CN111074196A - 一种海上风电装备阴极保护喷涂工艺及阴极保护涂层 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种海上风电装备阴极保护喷涂工艺及阴极保护涂层，结合电弧喷涂，以REZA55丝材为阴极保护材料对海上风电装备表面进行热喷涂处理。本发明的喷涂工艺能够提供具有更高硬度、耐磨性耐腐蚀性和剥离强度的防腐涂层，使得涂层在恶劣的海上工作环境下具有更高的耐受能力，不容易受到破坏和腐蚀，同时，本发明的喷涂工艺允许在获得相同甚至更优的防腐性能的前提下，使用更小重量的丝材实现更大的防腐涂层施工面积，从而降低丝材用量，本发明的喷涂工艺还能够提供相对更加安全的施工环境，减少对喷涂工人的伤害和对工作环境的污染。

Description

一种海上风电装备阴极保护喷涂工艺及阴极保护涂层
技术领域
本发明涉及防腐加工技术领域，具体涉及针对海上风电装备的防腐加工处理，更具体的涉及一种针对海上风电装备的阴极保护热喷涂工艺及由所属工艺制得的阴极保护涂层。
背景技术
金属材料的腐蚀破坏不仅给各国带来巨大的经济损失和安全隐患，也给人类有限的资源造成了极大的消耗和浪费。1999年至2001年间，NACE国际在与美国联邦公路管理局(FHWA)签署一份合作协议后展开了一项调查研究。根据调查结果，美国每年花费的腐蚀费用约为2,760亿美元。
近年来，随着各国风电技术的不断发展和陆地风机的饱和，各国均把目光投向了更加广阔的海上风机市场。相比陆地，海上的工作环境更加恶劣，对风机上的各金属零部件的损伤也更高，并且海上风机的设备和安装成本均远高于陆地风机。因此，海上风机对于零部件的防腐提出了更高的要求。
风机的主要零部件均为金属制品，其主要的元素是铁。现有技术中，对于金属材料的防腐处理主要采用热喷涂工艺。若用于防腐的热喷涂材料为金属材料，则还可以形成阴极保护，进一步减缓金属材料的腐蚀。锌、铝是其中最常用来当做阴极保护的材料，尤其是锌铝合金，由于合金的特性，被广泛用于海上风电产品，从目前的市场上来说，最主流的就是Zn(99.99％)和ZnAl15(下称ZA15，指含Zn85％wt，含铝15％wt的锌铝合金)。但是，根据实践反馈数据，采用上述两种阴极保护材料的热喷涂防腐工艺的海上风电设备仍经常出现涂层腐蚀，导致机组停机，因而需要进行定期的涂层维护；而由于海上施工环境的限制，一台海上风机的涂层维护成本是涂覆初始涂层成本的几十倍，甚至上百倍。因此如何提高涂层的防腐能力和使用寿命就变得极其重要了。
发明内容
为解决上述海上风电设备防腐技术问题，本发明提供一种海上风电装备阴极保护喷涂工艺及阴极保护涂层。采用本发明的工艺能够显著提高阴极保护涂层的防腐能力，减少甚至免除海上风电设备的涂层维护。
具体的，本发明提供一种海上风电装备阴极保护喷涂工艺，包括如下步骤：
a、对工件表面进行喷砂处理，清洁工件表面的锈迹，并增加工件表面的粗糙度；
b、在室温干燥氛围下对清洁的工件表面进行电弧喷涂；
其中，电弧喷涂的工艺参数如下：喷射气压为0.6～0.7Mpa；喷涂角度为：85°±5°；喷涂距离为：100～150mm；电流为：120～160A；电压为：22～24V；送丝速度为：3～4m/min；丝材为
Figure BDA0002303598270000021
的REZA55丝材(指含Zn45％wt，含Al55％wt的锌铝合金)；喷嘴移动速度为0.3～0.35m/min，以在所述工件表面形成约150μm的阴极保护涂层；所述的室温干燥氛围指在该温度和湿度条件下，工件表面无结露的温度湿度条件。
优选的，对工件表面的喷砂处理应满足：工件表面需要清理达到ISO8501-1的Sa3.0级或者NACE NO.5，粗糙度Rz大于70μm。
优选的，本发明的海上风力发电装备阴极保护锌铝合金喷涂工艺还包括在步骤b之后的封孔步骤。所述封孔步骤使用的封孔剂为乙烯树脂、酚醛、改进型环氧树脂及聚氨树脂中的任意一种或其组合。
本发明还提供一种由上述喷涂工艺制得的阴极保护涂层，该阴极保护涂层被用于海上风电装备的防腐；其中，本发明的所述阴极保护涂层的平均厚度为150μm，其能够满足110.3HB的显微硬度和不低于5MPa的附着力要求。
相比于现有技术，本发明至少能够取得如下有益效果：REZA55涂层与ZA15涂层相比，具有更高的硬度和耐磨性，涂层不容易受到破坏；REZA55与ZA15丝材的密度之比是3.6：5.6＝1:1.6，意味着：同样质量的丝材喷涂同样厚度的涂层，REZA55丝材喷涂的面积是ZA15丝材喷涂面积的1.6倍；与ZA15丝材相比，REZA55丝材在喷涂过程中产生的ZnO气体较少，从而减少了有毒气体对喷涂工人的伤害和对工作环境的污染；REZA55涂层与ZA15涂层相比，拥有更好的耐腐蚀性，涂层寿命更长，后期的维修成本更低。
附图说明书
图1为REZA55与ZA15丝材热喷涂涂层表面形貌对比；
图2为REZA55与ZA15丝材热喷涂涂层截面形貌对比；
图3为REZA55与ZA15丝材热喷涂涂层未封孔时的极化曲线；
图4为REZA55与ZA15丝材热喷涂涂层封孔后的极化曲线；
图5为图3、图4的复合图；
图6为REZA55与ZA15丝材热喷涂涂层经中性盐雾试验三天后的表面形态；
图7a为400倍显微镜下对REZA55涂层的孔隙率测试图；
图7b为400倍显微镜下对ZA15涂层的孔隙率测试图；
图8a-c为对REZA55涂层上五个随机测试点的附着力检测结果。
具体实施方式
实施例1
一种海上风力发电装备阴极保护锌铝合金喷涂工艺包括如下步骤：
a、对20钢试板表面进行喷砂处理，清洁试板表面至ISO8501-1的Sa3.0级或者NACENO.5，粗糙度Rz：70-100μm；
b、在室温下对清洁的试板表面进行电弧喷涂；
其中，电弧喷涂的工艺参数如下：喷射气压为0.6Mpa；喷涂角度为：85°±5°；喷涂距离为：100mm；电流为：120A；电压为：22V；送丝速度为：3m/min；丝材为REZA55。
实施例2
一种海上风力发电装备阴极保护锌铝合金喷涂工艺包括如下步骤：
a、对20钢试板表面进行喷砂处理，清洁试板表面至ISO8501-1的Sa3.0级或者NACENO.5，粗糙度Rz：70-100μm；
b、在室温下对清洁的试板表面进行电弧喷涂；
其中，电弧喷涂的工艺参数如下：喷射气压为0.7Mpa；喷涂角度为：85°±5°；喷涂距离为：150mm；电流为：160A；电压为：24V；送丝速度为：4m/min；丝材为REZA55。
实施例3
一种由实施例1或2的喷涂工艺制得的阴极保护涂层，该阴极保护涂层被用于海上风电装备的防腐。
对比例1
一种海上风力发电装备阴极保护锌铝合金喷涂工艺包括如下步骤：
a、对20钢试板表面进行喷砂处理，清洁试板表面至ISO8501-1的Sa3.0级或者NACENO.5，粗糙度Rz：70-100μm；
b、在室温下对清洁的试板表面进行电弧喷涂；
其中，电弧喷涂的工艺参数如下：喷射气压为0.6Mpa；喷涂角度为：85°±5°；喷涂距离为：100mm；电流为：120A；电压为：22V；送丝速度为：3m/min；丝材为ZA15(Zn85Al15)。
涂层效果比较
涂层表面形貌比较
参见图1，图中左侧为ZA15丝材在20钢试板表面电弧喷涂后的表面形貌(对比例1)；右侧为REZA55丝材在20钢试板表面电弧喷涂后的表面形貌(实施例1)。从图1中可以看出，REZA55涂层表面色泽比ZA15涂层白亮，两种涂层表面粗糙度相差不大，表面形态均匀。
截面形貌比较
参见图2，图2是分别采用实施例1与对比例1的工艺喷涂后的得到的涂层截面形貌。从图中可以看出，两种涂层均不同程度的含有气孔。但与REZA15涂层相比，REZA55涂层更为致密。
硬度检测(显微硬度)
表1是REZA55涂层与ZA15涂层显微硬度的对比，从表中可以看出REZA55涂层的硬度约是ZA15涂层硬度的4倍。
表1 REZA55与ZA15电弧喷涂涂层的显微硬度
Al55(HV0.025) 110.3 156.7 193 113.6 141.5 平均值：143
Al15(HV0.025) 50 30 42.1 33.2 34.1 平均值：38
耐腐蚀试验检测
1)电化学实验
参见图3-5，图3和图4分别是REZA55与ZA15涂层未封孔及经过封孔后在3.5％(wt)NaCl水溶液中的极化曲线图。从图中可以看出，未封孔的REZA55涂层和经过封孔的REZA55涂层的腐蚀电位分别高于未封孔的ZA15涂层和经过封孔的ZA15涂层。图5是图3和图4的综合，从图5可以看出，经过封孔的REZA55涂层腐蚀电位最正，ZA15涂层的腐蚀电位最负。可以看出，与ZA15涂层相比，REZA55拥有更好的耐腐蚀性能。
2)、盐雾试验
图6是中性盐雾试验3天后的两种涂层(厚度约150μm)的表面形态，与图1相比可以看出，REZA55涂层表面并未完全腐蚀(未完全变黑)，而ZA15涂层表面因腐蚀呈黑色。可以看出REZA55涂层相较于ZA15涂层更耐盐雾腐蚀。
金相孔隙率测试
将实施例1和对比例1得到的两种涂层取样后放入400倍的显微镜下观察，并通过各自计算出孔隙率。结果参见图7。
其中，图7a为对REZA55涂层的金相孔隙率测试结果，其中：孔隙面积为6061.9μm2；测量面积为80000μm2；孔隙率为7.577％
图7b为对ZA15涂层的金相孔隙率测试结果，其中：孔隙面积为9278.7μm2；测量面积为64000μm2；孔隙率14.498％。
金相孔隙率测试结果显示，REZA55涂层的孔隙率仅为ZA15涂层孔隙率的一半，前者相较于后者能够提供更优异的耐腐蚀性能。
附着力的测试
附着力测试是涂层检测的基本要求之一，根据ASTM D4541的测试方法对实施例1和对比例1中喷涂后的20钢试板进行测试，根据Nace NO.12的要求，锌铝合金涂层的附着力要求≥4.83MPa。测试结果见图8a-c。
图8a-c展示了对依照本发明的喷涂方法制得的REZA55涂层上的5个随机测试点进行附着力测试的结果，结果显示，所有随机测试点的附着力数据最小为5.42MPa，满足附着力要求。
以上实施例仅是本发明技术方案的优选实施方式，本领域的普通技术人员在不经创造性劳动的情况下，通过常规手段的替换等方式获得的其他技术方案也属于本发明方案的可行实施方式，本发明的具体保护范围以权利要求的限定内容为准。

Claims (4)

1.一种海上风电装备阴极保护喷涂工艺，包括如下步骤：
a、对工件表面进行喷砂处理，清洁工件表面的锈迹，并增加工件表面的粗糙度；
b、在室温干燥氛围下对清洁的工件表面进行电弧喷涂；
其中，电弧喷涂的工艺参数如下：喷射气压为0.6~0.7Mpa；喷涂角度为：85°±5°；喷涂距离为：100~150mm；电流为：120~160A；电压为：22~24V；送丝速度为：3~4m/min；丝材为REZA55；所述的室温干燥氛围指在该温度和湿度条件下，工件表面无结露的温度湿度条件。
2.如权利要求1所述的海上风电装备阴极保护喷涂工艺，其特征在于：对工件表面的喷砂处理应满足：工件表面需要清理达到ISO8501-1的Sa3.0级，粗糙度Rz大于70μm。
3.如权利要求1-2中任一项所述的海上风电装备阴极保护喷涂工艺，其特征在于：还包括在步骤b之后的封孔步骤，所述封孔步骤使用的封孔剂为乙烯树脂、酚醛、改进型环氧树脂及聚氨树脂中的任意一种或其组合。
4.一种权利要求1-3中任一项的喷涂工艺制得的阴极保护涂层，该阴极保护涂层被用于海上风电装备的防腐，其中，本发明的所述阴极保护涂层的平均厚度为150μm，且具有至少110.3HB的显微硬度和至少5.42 Mpa的附着力。
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