背景技术

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料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，高性能防腐涂料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。这是由涂料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，在涂料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，才能保证复合涂料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)新型重防腐涂料体系的技术方案，完全颠覆了传统防腐涂料体系的设计，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)新型重防腐涂料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料体系的设计、不同部位涂料干膜厚度要求、涂料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料防护构建体系，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)的涂料防护设计体系，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料体系。

海上风电塔架新型涂料防护体系构建的信心，是基于新型涂料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。

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。

表1  海上风电塔架新型复合涂料防护体系的构建设计方案

表2 石墨烯改性钛基纳米重防腐涂料的基本性能

表3 钛基石墨烯纳米冷涂锌涂料与传统冷涂锌涂料的性能对比

表4 石墨烯改性钛基纳米涂料与传统环氧类防腐涂料的性能对比

表5 钛基石墨烯纳米重防腐面漆与传统聚氨酯面漆的性能对比

表6 海上风电塔架防护的新型涂料体系与传统涂料体系设计差异化分析比较

表7 海上风电塔架防护的新型涂料体系与传统复合涂料体系技术性能的比较

钛基石墨烯重防腐涂料的涂料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，新型涂料材料远远高于传统涂料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料体系与传统涂料体系设计差异化分析比较与海上风电塔架防护的新型涂料体系与传统复合涂料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料防护寿命可以保障服役25年及以上。

新型涂料材料钛基石墨烯重防腐涂料复合涂料体系的有益之处，可以总结出如下几点：

1. 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，降低了涂料(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。
2. 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料体系和聚氨酯涂料体系，无需800~1000µm厚涂料设计，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。
3. 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。

具体实施方法

1. 工厂内车间施工
   • (1)钢材表面处理，处理方法宜采用喷砂或抛丸处理工艺。
   • (2)在喷砂前应对基材状况进行评估，对构件及与构件永久连接的附件的锐边、火焰切割边缘、毛刺要打磨到圆滑过渡，且R≥2mm，焊疤及焊接熔合性飞溅打磨清除干净。用溶剂、乳胶、净化化合物或蒸汽清除基体表面的水分、油污、尘垢、污染物、铁锈、氧化皮、盐类及其他物质；除锈质量应达到 GB/T 8923.1 中规定的Sa 2级；粗糙度使用合适的磨料处理至国际标准ISO.8503-2中有关表面粗糙度等级规定的细至中等级(40~70µm，Ry5)的要求。
   • (3)采用无水无油的压缩空气或工业用除尘器，吹除喷砂后基体表面附有的灰尘及磨料，其表面清 洁度应不低于 GB/T 18570.3规定的 2 级。
   • (4)表面处理后应在4h内(相对湿度低于80%时)，4~12h内(相对湿度低于65%时)进行涂覆第一道底漆，超过以上时限或当出现返锈或表面污染时，应重新进行表面处理。
2. 工厂内车间涂装条件
   • (1)施工过程中的环境条件：气温应大于5℃、相对湿度应低于80%、钢板表面温度高于露点3℃，每工班测量次数不得少于3次。
   • (2)涂料混合比例、搅拌过程按油漆供应商说明要求进行，用湿膜卡检查涂料湿
   • 膜厚度是否满足要求。
   • (3)为确保边缘、焊缝、角落处达到规定的膜厚，在每道涂料施工前，需对这些部位进行预涂。预留现场施工的部位(补口)，而形成的裸露表面应涂刷底漆。
   • (4)塔架、筒体与法兰采用喷涂油漆时，先行喷涂冷喷锌底漆，待冷喷锌结束后表面要做好保护。冷喷锌涂料完全干燥后，方进行油漆喷涂，喷涂时的搭接宽度要足够。
   • (5)不同产品应参考供应商制定的相关施工工艺进行施工。
3. 工厂内车间涂装工艺，喷涂方法易使用高压无气喷涂；建议在预涂小面积涂装时使用，但必须达到规定的干膜厚度。
   • (1)涂料配制 
     • ①钛基石墨烯重防腐涂料是双组分涂料，施涂前才能将双组分混合配制，配制前确认A、B组分以及稀释剂是否配套，是否与要求施涂型号一致，是否失效。
     • ②A 组分配制前必须搅拌至底部无沉积且上下均匀。
     • ③将产品说明书的要求将 A/B 组分按供应商提供的比例进行调配，用稀释剂调整喷涂粘度，使涂料达到最佳喷涂状态，以保证单膜厚度和质量。
     • ④根据涂敷面积和单道膜厚计算出涂料的稀释比用量(一般为涂料量的5~10%)，并控制配料量在 0.5 小时内用完，防止配量过多，用不完会固化造成损失和浪费。
     • ⑤涂料如需稀释，也应控制其用量不超 20%，按计算好的稀释剂比例配好后加入A组分中搅拌均匀，而后加入B组分搅拌10~15分钟，使A、B组分熟化。而后静置5~10 分钟，消除搅拌引入的空气泡。搅拌与静置时间的长短取决于配料量，料多时间长。
     • ⑥混合好的涂料用 100 目滤网过滤后方可喷涂。喷涂过程中一旦涂料反应过度而发生增稠，要立即停止喷涂。该涂料已报废应重新配料。涂料反应过度时间与环境温度有关，温度高所需时间短，料要少配，反之温度低所需时间长，配料量可适当增加。
     • ⑦稀释剂要用涂料配套稀释剂，不得随意选用其它稀释剂。
   • (2)涂装工艺
     • ①具体施工时应根据涂装件的结构编制涂装工艺规程，以保证防腐涂料的质量。
     • ②涂装时的环境条件，应符合涂料说明书的要求。遇雨、雪、雾、风沙等气候条件时应停止防腐层的露天施工。当施工环境温度低于-5℃或高于 40℃，或相对湿度高于80%时，不宜施工。未固化的防腐层应防止雨水浸淋。
     • ③表面预处理合格后至涂敷第一道底漆的间隔时间内出现锈蚀现象，涂敷前应对锈蚀部位重新进行表面预处理。对于不能在一天无露时间内喷砂完成的大型容器要做好封存防止与罐外空气对流，延长返锈时间。
     • ④钛基石墨烯纳米重防腐涂料涂装采用无气喷涂、刷涂或滚涂等施工方法，按自上而下的顺序进行涂敷，涂敷应均匀，不得漏涂，采用哪一种涂装方法应根据防腐施工方案决定。
4. 安装现场修补工艺
   • (1)对预留的补口和运输、安装过程中造成的涂料破损和缺陷，应进行涂料修补，涂料修补区域为：
     • a)焊缝区域：现场焊接完成后未涂装的焊缝区域；
     • b)涂料损坏区域：由于热工作业和运输、吊装、装卸等原因造成的涂料损伤或损坏局部涂料部位；
     • c)有涂料缺陷的局部涂料：由于施工过程中施工不当造成的流挂、漏涂、针孔等局部涂料的位置；
     • d)涂料被严重污染的部位：被污染物严重污染，污染物已造成涂料损坏(如被水泥污染)，或污染物已无法通过简单的清洗就能除去的局部涂料位置；
     • e)设备检修中存在的局部涂料破损。
   • (2)损坏的涂料修补前，应进行表面处理，去除松散、损坏的涂料，对损伤至底材部位应使用动力工具处理至 St3 或 SP11。损伤部位的周边完好涂料须轻轻打毛，并打磨成平滑的过渡层。露出的金属基体应进行拉毛或电化学刻蚀处理，表面粗糙度达标后，用脱脂棉球蘸溶剂反复擦拭除油，直至无变色为止。宜将修补区域基体周边磨出较浅沟槽。涂装后 4h 内不应淋雨。
   • (3)修补时期的气候条件控制相同于新建结构涂装时的要求。
5. 涂装检查，应检查涂料是否满足技术规格书要求，包括目视检查，如涂料的均匀性、颜色及光泽、外观，漏涂、缩孔、气泡、脱落、渗色、流挂等缺陷。应检查干膜的以下性能：
   • a)干膜厚度。涂装后应按 GB/T13452.2 规定的方法进行涂料干膜厚度测定。平均
   • 干膜厚度应大于或等于设计厚度值，各点的干膜厚度不得低于额定干膜厚度的80%，且不超过10%。若要求最大漆膜厚度，不超过最大值。
   • b)附着力。采用拉开法测定附着力，应符合 GB/T 5210 的规定，对不适用拉开法测试的涂料应选用划格或划叉法，应符合 GB/T 9286 的规定。
   • c)漏涂点。对飞溅区、潮差区及全浸区的涂料应按照SY/T 0063 进行漏涂点检测。发现任何漏涂点均应进行补涂，且修补处的干膜厚度复测结果应满足设计要求。
6. 质量验收
   • 质量验收应包含以下资料：
     • a)涂料厂家生产许可证(复印件)、产品合格证及质量检验报告；
     • b)工程设计文件、施工技术方案等；
     • c)涂料的质量检查记录和验收报告等；
     • d)返修记录(如有)，包括返修位置、原因、方法、数量和检验结果；
     • e)其他有关资料。
7. 7.涂料的保养和维护
   • (1)随着服役时间的增加，防腐涂料会存在老化、破损，牺牲阳极有可能被破坏、损耗或潮汐原因对部分区域无法防护，应定期对防腐措施进行检测和维护。
   • (2)工程实施后初期 2 a 内，至少每半年检测一次；在运行维护 2 a 后每年检查一次，视防腐系统的运行情况，10a后可适当增加检测的频率。周期时间为一个季度的，应检查可见部位；周期时间为一个季度以上的，应全面检查设备结构面、焊缝及连接处等。对需要维修区域做好以下记录：
     • a)每次维修之前，对涂料进行 1~2 次检查，记录涂料的开裂、脱落、起泡、生锈、粉化等缺陷类型及面积比例；
     • b)根据检查记录，作出修补计划。
   • (3)涂料的维护和修补前应查阅存档资料，掌握原使用涂料的使用条件和性能。表面处理应符合下列要求：
     • a)如底漆破损，涂料应打磨至基底，满足 St 3 等级要求；
     • b)底漆未破损但有松软涂料，应去除松软部分，损坏涂料的边口应打磨至分层，无法分层的要打磨平缓，各涂料颜色要相近；
     • c)当受损区域大到可以采用喷砂方法进行处理时，宜在表面重新进行喷砂处理。
   • (4)涂料的修补应符合下列要求：
     • a)修复范围应大于损伤表面；
     • b)补涂底漆时，小面积宜使用刷子，大面积宜使用喷涂；
     • c)修补时每层涂料的厚度以及各道涂料覆涂间隔应按原始规范执行，厚度不够的应再次进行涂刷；
     • d)内部修补时，要提供通风和照明；
     • e)修补时期的环境条件控制相同于新建结构涂装时的要求；
     • f)修补后的涂料要注意保护，防止未固化涂料遭受踩踏或破坏；浸水或可能浸水区域，涂料修补后需等涂料彻底固化后再浸水。

以上实施例为本项目的应用流程。执行标准为《GB/T 33423-2016沿海及海上风电机组防腐技术规范》。