電力設(shè)施生物污損腐蝕與熱噴涂表面防護(hù)研究進(jìn)展

寧淼福，孫闊騰，蔡瑋辰，黃松強(qiáng)，何學(xué)敏，陳何成，劉奕，周平，吳雙杰

電力設(shè)施生物污損腐蝕與熱噴涂表面防護(hù)研究進(jìn)展

寧淼福1，孫闊騰1，蔡瑋辰1，黃松強(qiáng)1，何學(xué)敏1，陳何成1，劉奕2，周平2，吳雙杰2

（1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司柳州局，廣西 柳州 545006；2.中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江 寧波 315201）

海洋生物容易附著和生長于沿海電力設(shè)施裝備表面，其代謝過程及產(chǎn)物能夠引起表面金屬材料的腐蝕加速、電力設(shè)施的老化破損，進(jìn)而造成巨大的危害和經(jīng)濟(jì)損失，因此降低和抑制電力設(shè)施表面生物污損的涂層防污技術(shù)有著重要的研究與應(yīng)用價(jià)值。基于熱噴涂的防污涂層制備技術(shù)是防生物污損腐蝕的重要方法之一，是未來將研究工作應(yīng)用于實(shí)際的重要方向。截至目前，有關(guān)電力設(shè)施裝備生物腐蝕現(xiàn)狀和熱噴涂表面防護(hù)的研究進(jìn)展尚未見報(bào)道，這里將對電力設(shè)施裝備生物污損腐蝕現(xiàn)狀、應(yīng)用案例及熱噴涂防污措施研究進(jìn)展進(jìn)行歸納整理，并進(jìn)行系統(tǒng)性綜述。首先介紹了不同深度近海區(qū)域電力裝備生物污損和腐蝕的現(xiàn)狀、特點(diǎn)，引用了近年來典型電力設(shè)備涂裝防污損的技術(shù)方案和應(yīng)用案例，然后依據(jù)不同的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展趨向，對近10年來熱噴涂制備的復(fù)合防污涂層研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，分析其在沿海電力設(shè)施防護(hù)方面的應(yīng)用前景，以期為未來電力設(shè)施防污損等研究工作起到一定指引作用。

電力裝備；生物腐蝕；熱噴涂；表面防護(hù)措施

近年來，我國在沿海建設(shè)了清潔低碳的電力能源體系，包括可再生能源電站（風(fēng)力發(fā)電站、潮汐電站等）、高壓遠(yuǎn)距離輸電工程，以及配套的海底電纜、海水抽水蓄能電站等諸多電力設(shè)施和裝備[1-3]。在這些應(yīng)用場合，有的需抽取海水作為工作介質(zhì)，有的需將電力設(shè)施建設(shè)在近海灘涂或海底。這些電力設(shè)施與設(shè)備將不可避免地面臨著生物污損等問題[4-5]。海洋生物附著不僅會(huì)造成管線的堵塞、發(fā)電效率的降低，其產(chǎn)生的污損效應(yīng)還將加速金屬材料的腐蝕，引起設(shè)備的老化破損，從而帶來巨大危害和經(jīng)濟(jì)損失。由此可見，降低和抑制沿海電力設(shè)施表面生物吸附與生長的涂層防污技術(shù)有著重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。

防污涂料被認(rèn)為是防止海洋污損最經(jīng)濟(jì)有效、應(yīng)用最廣泛的方法，人們曾使用可釋放錫類、銅類毒性金屬離子的防污涂層，取得了優(yōu)異的防污效果[6-7]。由于錫類防污產(chǎn)品被研究證明會(huì)嚴(yán)重影響環(huán)境，因而在2001年被國際海事組織立法禁止使用[8]。隨后，以氧化亞銅復(fù)合材料為代表的主流防污涂料，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備表面抗生物污損中，例如沿海核電站吸水管道、濾網(wǎng)，海水抽水蓄能電站管道等[9]。與此同時(shí)，人們在發(fā)展其他新型環(huán)保無毒抗生物污損涂料、涂層方面付出了越來越多的努力，預(yù)期會(huì)應(yīng)用于沿海電力設(shè)備防污方面[10]。

雖然國內(nèi)外對沿海電力設(shè)施設(shè)備開展了防污技術(shù)研究，并應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際，但當(dāng)前仍缺少綜述文獻(xiàn)對已有電力設(shè)施防生物污損方法進(jìn)行總結(jié)，或?qū)ξ磥砑夹g(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。熱噴涂法是一種重要的涂層材料制備方法，具有經(jīng)濟(jì)、靈活、可現(xiàn)場作業(yè)的優(yōu)勢，可在電力設(shè)施表面制備高性能防腐蝕涂層等。為此，文中將首先總結(jié)海洋污損生物的種類及其造成各類電力設(shè)施腐蝕的現(xiàn)狀；介紹已有涂裝防生物污損的措施、技術(shù)特點(diǎn)，以及在沿海電力設(shè)施防污中的應(yīng)用案例；隨后依據(jù)不同的技術(shù)特點(diǎn)與發(fā)展趨向，詳細(xì)總結(jié)與歸納整理近10年熱噴涂防污損涂層的研究工作進(jìn)展，分析其在沿海電力設(shè)施防護(hù)方面的應(yīng)用前景，以期為未來電力設(shè)施海洋生物污損與腐蝕防護(hù)研究工作起到一定指引作用。

1 沿海電力設(shè)施的生物污損、腐蝕現(xiàn)狀與特點(diǎn)

海洋污損生物指能夠附著、棲息、定殖在各種海洋工程設(shè)施上，造成經(jīng)濟(jì)損失或危害的微生物和動(dòng)植物的總稱[11-12]。根據(jù)沿海電力設(shè)施所在位置海水深度的不同，可分為淺海區(qū)、大陸架全浸區(qū)、深海區(qū)。不同位置海洋環(huán)境的不同，使得電力設(shè)施生物污損及腐蝕問題呈現(xiàn)出不同特點(diǎn)：在淺海區(qū)，海水流速大，海洋生物密度大且活躍，水溫較高，微生物和大型動(dòng)植物表面污損將對設(shè)備腐蝕起到較強(qiáng)的促進(jìn)作用；在大陸架全浸區(qū)，水深增大，含氧量、水溫和速度下降，物理因素減弱，細(xì)菌等微生物將起到抑制或增強(qiáng)化學(xué)腐蝕的作用；在深海區(qū)，礦物質(zhì)鹽溶解量下降，水流、溫度均較低，以電化學(xué)和應(yīng)力腐蝕為主，生物污損腐蝕起到了輔助作用[13]。以下將分別對不同區(qū)域電力設(shè)施生物污損及腐蝕現(xiàn)狀進(jìn)行舉例分析。

1.1 沿海陸上電站海水系統(tǒng)生物污損及表面腐蝕

對于建設(shè)于沿海陸上的電力設(shè)施（核電站、海水抽水蓄能電站），輸水管道表面貼附的藤壺等大型生物會(huì)使其有效內(nèi)徑下降, 冷卻水流量降低，微生物分泌物則將加速管壁的腐蝕，嚴(yán)重時(shí)甚至影響機(jī)組的正常運(yùn)行。

江峰等[14]報(bào)道了秦山核電重水堆機(jī)組海水系統(tǒng)的防污涂層技術(shù)方案，并比較了2017—2020年期間，未涂裝防污涂層和有防污涂層的生物污損情況。如圖1所示，未作防污涂層保護(hù)的廠用水（Raw Service Water，RSW）吸入管和旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)表面附著生長了大量牡蠣、藤壺等大型生物。研究結(jié)果表明，如不加以控制，將對核電站海水系統(tǒng)運(yùn)行效率造成影響。作者指出，通過涂刷附著力較好的含氧化亞銅防污漆，利用銅離子的毒性殺滅作用，可在數(shù)年內(nèi)有效控制其表面生物污損狀況。

圖1 海水系統(tǒng)管壁生物附著形貌對比[14]

肖微等[15]分析了海水抽水蓄能電站電力設(shè)施金屬材料腐蝕的特點(diǎn)。海水抽水蓄能電站中的水泵水輪機(jī)作為其核心裝置，其金屬結(jié)構(gòu)件表面腐蝕較為嚴(yán)重，且伴隨生物污損加劇腐蝕的情況。水泵水輪機(jī)內(nèi)的高壓/高速水流將使溶解氧更快地?cái)U(kuò)散到金屬表面，從而加快其表層的腐蝕，甚至導(dǎo)致保護(hù)膜的剝落。諸如藤壺、牡蠣等海洋生物在水泵水輪機(jī)金屬表面及破損處附著并產(chǎn)生縫隙，使水中的氧不易到達(dá)，從而與其他氧分子容易到達(dá)的位置形成濃度差電池，而縫隙附著處的金屬表面作為陽極會(huì)被腐蝕。另一方面，微生物的腐蝕性代謝產(chǎn)物也將使水輪機(jī)內(nèi)金屬表面的腐蝕速度加快。

1.2 風(fēng)電站、潮汐電站電力設(shè)施表面污損及腐蝕

對于建設(shè)在淺海灘涂區(qū)域呈干濕交替狀態(tài)工作環(huán)境的電力設(shè)施（例如風(fēng)電站、潮汐電站等），惡劣的高濕度、高鹽工況條件會(huì)對其產(chǎn)生較強(qiáng)的化學(xué)腐蝕作用。另一方面，大型海洋生物（如海蠣子、藤壺）易附著于金屬材料表面，其分泌物將造成腐蝕的加速，且葉片附著污垢物后將使機(jī)組的運(yùn)行效率下降[16]。

張斌[17]報(bào)道了安裝在廣東省珠海市桂山海域的破損海上風(fēng)電塔架的腐蝕情況。作者根據(jù)風(fēng)電塔架不同的服役環(huán)境，分別在大氣區(qū)、飛濺區(qū)、全浸區(qū)、海泥區(qū)等4個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行了取樣分析，如圖2所示。結(jié)果表明，在大氣區(qū)，樣品中間區(qū)域的涂層基本完好，但涂層表面存在明顯的鼓泡和劃痕；在飛濺區(qū)，僅在樣品的中間區(qū)域殘留有少量涂層，而面漆表面大部分脫落，或被貝殼等海洋生物所覆蓋，涂層出現(xiàn)了明顯的分層剝離等情況；在全浸區(qū)，樣品的中間位置附著有大量的貝殼生物，紅色面漆基本消失，局部出現(xiàn)了剝離現(xiàn)象；在海泥區(qū)，樣品的表面涂層基本完好，表面僅有少量鼓泡、劃痕。

曹廣啟等[18]報(bào)道了某海上風(fēng)電站鋼結(jié)構(gòu)基座的表面腐蝕情況。某海上風(fēng)電站表面涂覆有設(shè)計(jì)壽命為15年的油漆防污層，然而在飛濺區(qū)其表面在數(shù)年內(nèi)就附著有大量海洋生物（如牡蠣），并發(fā)生了較為嚴(yán)重的生物腐蝕。作者分析，風(fēng)電站的鋼結(jié)構(gòu)表面附著的海蠣子形成了外污層，雖然能夠減少氧分子向碳鋼層的擴(kuò)散，但是外部污損層嗜氧菌的呼吸作用使得碳鋼表面缺氧，促進(jìn)了硫酸鹽還原菌（SRB，Sulfate- Reducing Bacteria）的生長，從而加速了碳鋼的厭氧腐蝕。

圖2 海上風(fēng)電塔架不同區(qū)域生物污損及腐蝕狀況外觀形貌[17]

由于潮汐發(fā)電機(jī)處于較惡劣的海水工況中，因此其海洋污損和腐蝕問題尤為突出。Chen等[19]總結(jié)報(bào)道了潮汐發(fā)電機(jī)失效的主要因素，表面海洋污損及腐蝕被認(rèn)為是造成潮汐發(fā)電機(jī)效率降低乃至失效的五大主要原因之一。楊凡[20]報(bào)道了韓國賈洛林、浙江江廈兩地潮汐電站的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施表面腐蝕的特點(diǎn)。作者指出，由于海水水位的變化，電站的機(jī)組過流面和鋼閘門等設(shè)備將面臨空氣、海水、海水?空氣交替等3種腐蝕介質(zhì)工況，這使得兩者將承受海鹽顆粒沉積的影響，以及海水活性氯離子的侵入。另外，海水中微生物和動(dòng)植物的附著將加速其表面的生物腐蝕，使得單一防腐蝕漆方法不足以長期有效地實(shí)現(xiàn)對潮汐電站電力設(shè)施結(jié)構(gòu)的保護(hù)。張紹正等[21]報(bào)道了江廈潮汐電站水輪機(jī)過流部件的防護(hù)方法。作者指出，機(jī)組過流部件表面容易被海洋生物附著、生長，從而導(dǎo)致過流斷面減小、生物分泌物腐蝕等一系列問題。該電站通過在過流部件表面涂刷配套漆（主要為高接觸型氧化亞銅防污漆），取得了較好的效果，在2年運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，被保護(hù)體表面僅有零星的藤壺等海洋生物單體附著。

1.3 海底管線電纜金屬保護(hù)層表面腐蝕

海底管線、海底電纜建設(shè)于幾十、數(shù)百米甚至更深的大陸架全浸區(qū)、深海區(qū)，相對于淺海區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)的大型海洋動(dòng)植物數(shù)量更少，嗜氧、厭氧細(xì)菌等微生物的附著對設(shè)備材料的腐蝕作用更為顯著[22-24]。微生物附著生長在金屬表面并形成了特定的生物膜，該膜層將改變金屬?溶液界面環(huán)境的物理化學(xué)特性，從而影響金屬的腐蝕行為。由此可見，研究海纜所在區(qū)域的實(shí)際海底腐蝕環(huán)境、探索管線外層表面微生物的腐蝕機(jī)制，對于確保海纜的長期安全運(yùn)行尤為重要。

海底電纜敷設(shè)于海水、海泥中，其最外層的鑄鐵套管、鎧裝銅芯電纜直接接觸海水或海泥。由于海水或海泥均為高鹽、細(xì)菌腐蝕等環(huán)境[24]，使得海底電纜易被加速腐蝕而損壞，縮短了海纜的壽命。吳聰?shù)萚25]研究報(bào)道了瓊州海峽500 kV海底電纜沿線的海底腐蝕環(huán)境情況，作者通過在北線站點(diǎn)廣東徐聞到南線站點(diǎn)海南澄邁總長31 km范圍內(nèi)布設(shè)數(shù)據(jù)采樣和分析站點(diǎn)，對海底沉積物進(jìn)行了取樣分析，獲取了包括泥溫、總有機(jī)碳（Total Organic Carbon，TOC）、硫酸還原菌在內(nèi)的數(shù)十種環(huán)境腐蝕因子。結(jié)果表明，徐聞近岸海區(qū)0.5～1.0 m淺海灘涂區(qū)域具有溫度高、有機(jī)物含量豐富、硫酸鹽還原菌（SRB）含量較高等特點(diǎn)，需重點(diǎn)加強(qiáng)海纜鑄鐵套管和本體的污損腐蝕防護(hù)工作。卞培旺等[26]研究了大亞灣海區(qū)海底沉積物的腐蝕性環(huán)境參數(shù)，該區(qū)域沉積物中的Fe3+/Fe2+含量比值的平均值為0.38，處于還原性環(huán)境；該區(qū)域的海洋沉積物中SRB豐度處于一般水平，對金屬的腐蝕速率具有一定加速作用。考慮到可能同時(shí)發(fā)生宏觀電偶腐蝕和硫酸鹽還原菌的腐蝕作用，作者建議適當(dāng)將陽極塊布設(shè)距離縮小，并采取強(qiáng)化防護(hù)措施，以應(yīng)對強(qiáng)力電偶腐蝕。

李秋實(shí)[27]研究了深海管線鋼表面細(xì)菌的腐蝕機(jī)理，提出了硫酸鹽還原菌對X65鋼在有氧中性溶液中腐蝕行為的影響機(jī)制。結(jié)果表明，SRB附著于金屬試樣表面，形成了生物膜，在一定程度上使得X65的腐蝕進(jìn)程減緩。作者指出，材料的緩蝕率與SRB的生長過程相關(guān)：在對數(shù)期內(nèi)迅速升高，在穩(wěn)定期保持穩(wěn)定，在衰亡期降低。王竹等[28]、胡家元等[29]研究了硫酸鹽還原菌和鐵氧化細(xì)菌（FEB）對海底電纜鎧裝銅絲的影響規(guī)律。作者發(fā)現(xiàn)，在模擬海水溶液條件下，在僅有SRB溶液中腐蝕過程的主要產(chǎn)物為Cu2O、CuS、Cu2Cl(OH)3；在僅有FEB的模擬海水溶液中，其腐蝕產(chǎn)物主要為Cu2O和Cu2Cl(OH)3；在同時(shí)加入2種細(xì)菌的模擬海水溶液中，其主要腐蝕產(chǎn)物為Cu2O和Cu2Cl(OH)3。腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單純SRB或FEB都會(huì)使腐蝕程度加劇，但前者對銅材料腐蝕的影響比后者大，并且在同時(shí)存在SRB和FEB的情況下，其腐蝕速率相比只存在單一細(xì)菌時(shí)的腐蝕速率??；在細(xì)菌的模擬溶液中，升高溫度將使均勻腐蝕加劇。

2 沿海電力設(shè)施海洋防污技術(shù)應(yīng)用典型案例

針對沿海電力設(shè)施防生物污損的應(yīng)用需求，人們開展了廣泛的研究和試驗(yàn)，不斷探索并開發(fā)出多種防海洋生物污損的治理方法。其中，涂裝防生物污損是代表性措施之一?，F(xiàn)有主流的防污涂料涂層主要分為兩大類：一類是含有防污劑材料（化學(xué)或生物毒性物質(zhì)）的防污涂料；另一類是無防污劑涂料。前者主要依靠有毒化學(xué)或生物防污劑緩慢釋放進(jìn)入海水，從而抑制海洋生物的附著和生長；后者具有低表面能光滑表面，雖然海洋生物可以在材料表面生長，但其低表面能特性使得海洋生物附著不牢，容易通過外部作用將其從涂層表面去除。

涂裝防污措施具有環(huán)保性能好、毒性可連續(xù)緩慢滲出、耐海浪沖擊性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該方式只能在一定時(shí)間內(nèi)防止電力設(shè)施表面的海洋生物附著，在3～5年后需重新進(jìn)行表面涂刷，對于潮汐電站等腐蝕工況惡劣的場合，還需要與其他防污措施結(jié)合，以加強(qiáng)防污、防腐蝕的效能。以下根據(jù)不同類型可再生能源電站的工作模式和特點(diǎn)，介紹現(xiàn)有應(yīng)用于電力材料的涂裝防污典型案例。

2.1 核電站、海水抽水蓄能電站海水系統(tǒng)防生物腐蝕案例

江峰等[14]報(bào)道了秦山核電站所處海域海水系統(tǒng)設(shè)施生物污損的主要來源，并且結(jié)合所采用的防污漆類型，介紹了秦山核電重水堆機(jī)組的RSW吸入管和旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)所使用的防污漆種類和涂裝防污應(yīng)用情況（圖3）。其中，RSW吸入管選用海虹老人牌環(huán)氧漆47188和同品牌防污漆78950涂層配套體系（2017—2020年），可防止海生物的附著。2019年的檢修結(jié)果表明，RSW吸水管表面因海水沖刷造成了涂層表面的磨損，可見防污漆層多處鼓泡，但未發(fā)現(xiàn)海生物附著，防污效果較為顯著。另一方面，通過在旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)框架上人工涂裝表面防污涂料，緩解了海生物的附著沉降，涂層配套系統(tǒng)底漆采用PPG高固態(tài)環(huán)氧漆Sigma Cover 850，鏈接漆為環(huán)氧漆Sigma Cover 555，面漆采用自拋光防污漆Sigma Ecofleet 290，2019—2020年的檢查結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)框架上沒有海生物附著，表面較為光潔。

圖3 RSW吸入管和旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)涂裝防污應(yīng)用效果[14]

熊偉平等[30]總結(jié)報(bào)道了日本沖繩海水抽水蓄能電站的涂裝防污方案，作者指出，該電站的取排水口內(nèi)張管、壓力鋼管彎曲部管、尾水進(jìn)入門、尾水閘門等部件采用了碳素鋼材料，在鋼體涉水面上涂有高耐久性、性能強(qiáng)韌的含有玻璃鱗片的乙烯基酯樹脂（Glass Flake Vinylester），用以隔絕海水，并防止海洋生物污損腐蝕。在5年運(yùn)行周期的2次例行檢查中，上述提到的碳素鋼制部件中有部分含玻璃鱗片的乙烯基酯樹脂涂裝表面出現(xiàn)了膨脹、剝離等物理變化；由于采取了電氣防腐蝕手段，因此并沒有出現(xiàn)海洋生物的附著或表面腐蝕。

2.2 海上風(fēng)場鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)防腐層防污措施

曹廣啟等[18]報(bào)道了某海上風(fēng)電場鋼結(jié)構(gòu)基座表面基礎(chǔ)防腐層提前失效的應(yīng)對解決方案。為了保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在惡劣腐蝕環(huán)境工況下長期穩(wěn)定工作，該風(fēng)電場的基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕性能按照15年的高標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然而實(shí)際運(yùn)行遠(yuǎn)不到15年時(shí)，大量的鋼結(jié)構(gòu)基座表面的基礎(chǔ)防腐層就出現(xiàn)大面積生物污損和腐蝕損害等現(xiàn)象。作者對此給出了針對性的解決方案，制作玻璃鋼保護(hù)管，將其包裹在鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)外表，然后將低表面能防污漆涂刷于保護(hù)管外部，以防止海洋生物的附著，待防污漆提前失效后，將表面污損的玻璃鋼保護(hù)管拆下運(yùn)回工廠，在去除附著生物后再重新人工涂刷新的防護(hù)漆，并再次用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)鋼結(jié)構(gòu)的表面，以防止海洋生物表面的附著。該方案避免了現(xiàn)場人工涂刷防污漆時(shí)易受到環(huán)境影響的問題，從而有效保證了施工質(zhì)量。

2.3 潮汐水電站防污防腐蝕案例

海洋生物污損問題會(huì)嚴(yán)重影響潮汐發(fā)電站的運(yùn)行效率，因此必須采取必要的防護(hù)應(yīng)對措施。Walker等[31]、Batten等[32]研究了潮汐發(fā)電機(jī)渦輪葉片表面不同生物污垢體的種類、數(shù)量對能量提取裝置性能的影響。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，少量生物污垢便會(huì)顯著影響發(fā)電機(jī)的工作效率，而且隨著葉片轉(zhuǎn)速的增加更為顯著，較高的污垢水平導(dǎo)致葉片效率下降了約70%。為此，國外較早開展了潮汐電站電力設(shè)施表面海洋污損及腐蝕防護(hù)措施的研究，大多數(shù)已部署的大型潮流輪機(jī)都采用耐久性的防污涂料，并輔以人工清理方式，以遏制海洋生物污損。朱春英[33]報(bào)道了溫嶺江廈潮汐試驗(yàn)電站近年來新機(jī)組的防污技術(shù)方案。該電站6號(hào)新機(jī)組的過流面外殼采用不銹鋼材料，其本身具有較強(qiáng)的耐腐蝕性，主要采用了防腐防污涂料與外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)雙重保護(hù)的方案，在國內(nèi)外在運(yùn)行潮汐機(jī)組中屬于首例。作者指出，僅僅利用防污漆的涂裝方法不能長期有效地保護(hù)機(jī)組的過流面，需選用防腐防污涂料與外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)相結(jié)合的方案。該案例中，防護(hù)漆體系為涂刷較厚的氯化橡膠瀝青防銹漆和長效防污漆，一方面可以將海水與過流面表面隔離，防止不銹鋼腐蝕的產(chǎn)生；另一方面長效防污漆涂料逐漸將有毒化學(xué)物質(zhì)釋放出，以殺死表面附著的海生物。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，2007年采用防污防腐蝕相結(jié)合的保護(hù)方案后電站順利并網(wǎng)發(fā)電，直到作者2009年發(fā)表研究論文為止，機(jī)組的總體運(yùn)行狀況良好。

3 基于熱噴涂方法的防污損技術(shù)研究進(jìn)展

電力設(shè)施的涂裝防污損技術(shù)有著重要的應(yīng)用價(jià)值，但需要兼顧對海洋環(huán)境無毒（低毒）作用的問題，例如在海底電纜防污應(yīng)用場合，回收海底電纜的成本有時(shí)會(huì)高于總的鋪設(shè)成本，因此需要考慮其全服役周期防污材料的長效、無毒特性[34]。近年來，人們在無毒環(huán)保防污涂料、涂層方面開展了大量的研究工作[35]?？傮w基于2個(gè)方面的思路：一是采用物理方法，使防護(hù)涂層具有低表面能特性，使海洋生物不易在其表面附著[36-37]；二是采用環(huán)境友好的生物防污劑，以替代金屬毒素[38]。2種思路實(shí)現(xiàn)的海洋防污損涂層具備各自的優(yōu)勢。單一抗污損方式存在不足之處，通常低表面能有機(jī)材料的機(jī)械強(qiáng)度較低、耐磨損性較差，易受紫外光照老化[39]，因此耐久性也較差；雖然生物毒素具有環(huán)保優(yōu)勢，但它容易快速釋放到海水中，難以實(shí)現(xiàn)長效的防護(hù)作用。由此可見，采取復(fù)合方式構(gòu)筑環(huán)境友好型涂層材料，能在提高其抗生物污損性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)防護(hù)功效的長效性和耐久性。熱噴涂方法具有工藝成本低、可選擇材料范圍廣、便于進(jìn)行現(xiàn)場操作等優(yōu)勢，適合于電力材料防污涂層的制備，是有希望將防生物污損新技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際電力設(shè)備防護(hù)方面的重要技術(shù)手段之一。按照技術(shù)思路的不同，近年來熱噴涂復(fù)合涂層的研究思路主要分為以下4類。

1）對原有防護(hù)涂層進(jìn)行表面修飾或改性，提高其抗污損性能。

2）構(gòu)筑有機(jī)–無機(jī)復(fù)合涂層，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低表面能和金屬離子抗污損。

3）將天然防污劑復(fù)合于涂料、涂層中，使其在具有抗污損作用的同時(shí)還具有環(huán)保特性。

4）發(fā)展多元合金材料或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)，制備緩釋能力優(yōu)異的無機(jī)防污涂層。

以下將依次對這4類熱噴涂復(fù)合涂層防污損材料的制備進(jìn)行總結(jié)和分析。

3.1 表面修飾改性防污復(fù)合涂層

多數(shù)基于熱噴涂法制備的海洋防腐蝕涂層材料不能有效地防止生物污損，而通過對熱噴涂涂層表面進(jìn)行后修飾改性等處理，則可有效提高其防污損性能。典型方法包括對熱噴涂涂層表層進(jìn)行物理/化學(xué)處理，使其具備多尺度微納結(jié)構(gòu)，或采用有機(jī)鹽類改變其表面的親疏水性或生物毒性，同時(shí)結(jié)合結(jié)構(gòu)防污和化學(xué)防污的優(yōu)勢提高涂層的表面防污性能。以下將介紹近年來表面修飾改性的熱噴涂防污復(fù)合涂層的重要研究進(jìn)展。

賀小燕[40]研究了熱噴涂Al樣品表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分對微生物附著的協(xié)同影響機(jī)制，研究了對熱噴涂Al表面進(jìn)行織構(gòu)化處理和季銨化反應(yīng)樣品的生物防污損性能。首先對熱噴涂Al涂層進(jìn)行簡單沸水處理，可在其表面獲得微納結(jié)構(gòu)，同時(shí)使其表面帶有豐富的羥基，命名為Al?micro。進(jìn)一步經(jīng)過簡單的聚乙烯亞胺（PEI）自組裝和季銨（QPEI）化反應(yīng)，分別獲得織構(gòu)化的聚乙烯亞胺修飾樣品（Al?micro?PEI）和季銨鹽修飾樣品（Al?micro?QPEI）。結(jié)果表明，處理后的2種樣品相較于無修飾樣品減少了95%的三角褐指藻、98%的小球藻附著，其根本原因在于有機(jī)物的修飾使得熱噴涂Al涂層表面的親水性發(fā)生了改變。另一方面，Al?micro、Al?micro?PEI樣品表面附著的微生物形貌保持原樣，與之不同的是，Al?micro?QPEI上附著的三角褐指藻和小球藻細(xì)胞膜的表面出現(xiàn)了孔洞、卷曲，甚至坍塌現(xiàn)象。這是因?yàn)榧句@陽離子與污損微生物細(xì)胞膜的蛋白質(zhì)類、多糖類分子相結(jié)合，增加了細(xì)胞膜的通透性，可能導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂和細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的泄漏，從而使微生物死亡，此獨(dú)特性質(zhì)抑制了污損微生物在涂層表面的附著。

He等[41]研究了構(gòu)筑多層微圖紋的表面熱噴涂鋁涂層并經(jīng)修飾后的防生物污損性。作者在鋁涂層沉積過程中，采用鋼網(wǎng)作為屏蔽板，實(shí)現(xiàn)了涂層的微結(jié)構(gòu)，而后將用于密封和連接的有機(jī)硅彈性體層進(jìn)一步刷涂在微圖紋涂層上。另外，還利用兩性離子分子通過DOPA鍵進(jìn)行了表面修飾?？股镂蹞p實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，表面改性涂層兩性離子分子的修飾能有效地抑制條件膜的生成，從而抵抗圓柱形莢膜菌的定植；涂層的微圖紋顯著影響了海洋硅藻的定殖行為。雙重效果使得改性后的熱噴涂鋁涂層具備較強(qiáng)的抗污防腐蝕性能。

López?Ortega等[42]通過在涂料中添加SiO2納米顆粒和殺菌劑，使涂料具有超疏水和抗菌性能，進(jìn)而將復(fù)合涂料涂于熱涂覆噴涂鋁涂層上，獲得了復(fù)合防污涂層材料（圖4），提高了其防污、防腐蝕性能。對3種殺菌劑進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并選擇了最有前途的一種殺菌劑。作者進(jìn)行了潤濕性測試、細(xì)菌活性評(píng)估、生態(tài)毒性測試、水生海洋環(huán)境中的黏附測量等，以評(píng)估涂料在腐蝕性大氣中使用時(shí)的防腐能力。該涂料中SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，Cu2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%，表現(xiàn)出較優(yōu)的超疏水性。

圖4 基于熱噴涂鋁的超疏水?抗菌復(fù)合防污涂層制備流程[42]

3.2 有機(jī)–無機(jī)復(fù)合超疏水防污涂層

結(jié)合有機(jī)材料低表面能特性與無機(jī)金屬材料（如銅納米顆粒）的抗菌殺菌毒性，制備了熱噴涂防污涂層。前者的低表面能特性能使得涂層不易被微生物黏附，而后者在有機(jī)涂層的包裹下可緩慢釋放出低毒銅離子，以殺滅藻類等微生物，從而提高了其防污損長效性。在此基礎(chǔ)上，研究人員提出了實(shí)現(xiàn)具備良好防污性能無機(jī)/有機(jī)復(fù)合涂料的新技術(shù)路線。

銅涂層在防生物污損中的作用顯著，但表層的銅離子在釋放結(jié)束后，就不能繼續(xù)防止生物污損，此問題的解決方案之一是構(gòu)筑以低毒的銅材料為防污劑主體的有機(jī)?無機(jī)復(fù)合涂層。Vucko等[43]研究了采用冷噴涂方法制備的嵌有銅顆粒的聚氨酯的防生物污損特性，結(jié)果表明，高的銅顆粒含量可獲得更好的生物防污性能，不同密度聚氨酯的服役期不同，低密度聚氨酯的服役期只有42 d，而高密度聚氨酯的服役期則可達(dá)210 d。Vucko等[44]利用冷噴涂方法將銅、鋅顆粒嵌入聚合物材料中，制備了具有密度梯度的涂層材料，研究了不同密度梯度控制銅離子、鋅離子的釋放速率規(guī)律，達(dá)到了延長防生物污損服役時(shí)間的目的。Liu等[45]利用懸浮火焰噴射法制備了聚酰亞胺?銅復(fù)合防污板，噴涂制備得到了內(nèi)部為分散型膠囊微結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺板，它具有內(nèi)孔和頂部表面小孔的中空結(jié)構(gòu)。在沉積過程中，將200～1 000 nm的銅粒子包裹在板內(nèi)，以限制銅的釋放，獲得了持續(xù)的防污性能。經(jīng)24 h的涂層防污測試，結(jié)果表明，銅摻雜板有效地阻止了大腸桿菌的附著，它兼具釋放?殺滅和接觸?殺滅機(jī)制的雙重功能結(jié)構(gòu)。Liu等[46]采用液體火焰噴涂法，利用聚酰亞胺前驅(qū)體和銅顆粒混合物制備了防污涂層，該涂層在人工海水中具有良好的耐腐蝕性，涂層能有效抵抗大腸桿菌和芽孢桿菌在其表面的定植，具有顯著的防污性能。Jia等[47]通過化學(xué)鍍方法制備了銅（Cu）?高密度聚乙烯（HDPE）核殼顆粒，并以之為填料采用火焰噴涂沉積法制備了防污損涂層，獲得了周圍單個(gè)HDPE顆粒厚度為1 μm的銅殼。如圖5 所示，耐污損實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在含銅涂層表面，芽孢桿菌的附著能力明顯受到抑制，證明該涂層具有良好的防污性能。其中，低劑量銅離子的連續(xù)釋放使涂層具有長期的防污能力。

圖5 不同涂層在含芽孢桿菌培養(yǎng)液中培養(yǎng)72 h后表面形貌比較及銅離子釋放速率的變化規(guī)律[47]

除了利用有機(jī)聚合物作為銅顆粒的包裹層，實(shí)現(xiàn)低表面能和銅離子緩釋的雙重效果，以提高長效防污性能以外，還可以采用有機(jī)聚合物層作為不同材質(zhì)金屬間的隔離層，同時(shí)提高復(fù)合涂層的耐腐蝕和耐污損性能。Wang等[48-49]采用芯絲電弧噴涂法研制了鋁?聚甲基丙烯酸甲酯?銅復(fù)合涂層，利用細(xì)菌對涂料的防污性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并對涂層微觀結(jié)構(gòu)和防污機(jī)理進(jìn)行了研究和討論。結(jié)果表明，復(fù)合涂層具有較好的防污性能，其中可能存在2種防污機(jī)理：一方面，Al組分的腐蝕使銅納米粒子被釋放到海水中，從而轉(zhuǎn)化為銅離子，殺死了細(xì)菌；另一方面，Cu?Al原電反應(yīng)加速了Al的氧化，形成了針狀腐蝕產(chǎn)物，刺穿了細(xì)胞膜，并殺死細(xì)菌。評(píng)價(jià)了PMMA對涂層電化學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，PMMA組分的密封性能提高了Al?PMMA?Cu涂層的耐蝕性。

3.3 基于天然產(chǎn)物防污劑的復(fù)合防污涂層

將諸如生物毒性酶、天然代謝產(chǎn)物、植物毒素等具有微生物毒性且可降解的天然產(chǎn)物防污劑（Natural Product Antifoulants，NPA）與熱噴涂材料組合，可以獲得具有抗污損力且同時(shí)具有無毒環(huán)保優(yōu)點(diǎn)的防污涂層。需要解決防污涂層中NPA容易發(fā)生快速泄漏、涂層表面形貌不易實(shí)現(xiàn)等實(shí)際應(yīng)用中的重要問題。

Liu等[50]研究開發(fā)了用于海洋防污的火焰噴涂高密度聚乙烯（HDPE）?辣椒素復(fù)合涂層，辣椒素粉通過聚合物基體固定，并均勻分布于涂層，通過檢測大腸桿菌、芽孢桿菌和三角褐指藻的存活和定殖行為來評(píng)價(jià)膜的防污性能。抗污試驗(yàn)結(jié)果表明，HDPE?辣椒素復(fù)合涂層對革蘭氏陰性大腸桿菌和革蘭氏陽性海洋芽孢桿菌均具有良好的抗菌性能。Lu等[51]研究了具有定向納米形貌和不泄漏辣椒素的柔性疏水防污涂料。如圖6所示，通過將辣椒素與CoFe2O4/明膠磁性納米顆粒結(jié)合，并與聚二甲基硅氧烷（PDMS）基嵌段共聚物混合，采用噴涂方法制備得到了抗污損薄膜，它顯著減少了舟形藻的沉降速率。通過與CoFe2O4/明膠納米微球的化學(xué)鍵抑制了辣椒素的泄漏，實(shí)現(xiàn)了長效緩釋防污。相關(guān)報(bào)道都獲得了具有緩釋效果的熱噴涂復(fù)合涂層，對細(xì)菌和藻類均具有良好的防污性能，為其在海洋環(huán)境中作為環(huán)保型防污層的應(yīng)用提供了新的指導(dǎo)思路。

3.4 基于緩釋方法的無機(jī)防污損涂層

含銅有機(jī)涂層在防止生物污損和腐蝕領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[52]，在含銅熱噴涂無機(jī)涂層研究領(lǐng)域，調(diào)控銅離子的釋放率仍存在較大的困難。為此人們基于熱噴涂方法開展了含銅無機(jī)緩釋涂層的研究。

圖6 舟形藻在不同襯底表面的光學(xué)圖像和沉降密度[52]

Fang等[53]報(bào)道了利用電弧噴涂制備具有防腐和防污性能的新型鋁銅涂層。銅顆粒被分散在涂層中，在沉積過程中Cu顆粒與Al基體相互作用，產(chǎn)生了部分Al2Cu。與Al2Cu的化學(xué)反應(yīng)為涂層提供了一種錨定效應(yīng)，防止Cu顆?？焖籴尫诺剿h(huán)境中。檢測了大腸桿菌、芽孢桿菌和典型海藻的沉降和定殖行為，并對涂層進(jìn)行了防污試驗(yàn)，結(jié)果表明，涂層具有良好的防污性能。涂層的防污性能主要來自于銅離子的連續(xù)釋放。

Tian等[54]采用機(jī)械混合Cu/Ti粉末等離子噴涂的方法，研制了一種微米級(jí)Cu/Ti交替層狀結(jié)構(gòu)的Cu?Ti復(fù)合防污涂層。該涂層可通過Cu層板在水溶液中的電溶解控制Cu離子的釋放。結(jié)果表明，Cu?Ti涂層對細(xì)菌的防污效果較顯著，附著率接近100%。Cu?Ti涂層內(nèi)原位形成了Cu/Ti微原電池，Cu層合板的連續(xù)溶解導(dǎo)致Ti層合板的近表面形成了微通道，有助于控制Cu離子的緩慢釋放和自拋光防污損。結(jié)果表明，Cu?Ti涂層具有比常規(guī)有機(jī)防污涂層高200%的環(huán)保防污性能，防污壽命也比常規(guī)有機(jī)防污涂層高200%。Tian等[55]研究了防污性能隨Cu負(fù)載量增加的變化規(guī)律，結(jié)果表明，銅離子的釋放速率和防污時(shí)間隨著Cu負(fù)載量的增加而增大。隨著Cu的負(fù)載量從8.1%增至19.2%，Cu?Ti涂層對細(xì)菌的防污效果也不斷增加。當(dāng)Cu的負(fù)載量超過19.2%時(shí)，防污效果接近100%。不同Cu負(fù)載量的電化學(xué)測試結(jié)果表明，相較于單個(gè)電池的溶出速率，微原電池?cái)?shù)量對銅總?cè)艹雎实挠绊懜鼮轱@著，后者將決定Cu離子的釋放速率和自拋光效果。

4 結(jié)語

生物污損是造成沿海電力設(shè)施腐蝕加速的重要原因之一，如何有效控制其表面生物污損問題、延長電力設(shè)施服役時(shí)間對于保障我國能源安全有著重要意義。文中對沿海電力設(shè)施的生物腐蝕現(xiàn)象、涂裝防生物污損腐蝕方法（包括具體案例）、熱噴涂復(fù)合防污涂層制備及應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1）建設(shè)在淺海灘涂的風(fēng)電站、潮汐電站、海水抽水蓄能電站長期處于干濕交替、海鹽腐蝕等工況條件下，容易發(fā)生較嚴(yán)重的生物污損和腐蝕，通常需要將涂裝防污技術(shù)配合其他措施共同作用，以達(dá)到理想的防污效果。

2）核電站海水系統(tǒng)、海底電纜等電力設(shè)施所處的環(huán)境條件相對較為穩(wěn)定，采用涂裝防污措施通?？梢赃_(dá)到理想的效果。

3）在報(bào)道的實(shí)際案例中，單獨(dú)采用涂層防污措施，或與其他防腐蝕方法并用，都可以實(shí)現(xiàn)良好的防腐蝕性能。

未來，電力設(shè)施的防生物污損與腐蝕需制備無毒（低毒）、環(huán)保、長效的復(fù)合防污涂層。文中按4種不同的技術(shù)思路，對熱噴涂制備無毒（低毒）復(fù)合型防污涂層的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1）熱噴涂制備防污涂層技術(shù)具有可現(xiàn)場作業(yè)、材質(zhì)成分選取靈活、成本低等優(yōu)勢，是未來有希望將新型復(fù)合防污涂層應(yīng)用于實(shí)際場合的技術(shù)方法之一。

2）通過對原有防護(hù)涂層進(jìn)行表面修飾或改性，可提高其抗污損性能。通過構(gòu)筑有機(jī)?無機(jī)復(fù)合涂層，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)低表面能和金屬離子抗污損。通過將天然防污劑復(fù)合到涂料、涂層中，可使其具有抗污損性，且具有環(huán)保特性。發(fā)展多元合金材料或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)可制備緩釋能力優(yōu)異的防污涂層。

基于這些技術(shù)趨勢的新型熱噴涂涂層研究工作，有望為未來發(fā)展新型電力設(shè)施防海洋污損與腐蝕的防護(hù)方法起到一定指引作用。

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Research Progress on Biological Fouling and Corrosion and Thermal Spraying Surface Protection of Power Facilities

1,1,1,1,1,1,2,2,2

(1. Liuzhou Bureau, EHV Transmission Company, China Southern Power Grid Co., Ltd., Guangxi Liuzhou 545006, China; 2. Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Zhejiang Ningbo 315201, China)

Marine organisms are inclined to attach and grow on the surface of coastal power facilities, and their metabolic process and products lead to accelerated corrosion of metal surfaces and aging damage of power facilities, resulting in potential harm and economic loss. Therefore, anti-fouling coating techniques that can reduce and inhibit biological fouling on the surface of power facilities are of crucial research and application value. The preparation of anti-fouling coating by thermal spraying is one of the important methods to prevent biological fouling and corrosion and also an important direction to apply research work to practice in the future. Up to now, the research progress of biological corrosion status of power facilities and equipment and thermal spraying surface protection has not been reported. The current situation of biological fouling corrosion and the research progress of thermal spraying anti-fouling measures of power facilities and equipment were summarized in order to give a timely and comprehensive review. Firstly, the present situation of biological fouling and corrosion characteristics on power equipment in different coastal regions was introduced, typical application cases of anti-fouling coatings for different power facilities in recent years were cited, and then the research progress of the thermal spraying composite anti-fouling coating for nearly 10 years was exclusively reviewed according to different technical characteristics and developing trends. Additionally, the application prospect in coastal power facility protection was also analyzed, so as to provide important guidance for future research in the related fields.

power equipment; biological corrosion; thermal spraying; surface protection measure

TQ630

A

1001-3660(2022)10-0155-12

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.10.015

2021–08–30；

2021–10–28

2021-08-30；

2021-10-28

中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司科技項(xiàng)目（CGYKJXM20180208）

Foundation of China Southern Power Grid Co., Ltd. Liuzhou Bureau of EHV Transmission Company (CGYKJXM20180208)

寧淼福（1981—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楦邏狠旊娋€路運(yùn)維、電網(wǎng)材料應(yīng)用、腐蝕控制技術(shù)。

NING Miao-fu (1981-), Male, Master, Senior engineer, Research focus: high voltage transmission line operation and maintenance, grid material application, corrosion control technology.

劉奕（1985—），女，博士，副研究員，主要研究方向?yàn)楹Ｑ蠓郎镂蹞p涂層制備及防護(hù)機(jī)理。

LIU Yi (1985-), Female, Doctor, Associate research fellow, Research focus: preparation and protection mechanism of marine biological fouling coating.

寧淼福, 孫闊騰, 蔡瑋辰, 等.電力設(shè)施生物污損腐蝕與熱噴涂表面防護(hù)研究進(jìn)展[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(10): 155-166.

NING Miao-fu, SUN Kuo-teng, CAI Wei-chen, et al. Research Progress on Biological Fouling and Corrosion and Thermal Spraying Surface Protection of Power Facilities[J]. Surface Technology, 2022, 51(10): 155-166.

責(zé)任編輯：彭颋