導語
風能是國家能源體系的重要組成部分, 開發(fā)利用風能已經(jīng)成為世界各國保障能源安全、保護環(huán)境的重要措施之一。風能的有效利用離不開大型風力發(fā)電設備。
要想實現(xiàn)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(jù)其運行環(huán)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涂料在線coatingol.com。
粉末涂料是一種環(huán)保綠色涂料,應用于風電設備鋼結構件有其天生優(yōu)勢,如環(huán)保、易厚涂、利用率高、綜合成本低等特點。
本文依據(jù)ISO 9223~9226—2012、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和粉末涂裝的實施方案。
1 風電設備以及所處的腐蝕環(huán)境
1.1 風電行業(yè)簡介
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(fā)潛力大、環(huán)境影響小、可持續(xù)利用等特點。
近年來,隨著風電技術水平的不斷提高, 世界各國風電裝機容量迅速增長,圖1 所示為近年來全球風電的裝機容量[1]。
截止2018年底,全球風電累計裝機容量已達590.8 GW,其中中國、美國、德國裝機容量分別位居前3。雖然近年來新增裝機容量略有下降,但風電行業(yè)依然處于高速發(fā)展階段,已經(jīng)連續(xù)第五年超過50GW,我國風電行業(yè)呈現(xiàn)高速發(fā)展趨勢。
圖2 所示為我國近年來的風電裝機容量(數(shù)據(jù)來自國家能源局和發(fā)改委網(wǎng)站)。截至2018年底,我國累計風電裝機容量已達209.5 GW,占全球風電總裝機容量的35.4%。
2018 年我國風電新增裝機21.1 GW, 同比增長7.3%, 占全球新增風電容量的40.8%,近5 年基本都在20 GW 以上。
我國2018 年風電發(fā)電量3 660 億千瓦時, 占全部發(fā)電量的5.2%,比2017 年提高0.4 個百分點。根據(jù)發(fā)改委數(shù)據(jù),2017 年投產(chǎn)的風電平均建設成本比2012 年降低了20%。
目前,在資源條件優(yōu)良、建設成本低、投資和市場條件好的地區(qū), 風力發(fā)電成本已達到燃煤標桿上網(wǎng)電價水平,具備了不需要國家補貼平價上網(wǎng)的條件。
2019 年,隨著《關于建立健全可再生能源電力消納保障機制的通知》等相關政策的陸續(xù)下發(fā)和落實,必將進一步引導可再生能源的開發(fā)和應用;
保障可再生能源的全額保障性收購, 引導能源結構轉型升級,為我國風電規(guī)模擴大和成本下降提供更大的發(fā)展空間和更好的政策環(huán)境。
1.2 腐蝕環(huán)境分類及標準
目前我國風電行業(yè)發(fā)展迅速,大型風力發(fā)電場建設已經(jīng)從“三北地區(qū)”向沿海、內(nèi)陸地區(qū)發(fā)展,并逐步開始進軍海上,這就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了ISO 9223~9226 標準,根據(jù)金屬標準試件在環(huán)境中自然暴露試驗獲得的腐蝕速率及綜合環(huán)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。ISO9223—2012 對大氣腐蝕等級有兩種評估分類方法:
方法一,綜合考慮如環(huán)境因素、年潤濕時間、二氧化硫年平均濃度和氯化物的年平均沉積量來評估。具體見表1。
方法二, ISO 9223—2012 根據(jù)標準樣板暴露實驗,即根據(jù)暴露了一年的低碳鋼或鋅標準樣板的質量或厚度損失數(shù)據(jù)來評估定義腐蝕性類別,具體見表2。
ISO 12944—2018 直接引用了此表數(shù)據(jù)。此表的數(shù)據(jù)具體標本及其在暴露前后的處理參考ISO 9226—2012。
1.3 風電設備鋼結構件防腐蝕所適用的標準
《ISO12944 色漆和清漆———防護涂料體系對鋼結構的腐蝕保護》, 是目前鋼結構的涂層防腐蝕領域公認的參考標準之一。
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(nèi)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(huán)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類型定義了鋼結構的表面類型和它們的表面處理;
環(huán)境類型定義了6 種大氣環(huán)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(huán)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(huán)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3。
ISO12944—2018 標準僅針對液體涂料, 并明確的將粉末涂料、烤漆、熱固化涂料以及其他涂料體系排除在標準應用范圍之外,Qualisteelcoat 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。鋼結構是在建筑和工業(yè)上使用最廣泛的一種結構材料,使用時必須進行防腐蝕處理。
Qualisteelcoat 定義了涂料公司內(nèi)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(chǎn)品。
它包括了對涂料公司的質量要求的定義, 涂料系統(tǒng)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(guī)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 a) 一起組成了Qualisteelcoat 的涂裝系統(tǒng)和噴涂廠認證的基礎。
另外,ISO 12944—2018 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(nèi)容。
2 鋼結構件粉末涂裝工藝簡介
2.1 涂裝體系
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(jù)基材, 前處理,有機涂料的類型定義涂裝系統(tǒng)(見圖3)。
完整的涂裝體系應包括:
(1) 基材
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;
(2) 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涂層的結合力,進而提升防腐蝕效果;
(3) 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。
ISO 12944-5—2018 僅定義了基于液體涂料的涂裝系統(tǒng), 沒有關于粉末涂料和電泳的規(guī)范和推薦。
Qualisteelcoat 根據(jù)不同的基材開發(fā)了下面的表格,定義了粉末涂料體系和電泳在不同的涂裝系統(tǒng)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4),當然這是以合理的前處理和防護涂層為前提的。
2.2 粉末涂裝工藝
根據(jù)客戶需要達到的防腐等級和要求,我們可以通過表4 的推薦和噴涂現(xiàn)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。粉末涂裝工藝也包括3 個方面,即基材、前處理和粉末涂料噴涂。
就基材來說,不同的基材所能達到的防腐等級不一樣。單純的鋼基材所能達到的最高等級是C4H,如果想做C5H 級別的防腐,必須選擇其他經(jīng)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進行選擇,具體可參照表4。
前處理是基材進行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(jù)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, 定期檢測相關指標,并按照要求定期抽檢前處理的質量情況。
前處理后的存儲也十分關鍵,經(jīng)過前處理的產(chǎn)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5。
存儲的狀態(tài)是不允許產(chǎn)品表面有冷凝水產(chǎn)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。
就粉末涂料來說,不同的粉末涂料防腐能力相差甚遠,設計不同的防腐結構(涂層種類、層數(shù)),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(huán)境中。涂料和涂裝,主要需要考慮如下5 個方面:
(1)要選擇符合基材、前處理和客戶防腐等級要求的涂料體系;
(2)涂料體系的噴涂要注意厚度的控制,注意邊角覆蓋,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地產(chǎn)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(fā)生,一般底層粉末側重于防腐性能,面層粉末主要側重于耐候性能;
(5)如果是多層粉末噴涂,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4)。其中底層預固化是非常關鍵的一環(huán),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(xiàn)底粉部分上浮的現(xiàn)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。
3 高防腐蝕等級(C4H 及C5H)的粉末涂料解決方案
表3 為ISO12944-6 在C2 至C5 腐蝕級別的實驗室測試要求,Qualisteelcoat 在防腐蝕性能的實驗上,也完全采用了此測試程序。
從表中可以看出,高腐蝕級別的實驗室檢測對基材、前處理和粉末涂料都有很高的要求。
實驗主要難點在于ISO 12944-6 對中性鹽霧試驗的要求,C4H 要求鹽霧實驗720 h 后,單邊銹蝕寬度要≤1mm,C5H 要求鹽霧試驗1 440 h 后,單邊銹蝕寬度要≤1mm(Qualisteelcoat 的單邊銹蝕寬度要求≤2mm)。
對此進行了大量的實驗, 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(xiàn)。
以我公司的環(huán)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。以我公司的超高防腐環(huán)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(fā)的產(chǎn)品已經(jīng)通過SGS 對于C4H 和C5H的各種項目測試,取得了相關報告。
ISO12944-6—2018 中C4H/C5H 測試要求初始漆膜附著力≥2.5 MPa,中性鹽霧試驗720 h/1 440 h,冷凝測試480 h/720 h,鹽霧和冷凝測試完成后涂膜的附著力≥2.5 MPa,SGS 的檢測方式實例圖片如下(圖5~9 摘自SGS C4H 和C5H 檢測報告)。
4 結語
隨著社會對環(huán)境問題的越加重視,綠色能源的開發(fā)和利用會越來越廣泛,風電等綠色能源行業(yè)也會保持現(xiàn)有的高速發(fā)展。
風電設備的使用地域不再局限于內(nèi)陸地區(qū),在沿海等地區(qū)也有諸多的應用,潮濕高鹽的使用環(huán)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(huán)保的特性,應用于風電設備防腐有其諸多的優(yōu)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。
我們只有從基材、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(huán)境下長效安全的運行。