風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的腐蝕防護

1、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備防腐涂裝李承宇王會陽（中國礦業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，徐州，221008）摘要：概括性地介紹了目前風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的運行環(huán)境與腐蝕情況，并對塔架、葉片等不同結(jié)構(gòu)的防腐涂裝進行了闡述，最后指出 了我國風(fēng)電裝備涂料與涂裝中存在的不足，并針對不足提出了相應(yīng)的建議。關(guān)鍵詞：風(fēng)電設(shè)備；腐蝕環(huán)境；涂層Anti-corrosion coating of the wind power equipmentLI Cheng-yu WANG Hui-yang（School of materials science and technology CUMT, Xuzhou, 221008）Abstract: The pr

2、esent running environment and the corrosion of wind power equipment are briefly introduced, and described the anti-corrosion coatings of towers, vanes and other different structures. At last, Points out the shortcomings in wind power coatings and the application in China, and gives the advice for th

3、e shortcomings.Key words: Wind power equipment; Corrosion environment; Coating隨著社會的發(fā)展以及人們對環(huán)境保護意識的提高，現(xiàn)在對節(jié)約資源、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、保護生態(tài)環(huán)境的呼聲 越來越高。加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，促進經(jīng)濟發(fā)展與人口、資源、環(huán)境相協(xié)調(diào)，已經(jīng)成為我國 的基本國策1。改革開放以來，我國的發(fā)展突飛猛進，但隨之也帶來的是高污染、高能耗等問題，所以我國乃至 全世界的國家都在積極研究開發(fā)新的、可再生的、無污染的能源，從而發(fā)展低碳經(jīng)濟。目前在石化能源快速消耗、氣候變化日趨明顯的形勢下，風(fēng)能作為一種典型可再生的新

4、能源，逐步被人們 所重視，大力發(fā)展清潔能源已是世界各國的共識，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為了焦點。我國風(fēng)電的發(fā)展十分迅速，從1986 年第一個風(fēng)電場在山東省榮成建成，到2008年，風(fēng)電總裝機容量已經(jīng)達到了 1221萬kW，躍居世界第4位，位 列美、德和西班牙之后。新增裝機容量僅次于美國而居于世界第二，超過了 100%的增長率，增長速度為世界第 一。隨之而來的，是對風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的大量需求，從而也帶動了風(fēng)力發(fā)電裝備涂裝防護技術(shù)的發(fā)展。許多企業(yè) 也將風(fēng)電涂料作為未來發(fā)展的重點領(lǐng)域，因此了解風(fēng)電設(shè)備的防腐環(huán)境及涂裝工藝是很有必要的，本文就這兩 個方面進行了分析和綜述。1風(fēng)力發(fā)電裝備運行環(huán)境及腐蝕分析風(fēng)電設(shè)備主要面

5、臨的是大氣腐蝕環(huán)境劃分:C1非常低、C2低、C3中等、C4高、C5-I很高（工業(yè)）、C5- M 很高（海洋）6個等級、水和土壤腐蝕環(huán)境（I m1淡水、I m2海水或鹽水、I m3 土壤），這是目前風(fēng)電機組金屬 表面防腐設(shè)計的主要依據(jù)。我國的風(fēng)電場主要集中在北部及西部地區(qū)（內(nèi)蒙古、遼寧、甘肅、新疆等）及少數(shù) 沿海地區(qū)（江蘇、山東等）。防腐涂裝的方案也因風(fēng)電設(shè)備所處的腐蝕環(huán)境不同而有所不同。在北部及西部地區(qū)，風(fēng)電設(shè)備主要面臨的腐蝕是大氣中磨損應(yīng)力（磨蝕），因為風(fēng)挾帶的顆粒（例如沙粒）摩擦 鋼結(jié)構(gòu)、葉片表面而產(chǎn)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(fēng)電 場塔架迎風(fēng)面

6、及底部、風(fēng)電葉片表面、箱式落地變壓器迎風(fēng)側(cè)面比較常見和明顯，特別是葉片的葉尖在許多情 況會因磨損造成結(jié)構(gòu)破壞、效率下降和損失。在沿海地區(qū)，風(fēng)電設(shè)備主要面臨的是海洋大氣腐蝕環(huán)境以及海水飛濺等引發(fā)的不同程度的腐蝕現(xiàn)象，因為 一般沿海地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備都海面上、海岸和臨海地區(qū)，由于環(huán)境介質(zhì)中的氯離子滲入到風(fēng)電設(shè)備的周圍達 到一定濃度后破壞鋼鐵的防腐層，引起風(fēng)電塔架、風(fēng)電葉片等銹蝕。氯離子與空氣中的其他顆粒物在變壓器金 屬外殼靜電的作用下，在變壓器表面形成覆蓋層，經(jīng)過一系列的化學(xué)反應(yīng)后使設(shè)備原有的強度遭到破壞，使設(shè) 備不能達到設(shè)計運行要求，給設(shè)備安全運行帶來嚴重后果。海洋大氣與設(shè)備電氣元件的金屬物發(fā)生

7、化學(xué)反應(yīng)后使原有的電氣性能下降，生成氧化物使電氣觸點接觸不良，它們將導(dǎo)致電氣設(shè)備故障或毀壞，給風(fēng)電場的安全、 經(jīng)濟運行造成很大的影響4。2風(fēng)電設(shè)備防腐設(shè)計防腐是每個風(fēng)力發(fā)電場所關(guān)心的突出問題，長效的涂裝防護系統(tǒng)能延長整個風(fēng)電設(shè)備的使用壽命，大大延 長涂層的維修周期。針對風(fēng)力電廠的腐蝕環(huán)境特點，塔筒所選用的涂裝防護系統(tǒng)應(yīng)具有良好的防腐性能，同時 漆膜要堅硬耐沖擊并具有良好的耐候性、耐水性、附著力和裝飾等性能。從涂裝防護的角度，基礎(chǔ)及支撐結(jié)構(gòu)（塔架）、風(fēng)輪葉片及機艙罩和整流罩、發(fā)電機組、控制電氣設(shè)備、 變壓器等部件是重點。2.1風(fēng)電塔架的防腐設(shè)計2.1.1國際標準中的防腐設(shè)計塔架目前普遍使用的是涂

8、層防護。GB/T19072-2003風(fēng)力發(fā)電機組-塔架規(guī)定的涂層防護體是:表1 GB/T19072-2003中規(guī)定塔架防腐涂層Table 1 The tower anti-corrosion coating standard in GB/T19072-2003工序塔架外表面塔架內(nèi)表面預(yù)處理Sa3Sa2.5工藝1電弧噴涂鋅或鋅鋁60pm工藝2雙組份復(fù)合環(huán)氧漆 20pm環(huán)氧富鋅40pm工藝3雙組份復(fù)合厚膜環(huán)氧漆90pm環(huán)氧厚膜 100p m工藝4雙組份復(fù)合聚氨酯面漆50pm2.1.2戈壁、沙漠等條件下的防腐設(shè)計目前國際上普遍采用ISO12944標準對腐蝕環(huán)境分類、涂層體系選擇及性能評價，而歐洲普遍

9、采用NOSAKM501標準。由于風(fēng)電場一般遠離城市，內(nèi)陸風(fēng)電場選擇C3中等腐蝕環(huán)境，但我國新疆、甘肅、內(nèi)蒙等風(fēng)電場大多處于戈壁、沙漠，風(fēng)沙很大，涂層必須考慮耐風(fēng)沙撞擊和磨損的性能要求。2.1.3海洋環(huán)境下的防腐設(shè)計在海上或近海風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中，對與海洋接觸的變壓器等電氣設(shè)備金屬部件，涂、鍍層的選擇很重要，需 選擇耐海洋氣氛、附著力強、長效的涂、鍍層保護，同時最好避免變壓器暴露在含鹽水空氣流中。海上風(fēng)電場的腐蝕保護主要是基于其腐蝕環(huán)境ISO12944C5-M，對于浸水區(qū)域按Im2。推薦的干膜厚度為 320500pm （大氣腐蝕環(huán)境C5-M）和4001000pm （海水浸泡環(huán)境Im2），可以達到15

10、年以上的無需維修使用 壽命周期囪。對于近海的鋼結(jié)構(gòu)還有2003年發(fā)布的ISO20340標準色漆和清漆用于近海建筑及相關(guān)結(jié)構(gòu)的保 護性涂料體系的性能要求，這個標準是通用型的，對不同的腐蝕環(huán)境都適用，而實際的腐蝕環(huán)境更為復(fù)雜， 涂裝時更要注重微觀腐蝕環(huán)境和腐蝕因素，海洋環(huán)境下的防護可參考表2的配套體系。表2海洋環(huán)境下風(fēng)電塔架防腐涂層6序號123456底漆二道三道四道環(huán)氧富鋅80pm環(huán)氧涂料300pm環(huán)氧涂料300p m聚氨酯面漆70pm環(huán)氧富鋅80pm環(huán)氧涂料450pm環(huán)氧涂料450p m電弧噴涂（鋅85，鋁 15）100pm帶有封孔顏料的環(huán) 氧底漆20pm環(huán)氧涂料環(huán)氧涂料電弧噴涂（鋅85，帶有封

11、孔顏料的環(huán)粒子增強型環(huán)粒子增強型環(huán)氧鋁 15）100pm電弧噴涂（鋁95，鎂 05）350pm氧底漆20pm氧涂料單層環(huán)氧涂料涂裝1000pm帶有封孔顏料的環(huán)氧底漆40pm涂料Table 2 The tower anti-corrosion coating in marine environment總厚度pm7509801020102010003902.1.4國外大公司的防腐設(shè)計由于國外此方面的研究較早，所以他們已經(jīng)根據(jù)不同的腐蝕環(huán)境、不同的地域建立了不同的有效經(jīng)濟的防 腐涂裝體系7,8,目前國外富鋅底漆使用最多的是環(huán)氧富鋅底漆，這種漆不僅施工方便而且對底材處理要求相對 較低。美國使用水性無機

12、富鋅單層底面合一，對涂裝工藝要求比較高。歐洲近年推廣熱噴鋅或鉗鎂合金，它們 對底材處理要求Sa2.53級，而且孔隙率小于5%。從難修復(fù)性出發(fā)，德國近幾年正在開發(fā)可自修復(fù)型風(fēng)電塔 外壁涂層，可自動修復(fù)機械劃傷和風(fēng)沙撞傷6。表3國外大公司風(fēng)電塔防腐涂裝設(shè)計6Table 3 The tower anti-corrosion coating design of the foreign big company風(fēng)電塔類型名稱部位涂層類型膜厚/um金屬鍍層80外部雙組分環(huán)氧密封劑100Tunoe Knob雙組分環(huán)氧中間層100丙烯酸聚氨酯面涂50內(nèi)部環(huán)氧鋅粉底漆40雙組分高固體分環(huán)氧2x140金屬噴涂層12

13、0外部雙組分環(huán)氧密封劑100Vindeby雙組分環(huán)氧中間層100丙烯酸聚氨酯面涂50內(nèi)部環(huán)氧底漆/中間層75高固體分環(huán)氧150環(huán)氧富鋅底漆75外部高固體分環(huán)氧中間層2x110Utgrunden丙烯酸聚氨酯面涂50內(nèi)部環(huán)氧富鋅底漆70高固體分環(huán)氧150雙組分環(huán)氧密封劑100外部雙組分環(huán)氧中間層120Grunden丙烯酸聚氨酯面涂50金屬噴涂層80內(nèi)部雙組分環(huán)氧密封劑100雙組分高固體分環(huán)氧100金屬噴涂層100外部雙組分環(huán)氧密封劑100雙組分環(huán)氧中間層120Horns Rev丙烯酸聚氨酯面涂50金屬噴涂層80內(nèi)部雙組分環(huán)氧密封劑100雙組分高固體分環(huán)氧100金屬噴涂層80外部高固體分環(huán)氧120高

14、固體分環(huán)氧100丙烯酸聚氨酯面涂50Samso起始10m內(nèi)部然后金屬噴涂層環(huán)氧密封劑60200環(huán)氧富鋅底漆50高固體分環(huán)氧100單樁高固體分環(huán)氧（直涂于金屬底材）：（外3x300部/冰罩）West Alliance 2002水線以上環(huán)氧富鋅底漆 高固體分環(huán)氧中間層Stena Don水線以下水線以上水線以下丙烯酸聚氨酯面涂高固分環(huán)氧(直涂于金屬底材)環(huán)氧富鋅底漆高固體分環(huán)氧中間層丙烯酸聚氨酯面涂雙組分高固體分環(huán)氧(涂于金屬底材)2.2風(fēng)電設(shè)備葉片的防腐設(shè)計團JB/T 10194-2000:風(fēng)力發(fā)電機組-風(fēng)輪葉片中指出，葉片在一定程度上暴露在腐蝕性環(huán)境條件下并且不容易接 近，在許多情況下不可能重做

15、防腐層，因此重視設(shè)計、材料選擇和防腐保護措施特別重要，復(fù)合材料葉片應(yīng)采 用膠衣保護層，但沒有相應(yīng)的指標規(guī)定。標準認定的環(huán)境條件包括溫度、濕度、鹽霧、雷電、沙塵、輻射六項。在“MW級風(fēng)力發(fā)電機組風(fēng)輪葉片原材料國產(chǎn)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(fēng)沙侵蝕以及耐濕熱、鹽霧腐蝕能力，適應(yīng)我國南北方不同極端氣候條件下風(fēng)電場的使用需求，保 證風(fēng)輪葉片20 a的設(shè)計使用壽命。具體指標要求是：附著力5MPa；自然表干/8h，40 C烘干/3h；耐磨性 500g/500r20mg；耐鹽霧2000h，無脫落，附著力保持80%；耐沙塵試驗滿足GB2423.37-89。目前，拜

16、耳9正在主推可用于風(fēng)電葉片(包括塔架)涂料制造的涂料原材一聚天門冬氨酸酯。葉片涂料 已經(jīng)成為葉片防護的必要方式，以使用進口涂料為主，但在實際使用中需要考慮風(fēng)蝕和鹽霧腐蝕等情況，以及 冬季可能結(jié)冰、冰雹和飛鳥撞擊對葉片的損傷也是不容忽視的。2.3風(fēng)電設(shè)備其他部件的防腐設(shè)計底座、輪轂、軸承的防腐設(shè)計一般采用與塔架內(nèi)壁相同的防腐涂料體系。塔架基礎(chǔ)的防腐設(shè)計3塔架基礎(chǔ)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(xiàn)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(shè)計和選擇涂料品種，在基礎(chǔ)澆注前進行防腐涂裝。機艙罩、整流罩的防腐設(shè)計都是非金屬部件可采用葉片涂料體系。變壓器

17、的防腐設(shè)計3,10變壓器一般為落地箱式，北方寒旱環(huán)境下沙塵、冰凍、紫外線腐蝕比較嚴重，南方鹽霧濕潤腐蝕嚴重，要 采用塔架外防護涂料體系。配電箱、電器柜的防腐設(shè)計配電箱/電器柜等鈑金結(jié)構(gòu)件目前一般使用粉末涂料。發(fā)電機、齒輪箱的防腐設(shè)計11發(fā)電機/齒輪箱涂料等鑄造件涂料防腐性與裝飾性兼?zhèn)?，整機制造企業(yè)對其涂層保護要求不明顯。3國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電涂料的研究狀況目前對風(fēng)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(fēng)電涂料。2009年，對風(fēng)電 涂料的關(guān)注成為涂料行業(yè)的一個重點和熱點，研究的重點是陸地和海上、南方和北方不同環(huán)境甚至極端氣候條 件下塔架防護涂料的經(jīng)濟性、環(huán)保性、穩(wěn)定性、適宜性、有效

18、性等，研究的熱點是葉片涂料耐紫外線老化、耐 風(fēng)沙侵蝕以及耐濕熱、鹽霧腐蝕的能力12。在科技部發(fā)布的國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)新材料技術(shù)領(lǐng)域“MW級風(fēng)力發(fā)電機組風(fēng)輪葉片原 材料國產(chǎn)化”重點項目3中，風(fēng)電葉片表面保護涂料規(guī)模化制備技術(shù)研究作為研究內(nèi)容列入，要求突破關(guān)鍵技術(shù)， 推動國產(chǎn)化，研究提出并形成相關(guān)行業(yè)標準和技術(shù)規(guī)范，保障我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的健康、穩(wěn)定和快速發(fā)展。雖然風(fēng)電涂料在整個風(fēng)電裝備投入中所占份額很小，但是，風(fēng)電裝備企業(yè)已經(jīng)逐漸認識到風(fēng)電涂料存在的 不足和重要性，認為腐蝕不僅影響到機組設(shè)備的美觀、運行維護和發(fā)電效率，嚴重情況下會影響到結(jié)構(gòu)強度， 引發(fā)設(shè)備安全問題，從性能、成本、質(zhì)量

19、、保證能力等方面對風(fēng)電涂料予以關(guān)注，尋求和涂料供應(yīng)商的密切合 作，這有利于改進對風(fēng)電涂料的理解，推進國產(chǎn)化進程。因此可以預(yù)料的是，風(fēng)電涂料的研究及其成果將是涂 料技術(shù)活動的一個重要領(lǐng)域。4我國風(fēng)電設(shè)備防腐涂裝行業(yè)存在的不足及展望4.1我國風(fēng)電設(shè)備防腐涂裝行業(yè)存在的不足可以肯定的是，在目前風(fēng)電防護涂裝體系供應(yīng)商中，國外品牌或公司占有絕對性的市場，運行中的風(fēng)電設(shè) 施涂料幾乎全部為進口或國外品牌，也均在設(shè)計期限內(nèi)，但防護效果也存在缺陷，在中國特殊環(huán)境條件下出現(xiàn) 了 “水土不服”12。國內(nèi)的涂裝企業(yè)對風(fēng)電設(shè)備的腐蝕環(huán)境缺乏針對性研究，防腐蝕方案少，噴涂時所用進口 涂料價格昂貴，成本高，而且實際操作中，

20、由于工藝不合理造成較大浪費和污染。此外，人們重視對塔架的防護，而忽略了對葉片的表面防護，葉片受風(fēng)蝕、結(jié)冰等損壞平衡性時，會嚴重 影響發(fā)電效率。4.2風(fēng)電設(shè)備防腐涂裝行業(yè)的展望近幾年來，國家大力發(fā)展風(fēng)電行業(yè)，因為它不僅綠色環(huán)保，而且是可再生資源。也正是我國的風(fēng)電行業(yè)剛 剛起步，各方面的技術(shù)都不成熟，涂裝防護方面也面臨較大挑戰(zhàn)，但是我們應(yīng)該深入的研究和了解風(fēng)電設(shè)備的 運行環(huán)境、腐蝕機理、防護方法等技術(shù)，從而相應(yīng)的開發(fā)能夠適應(yīng)中國不同地域氣候的防腐涂裝工藝。而且隨 著國內(nèi)對涂料的不斷研發(fā)，我們毋須進口國外的品牌，從而使涂料價格更加合理，風(fēng)電企業(yè)、涂裝、涂料企業(yè) 將共同獲益。參考文獻：馬凱.貫徹落實節(jié)約資源基本國策，加快建設(shè)節(jié)約型社會J.管理與財富，2007,:6-9.劉衛(wèi)東.我國風(fēng)力發(fā)電設(shè)備現(xiàn)狀和發(fā)展