0　引言

作為海洋資源大國，合理開發我國海洋資源，大力推動藍色經濟的發展已提上當下中國經濟發展日程。依據“十三五”可再生能源規劃，我國在2017年建成海上風電800萬kW，探索出海上風電技術，逐步完善，力求構建出完備的相關產業鏈。2020年，中國海上風電總量預計可達3×107  kW。雖然我國海上風電技術在短時間內發展遲緩，任務較為艱巨，然而隨著國家相繼出臺了一系列相關產業調整政策，極有可能整合相關行業，可以繼續期待未來中國風電行業發展前景。

2010年3月，國家能源局召開了能源行業風電標準化工作會議，頒布《風電標準體系框架（討論稿）》。隨著新標準的出臺，許多現有技術和材料都未能及時跟上新標準要求，大多技術和產品只能單方面依賴國際已有經驗，并不能完全貼合我國實際風電場環境和氣候。因此，現在海上風電防護方面最緊迫的工作就是要按照我國的地理環境和腐蝕環境，有針對性地研發和生產能承受海洋惡劣腐蝕環境下的新型高性能防護材料，提出合理而又全面的防護措施，完成風電防護體系按照該領域新標準的貫徹落實工作。

海上風電塔架和電機等設施長期持續承受高溫高濕度的海洋大氣環境和海水的影響。全球第一個大規模海上風電場——荷斯韋夫（Horns Rev）在投入運行后，一些風機機組的發電機和變壓器很快就出現技術性問題。綜合各類故障原因，除了安裝、制造問題外，風電場的氣候條件、大氣中鹽分侵蝕也被認為是重要的因素。所以，風力發電設備在設計研發之初，就必須提高其防腐蝕能力，降低后期維護的需求。當前，發展海上風電亟待解決的問題之一，就是對受到海洋大氣腐蝕的長期運行的海上風電設備的防護。

1　海上風電鋼結構涂層防護體系的工程實踐

科學技術的巨大進步以及人類對海洋認知的逐步深入，推動著海洋相關產業的前進，如海洋養殖、海洋能源、海洋化工等產業都逐漸從淺海走向深海。由于海洋設備鋼結構長期固定在海水中，由惡劣的海洋環境引起的嚴重腐蝕會直接影響到海上鋼結構的安全使用，因此需要保護海上鋼結構，增加其使用年限，這有益于海洋工程鋼結構的腐蝕控制的發展。

1.1　金屬熱噴涂技術

熱噴涂技術是一項成熟的防護手段，在國內外許多海洋工程鋼結構項目上都有應用，效果大都很好。金屬熱噴鋅鋁及其合金涂層以微冶金和機械鑲嵌方式與基底金屬結合，熱噴涂后，涂層與鋼結構構件的表面形成了非常牢固的涂層結合力（經測試最大可以達到10 MPa以上）。當金屬熱噴涂層被破壞時，鋅鋁涂層可以作為被犧牲的陽極依舊保護鋼體表面。試驗和實例證實，200 μｍ厚度的熱噴鋁涂層的防腐年限久至30 a。目前國內已建成較大的熱噴鋁涂層應用工程是巴西石油公司（Petrobras）設計，武昌船舶重工有限責任公司建造的30 a免維護深海浮體，涂層厚度為225～400 μｍ的熱噴鋁涂層作為浮體內部的鋼體表面，其面積達1×105 m2。熱噴鋁施工空間封閉，易升高密閉空間溫度，粉塵累積，對涂層附著力也有所影響，不但威脅到施工人員的安全，且難以連續生產。在封閉空間內進行熱噴鋁施工時，為了保障熱噴涂施工的連續性，需要精密地監控環境溫度、濕度，保證通風，嚴格要求操作人員。然而，較高的施工成本使該技術在海洋工程鋼構件、鋼結構外部區域的防腐防護發展空間更大。

1.2　高強度環氧樹脂涂層防護技術

按照ISO 12944-5規定，預期防腐年限大于15 a的涂層暴露于大氣環境中時，其厚度應為280～400 μｍ，在浸泡或掩埋環境中具有同等效果的涂層厚度應為480～1 000 μｍ。由于需要延長海洋工程的使用壽命，因此漆膜厚度也在不斷增加，總干膜厚度由300 μｍ增至1 mm，甚至更厚。所用樹脂決定漆膜性能、成膜厚度。環氧樹脂附著力、成膜性能良好，收縮率較低，與多種樹脂、填料和助劑均能混合，得到不同防腐涂料，因此該涂料在目前海洋工程防腐涂料中所占比重最大。海浪、外物對浪花飛濺區的防腐涂層撞擊強烈，且持續時間較長，使其需要迅速維護，通常在１～２ a內。然而在水下修復的涂層的施工難度較大，質量較差，所以需增強浪花飛濺區涂層的抗沖擊性。高強度環氧涂層、厚膜型環氧玻璃鱗片涂層可有效用于飛濺區的防腐防護。通過向環氧樹脂內添加玻璃鱗片、玻璃絲，可得到厚膜型環氧玻璃鱗片涂層，添加玻璃鱗片有益于增強涂層的機械強度和屏蔽性能，所得產品能較好地抗熱沖擊、抗滲透且涂層收縮率低，然而需要在施工時達到一次性成膜，且漆膜較硬修復較難。Jotun公司的Bal-toflake系列聚酯漆作為一種快速固化型耐磨聚酯玻璃鱗片厚漿涂料，防腐效果可達30 a以上。對比熱噴鋅鋁涂層，其優勢在于低成本、表面處理及修補較方便、對施工設備與施工人員要求較低等；對比玻璃鱗片環氧漆，該產品玻璃鱗片含量較高，涂層力學性能優異，且防腐年限長，適用范圍更廣。

1.3　聚氨酯涂層防護技術

通過混合多異氰酸酯、多元醇兩組分，可制得100%固含量結構性聚氨酯樹脂涂層，一次成膜厚度可達１mm。該反應快速、放熱，尤其適于快速作業、冬季防腐施工，該涂料不含溶劑，安全環保，此外其耐腐蝕、耐磨損、附著力強，擁有良好的施工性能和較長的使用壽命。100％固含量且無溶劑型聚氨酯防腐涂料防腐效果優異，防腐年限久至數十a，因此在海上石油平臺、船舶、儲罐內外及鋼結構防腐均有廣泛應用。

2003年和2007年，美國海軍曾撰文介紹無溶劑結構性聚氨酯重防腐涂料在海軍軍艦領域的應用實例，其中寫到：“最成功的案例是以無溶劑結構性聚氨酯涂料和涂層技術為主的快速光固化重防腐技術”。同時，他們比較了聚脲樹脂和彈性聚氨酯樹脂2種防護涂料，發現二者均無無溶劑結構性聚氨酯樹脂防腐涂料所擁有的優異防腐性能。兩者的分子間都呈現出線性結構，其交聯度較低、韌性很高、抗沖擊性良好，但附著效果較差、耐腐蝕性及陰極剝離性能較弱。結構性和剛性聚氨酯樹脂涂層的附著力良好，交聯度極高，可對金屬的化學腐蝕進行高效防護。

1.4　氟碳涂層防護技術

通過加工改性后的氟樹脂，可制得新型涂層材料：氟碳涂料。該樹脂突出的穩定性得益于其結構中高鍵能的Ｃ—Ｆ分子鍵。相比而言，丙烯酸類、聚酯類面漆的耐候性、耐腐蝕性、耐磨損性和耐污損性遠不如氟碳涂料。氟碳樹脂面漆在海水中的防腐效果卓越，其外觀的初始狀態可保持20 a以上，因此完全適用于海洋工程鋼鐵結構長效防腐。此外，相比其他涂料，氟碳涂層的耐酸堿、耐化學品腐蝕性能也更優異，可直接用于接觸強腐蝕介質的液艙。

2　海上風電鋼結構涂層防護體系的修復產品

海上風電鋼結構常年處于高鹽霧空氣、強鹽鹵土壤及強腐蝕海水環境，如果沒有嚴格的保護措施，風機設備和風力發電設施將會被嚴重的腐蝕，為了減少或消除這些環境對風電和鋼結構的負面影響，需要研制出高性能、高耐候性新型防護材料，從而形成一套可行、合理、經濟的防腐應用方案。目前，水下固化涂層和光固化涂層是已被研制出的實踐效果較好的修復產品。

2.1　水下固化涂層

海洋資源、海洋運輸業和海上風電迅速發展的同時，也帶來很多防腐防護方面的問題，如長期處于海水中的海上油氣儲罐、鉆井平臺、輸送管線的鋼鐵樁、支撐裝置等，會被海洋環境破壞鋼結構本身防腐涂層。由于將該類裝置轉移至陸地維修的難度較大，因此需研制一類涂料可在水下直接涂裝進行原位修復。再者，船舶在途中發生泄漏事件時，若有可用的水下固化涂層直接堵住漏洞，就能夠及時維修，節約時間，減少維護費用。大型水利設施（如閘門、水庫等）也需要水下固化涂料進行防腐防護。

2.1.1　水下固化涂料的設計原則

1）可采用適宜涂料設備在水下對鋼結構表面直接進行涂裝；    

2）可隔開水并直接附著于所涂鋼結構表面，可于水下快速固化成膜；

3）良好的防腐蝕性能；

4）涂料可提供良好的底材濕潤性；

5）可于水中對鋼結構表面有極好的濕附著力；

6）有抗沖擊、耐磨、抗滲性能。

2.1.2　成膜機理

1）采用機械擠壓的方式，排走水下鋼結構表面的大部分水；

2）更易于附著在鋼結構表面上的涂料組份把留在鋼結構表面上的水吸進涂層；

3）涂料固化期間，排走涂層中的水；

4）涂層固化后，將緊緊地附于鋼結構表面。

2.1.3　基料的選擇

環氧樹脂泛指含有環氧基的高分子聚合物，其開環反應和不飽和聚酯的自由基反應受水影響較小，所以選用環氧樹脂來制備水下固化涂料顯得更有優勢。環氧樹脂分子中極性基團數量較大，易將鋼結構表面的水分置換掉，且因為其聚合反應為開環聚合，固化后的體積收縮率較低，不到2%。環氧樹脂可附著于不同類型底材，此外，采用該樹脂較易合成無溶劑型超厚膜涂料，簡化施工程序，更適合水下施工涂裝。環氧樹脂的防腐蝕性能極為優秀，所以適用于水下防腐防護涂料。但環氧樹脂單獨使用所形成的涂層脆性較大，為了降低環氧樹脂的脆性，可以適量加入一些聚硫化合物作為增韌劑對環氧樹脂進行改性，并將其作為成膜物的一部分，以提高涂料的韌性。

2.1.4　硬化劑的選擇

環氧樹脂類水下涂料對硬化劑要求獨特，其物理機械性能優異、黏度與固化速率適宜、便于在水下施工。環氧樹脂可用各種胺類進行交聯固化，因為環氧基可被氫原子或叔胺開環而本身起聚合作用。水下固化涂料是通常以胺類化合物為主。含—NH2的硬化劑可對基材形成強于水的分子間作用力，且易成鹽，因此有利于涂層附著于金屬表面，有效降低其他腐蝕因素的影響。

2.1.5　顏填料的選擇

水下施工涂料通常選用緩蝕、穩銹顏料，如亞硝酸鹽、硅酸鹽等，及防銹蝕與惰性顏料，如鋁粉、石墨等；填料以惰性材料為主，如高嶺石粉、重晶石粉等。使用該類填料，可壓縮成本，同時，可有效控制涂層中顏料體積濃度、黏度，削弱涂層固化時的收縮力，維持附著效果。

2.1.6　助劑的選擇

水下涂層需要使用流平劑、潤濕分散劑。因為涂層較厚、固化速度快，所以要求其可迅速實現涂層流平，并達到很好的流平效果。選取潤濕分散劑時，要求其易于潤濕涂料、提高涂層附著力。BYK-161、EFKA3600、德謙6800、BYK-P104、EFKA2722等都是很常規的選則。

2.1.7　基本配方基本

配方見表1。

2.1.8　涂料配制

按照配比將所選原料置于反應器中，快速攪拌使其均勻，然后在三輥軋機上研磨使其細度和黏度達標。

2.2　光固化涂層

開拓海洋資源，包括發展海上風電，都對海洋工程結構材料提出了新要求。其中海洋生物污損的存在，會增加海洋平臺和海上風電結構的質量，增加腐蝕的可能性。目前，通常采用海上平臺的經驗對海上風電防海洋生物污損進行防護，但是海上風電場無人居住并限制人員接近，因此維修維護更加困難，如何設計更加符合海上風電鋼結構要求的長效防護要求、施工維護要求的涂層體系非常重要。浪花飛濺區涂層的維護難度較大，因為伴隨著海水的漲潮和退潮，該區域會不斷暴露在海水中和空氣中，就更加劇了該區域的腐蝕，所以需要研制出快速光固化涂層，在漲潮退潮的時間段內將其涂覆到待修復鋼結構表面并快速光固化。

2.2.1　光固化涂料固化機理

光固化涂料是指通過光源照射，讓涂層吸收能量，引發如交聯、聚合等化學反應，促進液體固化的涂料。上述光源必須能量充足，能夠使電子發生躍遷達到激發狀態，從而發生化學反應。

2.2.2　光固化涂料

主要組分一般情況下，光固化涂料主要包括齊聚物、活性稀釋劑、光引發劑和助劑 4個部分，各部分含量分別是：活性稀釋劑40% ～ 60%，齊聚物30% ～ 50%，光引發劑1% ～ 5%，助劑0.2% ～ 1.0%。

1）齊聚物

齊聚物（即光敏樹脂），指在整個體系中含量高，對涂層性能至關重要的樹脂。齊聚物分子結構均包含碳碳雙鍵，應用廣泛表現如下：①不飽和聚酯；②環氧丙烯酸酯；③聚酯丙烯酸酯；④聚氨酯丙烯酸酯；⑤水性丙烯酸酯；⑥聚醚丙烯酸酯；⑦多烯硫醇體系；⑧陽離子樹脂。

2）活性稀釋劑

光固化涂料中，活性稀釋劑同樣不可或缺，作為一種功能性單體，不但能有效控制涂料黏度，便于施工作業，還能參加涂料的固化反應，直接影響涂層性能?；钚韵♂寗┓肿咏Y構包含不飽和雙鍵，如丙烯酰氧基、甲基丙烯?；耙蚁┗?，其中，丙烯酰氧基光固化活性最高，故多采用丙烯酸酯單體。近年來新型稀釋劑得到了開發利用，乙氧基化或丙氧基化的丙烯酸酯類功能單體，不僅可以改善某些單體對皮膚的刺激性，而且使其單體性能更加完善。研發陽離子光固化體系可帶動官能環氧化合物及乙烯基醚類單體的相關研究與應用。

3）光引發劑

光引發劑對于光固化涂料至關重要，是涂層固化程度及速度的決定性因素。光引發劑的反應機制一般包括以下4種：氫消除反應機理、離子反應機理、裂解反應機理和能量轉移反應機理。目前常用的光引發劑有：安息香、二苯基乙酮、α，α-二乙氧基苯乙酮、α-羥烷基苯酮、芳酰基膦氧化物、二苯甲酮和硫代丙氧基硫雜蒽酮。

4）助劑

為確保光固化涂料中各成分相對穩定，應在光敏樹脂制備期間添加所需助劑，如流平劑可促進光敏樹脂的流動；熱阻聚劑可延長其有效期；抗氧劑可用于改善涂膜穩定性能等。選擇助劑時，優先采用可參與固化反應的活性助劑，如畢克公司的BYK-371、迪高公司的Red2100、Red2200及Red2500等。由于不參加光固化反應，大多數普通助劑將留存于固化膜中，導致出現針孔、反黏等現象。

2.2.3　光固化涂料的研制和應用

我國光固化涂料技術的研發工作一般在高等院校開展，高校設備及儀器較為先進、專業人才較多且有良好的科研氛圍，借鑒國際領先技術，與企業合作謀求雙贏。如復旦大學高分子系李善君教授所制的超大規模集成電路封裝用環氧塑封料科技成果，已轉入生產；其研發的高韌性封口膠已在最新型戰機的尾翼中投入使用。

上海某公司研制出了一種修復風電鋼結構基礎破壞的快速光固化防腐涂料及制備工藝，這種防腐涂料不僅耐老化，耐磨好，耐海水浸泡，對底材附著力強，還能滿足在被腐蝕的底材上完成涂覆的要求，同時也與陰極保護措施具有很好的匹配性，能在可見光條件下短時間內完全固化。具體步驟如下。

步驟一：在酸堿催化條件下，制備無機高分子成膜物，可以是無機硅、鈦、鋁、鋯高分子溶膠，選其中1種、或2種、或2種以上的溶膠適當配比混合后，加入丙烯酸樹脂或者環氧樹脂或者它們的混合物，劇烈攪拌并陳化一段時間，得到無機納米材料改性的低表面能無機有機雜化樹脂；

步驟二：將步驟一所述的雜化樹脂與耐磨顏料、助劑混合，得到懸浮性好的涂料基料；所述耐磨材料為剛玉（氧化鋁）、金剛砂（碳化硅）、鉆石粉（C）、氮化硼、碳化硼；助劑為防沉降劑和消泡劑，包括改性膨潤土、氣相二氧化硅、聚二甲基硅氧烷、BYK-051無機硅消泡劑。

步驟三：在紅外照射環境下，將步驟二所述懸浮物中，依次加入脂肪族聚氨酯丙烯酸酯樹脂、光引發劑、活性稀釋劑和增感劑，攪拌均勻得到涂覆溶液。所述的光引發劑為陽離子聚合光引發劑和自由基聚合光引發劑，一般選用1173、TPO、氟化二苯基鈦茂（Irgacure 784）、雙（五氟苯基）鈦茂；所述增感劑為雙重氮鹽，疊氮化合物。

步驟四：將步驟三中所述涂覆溶液直接涂覆于需要防污的表面，在太陽光下或紫外光下放置一段時間完全固化，得到所需的快速光固化防腐涂料。

該產品采用可見光固化劑和增感劑，使得涂層在太陽光作用下，可快速固化；采用無機溶膠作為改性劑，通過對丙烯酸樹脂或者環氧樹脂的改性，可增強涂層成膜物的耐老化性；通過采用耐磨顏料，可提高涂層的耐海水中粗顆粒沖刷能力。

3　結語

通過世界各國研究者的不斷努力，海上風電鋼結構涂層防護體系的工程實踐的防護技術已取得很大的進步，金屬熱噴涂技術能使涂層與鋼結構構件的表面形成了非常牢固的涂層結合力，當金屬熱噴涂層遭到破壞時，鋅鋁涂層可作為被犧牲的陽極繼續保護鋼結構表面，尤其適用于海上鋼結構的外表面。通過采用高強度環氧樹脂涂層防護技術，可以更好地抗熱沖擊、抗滲透且涂層收縮率低，然而需要在施工時達到一次性成膜，且漆膜較硬、修復較難。

聚氨酯涂層的涂料反應快速、放熱，尤其適于快速作業、冬季防腐施工，該涂料不含溶劑，安全環保，此外其抗腐蝕、抗磨損、附著效果極佳，便于施工作業，且使用壽命較長。

氟碳涂料的穩定性超高，其耐候性、耐腐蝕性、耐磨損性和耐污損性等方面較丙烯酸類、聚酯類面漆有著明顯優勢。此外，相比其他涂料，氟碳涂層的耐酸堿、耐化學品腐蝕性能也更優異，可直接用于接觸強腐蝕介質的液艙。

水下固化涂層擁有優良的防腐性能，有利于在水下及潮濕界面上的直接涂裝，因此適于海洋船舶業及建筑業領域的防腐防護。盡管水下固化涂料成本較高、施工性能差、防腐期較短，但作為飛濺區水下鋼制物的最重要、最經濟有用的防腐蝕手段，該涂料今后必將日益受到人們的關注，發展前景遼闊。而光固化材料因其固化速度較快、無溶劑、水性化、有機揮發物較低及安全環保等優勢，定會擁有愈加廣闊的世界市場。

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責任編輯：王元

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