詹耀
（广东明阳风电产业集团有限公司，广东 中山 528437）
摘要：阐述了大型风力发电设备的结构和特点,提出了大型风力发电设备零部件所采用的防腐技术和方法,同时针对相应的防腐技术和方法进行论述,并着重阐述大型风力发电设备所采用的涂层防腐技术.
关键词：大型风力发电设备 防腐技术 防腐涂层 质量控制
0 引言
以水能、风能、太阳能、生物质能、地热能和海洋能为主的可再生能源是国家能源体系的重要组成部分，可再生能源具有资源分布广、开发潜力大、环境影响小、可持续利用的特点，它是有利于人与自然和谐发展的重要能源资源。当前，随着水能的成熟应用和风能、太阳能的兴起，开发利用可再生能源已成为世界各国保障能源安全、加强环境保护、应对气候变化的重要措施。随着经济社会的发展，我国能源需求将持续增长，能源资源和环境问题也日益突出，加快开发利用风能、太阳能等可再生能源已成为我国应对日益严峻的能源和环境问题的必由之路。为了实现2015年和2020年非化石能源分别占一次能源消费比重11.4%和15%的目标，加快能源结构调整，培育和打造战略性新兴产业，推进可再生能源产业持续健康发展。2012年7月9日国务院发布了《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》。其中制定的风能产业规划为：加强风电装备研发，增强大型风电机组整机和控制系统设计能力，提高发电机、齿轮箱、叶片以及轴承、变流器等关键零部件开发能力，在风电运行控制、大规模并网、储能技术方面取得重大突破。建设东北、西北、华北北部和沿海地区的八大千万千瓦级风电基地。在内陆山地、河谷、湖泊等风能资源相对丰富的地区，发挥距离电力负荷中心近电网接入条件好的优势，因地制宜开发中小型风电项目，积极推动海上风电项目建设。
目前我国大型风力发电场建设已从“三北”（东北、西北、华北）地区，向沿海、内陆地区扩展，并且开始进军海上。然而在各种不同气候和环境条件下的风力发电设备无论是从风机的基础结构到塔筒，从叶片到机舱，从风力发电设备的各类机械零部件到电气元器件，这些都要面对各种气候条件和腐蚀环境的考验，有些腐蚀因素甚至是致命的隐患，这就极大地影响到风力发电设备的安全运行和使用寿命，因此，无论是建设陆上风电场、还是海上风电场，都对风力发电设备的防腐技术提出了更高的要求。本文正是针对大型风力发电设备的金属零部件和电气元器件所处的环境特点提出了相应的防腐技术和实施方案，并对风力发电设备的防腐工艺实施和质量控制进行了阐述，其目的是为了促进风力发电设备的防腐蚀关键技术的应用和突破，从而更好地推动风能资源的开发和利用。
1 应用于风力发电设备的防腐技术
大型风力发电设备是将风能转换成机械能，再将机械能转换为电能，输送和并入电网。风力发电设备在风能转换成机械能再转换成电能的过程中，一套风力发电设备为了实现其功能的转换而由若干个系统、结构和零部件组成。而组成其零部件大多数采用碳钢、铸铁等金属材料，还有电气设备的电气元器件等，因此解决风力发电设备的防腐蚀问题也要从其结构和所使用的材料特性以及其安装运行环境的腐蚀介质入手进行剖析。虽然大型风力发电设备的结构比较复杂，但是其结构大体上由风轮（叶片、轮毂）、风轮轴、调速装置、发电机、制动系统、液压系统、机舱、偏航系统、塔架、支撑结构基础、控制系统等部分组成。应用于大型风力发电设备零部件的主要防腐蚀技术及方法包括：防腐涂层技术、热浸镀锌及渗锌、电镀锌、达克罗和交美特技术以及喷锌（铝）涂层，还有采用耐候钢等耐腐蚀性金属材料、涂抹防锈油脂以及采用阴极保护技术等防腐技术及方法，用来提高风力发电设备的防腐蚀及防护能力。下面分别就风力发电设备所采用的不同防腐蚀技术方法进行论述和探讨。
1.1 防腐蚀涂层技术
防腐蚀涂层技术是风力发电设备应用最普遍的防腐方法，随着风力发电设备的大型化，以及大批风电场的开发和兴建，从而对风力发电设备承受各种各样的环境腐蚀能力和使用寿命提出了更高的要求，因此迫切需要与之相配套的防腐涂料。而常用的涂料已不能满足这些需要。人们提出的“重防腐涂料(Heavy Coating)”的概念，它一般指在苛刻的腐蚀环境使用，简单地说：重防腐涂料就是使用寿命更长，可适应更苛刻的使用环境的涂料。而重防腐复合涂层包括底漆、中间漆和面漆相互配套的多层复合防腐结构。这种复合防腐涂层结构目前普遍在风力发电设备的防腐蚀领域得到广泛应用，如风电塔筒、风电叶片、轮毂、齿轮箱、发电机以及机架钢结构等一大批零部件表面都采用复合防腐涂层进行防护。这不仅因为防腐涂料性能好、易施工和修复，而且其防护年限长，因此只要科学的设计复合防腐涂层、工艺施工和质量控制到位，基本上能够达到与风力发电设备相同的20年以上防护年限要求，在海上风电场甚至于可以满足25年以上的防护年限要求，下面简述了防腐涂层技术在风力发电设备零部件上的实际应用情况。
1.1.1 塔架筒体内、外壁及外露的钢结构零部件
塔筒外壁通常采用：环氧（或无机）富锌底漆+环氧云铁中间漆+聚氨酯面漆的涂层结构，这种防腐涂层结构的底漆由于高金属含量锌粉提供很好的阴极保护，厚浆型环氧云铁中间漆的片状云母氧化铁所形成的“迷宫”效应，能够隔绝水分子、盐雾分子向金属零件表面渗透和腐蚀，改性聚氨酯面漆不仅具有防太阳光及紫外线老化的能力，而且能够耐风沙、雨雪和盐雾的侵蚀。对于海上风力发电设备的塔筒外壁的底层可采用电弧喷锌或锌/铝合金，面层可采用耐候性优良的氟碳面漆，从而提高风电零部件应对恶劣海洋环境的腐蚀能力。
塔筒内壁由于不接触到外界的阳光直射，耐光老化性相对外壁要弱，可以采用：环氧富锌底漆+环氧面漆的二层防腐涂层结构。当腐蚀环境恶劣时，塔筒内壁可按照塔筒外壁一样采用：环氧富锌底漆 +环氧云铁漆+聚氨酯面漆的三层结构，但其涂层厚度比塔筒外壁要薄。
1.1.2 塔筒、机舱和轮毂内部的钢结构零部件
对于塔筒、机舱和轮毂内部的裸露金属零部件的防腐防护，除了注重在材质选择上的特殊要求外，还根据钢铁及铸件零部件的材料性质、所处的部位和结构特点同样采用涂装环氧富锌底漆、环氧云铁中间漆和聚氨酯面漆的复合涂层结构，能够很好地保护零部件免受腐蚀介质的侵蚀。
1.1.3 塔架及机舱和轮毂内部电气控制元器件
针对塔筒内部、机舱罩和整流罩内部电气控制设备，如控制柜、变频器等箱体的薄形钢板材料，内外表面腐蚀防护采用喷塑（粉未涂料）处理，并采取通风降温、干燥吸潮等特殊处理措施，能更好地满足电气设备的防潮、防盐雾等防腐蚀要求。考虑到绝缘性、防静电性等电气设备的性能要求，柜体的内、外表面按照喷塑（粉末涂料）工艺进行，厚度为50-100μm。柜体内的电气控制元（器）件要满足“防盐雾、防湿热、防霉菌”三防要求。
1.1.4 风机叶片的表面防护涂层
风机叶片直接关系到风力发电设备的发电效率及使用寿命，对于安装于陆上及沙漠地区的风机叶片遭受到沙尘的磨蚀；对于海上风机叶片需要承受海洋气候环境下的高盐雾、高温热、风雨的侵蚀，使用叶片防护涂层技术不仅能满足风电叶片的防磨蚀和防老化、提高使用寿命的要求，更能实现少维护、延长维护周期、提高风机叶片的可靠性。风机叶片防护涂层适用于辊涂、空气喷涂及高压无气喷涂设备的施工，固化成膜快，实现底、面一体化，减少作业时间，提高喷涂施工工作效率，其防护涂层体系设计见表1。
对于风力发电设备的防腐涂料品种的选择，由于目前市场上防腐涂料品种繁多，其性能和用途各有不同，正确地采用防腐涂料，对于风力发电设备的防腐蚀效果和使用寿命至关重要。选用时应从以下方面进行综合分析和考虑：
1）被涂物材料的性质。如结构钢、铸铁、不锈钢等不同材质的风力发电设备零部件，其涂层结构、涂层厚度也应不同。根据风力发电设备的金属零部件所处不同部位、不同材质、工作环境和耐候性要求，分别提出相应的涂层系统。
2）被涂物的使用环境。防腐蚀涂料对环境针对性很强，要根据具体使用环境，如腐蚀介质的类型、浓度、温度，风电场运行环境条件等因素来选用最适宜的防腐涂料品种。如高原型风机、潮间带风机、海上型风机，由于风机所处的环境气候条件不同，其防腐涂料的品种、涂层厚度也有所不同。
3）施工条件。根据施工现场实际状况选择适宜的涂料品种。如在通风条件差的现场施工宜采用无溶剂或高固体份或水性防腐蚀涂料。在不具备烘烤干燥的现场只能选用自干型涂料。
4）性价比。不仅要考虑防腐蚀涂料的技术性能，还要考虑涂料产品的成本、风电场的投资以及经济的合理性。经济核算时要将材料费用、表面处理费用、施工费用、涂层性能及使用寿命年限、维修费用等综合考虑。
1.2 热浸镀锌及渗锌技术
对于风力发电设备的整流罩和机舱罩的钢结构支架、塔筒内的电缆桥架、钢结构梯子、扶栏以及其他结构和形状比较复杂的管件和钢构件等可采用热浸镀锌技术进行保护，热浸镀锌技术一般被用于受大气腐蚀较严重且不需维修的风电机组零部件的防腐蚀防护中。热浸镀锌是熔融金属锌与铁基体结合而形成合金层，从而使基体和镀层二者相结合。热镀锌是先将钢铁基材进行酸洗，为了去除钢铁基材表面的氧化铁，酸洗后，通过氯化铵或氯化锌水溶液或氯化铵和氯化锌混合水溶液槽中进行清洗，然后送入热浸镀槽中。对厚度5mm以下金属零部件的热镀锌层厚度一般不小于65μm；对厚度大于5mm金属零件的热镀锌层厚度一般不小于85μm。热浸镀锌的优点是：具有镀层均匀，附着力强，使用寿命长，生产过程工业化程度高，镀层质量较稳定，环境污染较电镀小，但是在热浸镀锌处理过程中由于酸洗的原因容易使零件产生氢脆的危害，且处理后零部件在恶劣的环境气候下的防护年限有限，特别是在海洋环境气候条件下，热浸镀锌经过一段时间后也会产生镀锌层氧化的现象。因此为了提高热浸镀锌在海洋等恶劣环境下的防腐蚀能力，一般在镀锌零件的表面再加涂复合防腐涂层，这样可以大大提高海洋环境下零件的防腐防护能力。表面不加防腐涂层的热浸镀锌件暴露在海洋环境的飞溅区和全浸区时由于锌层作为阳极而牺牲自己，就会导致镀锌件很快腐蚀而破坏或失效，因此在海洋环境这些区域的金属结构件不宜采用热浸镀锌技术。
相比金属结构件的热浸镀锌而言，风力发电设备的金属零部件还用到一种粉末渗锌技术，粉末渗锌将渗锌剂与钢铁制件共置于渗锌炉中，加热到400℃左右，活性锌原子则由钢铁制件的表面向结构内部渗透，同时铁原子则由内向外扩散，在制件表层形成了一个均匀的锌/铁化合物即渗锌层。粉末渗锌的特点：①耐蚀性强；②具有优异的耐磨性和耐擦性；③基本上无污染；④与热镀锌相比，它具有消耗锌较低的特点；⑤渗锌层还可以与涂料结合形成复合防护层；⑥经过渗锌的钢铁制件其机械性能不会有大的变化。然而这种方法受到加工设备、待处理的风力发电设备零件的尺寸限制，其在风力发电设备的防腐蚀处理方面有待进一步推广。
1.3 电镀锌技术
在风力发电设备的一些非高强度连接（一般在8.8级以下）的螺栓、螺母垫圈、电气连接及金属结构件等通常采用电镀锌技术进行防腐防护。电镀锌相对于热浸镀锌而言，它是一种冷镀锌（或合金）技术。电镀锌是对金属制件表面进行防护、装饰或根据需要而获得某种新的表面性能的一种工艺方法，其镀层厚度一般为3—20μm，在整个电镀工艺过程中其温度一般在100℃以下。电镀锌就是用电解方法沉积具有所需金属形态的镀层过程，也是一种氧化-还原过程，一般是改变表面的特性，以提供改善外观、耐介质腐蚀、抗磨损以及其它性能，但是有时也是仅用来改变零件尺寸。电镀基本过程是将零件浸在电解液中作为阴极，一定纯度的活泼金属作为阳极，接通直流电源后，在零件上就会沉积出金属镀层。由于静电屏蔽效应的原因，待镀工件的深孔、狭缝以及管件的内壁等部位难以电镀上锌。并且由于电镀锌工艺中使用氰化物和六价铬对环境产生污染，对环境和作业人员造成污染和伤害，正逐步被限制使用。但是由于电镀金属的种类多达30多种，除了镀锌、铬、铜等十余种外，还能电镀多种合金镀层。虽然此方法逐渐被淘汰使用，但是在风力发电设备的一些电气及金属结构小件还采用电镀技术。
1.4 锌铬涂层及锌铝涂层技术
对于风力发电设备的高强度连接螺栓（一般针对8.8级以上螺栓螺母垫片），如基础锚固螺栓、叶片与轮毂的连接螺栓、塔筒每节的连接螺栓等通常采用达罗克技术（或无铬锌铝涂层技术）来进行防腐蚀处理。达克罗（锌铬涂层）技术是目前应用比较普遍的一种金属表面防腐处理技术。与电镀锌、热浸镀锌等工艺技术相比，锌铬涂层具有防腐性能优良、不产生氢脆等特点。其镀层厚度一般为2—12μm。采用达克罗处理技术的防腐蚀性能是涂层的整体铬钝化，组成涂层的每一微粒级锌、铝的磷片都被铬钝化，所以起主要防腐作用的为涂层的整体钝化功能，但是锌铬涂层技术（达克罗）在环保方面仍然存在铬（以三价铬和六价铬的形式）的存在问题。一般说到锌铬涂层技术（达克罗）是绿色环保，仅仅是相对于传统的电镀锌、热浸锌等而言。锌铬涂层在加工过程中残液必须经过特殊处理，才能保证不向环境中排放有害物质，为了减少锌铬涂层的有害物质危害，目前正在逐步研发和应用无铬锌铝涂层技术（交美特），如北京永泰和金属防腐技术有限公司等单位起草的标准-锌铬涂层技术条件（GB/T26110-2010）。
无铬锌铝涂层（锌铝涂层）是将无铬锌铝涂料浸涂、刷涂或喷涂于钢铁零件或构件表面，经过烘烤而形成的以鳞片状锌为主要成分的无机防腐蚀涂层，其外观呈银灰色，是一种将超细锌鳞片和铝鳞片叠合包裹在特殊粘结剂中制成的无机涂层。无铬锌铝涂层完全保留了达克罗技术高抗蚀性、涂层薄、无氢脆的优点，有效地解决了有害的Cr6+的问题，从真正意义上实现了清洁生产。无铬锌铝涂层（交美特）由于不使用有毒的金属（如镍、铅、钡等）以及六价铬或三价铬，符合环保标准要求。因此其逐渐在风力电机组螺栓、螺母垫片等一些紧固件防腐蚀方面上得到推广应用。
1.5 喷锌（或锌/铝合金）涂层
风力发电设备的轴承、塔筒的连接法兰等采用热喷锌（锌/铝合金）涂层，这是一种长效的防腐蚀方法。具体工艺是先对零部件（轴承、法兰）表面进行喷砂除锈，表面喷砂处理要求达到Sa3级，粗糙度一般为50-100μm，使基材表面完全露出金属光泽。再在乙炔-氧焰加热或电加热情况下将不断送出的锌（铝）丝融化，并用压缩空气将融化的锌（铝）颗粒吹附到零部件表面，以形成一层蜂窝状的锌（铝）喷涂层（一次厚度可达50μm—100μm），其喷锌（铝）层表面宜加涂小于30μm左右的有机封闭漆，从而确保封闭漆渗入到喷涂金属层且封闭孔隙。这种工艺的优点是对零部件尺寸适应性强，但是此法无法在小直径的风电管状构件的内壁进行施工。假如风电机组管状构件采用热喷锌进行处理，那么在管状构件两端必须做气密性封闭，从而保证管状内壁不会发生腐蚀。另外这种工艺的热影响是局部的、受约束的，因而不会产生热变形。与热浸镀锌相比，这种方法的工业化自动化程度较低，喷砂和喷锌（铝）的劳动强度大，喷涂质量也易受操作者的操作水平的影响。
1.6 阴极保护技术
在海上（潮间带）风力发电设备的导管架钢结构基础的防腐蚀保护时利用阴极保护技术，这种方法属于电化学防腐保护，它分为牺牲阳极的阴极保护和外加电流的阴极保护。牺牲阳极的阴极保护技术是将锌、铝等活性比铁高的活泼金属铸造成阳极材料焊接在被保护的结构物上，当发生电化学腐蚀时，这种活泼金属作为负极发生氧化反应而主动消耗，因而减小或防止被保护金属的腐蚀。这种方法常用于保护海上（潮间带）风电机组位于水中的基础钢桩，通常是在钢桩位于流水线以下的外壁上焊接锌块来防止腐蚀。富锌类涂料的防腐蚀机理就是采用这一阴极保护技术，这一类防腐涂料在风电机组防腐防护中应用也非常普遍。外加电流的阴极保护技术是将被保护的基材金属和电源的负极连接，再采用一块能导电的惰性材料连接电源的正极，接通电源后，被保护的金属表面就产生负电荷（电子）的聚积，从而抑制了被保护金属失去电子而得到保护。这两种阴极保护技术适用于海洋（潮间带）环境下的水下区、泥下区的钢结构构件防腐蚀保护。
1.7 采用耐蚀性材料
采用耐蚀性材料通常是在普通钢铁的冶炼中加入一定的铬、锰、矾等稀有金属元素，以提高其抗腐蚀能力，不锈钢是应用最普遍的耐蚀性材料。不锈钢在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一种高合金钢，它具有美观的表面和耐腐蚀性能好，不必经过镀色等表面处理，而发挥不锈钢所固有的表面性能，通常，人们把含铬量大于12%或含镍量大于8%的合金钢叫不锈钢。钢中含铬量达12%以上时，在与氧化性介质接触中，由于电化学作用，表面很快形成一层富铬的钝化膜，保护金属内部不受腐蚀。这种钢在大气中或在腐蚀性介质中具有一定的耐蚀能力，并在较高温度(>450℃)下具有较高的强度，其低温冲击韧性也比一般的结构钢要好。针对不锈钢材质零部件，按照抗斑状腐蚀能力值（PRE）进行计算：PRE = Cr% +3.3×Mo%，对于PRE值低于20的不锈钢零件，必须涂装防腐涂层进行防护，在海洋大气环境中对缝隙腐蚀和开裂腐蚀敏感的不锈钢应加涂防腐涂层；对于PRE值大于20的不锈钢零件，在大气环境中经验证确认不腐蚀生锈的，可以不必涂装防腐涂层。在风电机组的防腐蚀方面也采用不易发生腐蚀的金属材料，如使用不锈钢、铜或合金等耐蚀性材料。但是这种方法导致材料成本的大大增加，因此在满足技术和经济要求才会选择。
1.8 涂抹防锈油脂
涂抹防锈油脂是保护金属零件的一种短期防护方法，它是在金属表面涂抹耐蚀性油脂以及贴粘防锈薄膜或防锈纸进行临时保护。防锈油脂是在石油类基本组分中加入一种或多种防锈添加剂（又称油溶性缓蚀剂）及其辅助添加剂组成，它使用方便，成本低廉，操作简单，效果好。它主要用于风力发电设备的零部件在运输、加工及装配安装过程中的短期防锈处理措施，也在零部件精加工面的临时防腐方面得到了应用。
2 质量控制
防腐施工完成后，必须对零部件表面的防腐涂层进行检查验收，验收的内容如下：
1）涂层干膜厚度(磁感应法)
一点的读数应是距该点20mm范围内其他三点的平均值，按照ISO2808（色漆和清漆-漆膜厚度测定法）标准进行，并做好检测记录。膜厚的分布符合“80-20”原则，即：80%测量点数膜厚应当等于或大于规定膜厚，剩余的20%测量点数的膜厚应不低于规定膜厚的80%。某一点的最大涂层厚度不大于漆膜规定总干膜厚度的2倍。
2）外观检查
在自然散射光下，用肉眼或矫正视力目测整个涂层的外观，经协商也可采用放大镜（5-10倍）进行观察。漆膜固化后要求颜色符合要求，表面平整、色泽一致、厚度均匀，没有气孔、开裂、流挂、发白等异常现象。
3）附着力检验
涂层厚度小于250μm，按照ISO2409标准的划格法（或者采用拉开法）进行，每种类型的涂层表面应当在试件上进行试验；若涂层厚度大于或等于250μm，则按照ISO4624标准的拉开法，用拉拔测试仪在试件（零件）上进行试验。对于低于250μm的涂层厚度，划格法在0－5的比例上合格等级为“0”或者“1”；对于超过250μm的涂层厚度，拉拨法所取点的试验拉力不低于5MPa。
防腐涂层验收时还需至少提供以下文件：（a）各种涂料产品的出厂合格证或质量检验文件；（b）原设计文件或设计变更文件；（c） 现场涂装施工作业记录。
3 结语
对于风力发电设备的防腐防护，不仅在防腐方案设计和防腐系统选择上，更重要的是在实际防腐施工和质量控制方面下大力气。我们应该意识到：对于风力发电设备来说，如果防腐技术和问题没有得到很好的处理，一方面由于零部件腐蚀引起风力发电机组故障频发从而影响到机组的发电运转效率，另一方面甚至造成风力发电机组发生大面积故障甚至被迫拆除，国外有很多这方面的经验和教训，我们不能现重蹈覆辙。因此在开发和利用风能资源的同时，也应提高和加强风力发电设备的防腐蚀技术等关键性技术的应用和研究，从而更好地推动风电的建设和发展。
（文章发表于《现代涂料与涂装》2014-1）
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