海上浮式風(fēng)電塔筒涂裝工藝方案研究

張 磊，王炬成，潘 琳

(1.江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

海上浮式風(fēng)電塔筒處于嚴酷的應(yīng)用環(huán)境之中。海洋環(huán)境濕度大、鹽分高、溫度梯度大，海水在塔筒銹蝕表面附著后容易產(chǎn)生積水薄膜[1]，具備了進行電化學(xué)反應(yīng)的條件，極大地加快了海上浮式風(fēng)電塔筒的腐蝕進程。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：部分海上浮式風(fēng)電塔筒由于其涂裝工藝和涂層選擇的不合理，涂覆涂層難以有效地保證海上浮式風(fēng)電站的正常使用，使用壽命被迫縮短。為了解決上述問題，有必要開展海上浮式風(fēng)電塔筒的涂裝工藝研究，確保海上浮式風(fēng)電塔筒在生產(chǎn)過程中采用科學(xué)的涂層體系以及合適的工藝方法進行涂裝，提高涂層的防腐性能，延長海上浮式風(fēng)電塔筒的有效使用周期，進而保證海上風(fēng)電站的安全使用。

1 腐蝕環(huán)境分析

海上風(fēng)電塔筒底部筒體所處的腐蝕環(huán)境按照地球軸向，自上而下可以劃分為海洋大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)這五個典型腐蝕環(huán)境[2]。

(1)海洋大氣區(qū)的腐蝕特性

不同的溫度梯度、鹽度、濕度造就了海洋大氣與陸地大氣環(huán)境的顯著區(qū)別[3]。腐蝕表面的鋼鐵與海洋大氣中的鹽分構(gòu)成了典型的電化學(xué)腐蝕環(huán)境，往往會極大地加劇腐蝕的程度，進而造成海上風(fēng)電塔筒的結(jié)構(gòu)失效。

(2)飛濺區(qū)的腐蝕特性

飛濺區(qū)是海上風(fēng)電塔筒腐蝕最為嚴重的一個區(qū)域。在該區(qū)域中海浪在風(fēng)電塔筒外壁上不間斷、不均勻沖刷，使得濕表面積交替往復(fù)，伴隨著富含高鹽分海水粒子附著，造成海上風(fēng)電塔筒的鋼結(jié)構(gòu)在飛濺區(qū)的腐蝕速度要遠高于其他腐蝕區(qū)域。

(3)潮差區(qū)的腐蝕特性

受天體引力影響，在一年之中海洋會呈現(xiàn)不同的潮位，位于低潮位與高潮位之間的區(qū)域稱為潮差區(qū)。潮差區(qū)的海上風(fēng)電塔筒的鋼結(jié)構(gòu)長期處于海水與大氣的接觸狀態(tài)，腐蝕面積較大。除此之外，當(dāng)海上風(fēng)電塔筒布置于高緯度海域，還存在受浮冰撞擊而導(dǎo)致涂層受損的風(fēng)險[4]。

(4)全浸區(qū)的腐蝕特性

海上風(fēng)電塔筒筒體的中下部長期浸泡在海水中(即全浸區(qū))，鋼鐵的氧化還原反應(yīng)受溶解氧的濃度影響而得到抑制，腐蝕進程較飛濺區(qū)和潮差區(qū)緩慢，但靠近潮差區(qū)且在平均潮位以下的海上風(fēng)電塔筒筒體將出現(xiàn)較為明顯的腐蝕現(xiàn)象。

(5)海泥區(qū)的腐蝕特性

海泥實際上是海水與海底土壤的混合物，整個海泥區(qū)位于全浸區(qū)下方的海底。由于其成分的復(fù)雜性，海泥區(qū)的腐蝕特性既包含土壤的腐蝕特性，還包含海水的腐蝕特性，尤其是海底土壤中包含的硫酸鹽還原菌會對海上風(fēng)電塔筒造成較為嚴重的侵蝕。但是，如果海上浮式風(fēng)電塔筒為浮式結(jié)構(gòu)，其通過錨泊定位系統(tǒng)固定在海水中，則不用考慮海泥區(qū)的腐蝕影響。

2 防腐涂層系統(tǒng)選擇

海上作業(yè)平臺的出現(xiàn)至今已有近百年的歷史，在此期間海洋平臺的各類防腐蝕技術(shù)也得到長足發(fā)展，各類防腐標準規(guī)范不斷完善。尤其在近三十年中，多國科學(xué)家及工程技術(shù)人員對海上平臺的防腐開展了大量海洋掛片試驗，分別采用不同類型防腐涂層系統(tǒng)對不同腐蝕區(qū)域進行腐蝕速度、涂層附著力、腐蝕蔓延率、涂層密封性、涂層系統(tǒng)失效周期等因素展開研究，提出了一系列各腐蝕區(qū)域針對性的防腐涂層方案，構(gòu)建了綜合防腐性能最優(yōu)的重防腐涂層系統(tǒng)，為海上浮式風(fēng)電塔筒的防腐提供了寶貴的參考方案。

以上述重防腐涂層系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，依據(jù)NORSOK M501標準(挪威石油工業(yè)技術(shù)法規(guī)《表面處理和防護涂層標準》)和ISO 20340《海上平臺及相關(guān)結(jié)構(gòu)防護涂料體系的性能要求》中的試驗方法和驗收標準，結(jié)合涂層試驗、海上掛片試驗等試驗結(jié)論，針對海上浮式風(fēng)電塔筒與海洋環(huán)境的不同接觸區(qū)域，采用有機涂層與熱噴鋅涂層相結(jié)合的方法，研究提出了針對海上浮式風(fēng)電塔筒的優(yōu)化防腐涂層方案。其主要內(nèi)容為：在海上浮式風(fēng)電塔筒的外壁，構(gòu)建以富鋅底漆、環(huán)氧云鐵、脂肪族聚氨酯為主要成分的防腐涂層；在塔筒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用脂肪族聚氨酯或聚硅氧烷為主要成分的防腐涂層；在海上浮式風(fēng)電塔筒的外部作業(yè)平臺、潮差區(qū)或飛濺區(qū)采用環(huán)氧底漆打底，環(huán)氧玻璃鱗片主要成分的防腐涂層，從而保障海上浮式風(fēng)電塔筒的使用壽命達到30 a以上。該海上浮式風(fēng)電塔筒防腐方案的涂層成分及涂層厚度見表1。

表1 海上風(fēng)電推薦的防腐涂層體系

3 涂裝工藝步驟

海上浮式風(fēng)電塔筒一般采用分總段制作法。首先，由環(huán)形筒節(jié)在滾輪架上進行組對形成筒節(jié)分段；其次，筒節(jié)分段在高負載滾輪架或?qū)Ｓ煤贤ゼ苌线M行臥式總組；最后，筒節(jié)總段合攏形成整個海上浮式風(fēng)電塔筒。海上浮式風(fēng)電塔筒整體涂裝工藝步驟與常規(guī)海工產(chǎn)品涂裝工藝步驟類似，一般分為五個工藝步驟，工藝流程圖如圖1所示。

圖1 海上浮式風(fēng)電塔筒涂裝工藝流程圖

步驟1：鋼板表面預(yù)處理。首先，對制造所用鋼板進行質(zhì)量調(diào)查，確定鋼板表面被腐蝕程度等級；其次，通過鋼材預(yù)處理流水線進行拋丸除銹處理，使鋼材表面處理的清潔度達到ISO 8501—1《涂裝油漆和有關(guān)產(chǎn)品前鋼材預(yù)處理》的Sa2.5級或以上標準；最后，對鋼板進行噴涂車間底漆，使漆膜平均膜厚度控制在10～15 μm之間，要求漆膜整體膜厚均勻，無漏噴點。

步驟2：分段制造過程跟蹤補涂。制作塔筒分段時應(yīng)對焊接、背燒、磨損、修正等區(qū)域的涂層破損進行標示，并清潔涂層破損表面，補涂車間底漆。

步驟3：分段涂裝。首先，將塔筒內(nèi)外的焊疤、銳邊、毛刺磨平、焊渣與飛濺清除完畢，塔筒筒節(jié)結(jié)構(gòu)報驗通過；其次，對分段內(nèi)的鍍鋅件、舾裝件用布包扎好；再次，將分段吊運至專用的噴砂涂裝滾輪架上，進行二次除銹，去除開始氧化或銹蝕的部位；最后，按照油漆配套的要求，依次噴涂對應(yīng)防腐涂層。

步驟4：合攏縫跟蹤補涂。待塔筒分段總組結(jié)束后，對合攏縫、合攏面進行清理；去除開始氧化或銹蝕的部位，補涂底漆；控制合攏縫局部的涂裝環(huán)境，按照油漆配套的要求，依次噴涂對應(yīng)防腐涂層，形成完工涂層。

步驟5：完工涂層檢查。整個完工涂層表面應(yīng)沒有顯著涂裝缺陷，例如：起皮、鼓泡、孔洞、凹凸不平、粗顆粒、掉塊及裂紋。當(dāng)遇有少量夾雜，可用小刀剔刮；但當(dāng)缺陷面積較大時，應(yīng)鏟除重噴。

步驟3、步驟4中噴涂防腐涂層采用以下工藝：采用高壓無氣噴涂方式，依次噴涂對應(yīng)防腐涂層，噴涂時應(yīng)按照先里后外、先上后下、先左后右、先難后易、縱橫交錯的步驟，成90°交叉對塔筒內(nèi)外表面進行涂裝作業(yè)，并對焊縫、結(jié)構(gòu)反面、棱角等不易噴涂到的部位先行噴涂一次后再進行全面的噴涂。

4 結(jié)語

采用上文所述海上浮式風(fēng)電塔筒防腐體系及具體涂層方案，應(yīng)用海上浮式風(fēng)電塔筒筒節(jié)分(總)段涂裝工藝步驟，實現(xiàn)了對海上浮式風(fēng)電塔筒涂裝作業(yè)的有效控制，保證了塔筒的鋼板預(yù)噴涂、塔筒筒節(jié)制造過程中補涂、合攏塔筒筒節(jié)對合攏縫 (面)的噴涂、涂層完工檢查等涂裝作業(yè)過程的防腐涂層質(zhì)量要求，為海上浮式風(fēng)電塔筒全生命周期服役提供了可靠的技術(shù)保障，具備較高的經(jīng)濟效益。