风电设备的粉末涂装和技术要求
2020-02-19 16:15 来源：2019年中国粉末涂料与涂装行业年会 作者：杨治强 刘玉昆 石俊秀 崔志刚 点击：2962
风能与水能、太阳能、生物能、地热能和海洋能一样属于可再生能源。具有资源分布广，开发潜力大、环境影响小、可持续利用等特点。近年来，随着风电技术水平的不断提高，风电设备的建设成本越来越低，世界各国风电装机容量迅速增长，截止2018 年底，全球风电累计装机容量已达590.8 GW，我国累计风电装机容量已达209.5 GW。
要想实现风电设备安全运行15甚至25年以上，必须重视其钢结构件的防腐，根据其运行环境腐蚀等级的高低，需要使用不同的防腐结构和不同种类的涂料体系。粉末涂料是一种环保绿色涂料，涂装时可以很容易获得较厚的涂层，涂覆后的设备在运输及应用中涂层不易被破坏，对基材的保护具有长效性。另外粉末涂料还有利用率高，综合成本低等特点，应用于风电设备钢结构件有其天生优势。
本文依据ISO 9223~9226、ISO12944-2018、Qualisteelcoat 4.1-2019中大气腐蚀等级的划分及测试方法，提出了风电设备地上部分的钢结构件在不同大气腐蚀等级下的防腐技术、涂装体系和粉末涂装的解决方案。
1 风电设备涂装技术要求
1.1 风电设备的运行环境
风电设备的运行环境多种多样，从平原到山区，从内陆到沿海和海上，不同环境对设备的腐蚀能力要求差别很大，因此需要的防护体系也不同。目前我国风电行业发展迅速，大型风力发电场建设已经从“三北地区”向沿海、内陆地区发展，并逐步开始进军海上，这对风电设备的防腐提出了更高的要求。
国际标准化组织颁布的ISO 9223~9226 标准，根据金属标准试件在环境中自然暴露试验获得的腐蚀速率及综合环境中大气污染物浓度和金属表面润湿时间，对大气腐蚀性进行了分类，具有广泛的适用性。ISO9223-2012将大气腐蚀性分为6类，C1：腐蚀性很低；C2：低；C3：中；C4：高；C5：很高；CX：极高。标准根据暴露了一年的低碳钢或锌标准样板的质量或厚度损失数据来评估定义腐蚀性类别，具体见表1。ISO 12944直接引用了此表数据。此表的数据具体标本及其在暴露前后的处理参考ISO 9226。
表1 ISO9223-2012基于标准样板暴露实验定义的大气环境腐蚀性分类和典型环境案例
1.2 风电设备钢结构件涂装实验室检测要求
ISO12944是目前钢结构的涂层防腐蚀领域公认的参考标准之一，目前国内外风电设备的防腐蚀保护也主要参考次标准。该标准论述了采用防护涂料体系对钢结构进行防腐蚀保护的内容，其应用领域由以下条件界定：钢结构类型、表面类型和表面处理类型、环境类型、防护涂料体系的类型、工作类型和防护涂料体系的耐久性。钢结构类型定义了被保护钢结构基材的范围；表面类型和表面处理定义了钢结构的表面类型和它们的表面处理；环境类型定义了6种大气环境腐蚀性级别C1，C2，C3，C4，C5，CX和4种结构浸水或埋地腐蚀性级别Im1，Im2，Im3和Im4；防护涂料体系类型定义了不同的腐蚀性环境级别和耐久性要求下所适用的涂料体系，标准仅限于涂覆在环境条件下干燥或硬化的物质，明确指出了不适用于粉末涂料、烤漆和热固化涂料；工作类型指出了标准适用于新建涂装和维修涂装；防护涂料体系的耐久性定义了4种不同的耐久性范围，分别为低（L）、中等（M）、高（H）和很高（VH），其实验室测试程序要求见表2。
表2 ISO12944-6 C2至C5腐蚀性级别下,应用于碳钢、热浸镀锌钢和热喷涂金属的涂料体系的测试程序
根据ISO12944标准的规定，只有通过相关腐蚀等级的实验室检测，该防护体系才能应用在对应的腐蚀环境中。
上文提到ISO12944标准明确说明是仅针对液体涂料，将粉末涂料以及其他涂料体系排除在标准应用范围之外，Qualisteelcoat则弥补了这方面的缺口。Qualisteelcoat是一种用于有机涂层钢结构喷涂的国际质量认证标志。Qualisteelcoat定义了涂料公司内部必须达到的质量水平和要求，以便能够作为Qualisteelcoat许可的公司在市场上提供其产品。它包括了对涂料公司的质量要求的定义，涂料系统和涂料的批准，以及持有Qualisteelcoat质量标签的涂料公司的定期外部质量控制。由于ISO12944-2中的大气腐蚀等级被很多规范广泛地认同和参考，Qualisteelcoat把大气腐蚀等级运用融合在所有类型的有机涂层中。ISO 12944-2定义了C1到C5和CX 6个大气腐蚀等级，这些腐蚀等级和预期使用寿命H（15-25年）一起组成了Qualisteelcoat的涂装系统和喷涂厂认证的基础。
另外，ISO 12944较为注重的是防腐性能，即关注点在钢结构能否安全的达到预期使用年限上，而Qualisteelcoat不仅仅是要求防腐性能，它还包括了工件达到了预期的使用年限后，涂膜表面还能保持一定的装饰性能，即包含了涂膜耐候性的内容。
2 粉末涂装解决方案
2.1 涂装防护体系
为实现风电设备的长效运行，各结构件的涂装防护必须合理设计，并严格按照设计材料和工艺参数执行。涂装体系是涂装过程中所涉及到的整个流程，从原材料到最终的成品。Qualisteelcoat根据基材，前处理，有机涂料的类型定义涂装系统（见图1）。完整的涂装体系应包括：
图1 Qualisteelcoat根据基材，前处理，有机涂料的类型定义涂装系统
正如图中所示，涂装体系包括从基材到成品的整个过程：
基材
对于风电设备来说，基材包括各种钢材，包括各种表面含有金属涂层的钢材，也包括电泳后的钢材。当然，钢材进行金属喷涂、浸涂或电泳等之前也需要进行物理或化学的前处理，以保证金属涂层或电泳层与钢材之间的结合力。
前处理
前处理是指在涂料或金属喷涂前对基材进行的表面处理，可以是单一的化学或物理前处理，也可以两者兼有。前处理的目的是除去基材表面油污、增加基材表面粗糙度、或者形成一层较薄的保护膜增加与有涂层的结合力，进而提升防腐蚀效果。
有机涂层
包括各种粉末涂料或者液体涂料喷涂之后形成的有机涂层，可以是单层喷涂，也可以是多层喷涂。
Qualisteelcoat根据不同的基材开发了下面的表格，定义粉末涂料体系和电泳在不同的涂装系统中能达到的腐蚀等级。即Qualisteelcoat认为，每一种基材都有它所能够达到的最高防腐等级（见表3），当然这是以合理的前处理和防护涂层为前提的。
表3 粉末涂料体系根据不同涂装系统能达到的腐蚀等级
2.2 粉末涂装工艺
根据客户需要达到的防腐等级和要求，我们可以通过表3的推荐和喷涂现场工艺条件等来选择合适的基材、前处理和对应的粉末涂料。风电设备的各部分存在材质、薄厚、形状等各种差异，因此不同部件的涂装需要设计不同的工艺流程。粉末涂装工艺需要从基材选择、前处理和喷涂等三个方面入手，进行合理的设计。
就基材来说，不同的基材所能达到的防腐等级不一样。单纯的钢基材，它所能达到的最高等级是C4H，如果想做C5H级别的防腐，需要选择其他经过金属喷涂或者电泳的钢基材。基材的选择要基于客户要求的防腐等级，选择合适的基材，具体可参照上文表3。
前处理是喷涂前的第一道工序，直接关系到基材与涂层之间的附着力和涂料体系的长期防腐蚀性能。不同前处理所能达到的腐蚀等级也不一样，如基于铁系磷化的化学前处理或没有形成转化膜的化学前处理最高只能达到C3H。前处理方式要根据防腐蚀等级的选择采用物理或（和）化学处理，而且要严格按照工艺文件的要求进行，定期检测处理液的相关指标和化学膜的质量。
值得一提的是，经过前处理的产品需在处理后尽快进行喷涂，防止基材再次被氧化或者污损，它们的最长存放时间见表4。存储的状态是不允许产品表面有冷凝水产生的，所有的前处理岗位工人必须穿戴干净的棉纺手套以避免污染表面。
表4 Qualisteelcoat规定的前处理工件存储时间
选择合适的粉末涂料对防护体系至关重要，不同的粉末涂料防护能力相差甚远，设计不同的防腐结构（涂层种类、层数），获得的防腐效果也截然不同。粉末涂料体系在应用之前必须先进行相应腐蚀级别的测试，且只有通过了测试，才被允许应用于对应腐蚀级别的环境中。粉末涂装时需要根据工件的外形与特性设计不同的悬挂方式、喷涂参数、烘烤固化参数等，以保证无漏喷、固化完全。
涂料和涂装主要需要考虑如下5个方面：
1）根据基材类型、前处理前处理方式和防腐等级要求，选择合适的粉末涂料体系
2）粉末涂装要注意厚度的控制和边角覆盖，实验室检测防腐性能再好的涂料体系，如果边角覆盖不好的话，在工件尖锐部位会很快产生腐蚀点或线，尤其是没有金属涂覆物的基材。
3）涂料体系的固化要满足涂料厂商要求的固化条件，只有固化完全的涂膜才是致密、结实的防腐蚀保护层，才能够起到长久的防腐蚀作用。
4）如果是多层喷涂工艺，要严格控制各层的粉末类型和厚度，不能有用错或混用的情况发生，一般来说，底层粉末侧重于防腐性能，面层粉末主要侧重耐候性能。
5）如果是多层喷涂工艺，除了涉及各层固化完全的问题，还要涉及各涂层间的层间附着力问题。一般多层喷涂会涉及“双涂双烤”或“三涂三烤”。以“双涂双烤”为例，即喷涂底粉→烘烤预固化→喷涂面粉→固化完全（见图2）。其中底层预固化是非常关键的一环，过度烘烤会导致底层涂料完全固化，与面层结合力下降；烘烤不足则容易在二次固化时出现底粉上浮的现象。另外底粉预固化后应该尽快进行面粉的涂装，如果放置时间过久，表面被破坏或者被污染的话，也可能导致层间附着力的下降。
图2 “双涂双烤”喷涂工艺流程简图
2.3 高腐蚀等级（C4H和C5H）环境用粉末涂料的解决方案
C4H和C5H是目前风电设备实际运行中所涉及较多、较为苛刻的环境腐蚀等级。ISO12944-6 2018中C4H/C5H测试要求初始漆膜附着力≥2.5MPa，中性盐雾试验720h/1440h，冷凝测试480h/720h，盐雾和冷凝测试完成后涂膜附着力≥2.5MPa，盐雾试验后单边锈蚀宽度要≤1mm（Qualisteelcoat的单边锈蚀宽度要求≤2mm）。
对此我们进行了大量的实验，对比了不同的基材，不同的前处理和不同的粉末涂层体系在不同腐蚀级别的测试项目中的表现。针对高腐蚀等级的C4H和C5H，我们参照Qualisteelcoat的相关要求，采用双涂层结构，两涂两烤工艺，以达到高防腐、高耐候的要求。以我们的环氧富锌粉末涂料作为底粉，搭配耐候聚酯粉末涂料作为面粉，可以满足C4H的测试要求。以我们开发的超高防腐环氧粉末涂料作为底粉，搭配高耐候聚酯粉末涂料作为面粉，可以满足C5H的测试要求。我公司与风电设备厂商合作，共同开发的产品已经通过SGS对于C4H和C5H的各种项目测试，取得了相关报告。
检测实例图片如下（图3~4摘自SGS C4H和C5H检测报告）：
图3盐雾试验测试2
图4冷凝测试2
3 总结
随着社会对环境问题越来越重视，绿色能源的开发和利用会越来越广泛，风电等绿色能源行业也会保持现有的高速发展。风电设备的使用地域不再局限于内陆地区，在沿海等地区也有诸多的应用，潮湿高盐的使用环境对风电设备防腐的要求也越来越高。粉末涂料相比液体涂料具有绿色环保的特性，应用于风电设备防腐有其诸多的优势。粉末涂料应用于风电设备防腐工作的研究，近年来也越来越多。只有从基材、前处理、防腐结构设计、涂料选择、涂装工艺等各方面严格控制，才能保证风电设备在C4H和C5H高腐蚀环境下长效安全的运行。
（作者：杨治强，刘玉昆，石俊秀，崔志刚 供职于廊坊艾格玛新立材料科技有限公司）
要想实现风电设备安全运行15甚至25年以上，必须重视其钢结构件的防腐，根据其运行环境腐蚀等级的高低，需要使用不同的防腐结构和不同种类的涂料体系。粉末涂料是一种环保绿色涂料，涂装时可以很容易获得较厚的涂层，涂覆后的设备在运输及应用中涂层不易被破坏，对基材的保护具有长效性。另外粉末涂料还有利用率高，综合成本低等特点，应用于风电设备钢结构件有其天生优势。
本文依据ISO 9223~9226、ISO12944-2018、Qualisteelcoat 4.1-2019中大气腐蚀等级的划分及测试方法，提出了风电设备地上部分的钢结构件在不同大气腐蚀等级下的防腐技术、涂装体系和粉末涂装的解决方案。
1 风电设备涂装技术要求
1.1 风电设备的运行环境
风电设备的运行环境多种多样，从平原到山区，从内陆到沿海和海上，不同环境对设备的腐蚀能力要求差别很大，因此需要的防护体系也不同。目前我国风电行业发展迅速，大型风力发电场建设已经从“三北地区”向沿海、内陆地区发展，并逐步开始进军海上，这对风电设备的防腐提出了更高的要求。
国际标准化组织颁布的ISO 9223~9226 标准，根据金属标准试件在环境中自然暴露试验获得的腐蚀速率及综合环境中大气污染物浓度和金属表面润湿时间，对大气腐蚀性进行了分类，具有广泛的适用性。ISO9223-2012将大气腐蚀性分为6类，C1：腐蚀性很低；C2：低；C3：中；C4：高；C5：很高；CX：极高。标准根据暴露了一年的低碳钢或锌标准样板的质量或厚度损失数据来评估定义腐蚀性类别，具体见表1。ISO 12944直接引用了此表数据。此表的数据具体标本及其在暴露前后的处理参考ISO 9226。
表1 ISO9223-2012基于标准样板暴露实验定义的大气环境腐蚀性分类和典型环境案例
1.2 风电设备钢结构件涂装实验室检测要求
ISO12944是目前钢结构的涂层防腐蚀领域公认的参考标准之一，目前国内外风电设备的防腐蚀保护也主要参考次标准。该标准论述了采用防护涂料体系对钢结构进行防腐蚀保护的内容，其应用领域由以下条件界定：钢结构类型、表面类型和表面处理类型、环境类型、防护涂料体系的类型、工作类型和防护涂料体系的耐久性。钢结构类型定义了被保护钢结构基材的范围；表面类型和表面处理定义了钢结构的表面类型和它们的表面处理；环境类型定义了6种大气环境腐蚀性级别C1，C2，C3，C4，C5，CX和4种结构浸水或埋地腐蚀性级别Im1，Im2，Im3和Im4；防护涂料体系类型定义了不同的腐蚀性环境级别和耐久性要求下所适用的涂料体系，标准仅限于涂覆在环境条件下干燥或硬化的物质，明确指出了不适用于粉末涂料、烤漆和热固化涂料；工作类型指出了标准适用于新建涂装和维修涂装；防护涂料体系的耐久性定义了4种不同的耐久性范围，分别为低（L）、中等（M）、高（H）和很高（VH），其实验室测试程序要求见表2。
表2 ISO12944-6 C2至C5腐蚀性级别下,应用于碳钢、热浸镀锌钢和热喷涂金属的涂料体系的测试程序
根据ISO12944标准的规定，只有通过相关腐蚀等级的实验室检测，该防护体系才能应用在对应的腐蚀环境中。
上文提到ISO12944标准明确说明是仅针对液体涂料，将粉末涂料以及其他涂料体系排除在标准应用范围之外，Qualisteelcoat则弥补了这方面的缺口。Qualisteelcoat是一种用于有机涂层钢结构喷涂的国际质量认证标志。Qualisteelcoat定义了涂料公司内部必须达到的质量水平和要求，以便能够作为Qualisteelcoat许可的公司在市场上提供其产品。它包括了对涂料公司的质量要求的定义，涂料系统和涂料的批准，以及持有Qualisteelcoat质量标签的涂料公司的定期外部质量控制。由于ISO12944-2中的大气腐蚀等级被很多规范广泛地认同和参考，Qualisteelcoat把大气腐蚀等级运用融合在所有类型的有机涂层中。ISO 12944-2定义了C1到C5和CX 6个大气腐蚀等级，这些腐蚀等级和预期使用寿命H（15-25年）一起组成了Qualisteelcoat的涂装系统和喷涂厂认证的基础。
另外，ISO 12944较为注重的是防腐性能，即关注点在钢结构能否安全的达到预期使用年限上，而Qualisteelcoat不仅仅是要求防腐性能，它还包括了工件达到了预期的使用年限后，涂膜表面还能保持一定的装饰性能，即包含了涂膜耐候性的内容。
2 粉末涂装解决方案
2.1 涂装防护体系
为实现风电设备的长效运行，各结构件的涂装防护必须合理设计，并严格按照设计材料和工艺参数执行。涂装体系是涂装过程中所涉及到的整个流程，从原材料到最终的成品。Qualisteelcoat根据基材，前处理，有机涂料的类型定义涂装系统（见图1）。完整的涂装体系应包括：
图1 Qualisteelcoat根据基材，前处理，有机涂料的类型定义涂装系统
正如图中所示，涂装体系包括从基材到成品的整个过程：
基材
对于风电设备来说，基材包括各种钢材，包括各种表面含有金属涂层的钢材，也包括电泳后的钢材。当然，钢材进行金属喷涂、浸涂或电泳等之前也需要进行物理或化学的前处理，以保证金属涂层或电泳层与钢材之间的结合力。
前处理
前处理是指在涂料或金属喷涂前对基材进行的表面处理，可以是单一的化学或物理前处理，也可以两者兼有。前处理的目的是除去基材表面油污、增加基材表面粗糙度、或者形成一层较薄的保护膜增加与有涂层的结合力，进而提升防腐蚀效果。
有机涂层
包括各种粉末涂料或者液体涂料喷涂之后形成的有机涂层，可以是单层喷涂，也可以是多层喷涂。
Qualisteelcoat根据不同的基材开发了下面的表格，定义粉末涂料体系和电泳在不同的涂装系统中能达到的腐蚀等级。即Qualisteelcoat认为，每一种基材都有它所能够达到的最高防腐等级（见表3），当然这是以合理的前处理和防护涂层为前提的。
表3 粉末涂料体系根据不同涂装系统能达到的腐蚀等级
2.2 粉末涂装工艺
根据客户需要达到的防腐等级和要求，我们可以通过表3的推荐和喷涂现场工艺条件等来选择合适的基材、前处理和对应的粉末涂料。风电设备的各部分存在材质、薄厚、形状等各种差异，因此不同部件的涂装需要设计不同的工艺流程。粉末涂装工艺需要从基材选择、前处理和喷涂等三个方面入手，进行合理的设计。
就基材来说，不同的基材所能达到的防腐等级不一样。单纯的钢基材，它所能达到的最高等级是C4H，如果想做C5H级别的防腐，需要选择其他经过金属喷涂或者电泳的钢基材。基材的选择要基于客户要求的防腐等级，选择合适的基材，具体可参照上文表3。
前处理是喷涂前的第一道工序，直接关系到基材与涂层之间的附着力和涂料体系的长期防腐蚀性能。不同前处理所能达到的腐蚀等级也不一样，如基于铁系磷化的化学前处理或没有形成转化膜的化学前处理最高只能达到C3H。前处理方式要根据防腐蚀等级的选择采用物理或（和）化学处理，而且要严格按照工艺文件的要求进行，定期检测处理液的相关指标和化学膜的质量。
值得一提的是，经过前处理的产品需在处理后尽快进行喷涂，防止基材再次被氧化或者污损，它们的最长存放时间见表4。存储的状态是不允许产品表面有冷凝水产生的，所有的前处理岗位工人必须穿戴干净的棉纺手套以避免污染表面。
表4 Qualisteelcoat规定的前处理工件存储时间
选择合适的粉末涂料对防护体系至关重要，不同的粉末涂料防护能力相差甚远，设计不同的防腐结构（涂层种类、层数），获得的防腐效果也截然不同。粉末涂料体系在应用之前必须先进行相应腐蚀级别的测试，且只有通过了测试，才被允许应用于对应腐蚀级别的环境中。粉末涂装时需要根据工件的外形与特性设计不同的悬挂方式、喷涂参数、烘烤固化参数等，以保证无漏喷、固化完全。
涂料和涂装主要需要考虑如下5个方面：
1）根据基材类型、前处理前处理方式和防腐等级要求，选择合适的粉末涂料体系
2）粉末涂装要注意厚度的控制和边角覆盖，实验室检测防腐性能再好的涂料体系，如果边角覆盖不好的话，在工件尖锐部位会很快产生腐蚀点或线，尤其是没有金属涂覆物的基材。
3）涂料体系的固化要满足涂料厂商要求的固化条件，只有固化完全的涂膜才是致密、结实的防腐蚀保护层，才能够起到长久的防腐蚀作用。
4）如果是多层喷涂工艺，要严格控制各层的粉末类型和厚度，不能有用错或混用的情况发生，一般来说，底层粉末侧重于防腐性能，面层粉末主要侧重耐候性能。
5）如果是多层喷涂工艺，除了涉及各层固化完全的问题，还要涉及各涂层间的层间附着力问题。一般多层喷涂会涉及“双涂双烤”或“三涂三烤”。以“双涂双烤”为例，即喷涂底粉→烘烤预固化→喷涂面粉→固化完全（见图2）。其中底层预固化是非常关键的一环，过度烘烤会导致底层涂料完全固化，与面层结合力下降；烘烤不足则容易在二次固化时出现底粉上浮的现象。另外底粉预固化后应该尽快进行面粉的涂装，如果放置时间过久，表面被破坏或者被污染的话，也可能导致层间附着力的下降。
图2 “双涂双烤”喷涂工艺流程简图
2.3 高腐蚀等级（C4H和C5H）环境用粉末涂料的解决方案
C4H和C5H是目前风电设备实际运行中所涉及较多、较为苛刻的环境腐蚀等级。ISO12944-6 2018中C4H/C5H测试要求初始漆膜附着力≥2.5MPa，中性盐雾试验720h/1440h，冷凝测试480h/720h，盐雾和冷凝测试完成后涂膜附着力≥2.5MPa，盐雾试验后单边锈蚀宽度要≤1mm（Qualisteelcoat的单边锈蚀宽度要求≤2mm）。
对此我们进行了大量的实验，对比了不同的基材，不同的前处理和不同的粉末涂层体系在不同腐蚀级别的测试项目中的表现。针对高腐蚀等级的C4H和C5H，我们参照Qualisteelcoat的相关要求，采用双涂层结构，两涂两烤工艺，以达到高防腐、高耐候的要求。以我们的环氧富锌粉末涂料作为底粉，搭配耐候聚酯粉末涂料作为面粉，可以满足C4H的测试要求。以我们开发的超高防腐环氧粉末涂料作为底粉，搭配高耐候聚酯粉末涂料作为面粉，可以满足C5H的测试要求。我公司与风电设备厂商合作，共同开发的产品已经通过SGS对于C4H和C5H的各种项目测试，取得了相关报告。
检测实例图片如下（图3~4摘自SGS C4H和C5H检测报告）：
图3盐雾试验测试2
图4冷凝测试2
3 总结
随着社会对环境问题越来越重视，绿色能源的开发和利用会越来越广泛，风电等绿色能源行业也会保持现有的高速发展。风电设备的使用地域不再局限于内陆地区，在沿海等地区也有诸多的应用，潮湿高盐的使用环境对风电设备防腐的要求也越来越高。粉末涂料相比液体涂料具有绿色环保的特性，应用于风电设备防腐有其诸多的优势。粉末涂料应用于风电设备防腐工作的研究，近年来也越来越多。只有从基材、前处理、防腐结构设计、涂料选择、涂装工艺等各方面严格控制，才能保证风电设备在C4H和C5H高腐蚀环境下长效安全的运行。
（作者：杨治强，刘玉昆，石俊秀，崔志刚 供职于廊坊艾格玛新立材料科技有限公司）
