本项目属于新材料及其应用新技术领域，所涉及的是一整套钛基石墨烯重防腐涂层新材料在海上风电塔架新型涂层防护体系的构建设计，它完全颠覆了传统防腐涂层材料体系的设计。面对严酷的海洋腐蚀环境，本项目技术的实施，比起传统的涂层防护体系使用寿命更耐久，可以保证新型涂层防护体系的服役25年以上而免维修。
海上风电，不同于陆上风电，与陆地环境相比，海洋环境更为严酷恶劣，高温、高湿、高盐、强紫外线、海泥、海水、浪花飞溅、海洋大气以及持续的机械损伤、磨蚀、腐蚀等综合因素的影响是海洋工程装备安全服役面临的主要威胁。同时海上风电由于其特殊的地理环境和技术要求，维修费用极高。如海洋腐蚀不但给海上风电机组带来巨大安全隐患，缩短机组运营寿命，也大大增加了风电的建设投资和运行维护成本。海洋装备防护技术已成为海上风电亟待解决的突出问题，而防腐蚀设计就构成了海上风电场设计的重要组成部分。
目前建成的海上风电场绝大多数为近海风电场，受到的限制因素较多。而在水深超过50米的深远海区域建设风电场，风速更大，风力更强，受限制减少，大兆瓦机组可以大幅提高发电量，节约运维成本，这是当前海上风电发展的趋势。然而在深海区域，环境较为复杂，大的风浪对风电机组的腐蚀防护提出了更高的要求。海上风电服役寿命一般设计要求超过 20年以上。因此对于海上风电防腐涂层系统的有效运行时间要求一般需要超过25年。据统计推测, 修复海上风电机组防腐涂装的成本是车间生产成本的50倍。因此，高性能防腐涂层系统不仅对海上风电延长使用寿命和安全服役具有重要意义，也更具有重要的经济价值。因此开展海洋风电防腐技术及装备的研究与实践，对我国海洋风电产业快速健康发展更具有重大的战略意义。
在国家标准《沿海及海上风电机组防腐技术规范》(GB/T 33423-2016)表1中所示，目前所选用的防腐涂料基本上都是环氧和聚氨酯系传统防腐涂料。这类防腐材料已经沿用了几十年，至今仍在使用。多年来的实践经验和试验数据证明，环氧系防腐涂料在海洋气候环境下会发生严重粉化现象，而脂肪族聚氨酯防腐涂料虽然耐候性强于环氧涂料，但面对海洋严酷腐蚀环境，材料老旧加上性能缺陷，即使厚涂600~1000微米，也很难保证在海洋环境下服役20年不失效。这是由涂层成膜物特性本身所决定的，理论上可以这样设计，但实际应用上是不可行的技术方案。
为解决海上风电塔筒(架)的长效性防护，必须跳出传统防腐材料的框架，在涂层防护设计上选用新技术、新材料、新产品，进行合理选材、科学配套，才能保证复合涂层体系在海洋环境下服役的长效性和耐久性。
项目内容
本项目构建的海上风电塔筒(架)新型防护涂层体系的技术方案，完全颠覆了传统防腐涂层体系的设计，采用的新技术、新材料和新产品均属于原创性知识产权发明专利集成技术。
一种海上风电塔筒(架)新型防护涂层体系的设计及实施方案如下：
所述风电塔架，包括风电塔筒和套管架、桩基(大气区、飞溅区及潮差区)及其它附属配套金属构件，见图1所示。
防腐设计内容包括钢材的表面处理与技术标准、新型涂料的选用及配套复合涂层体系的设计、不同部位涂层干膜厚度要求、涂层质量技术指标和检验标准，如附录表1所示。
附录表1为海上风电塔架新型涂层防护构建体系，完全不同于GB/T 33423-2016《沿海及海上风电机组防腐技术规范》国家标准，它摒弃了传统防腐涂料(环氧类和聚氨酯类)的涂层防护设计体系，完全采用的是新型材料——石墨烯改性钛基纳米重防腐涂料构建的复合涂层体系。
海上风电塔架新型涂层防护体系构建的信心，是基于新型涂层材料的卓越的物理机械性能和抗天候老化以及防腐蚀性能。石墨烯改性钛基纳米重防腐涂料，又称为钛基石墨烯重防腐涂料，它是由主成膜物纳米有机钛聚合物(简称钛基料)、辅助成膜树脂、石墨烯分散浆料、防锈颜料、功能填料、涂料助剂和活性稀释剂组成的高固体份涂料或无溶剂涂料。
陕西至强重防腐钛基石墨烯重防腐涂料与传统涂料(GB/T 33423)的国家标准要求的性能指标比较。见表2至表5。
| 工 况 | 涂装部位 | 涂层类型 | 干膜厚度(µm) | 备 注 | |
| 海洋大气区域 | 塔筒 | 外表面 | 钛基石墨烯冷涂锌防腐底漆 | 80 | 替代热镀锌层 |
| 钛基石墨烯海洋重防腐底漆 | 150 | 替代环氧底漆 | |||
| 钛基石墨烯海洋重防腐面漆 | 120 | 替代聚氨酯漆 | |||
| 合 计 | 350 | 复合涂层体系 | |||
| 内表面 | 钛基石墨烯海洋重防腐底漆 | 120 | 替代环氧类漆 | ||
| 钛基石墨烯海洋重防腐面漆 | 120 | ||||
| 合 计 | 240 | 复合涂层体系 | |||
| 海洋大气、浪溅、潮差区域 | 套管架及桩基 | 外表面 | 钛基石墨烯冷涂锌防腐底漆 | 80 | 替代热镀锌层 |
| 钛基石墨烯海洋重防腐底漆 | 300 | 替代环氧底漆 | |||
| 钛基石墨烯海洋重防腐面漆 | 220 | 替代鳞片类漆 | |||
| 合 计 | 600 | 复合涂层体系 | |||
| 内表面 | 钛基石墨烯海洋重防腐底漆 | 200 | 替代环氧类漆 | ||
| 钛基石墨烯海洋重防腐面漆 | 300 | ||||
| 合 计 | 500 | 复合涂层体系 | |||
| 其它金属配件 | 黑色有色合金 | 钛基石墨烯海洋重防腐底漆 | 120 | 替代环氧底漆 | |
| 钛基石墨烯海洋重防腐面漆 | 200 | 替代聚氨酯漆 | |||
| 合 计 | 320 | 复合涂层体系 | |||
| 海水全浸区域 | 套管架及桩基(海水或海泥浸没) | 外表面 | 钛基石墨烯冷涂锌防腐底漆 | 80 | 替代热镀锌层 |
| 钛基石墨烯海洋重防腐底漆 | 120 | 替代环氧底漆 | |||
| 钛基石墨烯海洋重防腐面漆 | 200 | 替代环氧鳞片 | |||
| 合 计 | 320 | 复合涂层体系 | |||
| 内表面 | 钛基石墨烯海洋重防腐底漆 | 120 | 替代环氧底漆 | ||
| 钛基石墨烯海洋重防腐面漆 | 200 | 替代鳞片类漆 | |||
| 合 计 | 320 | 复合涂层体系 | |||
| 注：本设计涂层耐久性寿命为25年。涂层失效程度参考GB/T 30790.1，设计依据为涂层耐盐雾试验和人工加速老化试验第三方检验报告结果均超过5000小时，内部自检报告均超过10000小时。 | |||||
| 项 目 | 技术指标 | 检验方法 | ||||
| 冷涂锌底漆 | 重防腐底漆 | 重防腐面漆 | ||||
| 固体份含量，% | ≥ | 85 | 98 | 85 | GB/T 1725 | |
| 干燥时间(23±2℃) | 表干，h | ≤ | 0.5 | 0.5 | 0.5 | GB/T 1728 |
| 实干，h | ≤ | 24 | 24 | 24 | ||
| 附着力，MPa | ≥ | 10 | 20 | 15 | GB/T 5210 | |
| 柔韧性，mm | 1 | 1 | 1 | GB/T 6742 | ||
| 耐冲击性，cm | 50 | 50 | 50 | GB/T 1732 | ||
| 耐液体介质性[1]： | GB/T 9274 | |||||
| 10%HCl(常温)，1a | 无变化 | |||||
| 10%H2SO4(常温)，1a | 无变化 | |||||
| 10%NaOH(常温)，1a | 无变化 | |||||
| 耐水性[1]，1a | 无变化 | GB/T 1733 | ||||
| 耐湿热性[2]，5000h | 无变化 | GB/T 1740 | ||||
| 耐盐雾性[3]，5000h | 无变化 | GB/T 1771 | ||||
| 耐人工老化性[4]，5000h | 无变化 | GB/T 1865 | ||||
| 注：[1]、[2]、[3]、[4]试验均为底漆+面漆复合涂层检测。 | ||||||
| 项 目 | 技术指标 | 检验方法 | ||
| 钛基石墨烯冷涂锌涂料 | HG/T 4845冷涂锌涂料 | |||
| 固体份含量，% | 85 | 80 | GB/T 1725 | |
| 干燥时间(23±2℃) | 表干，h | 0.5 | 0.5 | GB/T 1728 |
| 实干，h | 24 | 24 | ||
| 附着力，MPa | 20 | 3 | GB/T 5210 | |
| 柔韧性，mm | 1 | 2 | GB/T 6742 | |
| 耐冲击性，cm | 50 | 50 | GB/T 1732 | |
| 耐盐雾性，h | 5000 | 2000 | GB/T 1771 | |
| 项 目 | 技术指标 | 检验方法 | ||||
| 钛基石墨烯重防腐底漆 | GB/T 33423-2016 | |||||
| 环氧富锌漆 | 环氧类涂料[1] | |||||
| 固体份含量，% | ≥ | 98 | 80 | 85~90 | GB/T 1725 | |
| 干燥时间(23±2℃) | 表干，h | ≤ | 0.5 | 0.5 | 4 | GB/T 1728 |
| 实干，h | ≤ | 24 | 24 | 24 | ||
| 附着力，MPa | ≥ | 20 | 5 | 5 | GB/T 5210 | |
| 柔韧性，mm | 1 | — | 2 | GB/T 6742 | ||
| 耐冲击性，cm | 50 | — | 50 | GB/T 1732 | ||
| 耐磨性，mg(CS10) ≤ | 20 | — | 110 | GB/T 1733 | ||
| 耐阴极剥离性，mm ≤ | 2 | — | 8 | GB/T 7790 | ||
| 耐湿热性[2]，a | 1 | — | 1 | GB/T 1740 | ||
| 耐盐雾性[3]，h | 5000 | 720 | — | GB/T 1771 | ||
| 注：[1]包括环氧低表面处理涂料和环氧玻璃鳞片涂料。 | ||||||
| 项 目 | 技术指标 | 检验方法 | |||
| 钛基石墨烯重防腐面漆 | GB/T 33423-2016 | ||||
| 脂肪族丙烯酸聚氨酯面漆 | |||||
| 固体份含量，% | ≥ | 85 | 60 | GB/T 1725 | |
| 干燥时间(23±2℃) | 表干，h | ≤ | 0.5 | 2 | GB/T 1728 |
| 实干，h | ≤ | 24 | 24 | ||
| 附着力，MPa | ≥ | 15 | 10 | GB/T 5210 | |
| 柔韧性，mm | 1 | 1 | GB/T 6742 | ||
| 耐冲击性，cm | 50 | 50 | GB/T 1732 | ||
| 铅笔硬度(擦伤) ≥ | 6H | F | GB/T 6739 | ||
| 耐磨性，mg(CS10) ≤ | 20 | 100 | GB/T 1733 | ||
| 耐人工老化性，h | 5000 | 1000 | GB/T 1865 | ||
| 工况 | 涂装部位 | 企业标准 | 涂镀层厚(µm) | GB/T 33423标准 | 涂镀层厚(µm) | 备 注(δ=涂层厚度) | ||
| 涂层类型 | 涂层类型 | |||||||
| 海洋大气区 | 塔筒 | 外表面 | 钛基石墨烯冷涂锌防腐底漆 | 80 | 热镀锌或热喷锌 | 200 | 关注表3中两者的理化性能对比 | |
| 钛基石墨烯海洋重防腐底漆 | 150 | 环氧富锌底漆 | 60 | |||||
| 钛基石墨烯海洋重防腐面漆 | 120 | 环氧云铁中间漆 | 240 | |||||
| — | — | 聚氨酯面漆 | 60 | |||||
| 合 计 | 350 | 合 计 | 560 | δ≥260 µm | ||||
| 内表面 | 钛基石墨烯海洋重防腐底漆 | 120 | 环氧富锌底漆 | 60 | 关注表3中两者的理化性能对比 | |||
| 钛基石墨烯海洋重防腐面漆 | 120 | 环氧云铁中间漆 | 220 | |||||
| 合 计 | 240 | 合 计 | 280 | δ≥40 µm | ||||
| 海洋大气潮差浪溅区 | 套管架及桩基 | 外表面 | 钛基石墨烯冷涂锌防腐底漆 | 80 | 热镀锌或热喷锌 | 200 | 关注表3中两者的理化性能对比 | |
| 钛基石墨烯海洋重防腐底漆 | 300 | 环氧涂料 | 600 | |||||
| 钛基石墨烯海洋重防腐面漆 | 220 | 聚氨酯面漆 | 60 | |||||
| 合 计 | 600 | 合 计 | 860 | δ≥260 µm | ||||
| 内表面 | 钛基石墨烯海洋重防腐底漆 | 200 | 环氧涂料底漆 | 600~1000 | 关注表3中两者的理化性能对比 | |||
| 钛基石墨烯海洋重防腐面漆 | 300 | 环氧玻璃鳞片漆 | ||||||
| 合 计 | 500 | 合 计 | 600 | δ≥100 ~ 400 µm | ||||
| 其它金属配件 | 黑色有色合金 | 钛基石墨烯冷涂锌防腐底漆 | 80 | 热镀锌或热喷锌 | 140 | 关注表3中两者的理化性能对比 | ||
| 钛基石墨烯海洋重防腐底漆 | 120 | 环氧富锌底漆 | 60 | |||||
| 钛基石墨烯海洋重防腐面漆 | 200 | 厚浆型环氧漆 | 240 | |||||
| — | 聚氨酯面漆 | 60 | ||||||
| 合 计 | 400 | 合 计 | 500 | δ≥100 µm | ||||
| 海水全浸区 | 套管架桩基海水海泥浸没 | 外表面 | 钛基石墨烯冷涂锌防腐底漆 | 80 | 热镀锌或热喷锌 | 200 | 关注表3中两者的理化性能对比 | |
| 钛基石墨烯海洋重防腐底漆 | 120 | 低表面能环氧漆 | 240 | |||||
| 钛基石墨烯海洋重防腐面漆 | 200 | 聚氨酯面漆 | 60 | |||||
| 合 计 | 320 | 合 计 | 500 | δ≥180 µm | ||||
| 内表面 | 钛基石墨烯海洋重防腐底漆 | 100 | 高膜厚环氧涂料环氧玻璃鳞片漆 | 800 | 关注表3中两者的理化性能对比 | |||
| 钛基石墨烯重防腐厚中间漆 | 200 | |||||||
| 钛基石墨烯海洋重防腐面漆 | 200 | |||||||
| 合 计 | 500 | 合 计 | 800 | δ≥300 µm | ||||
| 对比项目 | 复合涂层体系类型 | 检测标准 | |||
| 钛基石墨烯重防腐涂层体系 | 传统环氧和聚氨酯防腐涂层体系 | ||||
| 有害物资排放，g/L | 冷涂锌涂层(底漆) | ≤100 | 热喷锌镀层 | ≤20 | GB 30981 |
| 钛基石墨烯重防腐涂料 | 20~150 | 环氧+聚氨酯防腐漆 | ≤420 | ||
| 有害金属( Pb、Cr+6 、Cd等)含量，mg/kg | 冷涂锌涂层(底漆) | ≤20 | 热喷锌镀层 | ≤100 | GB 30981 |
| 钛基石墨烯重防腐涂料 | 无检出 | 环氧+聚氨酯防腐漆 | ≤100 | ||
| 漆膜附着力，MPa | 钛基石墨烯重防腐涂料 | ≥15 | 环氧重防腐涂料聚氨酯类防腐涂料 | 5~8 | GB/T 5210 |
| 耐弯曲性，mm | 钛基石墨烯重防腐涂料 | 1 | 环氧类重防腐涂料聚氨酯类防腐涂料 | ≤2 | GB/T 6742 |
| 耐冲击性，cm | 钛基石墨烯重防腐涂料 | ≥50 | 环氧类重防腐涂料聚氨酯类防腐涂料 | ≥50 | GB/T 1732 |
| 耐磨性(CS10)，mg | 钛基石墨烯重防腐涂料 | ≤20 | 环氧+聚氨酯防腐漆 | ≤100 | GB/T 1768 |
| 铅笔硬度(擦伤) | 钛基石墨烯重防腐涂料 | ≥6H | 聚氨酯类防腐涂料 | ≥F | GB/T 6739 |
| 耐湿热性，a | 钛基石墨烯重防腐涂料 | ≥1 | 环氧及玻璃鳞片涂料 | ≥1 | GB/T 1740 |
| 耐水浸泡，a | 钛基石墨烯重防腐涂料 | ≥1 | 环氧及玻璃鳞片涂料 | ≥1 | GB/T 1733 |
| 耐阴极剥离，mm | 钛基石墨烯重防腐涂料 | ≤2 | 环氧及玻璃鳞片涂料 | ≤8 | GB/T 7790 |
| 人工加速老化，h | 钛基石墨烯重防腐面漆 | ≥5000 | 聚氨酯类防腐面漆 | ≤1000 | GB/T 1865 |
| 耐盐雾性，h | 钛基石墨烯重防腐底漆 | ≥5000 | 环氧富锌底漆 | ≤720 | GB/T 1771 |
| 注：本对比数据，钛基石墨烯重防腐涂料源于第三方国检报告；环氧类重防腐涂料和聚氨酯防腐涂料源于GB/T 33423-2016(≥25年)国家标准。 | |||||
钛基石墨烯重防腐涂料的涂层性能制订的技术指标依据是基于国家涂料质量检验中心的第三方检验报告数据而制定的。从表2至表5的性能指标对比来看，新型涂层材料远远高于传统涂层材料性能指标的几倍之多，根本不在一个层次上。
为海上风电塔架防护的新型涂层体系与传统涂层体系设计差异化分析比较与海上风电塔架防护的新型涂层体系与传统复合涂层体系技术性能的比较，见表6~7所示。
通过对比分析，可以推断，新型钛基石墨烯纳米重防腐材料在海上风电塔架上的涂层防护寿命可以保障服役25年及以上。
新型涂层材料钛基石墨烯重防腐涂料复合涂层体系的有益之处，可以总结出如下几点：
- 采用钛基石墨烯冷涂锌底漆，替代了污染严重、伤害操作人员身心健康的热镀锌和热喷锌工艺，降低了涂层(镀层)的厚度，减少了有色金属的使用量，节省了材料成本，同样可以达到热镀锌层或热喷锌层的防腐效果，并且省略了镀锌层的封闭工序。
- 采用钛基石墨烯重防腐涂料(底漆和面漆)，替代了传统的环氧涂层体系和聚氨酯涂层体系，无需800~1000µm厚涂层设计，简化了传统涂料繁琐的施工工艺，减少了材料的用量，降低了工程费用成本，并且同样可以达到相同设计的长效防护寿命。
- 新材料、新技术、新产品、新工艺的推广应用，有利于先进制造业的技术进步和产品更新换代，体现了国家科技兴国和科技强国的发展战略。
如果需要，可以联系我们。
