新型抗風沙涂料在風電塔筒上的應用

彭 儒，張賢惠 （廈門雙瑞船舶涂料有限公司，福建廈門 361101）

0 引言

風能以其儲量大、分布廣、無污染等優點在我國得到迅速發展且在我國已發展多年。風電發電機組一般安裝在荒郊野外、山口等風力較大且周邊無遮擋物處，常年風力在4級以上，并經受酷暑嚴寒和極端溫差的影響，自然環境惡劣。我國陸上風電場大多位于西北及北部高原地區，西北地區春季風速達4～6 m/s，瞬時風速達40～50 m/s，年平均風速在3 m/s，該地區風力大，每年達到起沙（≥4 m/s）風速的天數在200～300 d［1］。風電發電機組，尤其是塔筒長期處在風沙流量較大的環境中，風沙流粒子對風電塔筒，特別是1米以下部位的表面涂層有較強的沖蝕磨損破壞作用。風電塔筒長期遭受風沙環境的侵蝕破壞，使涂層較早地失效，造成鋼結構裸露腐蝕，體系的安全性和耐久性隨之下降［2-3］。

傳統抗風沙涂料主要應用于高鐵、火車、輸電塔等方面，而對于風電設備抗風沙涂料的應用基本處于空白。現場實地對新疆托克遜風場的環境及風電塔筒涂層受風沙侵蝕的情況進行了詳細調研。結果顯示，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沙侵蝕情況更為嚴重，迎風面出現大面積裸露鋼基材的現象，涂層在服役1～2個月后需要進行重新復涂。因此迫切需要研發高耐沖擊性、耐磨損、耐候的抗風沙涂料，以滿足西北地區風沙惡劣環境對抗風沙涂料的需求。

1 試驗部分

針對塔筒防腐和抗風沙需求，主要對面漆進行設計研究，著重考慮面漆耐沖刷、耐磨損的物理機械性能和耐候性能。經試驗驗證表明，聚脲材料以其特殊的彈性伸長率等性能特點，在抗沖擊方面具有卓越的優勢，但是其對噴涂設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、抗風沙撞擊，但是附著力差；彈性環氧樹脂-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;羥基丙烯酸樹脂-聚氨酯涂料，雖然粘結強度高，耐候保色性好，但是涂膜彈性不足，抗風沙磨蝕性差［4-5］。

廈門雙瑞公司采用聚天門冬氨酸酯樹脂改性技術，制備了725-S43-96系列抗風沙涂料，漆膜不僅具有聚脲樹脂優異的物理機械性能和耐候性，又充分克服了聚脲樹脂反應速度過快、施工性能差、表面容易形成針孔等弊病。優化后的涂層具有高柔韌性、高強度、高抗沖擊性、耐磨性及耐候性。

1.1 產品抗風沙性能研究

抗風沙涂料的研制主要針對面漆對風沙顆粒的耐沖刷性的提升。因而實驗室中專門針對抗風沙涂料做了耐沖砂對比試驗。

新疆托克遜風場沙粒粒徑集中在0.125～0.5 mm，沙粒密度約2.7 g/mL，試驗用金剛砂粒徑為0.5～1.0 mm，金剛砂密度約3.2 g/mL。實驗室采用的噴砂測試條件為：噴砂機空氣壓力為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，金剛砂硬度高于風場沙粒，對漆膜的破壞更嚴重，選擇噴砂槍在樣板長邊進行來回噴射。

表1為當前風電塔筒主流配套涂層（底漆為環氧富鋅底漆、中間漆為環氧中間漆、面漆為聚氨酯面漆，面漆進行特殊調色，以便于對試驗結果進行直接觀察）的實驗室抗沖砂性能評價效果圖。其中樣板A漆膜總厚度為171 μm，其耐沖砂時間為8 s；樣板B漆膜總厚度為125 μm，其耐沖砂時間為5 s。

表1 當前風電塔筒主流配套涂層的耐沖砂性能試驗結果Table 1 Test results of sand-resistance performance of current main steam matching coating for wind turbine tower

自制抗風沙涂料的實驗室耐沖砂性能試驗結果見表2。725-S43-96抗風沙涂料C型采用彈性聚氨酯技術，耐沖砂時間為45 s，較傳統聚氨酯體系抗沖砂性能有了大幅改進；725-S43-96抗風沙涂料D型采用聚天門冬氨酸酯樹脂改性技術，經過53 s的沖砂試驗后雖漆膜變色，但表面漆膜仍較為完整；725-S43-96抗風沙涂料E型采用聚天門冬氨酸酯樹脂改性技術，同時復配力學增強材料（聚脲），經過173 s的沖砂試驗后其表面狀態仍完好。

表2 自制抗風沙涂料的實驗室耐沖砂性能試驗結果Table 2 Laboratory test results of sand-resistance performance of self-made sand-resistant coatings

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

1.2 配套體系實地試驗對比

2016年7月，將725-S43-96抗風沙涂料在新疆托克遜風場風機塔筒進行涂裝試驗。涂裝試驗配套方案見表3，涂裝過程與效果見圖1。

表3 涂裝試驗配套方案Table 3 Coating test matching scheme

（1） 725-H53-87厚漿環氧中間漆具有防銹效果，可作為環氧底漆使用，在內陸地區無風沙體系侵蝕、腐蝕等級為C2、C3的環境中預期防腐壽命＞15 a；

（2） 對于C4、C5腐蝕環境等級推薦采用725-H06-21環氧富鋅底漆與725-H53-87厚漿環氧中間漆搭配使用；

（3） 在實驗室環境中該配套體系較普通環氧+聚氨酯體系的抗風沙侵蝕試驗性能提高10倍以上，如需要更進一步的抗風沙性能需求，可適當提高725-S43-96抗風沙涂料的涂層厚度。

圖1 涂裝過程與效果Figure 1 Painting process and effect

歷經1 a的風沙侵蝕，現場效果評估結果表明，725-S43-96抗風沙涂層保持完好，無變色粉化，表現出優異的抗風沙侵蝕和耐紫外線性能，而在試驗區域上方原傳統聚氨酯面漆已經在風沙的侵蝕下斑駁脫落，露出鋼基材而銹蝕（圖2）。

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

2 結語

自主設計研發的725-S43-96系列抗風沙涂料，其涂膜不僅兼有傳統聚氨酯涂料優良的附著力、耐候耐久性，也同時具備高恢復率及高抗風沙撞擊性能，完全滿足西北地區風電設備的耐磨性、抗風沙性的防護要求，從而為風沙地區風電行業及其他鋼構設備的持續健康發展保駕護航。