涂層的防腐性能是保證海上風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)壽命的關(guān)鍵。本文對(duì)常規(guī)重防腐涂層(常規(guī)涂層)和石墨烯重防腐涂層(石墨烯涂層)的附著力和電化學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究表明，石墨烯涂層的附著力明顯大于常規(guī)涂層附著力，相比常規(guī)涂層，石墨烯涂層的腐蝕電流降低了一個(gè)數(shù)量級(jí),同時(shí)其腐蝕電位也正移，表明石墨烯涂層的防腐效果較好。利用數(shù)值模擬方法對(duì)犧牲陽(yáng)極和石墨烯涂層防護(hù)下的海上風(fēng)電場(chǎng)鋼管樁防腐性能展開了研究。計(jì)算結(jié)果表明，與常規(guī)涂層相比，使用石墨烯涂層可顯著減小鋼管樁表面的腐蝕速率，提高涂層的陰極保護(hù)作用。

目前在我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)中，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)多采用大直徑單樁基礎(chǔ)型式，由于承載著風(fēng)機(jī)系統(tǒng)安全運(yùn)營(yíng)的重任，因此，鋼管樁的防腐性能關(guān)系到整個(gè)風(fēng)電工程安全運(yùn)行的關(guān)鍵。有機(jī)環(huán)氧樹脂涂層因能良好阻隔外界環(huán)境對(duì)鋼結(jié)構(gòu)材料的腐蝕而被廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境中。

但是環(huán)氧樹脂在較高溫度下，承受較強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的能力較差，而且鋼管樁防腐涂層厚度在水流沖刷作用下會(huì)逐漸變薄，削弱涂層對(duì)鋼管樁的保護(hù)作用,使鋼管樁極易發(fā)生腐蝕。受腐蝕后鋼結(jié)構(gòu)的物理、力學(xué)性能均會(huì)大幅下降,腐蝕嚴(yán)重時(shí)將會(huì)直接縮短整個(gè)工程結(jié)構(gòu)的使用壽命。

實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，防腐涂層的失效來自多方面的因素:存在于涂層表面或內(nèi)部的微觀缺陷導(dǎo)致在涂層/金屬界面的不同部位形成陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)，加速金屬基體的腐蝕；涂層與金屬基體界面附著力的降低，使得涂層與金屬基體結(jié)合強(qiáng)度降低,進(jìn)而導(dǎo)致涂層起泡或剝離;機(jī)械損傷、應(yīng)力等因素導(dǎo)致的涂層損傷使涂層體系的低頻阻抗模值迅速降低，電容瞬間增大，腐蝕加速?？梢姡Ｉ箱摴軜对谳^復(fù)雜因素的影響下，其涂層防腐性能會(huì)發(fā)生改變。

石墨烯作為一種sp2雜化的二維網(wǎng)狀碳材料,由碳原子嚴(yán)格按照六邊形排布形成，其結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。分散良好的石墨烯可以在二維片層結(jié)構(gòu)在涂料中進(jìn)行層層堆，從而形成水分子、氧氣和氯離子等腐蝕因子很難通過的致密隔絕層，起到優(yōu)異的物理阻隔作用，達(dá)到長(zhǎng)效防腐的目的,其應(yīng)用越來越廣泛。

本文通過試驗(yàn)研究比較了常規(guī)涂層與石墨烯涂層的附著力和電化學(xué)性能?；诟g電化學(xué)原理，利用數(shù)值模擬方法對(duì)石墨烯涂層和犧牲陽(yáng)極防護(hù)下的海上風(fēng)電場(chǎng)鋼管樁防腐性能展開了研究。

一、石墨烯涂層性能的試驗(yàn)研究

1.1 原材料

常規(guī)涂層采用環(huán)氧富鋅底漆、改性環(huán)氧中間漆均為佐敦涂料(張家港)有限公司生產(chǎn)的佐敦工業(yè)保護(hù)漆Penguard pro GF，面漆為 HARDTOP AX脂肪族聚氨酯.石墨烯涂層通過添加0.3 wt%的石墨烯以改善常規(guī)涂層性能。

1.2 涂層制備

使用無(wú)油脂和水分的壓縮空氣，對(duì)DH36鋼片表面進(jìn)行噴砂除銹處理，噴砂后的鋼片表面不得有鐵銹、氧化皮等，粗糙度應(yīng)達(dá)到ISO8503中規(guī)定的G級(jí)。采用無(wú)氣噴涂的工藝涂裝鋼片，噴槍壓力為0.34~0.52 MPa，噴距為200~300 mm。涂層厚度控制在(200±10) μm范圍內(nèi)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1附著力測(cè)試方法

采用拉開法測(cè)試涂層附著力。測(cè)試儀器為PAT M01液壓型儀器.測(cè)試過程根據(jù)ISO 4624-2002《色漆和清漆 拉開法附著力試驗(yàn)》施行。

1.3.2 電化學(xué)測(cè)試方法

電化學(xué)測(cè)試在CHI660E電化學(xué)工作站上進(jìn)行。電化學(xué)測(cè)試采用三電極體系，其中以Ag/AgCl為參比電極，石墨棒為對(duì)電極，涂膜涂覆的鋼片為工作電極。將各涂層試樣在濃度為3.5%的NaCl溶液中浸泡24 h后，測(cè)定其動(dòng)電位極化曲線。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 附著力測(cè)試結(jié)果

表1示出了6組常規(guī)涂層和石墨烯涂層的附著力。從表1中可以看出，石墨烯涂層的最大附著力達(dá)到了12.5 MPa，總體平均附著力則達(dá)到了12.1 MPa，明顯大于常規(guī)涂層10.2 MPa的平均附著力，平均附著力提升了約20%。

表1 涂層附著力比較(單位:MPa)

2.2 電化學(xué)測(cè)試結(jié)果

通過塔菲爾切線外延法得出6組常規(guī)涂層和石墨烯涂層的腐蝕電流(Icorr)和腐蝕電位(Ecorr)，結(jié)果如表2和表3所示。從表中可以看出,常規(guī)涂層的腐蝕電流在2.05×10-4 A·m-2~2.62×10-4 A·m-2之間；而石墨烯涂層的腐蝕電流范圍為1.22×10-5 A·m-2~1.26×10-5 A·m-2，相比常規(guī)涂層,石墨烯涂層的腐蝕電流降低了一個(gè)數(shù)量級(jí),同時(shí)其腐蝕電位也逐漸正移，表明石墨烯涂層的防腐效果較好。

表2 常規(guī)涂層電化學(xué)腐蝕參數(shù)

表3石墨烯涂層電化學(xué)腐蝕參數(shù)

研究資料表明，常規(guī)涂層的底漆通過腐蝕鋅粉來保護(hù)鐵基體，其在中性或微堿性介質(zhì)環(huán)境中容易形成穩(wěn)定的腐蝕產(chǎn)物阻隔覆蓋層，從而阻擋腐蝕介質(zhì)的侵蝕。然而隨著腐蝕的持續(xù)發(fā)生，鋅粉逐漸被氧化成鋅鹽，涂層的導(dǎo)電性下降，可能阻斷電子傳輸路徑，造成大部分鋅粉失去其原有的保護(hù)作用，只起到有限的阻隔作用.而石墨烯的共軛結(jié)構(gòu)使之具有很高的電子遷移，其快速導(dǎo)電性特性使得石墨烯在涂層中與鋅粉搭接隨機(jī)堆疊形成導(dǎo)電通路，整個(gè)涂層與鐵基材形成了電化學(xué)回路體系，提高了涂層的陰極保護(hù)作用,減緩了金屬基材的電化學(xué)腐蝕速率。

三、海上風(fēng)電鋼管樁石墨烯涂層防腐性能的數(shù)值模擬

前文關(guān)于石墨烯涂層防腐性能試驗(yàn)的樣品為涂覆涂層的鋼片，各涂層樣品在NaCl溶液中浸泡時(shí)間也較短。對(duì)于大尺度鋼管樁的防腐性能的研究，數(shù)值模擬方法則為石墨烯涂層在實(shí)際工程中防腐性能的研究提供了便利。

采用犧牲陽(yáng)極和石墨烯涂層聯(lián)合防護(hù)方法對(duì)海上風(fēng)電鋼管樁進(jìn)行防護(hù)。犧牲陽(yáng)極為Al-Zn-In-Mg-Ti合金，犧牲陽(yáng)極焊接在集成式套籠結(jié)構(gòu)圈梁處，沉樁完成后，犧牲陽(yáng)極隨集成式套籠結(jié)構(gòu)整體吊放在鋼管樁上，部分犧牲陽(yáng)極沉入泥下區(qū)。

通過電化學(xué)測(cè)試可知，隨著涂層厚度的增加,涂層交換電流密度降低，其電化學(xué)活性降低，涂層抗電解質(zhì)溶液侵蝕能力增強(qiáng)，從而減緩了金屬基體的腐蝕進(jìn)程。涂層的作用使鋼結(jié)構(gòu)表面絕緣，減少陰極保護(hù)的面積。但減少陰極保護(hù)面積在數(shù)值模擬中較難實(shí)現(xiàn)，可采用降低交換電流密度的方法在數(shù)值模型中體現(xiàn)涂層的保護(hù)作用。

3.1 基本設(shè)置

建立數(shù)值模型如圖1所示，為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，根據(jù)對(duì)稱性取四分之一圓柱作為計(jì)算域，圓柱半徑為60 m，高100 m，鋼管樁長(zhǎng)64 m，厚度為70 mm，外徑為2.75 m。海上風(fēng)電鋼管樁穿越大氣區(qū)、浪濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)，直接對(duì)不同區(qū)域的氣、液、固體與鋼管樁間的相互作用進(jìn)行模擬計(jì)算成本及難度較大，不便于工程應(yīng)用,因此對(duì)于這些區(qū)域的模擬可通過設(shè)置不同交換電流密度來實(shí)現(xiàn)。為簡(jiǎn)化計(jì)算過程，將與鋼管樁相互作用介質(zhì)分為三部分，上部為大氣區(qū)，高8.8 m，中間部分為海水區(qū)，高10 m，下部為海泥區(qū)，高81.2 m。其中海水區(qū)為石墨烯涂層區(qū)域。六組犧牲陽(yáng)極環(huán)繞鋼管樁等間距設(shè)置。犧牲陽(yáng)極長(zhǎng)度為2 m，初始半徑0.23 m，最終半徑為0.05 m，使用“犧牲邊陽(yáng)極”節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模，電極動(dòng)力學(xué)模型采用線性Butler-Volmer模型.隨著陽(yáng)極的溶解，陽(yáng)極的半徑減小，當(dāng)達(dá)到最終半徑時(shí)，陽(yáng)極被切斷。

3.2 石墨烯涂層和犧牲陽(yáng)極聯(lián)合防護(hù)效果分析

圖1示出了20 a和25 a時(shí)石墨烯涂層與常規(guī)涂層(i0=4×10-5 A/m2)作用下鋼管樁表面的局部電流密度，即腐蝕速率.在第20 a時(shí)，犧牲陽(yáng)極未完全消耗殆盡，犧牲陽(yáng)極作為電位較低的合金材料，使得鋼管樁成為陰極材料，其與鋼管樁之間的電位差產(chǎn)生一定強(qiáng)度的電流使得鋼管樁受到保護(hù)，鋼管樁局部電流密度處于較低水平。在第25 a時(shí)，犧牲陽(yáng)極已全部消耗，鋼管樁的腐蝕速率相較于第20 a時(shí)的腐蝕速率有較大的提高，如在海平面處，對(duì)于石墨烯涂層和常規(guī)涂層而言，鋼管樁的腐蝕速率均提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。此外由圖可知，泥面處的腐蝕速率較慢。使用石墨烯涂層可顯著減小鋼管樁的腐蝕速率.在20 a時(shí)，石墨烯涂層和常規(guī)涂層防護(hù)下鋼管樁在海平面處的腐蝕速率分別為2.13×10-2A/m2和5.75×10-2 A/m2，在25 a時(shí)，則分別為0.214 A/m2和0.352 A/m2，可見在20 a和25 a時(shí)，石墨烯涂層防護(hù)下的腐蝕速率為常規(guī)涂層防護(hù)下的37%和61%，這體現(xiàn)出了石墨烯涂層和犧牲陽(yáng)極聯(lián)合防護(hù)的重要作用。

四、結(jié)論

(1) 石墨烯涂層的附著力明顯大于常規(guī)涂層的附著力，其平均附著力提升了近20%。石墨烯涂層的腐蝕電流相比常規(guī)涂層的腐蝕電流降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)其腐蝕電位也逐漸正移，表明石墨烯涂層的防腐效果較好。

(2)  與常規(guī)涂層相比，使用石墨烯涂層可顯著減小鋼管樁表面的腐蝕速率，在20 a和25 a時(shí)，石墨烯涂層防護(hù)鋼管樁在海平面處的腐蝕速率為常規(guī)涂層的37%和61%。

五、夢(mèng)能科技

夢(mèng)能科技是一家致力于涂料的銷售、方案設(shè)計(jì)、涂裝施工為一體的科技公司，夢(mèng)能科技專長(zhǎng)于EMI行業(yè)、工業(yè)裝備制造、橋梁鋼結(jié)構(gòu)、石油石化、特種氣體行業(yè)、火電、風(fēng)電、水電能源行業(yè)等重防腐領(lǐng)域。夢(mèng)能科技為廣大用戶提供全方位的服務(wù)，包括在設(shè)計(jì)階段向您推薦合理的油漆配套方案，在合作當(dāng)中提供高質(zhì)量的產(chǎn)品和高水平的施工服務(wù)以及完善的現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)指導(dǎo)與優(yōu)質(zhì)的售后服務(wù)。