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大型風力發電設備防腐技術及質量控制

2020-05-07 15:16:15 作者：詹耀來源：現代涂料與涂裝分享至：

0 引言

以水能、風能、太陽能、生物質能、地熱能和海洋能為主的可再生能源是國家能源體系的重要組成部分，可再生能源具有資源分布廣、開發潛力大、環境影響小、可持續利用的特點，它是有利于人與自然和諧發展的重要能源資源。當前，隨著水能的成熟應用和風能、太陽能的興起，開發利用可再生能源已成為世界各國保障能源安全、加強環境保護、應對氣候變化的重要措施。隨著經濟社會的發展，我國能源需求將持續增長，能源資源和環境問題也日益突出，加快開發利用風能、太陽能等可再生能源已成為我國應對日益嚴峻的能源和環境問題的必由之路。為了實現2015年和2020年非化石能源分別占一次能源消費比重11.4%和15%的目標，加快能源結構調整，培育和打造戰略性新興產業，推進可再生能源產業持續健康發展。2012年7月9日國務院發布了《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》。其中制定的風能產業規劃為：加強風電裝備研發，增強大型風電機組整機和控制系統設計能力，提高發電機、齒輪箱、葉片以及軸承、變流器等關鍵零部件開發能力，在風電運行控制、大規模并網、儲能技術方面取得重大突破。建設東北、西北、華北北部和沿海地區的八大千萬千瓦級風電基地。在內陸山地、河谷、湖泊等風能資源相對豐富的地區，發揮距離電力負荷中心近電網接入條件好的優勢，因地制宜開發中小型風電項目，積極推動海上風電項目建設。

目前我國大型風力發電場建設已從“三北”（東北、西北、華北）地區，向沿海、內陸地區擴展，并且開始進軍海上。然而在各種不同氣候和環境條件下的風力發電設備無論是從風機的基礎結構到塔筒，從葉片到機艙，從風力發電設備的各類機械零部件到電氣元器件，這些都要面對各種氣候條件和腐蝕環境的考驗，有些腐蝕因素甚至是致命的隱患，這就極大地影響到風力發電設備的安全運行和使用壽命，因此，無論是建設陸上風電場、還是海上風電場，都對風力發電設備的防腐技術提出了更高的要求。本文正是針對大型風力發電設備的金屬零部件和電氣元器件所處的環境特點提出了相應的防腐技術和實施方案，并對風力發電設備的防腐工藝實施和質量控制進行了闡述，其目的是為了促進風力發電設備的防腐蝕關鍵技術的應用和突破，從而更好地推動風能資源的開發和利用。

1 應用于風力發電設備的防腐技術

大型風力發電設備是將風能轉換成機械能，再將機械能轉換為電能，輸送和并入電網。風力發電設備在風能轉換成機械能再轉換成電能的過程中，一套風力發電設備為了實現其功能的轉換而由若干個系統、結構和零部件組成。而組成其零部件大多數采用碳鋼、鑄鐵等金屬材料，還有電氣設備的電氣元器件等，因此解決風力發電設備的防腐蝕問題也要從其結構和所使用的材料特性以及其安裝運行環境的腐蝕介質入手進行剖析。雖然大型風力發電設備的結構比較復雜，但是其結構大體上由風輪（葉片、輪轂）、風輪軸、調速裝置、發電機、制動系統、液壓系統、機艙、偏航系統、塔架、支撐結構基礎、控制系統等部分組成。應用于大型風力發電設備零部件的主要防腐蝕技術及方法包括：防腐涂層技術、熱浸鍍鋅及滲鋅、電鍍鋅、達克羅和交美特技術以及噴鋅（鋁）涂層，還有采用耐候鋼等耐腐蝕性金屬材料、涂抹防銹油脂以及采用陰極保護技術等防腐技術及方法，用來提高風力發電設備的防腐蝕及防護能力。下面分別就風力發電設備所采用的不同防腐蝕技術方法進行論述和探討。

1.1 防腐蝕涂層技術

防腐蝕涂層技術是風力發電設備應用最普遍的防腐方法，隨著風力發電設備的大型化，以及大批風電場的開發和興建，從而對風力發電設備承受各種各樣的環境腐蝕能力和使用壽命提出了更高的要求，因此迫切需要與之相配套的防腐涂料。而常用的涂料已不能滿足這些需要。人們提出的“重防腐涂料（Heavy Coating）”的概念，它一般指在苛刻的腐蝕環境使用，簡單地說：重防腐涂料就是使用壽命更長，可適應更苛刻的使用環境的涂料。而重防腐復合涂層包括底漆、中間漆和面漆相互配套的多層復合防腐結構。這種復合防腐涂層結構目前普遍在風力發電設備的防腐蝕領域得到廣泛應用，如風電塔筒、風電葉片、輪轂、齒輪箱、發電機以及機架鋼結構等一大批零部件表面都采用復合防腐涂層進行防護。這不僅因為防腐涂料性能好、易施工和修復，而且其防護年限長，因此只要科學的設計復合防腐涂層、工藝施工和質量控制到位，基本上能夠達到與風力發電設備相同的20年以上防護年限要求，在海上風電場甚至于可以滿足25年以上的防護年限要求，下面簡述了防腐涂層技術在風力發電設備零部件上的實際應用情況。

1.1.1 塔架筒體內、外壁及外露的鋼結構零部件

塔筒外壁通常采用：環氧（或無機）富鋅底漆+環氧云鐵中間漆+聚氨酯面漆的涂層結構，這種防腐涂層結構的底漆由于高金屬含量鋅粉提供很好的陰極保護，厚漿型環氧云鐵中間漆的片狀云母氧化鐵所形成的“迷宮”效應，能夠隔絕水分子、鹽霧分子向金屬零件表面滲透和腐蝕，改性聚氨酯面漆不僅具有防太陽光及紫外線老化的能力，而且能夠耐風沙、雨雪和鹽霧的侵蝕。對于海上風力發電設備的塔筒外壁的底層可采用電弧噴鋅或鋅/鋁合金，面層可采用耐候性優良的氟碳面漆，從而提高風電零部件應對惡劣海洋環境的腐蝕能力。

塔筒內壁由于不接觸到外界的陽光直射，耐光老化性相對外壁要弱，可以采用：環氧富鋅底漆+環氧面漆的二層防腐涂層結構。當腐蝕環境惡劣時，塔筒內壁可按照塔筒外壁一樣采用：環氧富鋅底漆 +環氧云鐵漆+聚氨酯面漆的三層結構，但其涂層厚度比塔筒外壁要薄。

1.1.2 塔筒、機艙和輪轂內部的鋼結構零部件

對于塔筒、機艙和輪轂內部的裸露金屬零部件的防腐防護，除了注重在材質選擇上的特殊要求外，還根據鋼鐵及鑄件零部件的材料性質、所處的部位和結構特點同樣采用涂裝環氧富鋅底漆、環氧云鐵中間漆和聚氨酯面漆的復合涂層結構，能夠很好地保護零部件免受腐蝕介質的侵蝕。

1.1.3 塔架及機艙和輪轂內部電氣控制元器件

針對塔筒內部、機艙罩和整流罩內部電氣控制設備，如控制柜、變頻器等箱體的薄形鋼板材料，內外表面腐蝕防護采用噴塑（粉未涂料）處理，并采取通風降溫、干燥吸潮等特殊處理措施，能更好地滿足電氣設備的防潮、防鹽霧等防腐蝕要求。考慮到絕緣性、防靜電性等電氣設備的性能要求，柜體的內、外表面按照噴塑（粉末涂料）工藝進行，厚度為50-100μm。柜體內的電氣控制元（器）件要滿足“防鹽霧、防濕熱、防霉菌”三防要求。

1.1.4 風機葉片的表面防護涂層

風機葉片直接關系到風力發電設備的發電效率及使用壽命，對于安裝于陸上及沙漠地區的風機葉片遭受到沙塵的磨蝕；對于海上風機葉片需要承受海洋氣候環境下的高鹽霧、高溫熱、風雨的侵蝕，使用葉片防護涂層技術不僅能滿足風電葉片的防磨蝕和防老化、提高使用壽命的要求，更能實現少維護、延長維護周期、提高風機葉片的可靠性。風機葉片防護涂層適用于輥涂、空氣噴涂及高壓無氣噴涂設備的施工，固化成膜快，實現底、面一體化，減少作業時間，提高噴涂施工工作效率，其防護涂層體系設計見表1。

對于風力發電設備的防腐涂料品種的選擇，由于目前市場上防腐涂料品種繁多，其性能和用途各有不同，正確地采用防腐涂料，對于風力發電設備的防腐蝕效果和使用壽命至關重要。選用時應從以下方面進行綜合分析和考慮：

1）被涂物材料的性質。如結構鋼、鑄鐵、不銹鋼等不同材質的風力發電設備零部件，其涂層結構、涂層厚度也應不同。根據風力發電設備的金屬零部件所處不同部位、不同材質、工作環境和耐候性要求，分別提出相應的涂層系統。

2）被涂物的使用環境。防腐蝕涂料對環境針對性很強，要根據具體使用環境，如腐蝕介質的類型、濃度、溫度，風電場運行環境條件等因素來選用最適宜的防腐涂料品種。如高原型風機、潮間帶風機、海上型風機，由于風機所處的環境氣候條件不同，其防腐涂料的品種、涂層厚度也有所不同。

3）施工條件。根據施工現場實際狀況選擇適宜的涂料品種。如在通風條件差的現場施工宜采用無溶劑或高固體份或水性防腐蝕涂料。在不具備烘烤干燥的現場只能選用自干型涂料。

4）性價比。不僅要考慮防腐蝕涂料的技術性能，還要考慮涂料產品的成本、風電場的投資以及經濟的合理性。經濟核算時要將材料費用、表面處理費用、施工費用、涂層性能及使用壽命年限、維修費用等綜合考慮。

1.2 熱浸鍍鋅及滲鋅技術

對于風力發電設備的整流罩和機艙罩的鋼結構支架、塔筒內的電纜橋架、鋼結構梯子、扶欄以及其他結構和形狀比較復雜的管件和鋼構件等可采用熱浸鍍鋅技術進行保護，熱浸鍍鋅技術一般被用于受大氣腐蝕較嚴重且不需維修的風電機組零部件的防腐蝕防護中。熱浸鍍鋅是熔融金屬鋅與鐵基體結合而形成合金層，從而使基體和鍍層二者相結合。熱鍍鋅是先將鋼鐵基材進行酸洗，為了去除鋼鐵基材表面的氧化鐵，酸洗后，通過氯化銨或氯化鋅水溶液或氯化銨和氯化鋅混合水溶液槽中進行清洗，然后送入熱浸鍍槽中。對厚度5mm以下金屬零部件的熱鍍鋅層厚度一般不小于65μm；對厚度大于5mm金屬零件的熱鍍鋅層厚度一般不小于85μm。熱浸鍍鋅的優點是：具有鍍層均勻，附著力強，使用壽命長，生產過程工業化程度高，鍍層質量較穩定，環境污染較電鍍小，但是在熱浸鍍鋅處理過程中由于酸洗的原因容易使零件產生氫脆的危害，且處理后零部件在惡劣的環境氣候下的防護年限有限，特別是在海洋環境氣候條件下，熱浸鍍鋅經過一段時間后也會產生鍍鋅層氧化的現象。因此為了提高熱浸鍍鋅在海洋等惡劣環境下的防腐蝕能力，一般在鍍鋅零件的表面再加涂復合防腐涂層，這樣可以大大提高海洋環境下零件的防腐防護能力。表面不加防腐涂層的熱浸鍍鋅件暴露在海洋環境的飛濺區和全浸區時由于鋅層作為陽極而犧牲自己，就會導致鍍鋅件很快腐蝕而破壞或失效，因此在海洋環境這些區域的金屬結構件不宜采用熱浸鍍鋅技術。

相比金屬結構件的熱浸鍍鋅而言，風力發電設備的金屬零部件還用到一種粉末滲鋅技術，粉末滲鋅將滲鋅劑與鋼鐵制件共置于滲鋅爐中，加熱到400℃左右，活性鋅原子則由鋼鐵制件的表面向結構內部滲透，同時鐵原子則由內向外擴散，在制件表層形成了一個均勻的鋅/鐵化合物即滲鋅層。粉末滲鋅的特點：①耐蝕性強；②具有優異的耐磨性和耐擦性；③基本上無污染；④與熱鍍鋅相比，它具有消耗鋅較低的特點；⑤滲鋅層還可以與涂料結合形成復合防護層；⑥經過滲鋅的鋼鐵制件其機械性能不會有大的變化。然而這種方法受到加工設備、待處理的風力發電設備零件的尺寸限制，其在風力發電設備的防腐蝕處理方面有待進一步推廣。

1.3 電鍍鋅技術

在風力發電設備的一些非高強度連接（一般在8.8級以下）的螺栓、螺母墊圈、電氣連接及金屬結構件等通常采用電鍍鋅技術進行防腐防護。電鍍鋅相對于熱浸鍍鋅而言，它是一種冷鍍鋅（或合金）技術。電鍍鋅是對金屬制件表面進行防護、裝飾或根據需要而獲得某種新的表面性能的一種工藝方法，其鍍層厚度一般為3—20μm，在整個電鍍工藝過程中其溫度一般在100℃以下。電鍍鋅就是用電解方法沉積具有所需金屬形態的鍍層過程，也是一種氧化-還原過程，一般是改變表面的特性，以提供改善外觀、耐介質腐蝕、抗磨損以及其它性能，但是有時也是僅用來改變零件尺寸。電鍍基本過程是將零件浸在電解液中作為陰極，一定純度的活潑金屬作為陽極，接通直流電源后，在零件上就會沉積出金屬鍍層。由于靜電屏蔽效應的原因，待鍍工件的深孔、狹縫以及管件的內壁等部位難以電鍍上鋅。并且由于電鍍鋅工藝中使用氰化物和六價鉻對環境產生污染，對環境和作業人員造成污染和傷害，正逐步被限制使用。但是由于電鍍金屬的種類多達30多種，除了鍍鋅、鉻、銅等十余種外，還能電鍍多種合金鍍層。雖然此方法逐漸被淘汰使用，但是在風力發電設備的一些電氣及金屬結構小件還采用電鍍技術。

1.4 鋅鉻涂層及鋅鋁涂層技術

對于風力發電設備的高強度連接螺栓（一般針對8.8級以上螺栓螺母墊片），如基礎錨固螺栓、葉片與輪轂的連接螺栓、塔筒每節的連接螺栓等通常采用達羅克技術（或無鉻鋅鋁涂層技術）來進行防腐蝕處理。達克羅（鋅鉻涂層）技術是目前應用比較普遍的一種金屬表面防腐處理技術。與電鍍鋅、熱浸鍍鋅等工藝技術相比，鋅鉻涂層具有防腐性能優良、不產生氫脆等特點。其鍍層厚度一般為2—12μm。采用達克羅處理技術的防腐蝕性能是涂層的整體鉻鈍化，組成涂層的每一微粒級鋅、鋁的磷片都被鉻鈍化，所以起主要防腐作用的為涂層的整體鈍化功能，但是鋅鉻涂層技術（達克羅）在環保方面仍然存在鉻（以三價鉻和六價鉻的形式）的存在問題。一般說到鋅鉻涂層技術（達克羅）是綠色環保，僅僅是相對于傳統的電鍍鋅、熱浸鋅等而言。鋅鉻涂層在加工過程中殘液必須經過特殊處理，才能保證不向環境中排放有害物質，為了減少鋅鉻涂層的有害物質危害，目前正在逐步研發和應用無鉻鋅鋁涂層技術（交美特），如北京永泰和金屬防腐技術有限公司等單位起草的標準-鋅鉻涂層技術條件（GB/T26110-2010）。

無鉻鋅鋁涂層（鋅鋁涂層）是將無鉻鋅鋁涂料浸涂、刷涂或噴涂于鋼鐵零件或構件表面，經過烘烤而形成的以鱗片狀鋅為主要成分的無機防腐蝕涂層，其外觀呈銀灰色，是一種將超細鋅鱗片和鋁鱗片疊合包裹在特殊粘結劑中制成的無機涂層。無鉻鋅鋁涂層完全保留了達克羅技術高抗蝕性、涂層薄、無氫脆的優點，有效地解決了有害的Cr6+的問題，從真正意義上實現了清潔生產。無鉻鋅鋁涂層（交美特）由于不使用有毒的金屬（如鎳、鉛、鋇等）以及六價鉻或三價鉻，符合環保標準要求。因此其逐漸在風力電機組螺栓、螺母墊片等一些緊固件防腐蝕方面上得到推廣應用。

1.5 噴鋅（或鋅/鋁合金）涂層

風力發電設備的軸承、塔筒的連接法蘭等采用熱噴鋅（鋅/鋁合金）涂層，這是一種長效的防腐蝕方法。具體工藝是先對零部件（軸承、法蘭）表面進行噴砂除銹，表面噴砂處理要求達到Sa3級，粗糙度一般為50-100μm，使基材表面完全露出金屬光澤。再在乙炔-氧焰加熱或電加熱情況下將不斷送出的鋅（鋁）絲融化，并用壓縮空氣將融化的鋅（鋁）顆粒吹附到零部件表面，以形成一層蜂窩狀的鋅（鋁）噴涂層（一次厚度可達50μm—100μm），其噴鋅（鋁）層表面宜加涂小于30μm左右的有機封閉漆，從而確保封閉漆滲入到噴涂金屬層且封閉孔隙。這種工藝的優點是對零部件尺寸適應性強，但是此法無法在小直徑的風電管狀構件的內壁進行施工。假如風電機組管狀構件采用熱噴鋅進行處理，那么在管狀構件兩端必須做氣密性封閉，從而保證管狀內壁不會發生腐蝕。另外這種工藝的熱影響是局部的、受約束的，因而不會產生熱變形。與熱浸鍍鋅相比，這種方法的工業化自動化程度較低，噴砂和噴鋅（鋁）的勞動強度大，噴涂質量也易受操作者的操作水平的影響。

1.6 陰極保護技術

在海上（潮間帶）風力發電設備的導管架鋼結構基礎的防腐蝕保護時利用陰極保護技術，這種方法屬于電化學防腐保護，它分為犧牲陽極的陰極保護和外加電流的陰極保護。犧牲陽極的陰極保護技術是將鋅、鋁等活性比鐵高的活潑金屬鑄造成陽極材料焊接在被保護的結構物上，當發生電化學腐蝕時，這種活潑金屬作為負極發生氧化反應而主動消耗，因而減小或防止被保護金屬的腐蝕。這種方法常用于保護海上（潮間帶）風電機組位于水中的基礎鋼樁，通常是在鋼樁位于流水線以下的外壁上焊接鋅塊來防止腐蝕。富鋅類涂料的防腐蝕機理就是采用這一陰極保護技術，這一類防腐涂料在風電機組防腐防護中應用也非常普遍。外加電流的陰極保護技術是將被保護的基材金屬和電源的負極連接，再采用一塊能導電的惰性材料連接電源的正極，接通電源后，被保護的金屬表面就產生負電荷（電子）的聚積，從而抑制了被保護金屬失去電子而得到保護。這兩種陰極保護技術適用于海洋（潮間帶）環境下的水下區、泥下區的鋼結構構件防腐蝕保護。

1.7 采用耐蝕性材料

采用耐蝕性材料通常是在普通鋼鐵的冶煉中加入一定的鉻、錳、礬等稀有金屬元素，以提高其抗腐蝕能力，不銹鋼是應用最普遍的耐蝕性材料。不銹鋼在空氣中或化學腐蝕介質中能夠抵抗腐蝕的一種高合金鋼，它具有美觀的表面和耐腐蝕性能好，不必經過鍍色等表面處理，而發揮不銹鋼所固有的表面性能，通常，人們把含鉻量大于12%或含鎳量大于8%的合金鋼叫不銹鋼。鋼中含鉻量達12%以上時，在與氧化性介質接觸中，由于電化學作用，表面很快形成一層富鉻的鈍化膜，保護金屬內部不受腐蝕。這種鋼在大氣中或在腐蝕性介質中具有一定的耐蝕能力，并在較高溫度（>450℃）下具有較高的強度，其低溫沖擊韌性也比一般的結構鋼要好。針對不銹鋼材質零部件，按照抗斑狀腐蝕能力值（PRE）進行計算：PRE = Cr% +3.3×Mo%，對于PRE值低于20的不銹鋼零件，必須涂裝防腐涂層進行防護，在海洋大氣環境中對縫隙腐蝕和開裂腐蝕敏感的不銹鋼應加涂防腐涂層；對于PRE值大于20的不銹鋼零件，在大氣環境中經驗證確認不腐蝕生銹的，可以不必涂裝防腐涂層。在風電機組的防腐蝕方面也采用不易發生腐蝕的金屬材料，如使用不銹鋼、銅或合金等耐蝕性材料。但是這種方法導致材料成本的大大增加，因此在滿足技術和經濟要求才會選擇。

1.8 涂抹防銹油脂

涂抹防銹油脂是保護金屬零件的一種短期防護方法，它是在金屬表面涂抹耐蝕性油脂以及貼粘防銹薄膜或防銹紙進行臨時保護。防銹油脂是在石油類基本組分中加入一種或多種防銹添加劑（又稱油溶性緩蝕劑）及其輔助添加劑組成，它使用方便，成本低廉，操作簡單，效果好。它主要用于風力發電設備的零部件在運輸、加工及裝配安裝過程中的短期防銹處理措施，也在零部件精加工面的臨時防腐方面得到了應用。

2 質量控制

防腐施工完成后，必須對零部件表面的防腐涂層進行檢查驗收，驗收的內容如下：

1）涂層干膜厚度（磁感應法）

一點的讀數應是距該點20mm范圍內其他三點的平均值，按照ISO2808（色漆和清漆-漆膜厚度測定法）標準進行，并做好檢測記錄。膜厚的分布符合“80-20”原則，即：80%測量點數膜厚應當等于或大于規定膜厚，剩余的20%測量點數的膜厚應不低于規定膜厚的80%。某一點的最大涂層厚度不大于漆膜規定總干膜厚度的2倍。

2）外觀檢查

在自然散射光下，用肉眼或矯正視力目測整個涂層的外觀，經協商也可采用放大鏡（5-10倍）進行觀察。漆膜固化后要求顏色符合要求，表面平整、色澤一致、厚度均勻，沒有氣孔、開裂、流掛、發白等異常現象。

3）附著力檢驗

涂層厚度小于250?m，按照ISO2409標準的劃格法（或者采用拉開法）進行，每種類型的涂層表面應當在試件上進行試驗；若涂層厚度大于或等于250?m，則按照ISO4624標準的拉開法，用拉拔測試儀在試件（零件）上進行試驗。對于低于250μm的涂層厚度，劃格法在0－5的比例上合格等級為“0”或者“1”；對于超過250μm的涂層厚度，拉撥法所取點的試驗拉力不低于5MPa。

防腐涂層驗收時還需至少提供以下文件：（a）各種涂料產品的出廠合格證或質量檢驗文件；（b）原設計文件或設計變更文件；（c）現場涂裝施工作業記錄。

3 結語

對于風力發電設備的防腐防護，不僅在防腐方案設計和防腐系統選擇上，更重要的是在實際防腐施工和質量控制方面下大力氣。我們應該意識到：對于風力發電設備來說，如果防腐技術和問題沒有得到很好的處理，一方面由于零部件腐蝕引起風力發電機組故障頻發從而影響到機組的發電運轉效率，另一方面甚至造成風力發電機組發生大面積故障甚至被迫拆除，國外有很多這方面的經驗和教訓，我們不能現重蹈覆轍。因此在開發和利用風能資源的同時，也應提高和加強風力發電設備的防腐蝕技術等關鍵性技術的應用和研究，從而更好地推動風電的建設和發展。

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