輸電鐵塔石墨烯重防腐涂料的涂裝性能評估

李延偉，周自強，王彬栩，胡家元，周開河，李豐偉，錢洲亥，楊躍平

（1.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州310014；3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315016）

0 引言

舟山500 kV聯(lián)網(wǎng)輸變電工程中，兩基大跨越輸電鐵塔采用混壓四回路鋼管塔。該塔坐落在金塘島和冊子島，全高380 m，跨越距離2 656 m，為目前世界最高輸電鐵塔。輸電高塔均臨海建設，桿塔主體處于海洋鹽霧區(qū)域內(nèi)，腐蝕環(huán)境惡劣，屬于典型C5類以上重腐蝕環(huán)境[1]，鋼結(jié)構(gòu)有很大的腐蝕失效風險。經(jīng)多方論證，決定在桿塔原有熱浸鋅鍍層基礎上，額外施加重防腐涂層體系保護[2]。2號高塔的重防腐涂層由中科院寧波材料所負責施工，采用新型石墨烯重防腐涂層。

石墨烯重防腐涂料作為近年來一種新型納米重防腐涂料，受到了海洋、石化等嚴苛防腐行業(yè)的重視[3-4]，在國網(wǎng)寧波供電公司輸電桿塔上也有少量試點應用[5]。黃坤[6]等對比研究了石墨烯環(huán)氧涂層、炭黑環(huán)氧涂層、富鋅環(huán)氧涂層的防腐性能，發(fā)現(xiàn)含0.5%～1.0%石墨烯時環(huán)氧涂層表現(xiàn)出了最佳的防腐、耐酸、耐堿性能。Chang[7]等學者發(fā)現(xiàn)石墨烯可將水滴在環(huán)氧樹脂界面上的接觸角從82°提高到127°，其優(yōu)異的超疏水性能可以有效阻隔水分子及腐蝕介質(zhì)向涂層內(nèi)部擴散。劉栓[8]等總結(jié)了近年來石墨烯涂層的研究進展，闡述了石墨烯防腐涂料表現(xiàn)出的較傳統(tǒng)重防腐涂料更為優(yōu)良的防腐性能。然而，上述判斷僅基于實驗室測試數(shù)據(jù)得出，缺少現(xiàn)場工況檢測數(shù)據(jù)的支撐?？紤]到涂料的實際防腐效果受施工工藝影響很大[9]，目前國內(nèi)外未見有開展石墨烯涂料現(xiàn)場性能檢測的工作，缺乏該類涂料的現(xiàn)場涂裝效果檢測資料，不利于全面了解其實際涂裝性能。

為切實監(jiān)督380 m輸電高塔防腐涂料施工質(zhì)量、評估石墨烯涂料實際涂裝性能并積累現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，采用目視評估、厚度測量、附著力測試等方法，現(xiàn)場多批次抽檢該涂料的涂裝效果，首次獲得石墨烯重防腐涂料的現(xiàn)場涂裝性能數(shù)據(jù)；同時取樣測試了石墨烯在涂料中的分散性能，分析該類涂料的防腐機理，從而綜合評價了該涂層的性能優(yōu)劣。該工作可為輸變電工程石墨烯涂層的實踐應用提供可靠的檢驗及判斷依據(jù)。

1 檢測及評價內(nèi)容

1.1 工程防腐設計要求

380 m輸電桿塔全塔重7 280 t，塔腳根開69.024 m，鋼管規(guī)格為Φ2 300 mm×28 mm，其防腐涂料技術(shù)要求由浙江省電力設計院提供。其主要性能指標見表1。

1.2 石墨烯涂料性能指標

2號輸電高塔采用的石墨烯重防腐涂層，為三層四道涂層體系，涂層總厚度控制在230 μm左右。油漆分段漆成紅、白2種顏色，涂裝參數(shù)見表2所示。

表1 防腐涂料技術(shù)要求

表2 石墨烯重防腐涂層技術(shù)指標

1.3 評估項目及儀器

根據(jù)表1中涂料主要技術(shù)指標，結(jié)合現(xiàn)場評估的可行性，選擇涂層外觀、厚度、均勻性、附著力等指標進行現(xiàn)場測試，實驗室對涂層成分及成膜機理進行分析。主要儀器及對應檢測內(nèi)容如表3所示。

表3 評估儀器及對應內(nèi)容

為實現(xiàn)對整塔涂裝的全過程監(jiān)督，分別于2017年12月、2018年4月、2018年6月在施工現(xiàn)場進行石墨烯涂料涂裝件的抽樣檢測，完成對塔身不同部位涂裝效果的覆蓋評估。

2 檢測結(jié)果

2.1 涂層形貌檢查

在堆料場隨機抽取2根漆膜固化時間大于72 h的鋼管進行涂層表觀形貌檢查，結(jié)果見圖1。

經(jīng)現(xiàn)場目視并由10倍放大鏡檢查可見，涂層顏色均勻一致、形貌平整光滑，符合設計要求?，F(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)基體裸露、涂層起泡或開裂等缺陷。

2.2 涂層厚度檢測

在抽取的鋼管樣上進行測厚，間隔30 cm螺旋狀取點，每根鋼管選取36個測試點進行測試，并且隨機選擇1根同批樣品進行空白測試（扣除鍍鋅層厚度），結(jié)果見圖2及表4。

圖1 涂層表觀形貌

圖2 涂層測厚數(shù)據(jù)及空白數(shù)據(jù)

表4 涂層厚度檢測結(jié)果

根據(jù)涂層測厚結(jié)果可知，樣品1檢測的涂層總厚度（含鍍鋅層厚度）在 357～468 μm， 均值為426 μm； 空白樣鍍鋅層厚度在 97～209 μm， 均值為158 μm。減去鍍鋅層厚度可知，石墨烯涂層厚度約為268 μm。圖2表明絕大部分測試點涂層總厚處于420 μm左右，涂層厚度較為均勻。

由表4中的3次抽檢結(jié)果可見，石墨烯涂層平均厚度在 220～397 μm， 均值為 306 μm， 稍有超過設計厚度，但符合DL/T 1453-2015《輸電線路鐵塔防腐蝕保護涂裝》中關于涂層實際厚度不大于3倍設計厚度的要求[2]。

2.3 附著力檢測

按照GB/T 9286-1998《色漆和清漆漆膜的劃格試驗》中規(guī)定[10]，在附著力測試方法中，劃格法適用于厚度小于250 μm的涂層，更大厚度的涂層應采用拉拔法測試附著力[11]。因現(xiàn)場測得的石墨烯涂料厚度在220～397 μm，因此同時采用劃格法、拉拔法進行石墨烯重防腐涂料附著力測試。

2.3.1 劃格法檢測

在管道平直段上隨機選取實驗面，采用百格刀劃格；劃格結(jié)束后施加膠帶，把膠帶的中心置于網(wǎng)格上方，方向與一組切割線平行，將膠帶在網(wǎng)格上方區(qū)域壓平，并用力按壓數(shù)次，在5 min內(nèi)將膠帶沿60°方向從平面上拉開，記錄表面狀況并進行分級，結(jié)果見圖3。

由圖3劃格結(jié)果可知，3次抽檢涂層均符合“切割邊緣平滑，方格無脫落”“在切割交叉處有少許涂層脫落，但交叉切割面積受影響不大于5%”的情況，對比GB/T 9286-1998《色漆和清漆漆膜的劃格試驗》中規(guī)定的附著力分級標準，可判斷石墨烯重防腐涂料附著力為0～1級。

2.3.2 拉拔法檢測

在管道平直段隨機選取實驗面，先用絨布擦去表面灰塵，用膠水將拉拔柱粘貼在管壁上，待膠水固化24 h后，使用切割裝置沿試柱的周線切透至底材。立即放置拉力機，以不大于1 MPa/s的速度提升壓力，保證涂層破壞在90 s內(nèi)發(fā)生。典型拉拔后形貌見圖4，各次拉拔結(jié)果見表5。

圖4 拉拔法的測試形貌

表5 拉拔試驗結(jié)果

由表5所示的3批次抽樣檢測結(jié)果可知，去除測定點2和6的“涂層與底材間的不充分破壞”2組測試數(shù)據(jù)后，現(xiàn)場檢測得到的石墨烯涂層附著力處于11.9～18.1 MPa，滿足表1中附著力“≥6 MPa”的設計要求。

2.4 透射電鏡分析

石墨烯在涂料中的良好分散是其發(fā)揮效果的基礎[12]。為檢驗石墨烯微粒在涂料中的分散性，現(xiàn)場對石墨烯中間漆進行取樣，在實驗室中制成薄片后進行透射電鏡分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 石墨烯涂層透射電鏡照片

由圖5可見，放大20 000倍觀察時，涂料樣品中未見有明顯團聚現(xiàn)象，僅存在少數(shù)幾個疑似不透明點。放大至50 000倍后，可觀察到涂料中有“絲狀搭建”形貌，可推測是由石墨烯微粒形成了該類搭接結(jié)構(gòu)?？梢?，石墨烯微粒在該種重防腐涂料體系中具有良好的分散特性。

3 成膜機理分析

在如表6所示的實驗室測試結(jié)果（表6數(shù)據(jù)由施工方中科院寧波材料所提供）的基礎上，現(xiàn)場檢測顯示石墨烯重防腐涂料具有良好涂裝效果，同時利用透射電子顯微鏡進一步探索了該涂料的微觀結(jié)構(gòu)。根據(jù)實驗結(jié)果并結(jié)合文獻調(diào)研，可推測石墨烯涂料的防腐機理包括物理防腐機理和導電性機理[13-15]。

表6 石墨烯涂料性能指標（實驗室測試）

物理防腐機理：石墨烯為納米微粒，添加入涂料體系并均勻分散后，將形成大量鱗片狀填充結(jié)構(gòu)。石墨烯本身具有憎水性，其片層結(jié)構(gòu)具有“迷宮”效應（見圖6），可阻礙水、氧、侵蝕性離子等透過涂層向金屬基材滲透，延緩金屬腐蝕。這與2.3節(jié)中觀察到的大量“絲狀搭建”形貌相符。

圖6 具有“迷宮”效應的石墨烯涂料

導電性機理：富鋅涂料主要是通過其中的鋅粉的犧牲陽極作用來保護金屬基體，當鋅粉因含量過低或腐蝕消耗而無法形成電子傳輸通道時，涂料將失去對金屬的保護作用。加入石墨烯后，具有導電性的石墨烯通過與非連續(xù)的鋅粉連接，形成導電網(wǎng)絡并使鋅粉作為陽極犧牲，大幅提高涂料中鋅粉利用率，從而達到保護基體的目的。具有超細結(jié)構(gòu)、優(yōu)良導電性的石墨烯微粒隨機分布于涂料中，起到“導電搭橋”的作用[15]，如圖7所示。2.3節(jié)中所觀察到的大量“絲狀搭建”形貌也能支持該機理。

圖7 石墨烯微粒的導電搭橋作用

4 結(jié)論

通過針對380 m輸電高塔石墨烯重防腐涂料的分階段多批次現(xiàn)場檢測評估，結(jié)果表明：塔材管壁表面涂層顏色均勻、平整光滑、無針孔；涂層平均厚度在 220～397 μm， 均值為 306 μm； 涂層附著力為 0～1 級（劃格法）、 11.9～18.1 MPa（拉拔法）；上述關鍵指標值均滿足設計要求，表明該石墨烯涂料的現(xiàn)場涂裝效果合格。石墨烯涂料微觀結(jié)構(gòu)表明：石墨烯微粒在涂料中均勻分散，有望搭接形成電子導流通道以提高鋅粉利用率，并形成“迷宮結(jié)構(gòu)”實現(xiàn)對外界侵蝕性離子的物理隔絕。目前，因石墨烯原材料價格較高、涂料制作工藝復雜等原因，石墨烯重防腐涂料的成本高于市場上普遍使用的富鋅涂料，因此降低涂料成本將是未來推廣的關鍵。