风力发电设备防腐涂装

1 前言
      随着社会的发展以及人们对环境保护意识的提高，节约资源、发展循环经济、保护生态环境的呼声也越来越高。加快建设资源节约型和环境友好型社会，促进经济发展与人口、资源、环境相协调，已经成为我国的基本国策。改革开放以来，我国的经济发展突飞猛进，但也带来了高污染、高能耗等问题。因此，研究开发新的、可再生的无污染能源，发展低碳经济，迫在眉睫。
      风能作为一种清洁能源，已逐步被人们所重视，风电产业已经成为了研究的焦点。20 多年来，我国风电的发展十分迅速，从1986 年第一个风电场在山东省荣成建成。到2008 年，风电总装机容量已达1 221 万kW，跃居世界第4 位，位列美、德和西班牙之后；新增装机容量仅次于美国而居世界第二，增长率超过100%，增长速度为世界第一[2]。随之而来的是对风力发电设备的大量需求，从而带动风力发电装备涂装防护技术的发展。许多企业已将风电涂料的开发纳入议事日程。
      本文拟对风电设备的防腐环境及涂装工艺进行分析，为风电设备的防腐提供参考。
2 风力发电装备运行环境及腐蚀分析
      风电设备主要面临的是大气腐蚀环境、水和土壤腐蚀环境。大气腐蚀环境可划分为6 个等级：C1，非常低；C2，低；C3，中等；C4，高；C5-I，很高(工业)；C5- M，很高(海洋)。水和土壤腐蚀环境则划分为3 个等级：Im1，淡水；Im2，海水或盐水；Im3，土壤。这是目前风电机组金属表面防腐设计的主要依据。我国的风电场主要集中在北部及西部地区(内蒙古、辽宁、甘肃、新疆等)以及少数沿海地区(江苏、山东等)。因此，各地的风电设备的防腐涂装方案也因其所处的腐蚀环境的不同而有所不同。
      (1) 在北部及西部地区，风电设备面临的腐蚀主要是大气磨损应力(磨蚀)。因为钢结构、叶片表面会因风挟带的颗粒(如沙粒)摩擦而遭破坏，也会因水滴、冰雹、沙尘暴甚至飞鸟等较大物体的撞击而破坏。这种现象在沙漠戈壁风电场塔架的迎风面及底部、风电叶片表面、箱式落地变压器迎风侧面比较常见，特别是叶尖，在此情况下会因磨损造成结构破坏、效率下降。
      (2) 在沿海地区，风电设备主要面临的是海洋大气腐蚀环境以及由海水飞溅等引发的不同程度的腐蚀。因为一般沿海地区的风力发电设备都在海面、海岸和临海地区，环境介质中的氯离子达到一定浓度后，就会破坏钢铁的防腐层，引起风电塔架和叶片等的锈蚀。氯离子与空气中的其他颗粒物在变压器金属外壳静电的作用下，会在变压器表面形成覆盖层， 然后经过一系列的化学反应使设备强度降低，而达到运行要求。同时，风电设备中的电气元件在发生化学反应后，原有的电气性能下降，而且生成的氧化物使电气触点接触不良，从而导致电气设备故障或毁坏，给风电场的安全、经济运行造成很大影响[4]。
3 风电设备防腐设计
      风电设备的防腐是风力发电场所关心的问题。长效的涂装防护系统能延长涂层的维修周期以及风电设备的使用寿命。根据风电厂的腐蚀环境特点，塔筒所选用的涂装防护系统应具有良好的防腐性能，同时漆膜要坚硬、耐冲击，并具有良好的耐候性、耐水性、附着力和装饰性。而从涂装防护的角度出发，基础及支撑结构(塔架)、风轮叶片及机舱罩和整流罩、发电机组、控制电气设备和变压器等部件的防腐则是重点。
3. 1 风电塔架的防腐设计
3. 1. 1 塔架内外表面防腐涂层体系
      目前，国际上普遍采用ISO 12944 标准对腐蚀环境分类、涂层体系选择及性能评价，而欧洲普遍采用NORSOK M-501 标准。由于风电场一般远离城市，内陆风电场选择C3 中等腐蚀环境，但我国新疆、甘肃、内蒙等风电场大多处于戈壁、沙漠，风沙很大，故涂层设计必须考虑耐风沙撞击和磨损的性能要求。根据国标GB/T 19072–2003《风力发电机组 塔架》的规定，风电塔架涂层防护体系见表1。3. 1. 2 海洋环境下的防腐设计在海上或近海风力发电设备中，对与海洋接触的变压器等电气设备金属部件，其涂、镀层的选择很重要，需选择耐海洋气氛、附着力强、长效的涂、镀层保护。海上风电场的腐蚀防护主要基于其腐蚀环境(ISO12944 C5-M，对于浸水区域按Im2)。推荐的干膜厚度为320 ~ 500 μm(大气腐蚀环境C5-M)和400 ~ 1 000 μm(海水浸泡环境Im2)，该涂层体系可以达到15 a 以上的使用寿命[5](无需维修)。对于近海的钢结构，其涂层体系可依据2003 年发布的ISO 20340 标准《色漆和清漆 用于近海建筑及相关结构的保护性涂料体系的性能要求》。因为这个标准是通用型的，对不同的腐蚀环境都适用。然而实际的腐蚀环境更为复杂，涂装时更要注重微观腐蚀环境和腐蚀因素。
海洋环境下的涂层防护可参考表2 的配套体系。
3. 1. 3 国外大公司的防腐设计
      国外此方面的研究较早，所以他们已能根据不同的腐蚀环境和地域建立不同的防腐涂装体系。目前，国外富锌底漆使用最多的是环氧富锌底漆。这种漆不仅施工方便而且对底材处理要求相对较低。美国使用的底面合一的单层水性无机富锌底漆，对涂装工艺要求比较高。欧洲近年推广热喷锌或铝/镁合金，它们对底材处理要求为Sa2.5 ~ Sa3 级，而且孔隙率小于5%。而德国近几年则在开发可自修复的风电塔外壁涂层。国外大公司风电塔架防腐涂层体系。
3. 2 风电设备叶片的防腐设计
      风电设备叶片在一定程度上暴露在腐蚀性环境中，并且不容易接近，在许多情况下不可能重涂防腐层。因此，重视设计、材料选择和防腐保护措施，特别重要。复合材料叶片应采用胶衣保护层，但JB/T10194–2000《风力发电机组风轮叶片》标准中没有相应的指标规定。该标准认定的环境条件包括温度、湿度、盐雾、雷电、沙尘和辐射6 项。
      在“MW 级风力发电机组风轮叶片原材料国产化”的863 计划中，要求叶片表面保护涂料能提高叶片耐紫外线老化、耐风沙侵蚀以及耐湿热、盐雾腐蚀能力，适应我国南、北方不同极端气候条件下风电场的使用需求，保证风轮叶片有20 a 的使用寿命。具体指标要求包括：(1)附着力≥5 MPa；(2)自然表干8 h，40 °C烘干3 h；(3)耐磨性(500 g/500 r)≤20 mg；(4)耐盐雾≥2 000 h，无脱落，附着力保持80%；(5)耐沙尘试验满足GB/T 2423.37–1989《电工电子产品基本环境试验规程 试验L：砂尘试验方法》要求。
      目前，拜耳正在主推可用于风电叶片(包括塔架)涂料制造的涂料原材料──聚天门冬氨酸酯。叶片涂料已经成为叶片防护的必需品，但目前仍以使用进口涂料为主。在实际使用中，还需要考虑风蚀和盐雾腐蚀等情况。另外，覆冰、冰雹和飞鸟撞击对叶片的损伤也不容忽视。
3. 3 风电设备其他部件的防腐设计
(1) 底座、轮毂、轴承的防腐设计一般采用与塔架内壁相同的防腐涂料体系。
(2) 塔架基础的防腐设计可采用一般建筑用钢筋防腐涂料，或者有针对性地设计和选择涂料品种，在基础浇注前进行防腐涂装[3]。
(3) 机舱罩、整流罩都是非金属部件，可采用叶片涂料体系。
(4) 变压器一般为落地箱式。在北方，由于寒旱环境下的沙尘、冰冻、紫外线腐蚀比较严重，而南方则是盐雾湿润腐蚀严重，故要采用塔架外防护涂料体系[3, 10]。
(5) 配电箱、电器柜等钣金结构件一般使用粉末涂料防护。
(6) 发电机、齿轮箱等铸造件的涂料涂装，要综合考虑其防腐性与外观装饰性，在实际应用中，对其防腐性能的要求不高。
4 国内风力发电涂料的研究状况
4. 1 存在的问题
      目前，我国的风电涂料几乎靠进口，涂料价格昂贵，成本高，而且在中国特殊的环境条件下，容易出现“水土不服”。即在设计期限内，防护效果却存在缺陷。同时，国内的涂装企业对风电设备的腐蚀环境缺乏针对性研究，防腐蚀方案少，喷涂时，由于工艺不合理造成较大的浪费和污染。此外，人们只重视对塔架的防护，而忽略叶片的防护，使叶片因受风蚀、结冰等影响而影响发电效率。
4. 2 发展状况
      近年来，国内对塔架涂料和叶片涂料的研究比较活跃。自2009 年以来，风电涂料研究的重点是不同环境下塔架涂料的经济性、环保性、稳定性、适宜性和有效性等，而研究的热点是叶片涂料耐紫外线老化、耐风沙侵蚀以及耐湿热、盐雾腐蚀的能力等。而在863 计划 “MW 级风力发电机组风轮叶片原材料国产化” 重点项目中，风电叶片涂料的规模化制备技术已列入其中，并要求突破关键技术、推动国产化和形成相关行业标准和技术规范。因此，可以预料，风电涂料将成为涂料技术活动的一个重要领域。
5 结语
      尽管我国的风电行业刚刚起步，各方面的技术都不成熟，涂装防护方面也面临较大的挑战，但是在深入研究和了解风电设备的运行环境、腐蚀机理和防护方法的基础上，开发出能够适应本土不同地域气候的
防腐涂料及其涂装工艺，毋须进口国外产品，从而使涂料价格更加合理，那么风电企业、涂装涂料企业将共同获益。