风电装备腐蚀分析与涂料防护综述

风电装备腐蚀分析与涂料防护综述核心提示：风电是典型的区别于传统能源的新能源。和太阳能发电等其他新能源相比，风电的发展更具有规模和经济优势，特别是随着化石能源的逐渐枯竭、环保呼声的高涨及对气候变化的关注风电是典型的区别于传统能源的新能源。和太阳能发电等其他新能源相比，风电的发展更具有规模和经济优势，特别是随着化石能源的逐渐枯竭、环保呼声的高涨及对气候变化的关注，随着人们对传统能源种种弊端的认识不断深化，风电在全球范围内获得了广泛认可和较快发展，我国风电的发展尤其引人注目。随之而来的，是对风力发电设备的大量需求，从而带动风力发电装备用防护涂料（简称风电涂料）的发展。一些涂料企业纷纷将风电涂料作为发展的重点领域，本文试图对风电装备腐蚀环境与涂料防护进行分析和综述。1飞速发展的风电新能源1.1世界风电发展现状世界风能快速发展，风电占能源总量的比例不断上升，各国政府不断出台的可再生能源鼓励政策，特别是随着美国新能源计划的提出和实施，风电发展又迎来了新一轮发展高峰，亚洲和美洲将成为最具增长潜力的地区。风电大国同时也是风电装备制造业大国。到2008年，世界主要国家的风能装机规模如表1：表1：2008年世界风能装机排名排位国家总量MW新增MW2008年增长率%1美国25170835149.72德国2390316557.43西班牙16740159510.54中国122106298106.55印度9587173722.16意大利37361010377法国340494938.78英国328889937.69丹麦3160351.110葡萄牙286273234.41.2中国风电发展规划与现状我国第一个风电场1986年在山东省荣成，到2008年，中国大陆的风电总装机容量达到了1221万千瓦，跃居世界第4位，位列美、德和西班牙之后，新增装机容量仅次于美国而居于世界第二，超过了100%的增长率，增长速度为世界第一（表1）。按照目前的增长情况，在2009年即可超过西班牙，2011年可超过德国，2015年可达到6300万KW的装机规划。《可再生能源法》、《可再生能源规划》是风电发展的政策依据，极大地推动了风电的发展，风电的实际发展已经远远超出了规划。图1中有多次调整后的风电发展规划，而最新的消息是，即将出台的‘新能源振兴规划’中，2020年风电目标可能调整为1.5亿KW，比原计划又提高50%。我国风电装机前10位的省区见表2：表2：2008年我国风电装机前10位省区（以完成风电机组吊装为依据）排位省区2007累计kw2008新增kw增长率2008累计kw1内蒙古15631902172250139%37354402辽宁515310734450143%12497603河北491450619250126%11107004吉林61226045720075%10694605黑龙江408250428050105%8363006江苏293750354500121%6482507甘肃33830029865088%6369508新疆29931027750093%5768109山东35020022210063%57230010宁夏3552003800011%393200由表2可知，我国的风电主要集中在北部地区，这和风能资源的分布情况密切相关。目前已经在6省区规划了7个千万千瓦级风电场，到2020年的装机规模分别是甘肃酒泉1270万KW（2015年）、新疆哈密（哈密东南部、三塘湖和淖毛湖）1080万KW、河北省（张家口、承德、东部沿海）1200万KW、吉林西部（松源、白城）2300万KW、蒙西（锡林郭勒、乌兰察布、呼和浩特、包头、鄂尔多斯、巴彦诺尔和阿拉善）和蒙东（赤峰、通辽、呼伦贝尔和兴安）5780万KW、江苏海上风电基地1000万KW，累计1.26亿KW。甘肃酒泉是第一个开工建设的千万千瓦级风电基地项目，于2009年8月8日正式宣布启动，一期规模380万千瓦。甘肃省辽阔而狭长，风能资源丰富，条件得天独厚。甘肃风电建设始于1997年6月的4台300千瓦机组，到2008年已位列全国第7位（见图1）。图1：全国及甘肃省的风电发展规划（单位：万kw）1.3风电装备制造业风电装备制造业是随着风电新能源的发展而快速成长起来的新产业领域。风电装备产业链一般包括原材料供应商、零部件制造商、制造商、维修及认证等。风电装备由于受其本身的结构、形状、重量等限制，运输成本占相当大的比重，因此其零部件中的塔架和叶片工厂布局往往是靠近风电场，出于竞争等考虑，整机制造工企业也大多分散在风电场附近布局。我国一些风力资源丰富、具备一定工业和交通基础或综合实力较强的地方已经形成了风电装备制造业体系或特色产品，比如甘肃酒泉、内蒙古包头、江苏盐城，比如天津、保定等等。在甘肃、内蒙古、新疆、吉林、河北和江苏的6大风电产业基地之外，将计划增加湖北恩施和吉林白城。我国的风电整机制造企业，按照累计装机规模，金风、华锐、东汽是第1梯队，各自比例达到10%以上，其它包括浙江运达、航天安迅能、上海电气、广东明阳、湘电风能、常州轨道新誉等，另外有一些新进入的企业如重庆海装等，总数约70多家。叶片制造企业有中航惠腾、中复连众、天津东汽、中材科技、天威叶片、华翼风电、中能风电等。与台湾的合作也出现了新的进展。如果叶片的产能完全释放，基本满足1-2年内整机制造企业的发展需求。外资的风电整机制造企业主要是Gamesa歌美萨、Vestas维斯塔斯、GE、Suzlon苏司兰、Nordex恩德等（大多同时生产叶片）。主要叶片制造企业是LM—艾尔姆。由于大量资本的进入，风电装备制造业已经出现了产业过热的表征，成为当前讨论和分析的焦点之一，这从另外一个侧面说明，风电装备制造业的竞争将加剧，而风电机组的实际中标价格也已经开始下降，同时促进产品改进升级和国产化速度加快。国家对风电装备的国产化有明确规定，这也是国内风电装备制造业快速发展的基础之一。叶片是风电设备中对化工原材料依赖最大的部件，环氧树脂（及不饱和聚酯等）和玻璃纤维及其织物是其关键原材料，环氧结构胶粘剂、泡沫夹芯材料及叶片保护涂料是辅助原材料，这些产品刚刚列入国家高技术研究发展计划（863计划）新材料技术领域“MW级风力发电机组风轮叶片原材料国产化”重点项目。2风力发电装备运行环境分析从涂装防护的角度，基础及支撑结构（塔架）、风轮叶片及机舱罩和整流罩、发电机组、控制电气设备、变压器等部件是重点。ISO12944研究讨论的是采用防护涂料体系对钢结构进行防腐蚀保护方而的内容。该标准给出了三个耐久性范围：低（L）：2-5年，中等（M）：5-15年，高（H）：15年以上。耐久性是一个能够帮助业主进行维修计划的技术依据，在出现涂层褪色、粉化、污损、磨损、撕裂，或者出于美观或其它原因，维修涂装工作需要频繁进行。风电机组面临的是大气腐蚀环境（划分C1非常低、C2低、C3中等、C4高、C5-1很高(工业）、C5-M很高（海洋）（6个等级）、水和土壤腐蚀环境（Im1淡水、Im2海水或盐水、Im3土壤）。这是目前风电机组金属表面防腐设计的主要依据。大气中磨损应力（磨蚀），可能因为风挟带的颗粒（例如砂粒）摩擦钢结构、叶片表而产生破坏，另外是水滴、冰雹、沙尘暴甚至飞鸟等较大物的撞击破坏。这在沙漠戈壁风电场塔架迎风面及底部、风电叶片表面、箱式落地变压器迎风侧面比较常见和明显，特别是叶片的叶尖速度在许多情况下超过70m/s，磨损会造成结构破坏、效率下降和损失。由于风电运行环境的特殊性，除了ISO12944划分的环境等级外，应当考虑沙漠戈壁地区的风蚀环境、北方地区的低温环境及其两者的叠加，暂且称之为三北寒旱风沙区环境。中国船级社《海上风力发电机组规范》对海上风力发电机组钢结构、机械部件、电气部件、混凝土基础结构内外表面防腐以及风轮叶片的外表面防腐提出了技术要求，该规范刚刚通过讨论。风电金属结构各组成部分和周围物质接触的微型环境是需要重点关注的一个决定性因素，比如塔架基础混凝土中的钢筋、箱式落地变压器底部等。GB/T19072-2003：风力发电机组-塔架中对环境的规定是，根据GB/T14091-1993的条款确定塔架的环境条件等级。如果订货合同没有明确规定，塔架外部表面的环境条件为4级，内部表面的环境条件为3级。JB/T10194-2000：风力发电机组-风轮叶片中认为，防腐和减轻腐蚀的结构设计对防腐的实施、效果和可修理性具有重大影响。规定复合材料叶片应采用胶衣保护层。环境为温度-30℃—50℃、湿度≤95%，包括沿海盐雾、雷电和沙尘对叶片表面的长期冲蚀及平衡性、太阳辐射强度以及紫外线老化等。一个实际的例子是，在华锐SL1500风力发电机组塔架涂漆防腐技术规格书中，规定塔架的外表属于腐蚀性类别C5-M（不含海上区域）和C5-I，内表面属于腐蚀性类别C4，防腐保护等级为‘长期’。3风电装备防护涂料技术与产品需求涂料是风电装备的辅助原材料，但从对机组的表面防护角度而言，又是相当重要的，无论是陆基或海基风电机组，都在充分关注涂料的防护性能。3.1塔架涂料：塔架目前普遍使用的是涂层防护。GB/T19072-2003风力发电机组-塔架规定的涂层防护体系是表3：风电塔架涂层系统-以华锐SL1500为例内壁腐蚀环境类别C4底面涂料环氧富锌底漆，50um中间涂料表面涂料环氧厚浆漆，170um总膜厚220um注：该体系限定了涂料产品制造企业锌或锌/铝金属喷镀，60um。双组份复合环氧树脂封闭涂料，20um。双组份复合厚膜环氧中间涂料，90-140um。双组份复合聚氨脂漆表面涂料，50um。华锐SL1500风力发电机组塔架涂漆防腐技术规格书中规定的防腐体系是：塔架平台等附件防护体系有的整机制造企业要求热浸锌防腐（锌层厚度70-80um，也有采用涂料防护体系的，按部位采用塔架内壁或外壁涂层体系。基础环是塔架的组成部分，其制造和涂装在塔架厂完成，地上部分防腐同于塔架内外壁，混凝土封灌部分为永久性隐蔽，无法维修，因涂层体系的不同，涂层厚度要求450-800um，可采用塔架内壁涂料体系并增加环氧煤沥青涂料或环氧玻璃鳞片涂料。目前常用的塔架涂料以环氧类型和聚氨酯类型为主，是典型的钢结构重防腐涂料体系。在沙漠戈壁地带，以上体系也出现耐风蚀性不足的缺陷，特别是在塔架近地面部分以及主迎风面，极端情况是涂层被彻底风蚀，露出金属表面而导致锈蚀和美观缺失。3.2叶片涂料JB/T10194-2000：风力发电机组-风轮叶片中指出，叶片在一定程度上暴露在腐蚀性环境条件下并且不容易接近，在许多情况下不可能重做防腐层，因此重视设计、材料选择和防腐保护措施特别重要，复合材料叶片应采用胶衣保护层，但没有相应的指标规定。标准认定的环境条件包括温度、湿度、盐雾、雷电、沙尘、辐射6项，可能是行业不同的原因，从实际作用看，胶衣和涂料应当是名称、应用方法的区别，‘863’计划中已经明确为叶片涂料。在“MW级风力发电机组风轮叶片原材料国产化”的‘863’计划中，要求叶片表面保护涂料能提高叶片耐紫外老化、耐风沙侵蚀以及耐湿热、盐雾腐蚀能力，适应我国南北方不同极端气候条件下风电场使用需求，保证风轮叶片20年的设计使用寿命。具体指标要求是：1附着力≥5MPa；2自然表干/8h，40℃烘干/3h；3耐磨性500g/500转≤20mg；4耐盐雾≥2000h，无脱落，附着力保持80%；5耐砂尘试验满足GB2423.37-89。拜耳正在主推可用于风电叶片（包括塔架）涂料制造的涂料原材料—聚天门冬氨酸酯。叶片涂料已经成为叶片防护的必要方式，主要使用进口涂料为主，但在实际使用中出现了风蚀和盐雾腐蚀比较严重的情况，冬季可能结冰严重，冰雹和飞鸟撞击对叶片的损伤也是不容忽视的。3.3其他部件涂料：在塔架以外的其他金属部件中，底座、轮毂、轴承同样是需要防护的，一般采用与塔架内壁相同的防腐涂料体系。塔架基础埋地钢筋同样面临腐蚀，但一般被忽视而未采取防腐措施，一旦出现问题则难以处置。其防腐方法可采用一般建筑用钢筋防腐涂料，或者针对性设计和选择涂料品种，在基础浇注前进行防腐涂装。机舱罩、整流罩等非金属部件