Im1，Im2，Im3和Im4；防護涂料體系類型定義了不同的腐蝕性環境級別和耐久性要求下所適用的涂料體系，標準僅限于涂覆在環境條件下干燥或硬化的物質，明確指出了不適用于粉末涂料、烤漆和熱固化涂料；工作類型指出了標準適用于新建涂裝和維修涂裝；防護涂料體系的耐久性定義了4種不同的耐久性范圍，分別為低（L）、中等（M）、高（H）和很高（VH），其實驗室測試程序要求見表2。
　　
　　表2 ISO12944-6 C2至C5腐蝕性級別下,應用于碳鋼、熱浸鍍鋅鋼和熱噴涂金屬的涂料體系的測試程序
　　根據ISO12944標準的規定，只有通過相關腐蝕等級的實驗室檢測，該防護體系才能應用在對應的腐蝕環境中。
　　
　　上文提到ISO12944標準明確說明是僅針對液體涂料，將粉末涂料以及其他涂料體系排除在標準應用范圍之外，Qualisteelcoat則彌補了這方面的缺口。Qualisteelcoat是一種用于有機涂層鋼結構噴涂的國際質量認證標志。Qualisteelcoat定義了涂料公司內部必須達到的質量水平和要求，以便能夠作為Qualisteelcoat許可的公司在市場上提供其產品。它包括了對涂料公司的質量要求的定義，涂料系統和涂料的批準，以及持有Qualisteelcoat質量標簽的涂料公司的定期外部質量控制。由于ISO12944-2中的大氣腐蝕等級被很多規范廣泛地認同和參考，Qualisteelcoat把大氣腐蝕等級運用融合在所有類型的有機涂層中。ISO 12944-2定義了C1到C5和CX 6個大氣腐蝕等級，這些腐蝕等級和預期使用壽命H（15-25年）一起組成了Qualisteelcoat的涂裝系統和噴涂廠認證的基礎。
　　
　　另外，ISO 12944較為注重的是防腐性能，即關注點在鋼結構能否安全的達到預期使用年限上，而Qualisteelcoat不僅僅是要求防腐性能，它還包括了工件達到了預期的使用年限后，涂膜表面還能保持一定的裝飾性能，即包含了涂膜耐候性的內容。
　　
　　2 粉末涂裝解決方案
　　
　　2.1 涂裝防護體系
　　
　　為實現風電設備的長效運行，各結構件的涂裝防護必須合理設計，并嚴格按照設計材料和工藝參數執行。涂裝體系是涂裝過程中所涉及到的整個流程，從原材料到最終的成品。Qualisteelcoat根據基材，前處理，有機涂料的類型定義涂裝系統（見圖1）。完整的涂裝體系應包括：
　　
　　圖1 Qualisteelcoat根據基材，前處理，有機涂料的類型定義涂裝系統
　　正如圖中所示，涂裝體系包括從基材到成品的整個過程：
　　
　　基材
　　
　　對于風電設備來說，基材包括各種鋼材，包括各種表面含有金屬涂層的鋼材，也包括電泳后的鋼材。當然，鋼材進行金屬噴涂、浸涂或電泳等之前也需要進行物理或化學的前處理，以保證金屬涂層或電泳層與鋼材之間的結合力。
　　
　　前處理
　　
　　前處理是指在涂料或金屬噴涂前對基材進行的表面處理，可以是單一的化學或物理前處理，也可以兩者兼有。前處理的目的是除去基材表面油污、增加基材表面粗糙度、或者形成一層較薄的保護膜增加與有涂層的結合力，進而提升防腐蝕效果。
　　
　　有機涂層
　　
　　包括各種粉末涂料或者液體涂料噴涂之后形成的有機涂層，可以是單層噴涂，也可以是多層噴涂。
　　
　　Qualisteelcoat根據不同的基材開發了下面的表格，定義粉末涂料體系和電泳在不同的涂裝系統中能達到的腐蝕等級。即Qualisteelcoat認為，每一種基材都有它所能夠達到的最高防腐等級（見表3），當然這是以合理的前處理和防護涂層為前提的。
　　
　　表3 粉末涂料體系根據不同涂裝系統能達到的腐蝕等級
　　2.2 粉末涂裝工藝
　　
　　根據客戶需要達到的防腐等級和要求，我們可以通過表3的推薦和噴涂現場工藝條件等來選擇合適的基材、前處理和對應的粉末涂料。風電設備的各部分存在材質、薄厚、形狀等各種差異，因此不同部件的涂裝需要設計不同的工藝流程。粉末涂裝工藝需要從基材選擇、前處理和噴涂等三個方面入手，進行合理的設計。
　　
　　就基材來說，不同的基材所能達到的防腐等級不一樣。單純的鋼基材，它所能達到的最高等級是C4H，如果想做C5H級別的防腐，需要選擇其他經過金屬噴涂或者電泳的鋼基材。基材的選擇要基于客戶要求的防腐等級，選擇合適的基材，具體可參照上文表3。
　　
　　前處理是噴涂前的第一道工序，直接關系到基材與涂層之間的附著力和涂料體系的長期防腐蝕性能。不同前處理所能達到的腐蝕等級也不一樣，如基于鐵系磷化的化學前處理或沒有形成轉化膜的化學前處理最高只能達到C3H。前處理方式要根據防腐蝕等級的選擇采用物理或（和）化學處理，而且要嚴格按照工藝文件的要求進行，定期檢測處理液的相關指標和化學膜的質量。
　　
　　值得一提的是，經過前處理的產品需在處理后盡快進行噴涂，防止基材再次被氧化或者污損，它們的最長存放時間見表4。存儲的狀態是不允許產品表面有冷凝水產生的，所有的前處理崗位工人必須穿戴干凈的棉紡手套以避免污染表面。
　　
　　表4 Qualisteelcoat規定的前處理工件存儲時間
　　選擇合適的粉末涂料對防護體系至關重要，不同的粉末涂料防護能力相差甚遠，設計不同的防腐結構（涂層種類、層數），獲得的防腐效果也截然不同。粉末涂料體系在應用之前必須先進行相應腐蝕級別的測試，且只有通過了測試，才被允許應用于對應腐蝕級別的環境中。粉末涂裝時需要根據工件的外形與特性設計不同的懸掛方式、噴涂參數、烘烤固化參數等，以保證無漏噴、固化完全。
　　
　　涂料和涂裝主要需要考慮如下5個方面：
　　
　　1）根據基材類型、前處理前處理方式和防腐等級要求，選擇合適的粉末涂料體系
　　
　　2）粉末涂裝要注意厚度的控制和邊角覆蓋，實驗室檢測防腐性能再好的涂料體系，如果邊角覆蓋不好的話，在工件尖銳部位會很快產生腐蝕點或線，尤其是沒有金屬涂覆物的基材。
　　
　　3）涂料體系的固化要滿足涂料廠商要求的固化條件，只有固化完全的涂膜才是致密、結實的防腐蝕保護層，才能夠起到長久的防腐蝕作用。
　　
　　4）如果是多層噴涂工藝，要嚴格控制各層的粉末類型和厚度，不能有用錯或混用的情況發生，一般來說，底層粉末側重于防腐性能，面層粉末主要側重耐候性能。
　　
　　5）如果是多層噴涂工藝，除了涉及各層固化完全的問題，還要涉及各涂層間的層間附著力問題。一般多層噴涂會涉及“雙涂雙烤”或“三涂三烤”。以“雙涂雙烤”為例，即噴涂底粉→烘烤預固化→噴涂面粉→固化完全（見圖2）。其中底層預固化是非常關鍵的一環，過度烘烤會導致底層涂料完全固化，與面層結合力下降；烘烤不足則容易在二次固化時出現底粉上浮的現象。另外底粉預固化后應該盡快進行面粉的涂裝，如果放置時間過久，表面被破壞或者被污染的話，也可能導致層間附著力的下降。
　　
　　圖2 “雙涂雙烤”噴涂工藝流程簡圖
　　2.3 高腐蝕等級（C4H和C5H）環境用粉末涂料的解決方案
　　
　　C4H和C5H是目前風電設備實際運行中所涉及較多、較為苛刻的環境腐蝕等級。ISO12944-6 2018中C4H/C5H測試要求初始漆膜附著力≥2.5MPa，中性鹽霧試驗720h/1440h，冷凝測試480h/720h，鹽霧和冷凝測試完成后涂膜附著力≥2.5MPa，鹽霧試驗后單邊銹蝕寬度要≤1mm（Qualisteelcoat的單邊銹蝕寬度要求≤2mm）。
　　
　　對此我們進行了大量的實驗，對比了不同的基材，不同的前處理和不同的粉末涂層體系在不同腐蝕級別的測試項目中的表現。針對高腐蝕等級的C4H和C5H，我們參照Qualisteelcoat的相關要求，采用雙涂層結構，兩涂兩烤工藝，以達到高防腐、高耐候的要求。以我們的環氧富鋅粉末涂料作為底粉，搭配耐候聚酯粉末涂料作為面粉，可以滿足C4H的測試要求。以我們開發的超高防腐環氧粉末涂料作為底粉，搭配高耐候聚酯粉末涂料作為面粉，可以滿足C5H的測試要求。我公司與風電設備廠商合作，共同開發的產品已經通過SGS對于C4H和C5H的各種項目測試，取得了相關報告。
　　
　　檢測實例圖片如下（圖3~4摘自SGS C4H和C5H檢測報告）：
　　
　　圖3鹽霧試驗測試2
　　圖4冷凝測試2
　　3 總結
　　
　　隨著社會對環境問題越來越重視，綠色能源的開發和利用會越來越廣泛，風電等綠色能源行業也會保持現有的高速發展。風電設備的使用地域不再局限于內陸地區，在沿海等地區也有諸多的應用，潮濕高鹽的使用環境對風電設備防腐的要求也越來越高。粉末涂料相比液體涂料具有綠色環保的特性，應用于風電設備防腐有其諸多的優勢。粉末涂料應用于風電設備防腐工作的研究，近年來也越來越多。只有從基材、前處理、防腐結構設計、涂料選擇、涂裝工藝等各方面嚴格控制，才能保證風電設備在C4H和C5H高腐蝕環境下長效安全的運行。
　　
　　（作者：楊治強，劉玉昆，石俊秀，崔志剛 供職于廊坊艾格瑪新立材料科技有限公司）