新型抗風(fēng)沙涂料在風(fēng)電塔筒上的應(yīng)用

彭 儒，張賢惠 （廈門(mén)雙瑞船舶涂料有限公司，福建廈門(mén) 361101）

0 引言

風(fēng)能以其儲(chǔ)量大、分布廣、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)在我國(guó)得到迅速發(fā)展且在我國(guó)已發(fā)展多年。風(fēng)電發(fā)電機(jī)組一般安裝在荒郊野外、山口等風(fēng)力較大且周邊無(wú)遮擋物處，常年風(fēng)力在4級(jí)以上，并經(jīng)受酷暑嚴(yán)寒和極端溫差的影響，自然環(huán)境惡劣。我國(guó)陸上風(fēng)電場(chǎng)大多位于西北及北部高原地區(qū)，西北地區(qū)春季風(fēng)速達(dá)4～6 m/s，瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)40～50 m/s，年平均風(fēng)速在3 m/s，該地區(qū)風(fēng)力大，每年達(dá)到起沙（≥4 m/s）風(fēng)速的天數(shù)在200～300 d［1］。風(fēng)電發(fā)電機(jī)組，尤其是塔筒長(zhǎng)期處在風(fēng)沙流量較大的環(huán)境中，風(fēng)沙流粒子對(duì)風(fēng)電塔筒，特別是1米以下部位的表面涂層有較強(qiáng)的沖蝕磨損破壞作用。風(fēng)電塔筒長(zhǎng)期遭受風(fēng)沙環(huán)境的侵蝕破壞，使涂層較早地失效，造成鋼結(jié)構(gòu)裸露腐蝕，體系的安全性和耐久性隨之下降［2-3］。

傳統(tǒng)抗風(fēng)沙涂料主要應(yīng)用于高鐵、火車、輸電塔等方面，而對(duì)于風(fēng)電設(shè)備抗風(fēng)沙涂料的應(yīng)用基本處于空白?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)地對(duì)新疆托克遜風(fēng)場(chǎng)的環(huán)境及風(fēng)電塔筒涂層受風(fēng)沙侵蝕的情況進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)研。結(jié)果顯示，由于臨近塔筒底面的氣流中含沙粒較多，磨蝕力大于較高處的氣流，以致塔筒靠近底面部位受風(fēng)沙侵蝕情況更為嚴(yán)重，迎風(fēng)面出現(xiàn)大面積裸露鋼基材的現(xiàn)象，涂層在服役1～2個(gè)月后需要進(jìn)行重新復(fù)涂。因此迫切需要研發(fā)高耐沖擊性、耐磨損、耐候的抗風(fēng)沙涂料，以滿足西北地區(qū)風(fēng)沙惡劣環(huán)境對(duì)抗風(fēng)沙涂料的需求。

1 試驗(yàn)部分

針對(duì)塔筒防腐和抗風(fēng)沙需求，主要對(duì)面漆進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，著重考慮面漆耐沖刷、耐磨損的物理機(jī)械性能和耐候性能。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證表明，聚脲材料以其特殊的彈性伸長(zhǎng)率等性能特點(diǎn)，在抗沖擊方面具有卓越的優(yōu)勢(shì)，但是其對(duì)噴涂設(shè)備和噴涂溫度有較高的要求，施工性能差；彈性聚酯-聚氨酯防腐涂料，雖然彈性好、耐磨、抗風(fēng)沙撞擊，但是附著力差；彈性環(huán)氧樹(shù)脂-聚氨酯涂料，雖然附著力好、耐磨耐腐蝕，但是耐候、耐紫外線老化性較差;羥基丙烯酸樹(shù)脂-聚氨酯涂料，雖然粘結(jié)強(qiáng)度高，耐候保色性好，但是涂膜彈性不足，抗風(fēng)沙磨蝕性差［4-5］。

廈門(mén)雙瑞公司采用聚天門(mén)冬氨酸酯樹(shù)脂改性技術(shù)，制備了725-S43-96系列抗風(fēng)沙涂料，漆膜不僅具有聚脲樹(shù)脂優(yōu)異的物理機(jī)械性能和耐候性，又充分克服了聚脲樹(shù)脂反應(yīng)速度過(guò)快、施工性能差、表面容易形成針孔等弊病。優(yōu)化后的涂層具有高柔韌性、高強(qiáng)度、高抗沖擊性、耐磨性及耐候性。

1.1 產(chǎn)品抗風(fēng)沙性能研究

抗風(fēng)沙涂料的研制主要針對(duì)面漆對(duì)風(fēng)沙顆粒的耐沖刷性的提升。因而實(shí)驗(yàn)室中專門(mén)針對(duì)抗風(fēng)沙涂料做了耐沖砂對(duì)比試驗(yàn)。

新疆托克遜風(fēng)場(chǎng)沙粒粒徑集中在0.125～0.5 mm，沙粒密度約2.7 g/mL，試驗(yàn)用金剛砂粒徑為0.5～1.0 mm，金剛砂密度約3.2 g/mL。實(shí)驗(yàn)室采用的噴砂測(cè)試條件為：噴砂機(jī)空氣壓力為0.4 MPa，噴砂流量約4 kg/s，噴口距離樣板的距離為10 cm，樣板尺寸為250 mm×150 mm。噴砂流量大，金剛砂硬度高于風(fēng)場(chǎng)沙粒，對(duì)漆膜的破壞更嚴(yán)重，選擇噴砂槍在樣板長(zhǎng)邊進(jìn)行來(lái)回噴射。

表1為當(dāng)前風(fēng)電塔筒主流配套涂層（底漆為環(huán)氧富鋅底漆、中間漆為環(huán)氧中間漆、面漆為聚氨酯面漆，面漆進(jìn)行特殊調(diào)色，以便于對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直接觀察）的實(shí)驗(yàn)室抗沖砂性能評(píng)價(jià)效果圖。其中樣板A漆膜總厚度為171 μm，其耐沖砂時(shí)間為8 s；樣板B漆膜總厚度為125 μm，其耐沖砂時(shí)間為5 s。

表1 當(dāng)前風(fēng)電塔筒主流配套涂層的耐沖砂性能試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of sand-resistance performance of current main steam matching coating for wind turbine tower

自制抗風(fēng)沙涂料的實(shí)驗(yàn)室耐沖砂性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。725-S43-96抗風(fēng)沙涂料C型采用彈性聚氨酯技術(shù)，耐沖砂時(shí)間為45 s，較傳統(tǒng)聚氨酯體系抗沖砂性能有了大幅改進(jìn)；725-S43-96抗風(fēng)沙涂料D型采用聚天門(mén)冬氨酸酯樹(shù)脂改性技術(shù)，經(jīng)過(guò)53 s的沖砂試驗(yàn)后雖漆膜變色，但表面漆膜仍較為完整；725-S43-96抗風(fēng)沙涂料E型采用聚天門(mén)冬氨酸酯樹(shù)脂改性技術(shù)，同時(shí)復(fù)配力學(xué)增強(qiáng)材料（聚脲），經(jīng)過(guò)173 s的沖砂試驗(yàn)后其表面狀態(tài)仍完好。

表2 自制抗風(fēng)沙涂料的實(shí)驗(yàn)室耐沖砂性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Laboratory test results of sand-resistance performance of self-made sand-resistant coatings

表2結(jié)果表明，725-S43-96系列抗風(fēng)沙涂料的3種類型的抗砂性能均較傳統(tǒng)聚氨酯面漆的抗砂性能有大幅度提高，其中聚脲/改性聚天門(mén)冬氨酸樹(shù)脂體系的抗沖砂性能最好。

1.2 配套體系實(shí)地試驗(yàn)對(duì)比

2016年7月，將725-S43-96抗風(fēng)沙涂料在新疆托克遜風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)塔筒進(jìn)行涂裝試驗(yàn)。涂裝試驗(yàn)配套方案見(jiàn)表3，涂裝過(guò)程與效果見(jiàn)圖1。

表3 涂裝試驗(yàn)配套方案Table 3 Coating test matching scheme

（1） 725-H53-87厚漿環(huán)氧中間漆具有防銹效果，可作為環(huán)氧底漆使用，在內(nèi)陸地區(qū)無(wú)風(fēng)沙體系侵蝕、腐蝕等級(jí)為C2、C3的環(huán)境中預(yù)期防腐壽命＞15 a；

（2） 對(duì)于C4、C5腐蝕環(huán)境等級(jí)推薦采用725-H06-21環(huán)氧富鋅底漆與725-H53-87厚漿環(huán)氧中間漆搭配使用；

（3） 在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中該配套體系較普通環(huán)氧+聚氨酯體系的抗風(fēng)沙侵蝕試驗(yàn)性能提高10倍以上，如需要更進(jìn)一步的抗風(fēng)沙性能需求，可適當(dāng)提高725-S43-96抗風(fēng)沙涂料的涂層厚度。

圖1 涂裝過(guò)程與效果Figure 1 Painting process and effect

歷經(jīng)1 a的風(fēng)沙侵蝕，現(xiàn)場(chǎng)效果評(píng)估結(jié)果表明，725-S43-96抗風(fēng)沙涂層保持完好，無(wú)變色粉化，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗風(fēng)沙侵蝕和耐紫外線性能，而在試驗(yàn)區(qū)域上方原傳統(tǒng)聚氨酯面漆已經(jīng)在風(fēng)沙的侵蝕下斑駁脫落，露出鋼基材而銹蝕（圖2）。

圖2 自制抗風(fēng)沙涂料歷經(jīng)1 a風(fēng)沙侵蝕后的效果Figure 2 The effect of self-made sand-resistance coatings after 1 years of sand erosion

2 結(jié)語(yǔ)

自主設(shè)計(jì)研發(fā)的725-S43-96系列抗風(fēng)沙涂料，其涂膜不僅兼有傳統(tǒng)聚氨酯涂料優(yōu)良的附著力、耐候耐久性，也同時(shí)具備高恢復(fù)率及高抗風(fēng)沙撞擊性能，完全滿足西北地區(qū)風(fēng)電設(shè)備的耐磨性、抗風(fēng)沙性的防護(hù)要求，從而為風(fēng)沙地區(qū)風(fēng)電行業(yè)及其他鋼構(gòu)設(shè)備的持續(xù)健康發(fā)展保駕護(hù)航。