1風力發電裝備運行環境分析

    從涂裝防護的角度， 基礎及支撐結構 （塔架） 、風輪葉片及機艙罩和整流罩、 發電機組、 控制電氣設備、 變壓器等部件是重點。

    ISO12944研究討論的是采用防護涂料體系對鋼結構進行防腐蝕保護方面的內容。 該標準給出了3個耐久性范圍：低（L）：2～5 a;中等（M）：5～15 a;高（H）：15 a以上。 耐久性是一個能夠幫助業主進行維修計劃的技術依據， 在出現涂層褪色、 粉化、 污損、 磨損、 撕裂， 或者出于美觀或其他原因， 維修涂裝工作需要頻繁進行。

    風電機組面臨的是大氣腐蝕環境[劃分：C1非常 低、 C2低、 C3中 等、 C4高、 C5-1很 高（工 業）、 C5-M很高（海洋）6個等級]、 水和土壤腐蝕環境 （Im1淡水、Im2海水或鹽水、 Im3土壤） ， 這是目前風電機組金屬表面防腐設計的主要依據。

    大氣中磨損應力（磨蝕）， 可能因為風挾帶的顆粒（例如沙粒）摩擦鋼結構、 葉片表面而產生破壞， 另外是水滴、 冰雹、 沙塵暴甚至飛鳥等較大物的撞擊破壞。

    這在沙漠戈壁風電場塔架迎風面及底部、 風電葉片表面、 箱式落地變壓器迎風側面比較常見和明顯， 特別是葉片的葉尖速度在許多情況下超過70 m/s,磨損會造成結構破壞、 效率下降和損失。 風蝕狀況見圖2。

    由于風電運行環境的特殊性， 除了ISO12944劃分的環境等級外， 應當考慮沙漠戈壁地區的風蝕環境、 北方地區的低溫環境及其兩者的疊加， 暫且稱之為 “三北” 寒旱風沙區環境。

    中國船級社 《海上風力發電機組規范》 對海上風力發電機組鋼結構、 機械部件、 電氣部件、 混凝土基礎結構內外表面防腐以及風輪葉片的外表面防腐提出了技術要求， 該規范剛剛通過討論。

    風電金屬結構各組成部分和周圍物質接觸的微型環境是需要重點關注的一個決定性因素， 比如塔架基礎混凝土中的鋼筋、 箱式落地變壓器底部等。

    GB/T19072-2003:風力發電機組-塔架中對環境的規定是， 根據GB/T 14091-1993的條款確定塔架的環境條件等級。 如果訂貨合同沒有明確規定， 塔架外部表面的環境條件為4級， 內部表面的環境條件為3級。

    JB/T 10194-2000:風 力 發 電 機 組-風 輪 葉片中認為， 防腐和減輕腐蝕的結構設計對防腐的實施、 效果和可修理性具有重大影響。 規定復合材料葉片應采用膠衣保護層。 環境為溫度-30～50 ℃、濕度≤95%， 包括沿海鹽霧、 雷電和沙塵對葉片表面的長期沖蝕及平衡性、 太陽輻射強度以及紫外線老化等。

    一個實際的例子是， 在華銳SL1500風力發電機組塔架涂漆防腐技術規格書中， 規定塔架的外表面屬于腐蝕性類別C5-M（不含海上區域）和C5-I， 內表面屬于腐蝕性類別C4， 防腐保護等級為 “長期” 。

    2風電裝備防護涂料技術與產品需求

    涂料是風電裝備的輔助原材料， 但從對機組的表面防護角度而言， 又是相當重要的， 無論是陸基或?；L電機組， 都在充分關注涂料的防護性能。

    2.1 塔架涂料塔架目前普遍使用的是涂層防護。

    GB/T19072-2003風力發電機組-塔架規定的涂層防護體系是：

    鋅或鋅/鋁金屬噴鍍， 60 μm;

    雙組分復合環氧樹脂封閉涂料， 20 μm;

    雙組分復合厚膜環氧中間涂料， 90～140 μm;

    雙組分復合聚氨酯表面涂料， 50 μm。

    華銳SL1500風力發電機組塔架涂漆防腐技術規格書中規定的防腐體系見表3。

    塔架平臺等附件防護體系有的整機制造企業要求熱浸鋅防腐 （鋅層厚度70～80 μm）， 也有采用涂料防護體系的， 按部位采用塔架內壁或外壁涂層體系。

    基礎環是塔架的組成部分， 其制造和涂裝在塔架廠完成， 地上部分防腐同于塔架內外壁， 混凝土封灌部分為永久性隱蔽， 無法維修， 因涂層體系的不同， 涂層厚度要求450～800 μm， 可采用塔架內壁涂料體系并增加環氧煤瀝青涂料或環氧玻璃鱗片涂料。

    目前常用的塔架涂料以環氧類型和聚氨酯類型為主， 是典型的鋼結構重防腐涂料體系。

    在沙漠戈壁地帶， 以上體系也出現耐風蝕性不足的缺陷， 特別是在塔架近地面部分以及主迎風面，極端情況是涂層被徹底風蝕， 露出金屬表面而導致銹蝕和美觀缺失。

    2.2 葉片涂料

    JB/T 10194-2000:風力發電機組-風輪葉片中指出， 葉片在一定程度上暴露在腐蝕性環境條件下并且不容易接近， 在許多情況下不可能重做防腐層， 因此重視設計、 材料選擇和防腐保護措施特別重要， 復合材料葉片應采用膠衣保護層， 但沒有相應的指標規定。 標準認定的環境條件包括溫度、 濕度、 鹽霧、 雷電、 沙塵、 輻射6項。

    可能是行業不同的原因， 從實際作用看， 膠衣和涂料應當是名稱、 應用方法的區別， “863” 計劃中已經明確為葉片涂料。

    在 “MW級風力發電機組風輪葉片原材料國產化” 的 “863” 計劃中， 要求葉片表面保護涂料能提高葉片耐紫外線老化、 耐風沙侵蝕以及耐濕熱、 鹽霧腐蝕能力， 適應我國南北方不同極端氣候條件下風電場的使用需求， 保證風輪葉片20 a的設計使用壽命。

    具體指標要求是：

    （1） 附著力≥5 MPa;

    （2） 自然表干/8 h， 40 ℃烘干/3 h;

    （3） 耐磨性500 g/500 r≤20 mg;

    （4） 耐鹽霧≥2 000 h， 無脫落， 附著力保持80%;

    （5） 耐沙塵試驗滿足GB2423.37-89。

    目前， 拜耳材料科技正在主推可用于風電葉片（包括塔架） 涂料制造的涂料原材料——聚天門冬氨酸酯。

    葉片涂料已經成為葉片防護的必要方式， 以使用進口涂料為主， 但在實際使用中有出現風蝕和鹽霧腐蝕比較嚴重的情況， 冬季可能結冰嚴重， 冰雹和飛鳥撞擊對葉片的損傷也是不容忽視的。

    2.3 其他部件涂料

    在塔架以外的其他金屬部件中， 底座、 輪轂、 軸承同樣是需要防護的， 一般采用與塔架內壁相同的防腐涂料體系。

    塔架基礎埋地鋼筋同樣面臨腐蝕， 但一般被忽視而未采取防腐措施， 一旦出現問題則難以處置。 其防腐方法可采用一般建筑用鋼筋防腐涂料， 或者針對性設計和選擇涂料品種， 在基礎澆注前進行防腐涂裝。

    機艙罩、 整流罩等非金屬部件可采用葉片涂料體系。變壓器一般為落地箱式， 北方寒旱環境下沙塵、冷凝、 紫外線腐蝕比較嚴重， 南方鹽霧濕潤腐蝕嚴重， 至少要采用塔架外防護涂料體系， 地面接觸部位采用與基礎環相同的涂料體系。

    配電箱/電器柜等鈑金結構件目前一般使用粉末涂料。

    發電機/齒輪箱涂料等鑄造件涂料防腐性與裝飾性兼備， 整機制造企業對其涂層保護要求不明顯。

    標志涂料一般用在葉片、 塔架、 機艙罩上， 在葉片多用于警示用途， 在塔架上一般標注風電業主名稱， 在機艙罩上一般標注整機企業名稱。 用于葉片時多以紅色為主， 其他以藍色等為主。 標注涂料要求與主體涂料有良好的附著力， 色彩持久， 便于涂裝。

    維修涂料中， 無論塔架涂料或葉片涂料， 均比較零散， 品種也比較雜亂。

    4 風力發電裝備的涂料市場預測

    以2008年裝機規模為基礎， 按目前1.5 MW主流機組測算， 60 m塔架表面積約1 300 m 2 ,涂料按1 200 kg/套和40元/kg為測算依據， 葉片表面積約180 m 2 ， 涂料按100 kg/片和100元/kg為測算依據。

    不同年限對風電涂料的需求預測見表4。

    本測算中未包括機艙罩、 整流罩、 輪轂、 底座、 埋地鋼筋、 電機、 齒輪箱等部件涂料， 也未包括運行中風電裝備維修用涂料。

    從 表4測 算 中 可 知，按 照1.5億kW的 規 劃，2010-2020年， 風電塔架涂料需求約10.3萬t、 金額41億元， 葉片涂料2.6萬t、 金額26億元， 總計風電涂料約13萬t、 金額67億元。 單個機組的涂料消耗約為1.5 t、 金額7.8萬元。

    1.5 MW以下風電機組的繼續存在、 2～5 MW大型風電機組的開發和投入使用會增加或減少預測數據。 涂料體系的變化和涂裝方式的改變也會影響到實際涂料需求數量與金額。

    2020年之前， 按照15 a的耐久年限， 大規模建設情況下的風電機組已經大部分進入涂裝維修期， 業主需要實施維修， 對涂料的需求必將增長。

    出于旅游等景觀性考慮， 一些建設在風景區的風電場， 需要對風電機組外觀進行裝飾性涂裝， 這種涂裝不會受制于耐久年限的規定， 會經?；?。

    4風力發電裝備涂料市場現狀

    4.1 風力發電涂料的供應風電裝備制造業作為新興產業， 在初期主要依靠國外技術。 在全套引進及其后的消化過程中， 逐步形成了對國外配套體系的簡單依賴， 其中就包括涂料。 因此也形成了目前的風力發電涂料主要由國外品牌供應， 直接進口或本地化生產的現狀。 國內企業關注到風電涂料市場較晚， 參與較少。

    在這些國外品牌涂料企業中， 赫普HEMPEL（丹麥） 的塔架涂料市場占有率最高， 其他參與的企業主要是佐敦JOTUN （挪威） 、阿克蘇諾貝爾AKZO-NOBEL （荷 蘭）的 國 際 涂 料IP以 及PPG（美國）的 式 瑪 卡 龍SIGMAKALON。葉 片 涂 料 中，美凱維奇MANKIEWICZ（德國）、 PPG（美國）、 巴斯夫BASF（德國）的RELIUS、 博格林BERGOLIN（德國）等企業。

    這些國外品牌中， 許多企業是通過并購來獲得風電涂料業務的， 如AKZO-NOBEL收購IP后直接進 入 風 電 領 域， PPG是 通 過 收 購SIGMAKALON和SELEMIX來分別獲得塔架和葉片業務和市場的， 巴斯夫也是對RELIUS實施了收購行動。 美凱維奇和RELIUS涂料是典型的進口涂料。

    在2008年涂料市場出現變化以后， 許多企業在尋找市場的突破點的時候， 紛紛把關注的重點和發展方向放在了風電涂料上， 比如中遠關西等持續關注重防腐涂料市場 ， 也有部分企業實現了市場突破。 已經占有風電涂料市場的外國公司或國際化公司同時也加強了自己的市場防護。

    包括拜耳在內的涂料原材料制造商也在高度關注風電涂料市場。

    4.2 國內風力發電涂料的研究狀況在2009年之前， 國內有關風電涂料的研究公開消息較少， 目前對風電涂料的研究和交流比較活躍，包括了以塔架涂料和葉片涂料為主的風電涂料。 以2009年初中國涂料工業協會上報風電葉片涂料國產化項目 、 常州涂料化工研究院防腐蝕年會以風電涂料主題、 西北永新公開風電涂料國產化行動等為標志， 2009年可以看成是我國風電涂料的元年。

    可追蹤的記錄是， 永新在2000年就參與了玉門風電場塔架的涂裝， 研究成果 “風力發電機塔架用防腐蝕涂料” 公開發表， 這應是國內最早有關風電涂料的文章；更早的技術積累是陳士傑老前輩在1966年完成的某項實驗。

    到2009年， 對風電涂料的關注成為涂料行業的一個重點和熱點， 中國涂料工業協會及專家委員會、常州涂料化工研究院、 北方涂料化工研究設計院等行業機構及科研單位， 第三屆特種涂料與涂裝研討會和2009年防腐蝕年會等行業會議 [5] ， 永新、 金魚、 湘江、 普蘭納等涂料企業都在不同程度上關注、 參與和推進風電涂料研究與市場工作。

    研究的重點， 是陸地和海上、 南方和北方不同環境甚至極端氣候條件下塔架防護涂料的經濟性、 環保性、 穩定性、 適宜性、 有效性等， 是葉片涂料耐紫外線老化、 耐風沙侵蝕以及耐濕熱、 鹽霧腐蝕的能力。

    技術解決路線基本圍繞重防腐、 沖擊能量吸收、 耐沾污防結冰技術展開。

    在科技部發布的國家高技術研究發展計劃 （863計劃） 新材料技術領域 “MW級風力發電機組風輪葉片原材料國產化” 重點項目中， 風電葉片表面保護涂料規模化制備技術研究作為研究內容列入， 要求突破關鍵技術， 推動國產化， 研究提出并形成相關行業標準和技術規范， 保障我國風電產業的健康、 穩定和快速發展。

    雖然風電涂料在整個風電裝備投入中所占份額很小， 但可喜的是， 風電裝備企業也已經逐漸認識到風電涂料存在的不足和重要性， 認為腐蝕不僅影響到機組設備的美觀、 運行維護和發電效率， 嚴重情況下會影響到結構強度， 引發設備安全問題， 從性能、成本、 質量、 保證能力等方面對風電涂料予以關注，尋求和涂料供應商的密切合作， 這有利于改進對風電涂料的理解， 推進國產化進程。

    因此可以預料的是， 風電涂料的研究及其成果將是涂料技術活動的一個重要領域。

    5風電裝備涂料與涂裝中存在的不足

    可以肯定的是， 在目前風電防護涂裝體系供應商中， 國外品牌或公司占有絕對性的市場， 運行中的風電設施涂料幾乎全部為進口或國外品牌， 也均在設計期限內， 但防護效果也存在缺陷， 在中國特殊環境條件下出現了 “水土不服” 。 另外， 目前的狀況從供給和競爭的角度看， 保證性、 選擇性、 經濟性有待提高。 這些不足可概括為：

    5.1 基礎薄，方案少

    缺乏對風電運行環境的數據積累和確切定義，缺少標準樣本暴露試驗， 缺乏針對性的基礎研究， 特別是針對微觀腐蝕環境的探究和個性化解決方案較少或者沒有， 形成一種或少數幾種涂料體系包打天下的局面。

    5.2 成本高， 壓力大

    進口或外國涂料價格高， 導致風電投入大， 成本高。 雖然涂料成本在整個風電投入中所占比例極小，但也是影響成本的一個重要因素， 從金風科技公告的與中材科技風電葉片合同金額減少5 500萬元的實際中可以感受到各環節面臨的成本壓力。

    5.3 浪費多， 污染大

    雖然為高等級腐蝕性級別設計的涂料體系如用于低腐蝕性級別中， 可提供更高的耐久性， 但在實際中， 這種方法被過多使用形成浪費， 塔筒外壁涂層性能不足與內壁涂層性能過剩并存。 并且由于涂裝環境的限制和沿用傳統涂裝工藝等原因， 涂裝浪費大，污染嚴重， 與風能環保屬性不符。

    5.4 重塔架， 輕葉片

    對塔架的防護保護較為重視， 由設計單位指定和確認涂料廠家而不是標準， 制造單位幾無發言權，限制了市場競爭性。 在對葉片的氣動性能關注的同時未充分重視和跟蹤葉片表面的損失狀況， 葉片風蝕較為嚴重， 葉片結冰后動平衡易受到破壞。

    5.5 重新建， 輕維護

    新吊裝機組的涂料與涂裝已經在技術上形成體系， 維護涂裝才逐漸進入視野和被重視起來， 這和業主的直接利益相關， 需要在維護中善于發現問題和進行總結， 進而促進和完善新吊裝設備涂料的選擇與涂裝。

    5.6 壟斷多， 競爭少

    涂料供應被少數涂料企業壟斷， 并設置了一定的技術與商務壁壘 （包括在招標文件中要求或者標明特定的涂料生產供應者） ， 限制了充分和公平競爭。

    我們發現， 實際中存在一些不合理的技術設計甚至標準規定， 比如某整機制造企業規定基礎環防腐的目的是保證運輸過程不生銹， 這顯然與其重要性和不可維修性反差明顯；又如在風輪葉片的標準中， 非金屬的葉片防腐卻依據了鋼結構防腐標準ISO12944， 等等。 這正是需要共同溝通和改進的地方。

    6 風電裝備涂料與涂裝展望

    風電是新興產業， 為涂料業帶來了一次新的發展機會。 但同時， 風電涂料更考驗的是企業市場敏銳度、 戰略眼光、 研發與市場、 管理、 資金、 抗風險等綜合實力， 要充分認識到風電涂料帶來的挑戰性。 因此認為：

    （1） 理性看待， 量力而為。 既要有面對挑戰的勇氣和決心， 更需要堅實的基礎積累和擴展實力， 切忌一哄而上。

    （2） 牢固基礎， 做好產品。 要深入研究和掌握風電運行環境、 腐蝕機理、 防護方法、 標準依據、 關鍵技術等， 要控制好產品和涂層質量。 靠基礎贏得信任，靠產品贏得市場。

    （3） 規范過程， 攜手合作。 風電涂料是相對比較專業和規范的一塊市場， 特別是涂裝控制比較規范。

    風電業主、 設計人員、 咨詢顧問、 防腐蝕施工承包商、涂料制造商、 涂裝檢查員應通力合作， 繼續保持， 共同提高。（4） 跟蹤分析， 持續改進。 要長期跟蹤涂裝效果，進行針對性的不斷改進。

    基于以上認識， 我們認為風電涂料會出現以下變化：

    （1） 國產化、 本地化是必然趨勢和現實選擇；

    （2） 體系更為完善， 技術和市場進展會同步實施；

    （3） 性能更能適應中國氣候環境特點；

    （4） 競爭會在有相當基礎實力和專注專業化的企業之間展開；

    （5） 價格會更加合理， 風電企業和涂料企業將共同獲益。

    具體的預測或建議包括：

    （1） 塔架涂料的涂層系統會更為細化和具有針對性， 內陸風電場會區分內外壁、 上下段進行涂料優化選擇和涂裝， 海上風電場以海岸和海洋重防腐體系為主 （含基礎部分） ;

    （2） 葉片涂料在耐沖擊、 耐磨蝕、 耐沾污、 防結冰等方面實現技術突破和集成， 形成風沙寒旱氣候和海洋濕熱兩種基本涂料體系；

    （3） 變壓器表面涂料逐漸受到關注而引入塔架重防腐體系涂料；

    （4） 涂料品種和涂裝過程趨向 “綠色” 、 高效、 簡化， 水性化比例不斷提高；

    （5） 涂裝工具開發與應用、 工藝改進會加快，輥涂、 涂裝機器人會得到應用， 涂裝污染和浪費會減少；

    （6） 涂料的色彩展示、 文字和圖案標志功能會受到重視和發揮作用， 特別是在葉片涂裝中用于重點防護、 磨損顯示與提醒；

    （7） 維護涂裝需求不斷擴大， 對應維護涂料和涂裝市場日益重要；

    （8） 防護責任共擔與風險防范分散機制、 涂料與涂裝一體化會得到嘗試。

    相信， 通過我們的努力， 風電涂料將會得到健康的發展！

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