海浪飛濺區(qū)鋼管樁纖維增強(qiáng)高性能樹(shù)脂復(fù)合涂層質(zhì)量評(píng)價(jià)

駱光杰，周茂強(qiáng)，李野，顧勇

（1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；3.上海湟龍智能科技有限公司，上海 200240）

0 前言

我國(guó)海上風(fēng)能資源豐富。風(fēng)能作為一種清潔環(huán)保的可再生能源替代傳統(tǒng)化石能源的產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景非常廣闊。目前在我國(guó)海上風(fēng)電項(xiàng)目中，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)大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)電工程的安全運(yùn)行。環(huán)氧樹(shù)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[1-2]。但是環(huán)氧樹(shù)脂在較高溫度下，承受較強(qiáng)腐蝕介質(zhì)（較強(qiáng)酸、堿和溶劑等）的能力較差[3]，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[4]。除正常的工作荷載、環(huán)境荷載的作用外，海上風(fēng)電工程鋼管樁還受到偶然荷載威脅，如船舶的碰撞等偶然荷載引發(fā)的海洋工程結(jié)構(gòu)事故。事故導(dǎo)致涂層的刮傷損壞引起的局部腐蝕危害更為嚴(yán)重，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，防腐涂層的失效來(lái)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[5]；涂層與金屬基體界面附著力的降低，使得涂層與金屬基體的結(jié)合強(qiáng)度降低，進(jìn)而導(dǎo)致涂層起泡或剝離[6-7]；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[8]。

在上述諸多微觀缺陷中，基體表面的不均勻性位列第一。涂層的耐蝕性能與涂層的附著力直接相關(guān)[9]。研究成果表明[10]，通過(guò)增加涂層厚度可以降低微觀缺陷面積，從而有效提高涂層的抗介質(zhì)滲透能力和對(duì)金屬基體的保護(hù)作用。因此，本研究通過(guò)設(shè)置石墨烯光敏復(fù)合增強(qiáng)纖維預(yù)浸帶作為鋼管樁重防腐涂層的中間漆增強(qiáng)層，以提高海上風(fēng)電鋼管樁飛濺區(qū)重防腐涂層的綜合防腐性能，并比較改善措施的實(shí)施效果。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）飛濺區(qū)鋼管樁重防腐涂層：SIGMACOVER850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，HARDTOP AX脂肪族聚氨酯面漆（SIGMADUR550），涂層采用無(wú)氣噴涂方式。

（2）石墨烯光敏復(fù)合增強(qiáng)纖維保護(hù)層：由粘結(jié)層（無(wú)溶劑柔性環(huán)氧底膠）、中間層（光敏復(fù)合增強(qiáng)纖維預(yù)浸帶）和表面層（光敏膠-石墨烯改性丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠）組成，江蘇修德材料科技有限公司生產(chǎn)。光敏復(fù)合增強(qiáng)纖維預(yù)浸帶規(guī)格尺寸見(jiàn)表1，主要技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 光敏復(fù)合增強(qiáng)纖維預(yù)浸帶的規(guī)格尺寸

表2 光敏復(fù)合增強(qiáng)纖維預(yù)浸帶的主要技術(shù)性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

（1）試樣制備：首先用鋼砂對(duì)鋼板表面進(jìn)行除銹，除銹等級(jí)為Sa2.5，粗糙度達(dá)到ISO 8503中規(guī)定的“中等（G）級(jí)別”；表面處理后4 h內(nèi)完成鋼板表面底漆的高壓無(wú)氣噴涂，底漆、第1道中間漆、第2道中間漆、面漆的設(shè)計(jì)厚度分別為400、400、200、60 μm（總厚度為1060 μm），在下道漆施工前，必須對(duì)前道涂層進(jìn)行缺陷修正以及表面的清潔工作，清除油污、灰塵等。

（2）附著力測(cè)試：按ISO 4624—2002《色漆和清漆拉開(kāi)法附著力試驗(yàn)》，采用拉開(kāi)法測(cè)試涂層的附著力，測(cè)試儀器為PAT M01液壓型測(cè)試儀。

（3）涂層干膜厚度測(cè)試：按GB/T 13452.2—2008《色漆和清漆漆膜厚度的測(cè)定》，采用磁性涂層測(cè)厚儀進(jìn)行測(cè)試。

2 涂層質(zhì)量統(tǒng)計(jì)分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)鋼樣板涂層厚度和附著力測(cè)試

附著力反映涂層與金屬基體結(jié)合力，是決定涂層防護(hù)作用的重要因素之一[11]。由于附著力測(cè)試是破壞性試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)采用尺寸為400 mm×200 mm×65 mm的3塊鋼樣板與鋼管樁同步進(jìn)行防腐涂層噴涂，每塊樣板隨機(jī)取2個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表4、表5。

表3 鋼樣板涂層厚度及附著力測(cè)試結(jié)果

表4 現(xiàn)場(chǎng)鋼樣板各涂層厚度統(tǒng)計(jì)分析

表5 現(xiàn)場(chǎng)鋼樣板各涂層附著力統(tǒng)計(jì)分析

從表4可以看出，3塊鋼樣板小面積施工（400 mm×200 mm×65 mm）時(shí)，底漆、中間漆和面漆厚度的標(biāo)準(zhǔn)差在11.37～39.84之間，其中底漆與中間漆的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)差別不大，但面漆的標(biāo)準(zhǔn)差是底漆的2.57倍；變異系數(shù)在0.027～0.106之間，其中面漆的變異系數(shù)是底漆的3.31倍。說(shuō)明面漆涂層的質(zhì)量波動(dòng)大，其質(zhì)量最不穩(wěn)定。

從表5可以看出：中間漆和面漆的附著力標(biāo)準(zhǔn)差分別為底漆的1.8、1.2倍，變異系數(shù)分別為底漆的2.1、1.1倍，說(shuō)明中間漆和面漆附著力的質(zhì)量波動(dòng)較大；但各涂層的附著力均值均符合NB/T 10626—2021《海上風(fēng)電場(chǎng)工程防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的≥8 MPa的要求。

2.2 海上風(fēng)電鋼管樁飛濺區(qū)原重防腐涂層厚度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果及質(zhì)量統(tǒng)計(jì)分析

因?yàn)殇摴軜渡蠠o(wú)法進(jìn)行附著力測(cè)試，所以鋼管樁重防腐涂層的現(xiàn)場(chǎng)施工僅僅對(duì)各涂層厚度進(jìn)行控制，涂層厚度只要滿足施工技術(shù)規(guī)定“干膜厚度應(yīng)大于或等于設(shè)計(jì)厚度值者應(yīng)占檢測(cè)點(diǎn)總數(shù)的90%以上，其它測(cè)點(diǎn)的干膜厚度也不應(yīng)低于90%的設(shè)計(jì)厚度值”即可。極少有文獻(xiàn)關(guān)注各涂層施工質(zhì)量的波動(dòng)。

為保證涂層質(zhì)量，飛濺區(qū)（π×5500 mm×20 000 mm），均勻分布測(cè)試32個(gè)測(cè)點(diǎn)，鋼管樁現(xiàn)場(chǎng)重防腐涂層底漆、第1道中間漆、第2道中間漆、面漆分4次涂裝，涂層厚度設(shè)計(jì)值分別為400、400、200、60 μm?，F(xiàn)場(chǎng)鋼管樁各涂層厚度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。

從圖1可見(jiàn)，底漆、第1道中間漆的厚度分布基本呈兩端低、中間高的正態(tài)分布形態(tài)，第2道中間漆與面漆的厚度分布非常散亂，毫無(wú)規(guī)律。以上各涂層厚度的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表6。

圖1 鋼管樁各涂層厚度測(cè)試結(jié)果

表6 現(xiàn)場(chǎng)鋼管樁各涂層厚度統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

從表6可見(jiàn)，現(xiàn)場(chǎng)鋼管樁重防腐涂層中，底漆、中間漆、面漆的標(biāo)準(zhǔn)差在29.16～98.82之間，變異系數(shù)在0.065～0.496之間，且隨涂層厚度累計(jì)增量的增加而增大；第1道中間漆、第2道中間漆、面漆的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)均大于底漆，分別為底漆的1.2、2.5、3.4倍，變異系數(shù)分別為底漆的1.2、3.3、7.6倍。

比較表4鋼樣板涂層厚度統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果和表6鋼管樁涂層厚度統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知，與鋼樣板涂層厚度的標(biāo)準(zhǔn)差相比，鋼管樁涂層實(shí)際施工時(shí)，各涂層厚度的標(biāo)準(zhǔn)差都增大了2倍以上；底漆、第1道中間漆的變異系數(shù)增大了2倍以上，第2道中間漆、面漆的變異系數(shù)增大了5～8倍。與鋼樣板面積相比，鋼管樁的涂刷面積增加了66倍。說(shuō)明涂刷面積越大，各涂層厚度越不均勻。

3 石墨烯光敏復(fù)合增強(qiáng)纖維預(yù)浸帶對(duì)涂層厚度和附著力的改善效果分析

為了改善鋼管樁中間漆和面漆質(zhì)量，將（2000±400）μm厚度的石墨烯光敏復(fù)合增強(qiáng)纖維預(yù)浸帶置于面漆之下，作為中間漆增強(qiáng)層，擬通過(guò)提高面漆附著力增強(qiáng)涂層的綜合防腐性能。

6組石墨烯光敏復(fù)合增強(qiáng)纖維預(yù)浸帶作為中間漆增強(qiáng)層鋼管樁涂層總厚度和整體附著力測(cè)試結(jié)果與統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果分別見(jiàn)表7和表8。

表7 石墨烯光敏復(fù)合纖維預(yù)浸帶增強(qiáng)中間漆鋼樣板涂層測(cè)試結(jié)果

從表7可以看出，采用石墨烯光敏復(fù)合增強(qiáng)纖維預(yù)浸帶增強(qiáng)中間漆，其鋼樣板涂層總平均厚度為1708 μm，遠(yuǎn)大于普通重防腐涂層設(shè)計(jì)厚度1060 μm，實(shí)現(xiàn)了厚膜化；其總體平均附著力增大了24%，達(dá)12.49 MPa，明顯大于普通重防腐涂層的10.07 MPa（見(jiàn)表5）。

同時(shí)分析現(xiàn)場(chǎng)鋼管樁采用石墨烯光敏復(fù)合增強(qiáng)纖維預(yù)浸帶增強(qiáng)中間漆后各涂層的質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表8。

圖2 石墨烯光敏復(fù)合增強(qiáng)纖維預(yù)浸帶增強(qiáng)中間漆鋼管樁各涂層厚度測(cè)試結(jié)果

表8 現(xiàn)場(chǎng)石墨烯光敏復(fù)合增強(qiáng)纖維預(yù)浸帶增強(qiáng)鋼管樁中間漆各涂層厚度統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

對(duì)比分析表8和表6可知，采用石墨烯光敏復(fù)合纖維預(yù)浸帶增強(qiáng)中間漆時(shí)，面漆厚度的標(biāo)準(zhǔn)差減小了45.9%，變異系數(shù)減小了72.6%，與小面積噴涂鋼樣板的涂層相近。而且其較小的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)也體現(xiàn)了石墨烯光敏復(fù)合增強(qiáng)纖維保護(hù)層作為中間漆增強(qiáng)層可使鋼管樁的防腐性能更穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1）現(xiàn)場(chǎng)鋼管樁重防腐涂層中，底漆、中間漆、面漆的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)隨涂層厚度累計(jì)增量的增加而增大；第1道中間漆、第2道中間漆、面漆的標(biāo)準(zhǔn)差分別為底漆的1.2、2.5、3.4倍，變異系數(shù)分別為底漆的1.2、3.3、7.6倍。說(shuō)明涂層厚度越大，其波動(dòng)幅度越大，涂層質(zhì)量越不穩(wěn)定。

（2）雖然各涂層的附著力均值符合NB/T 10626—2021規(guī)定的不小于8 MPa的要求。但是與底漆相比，中間漆、面漆附著力的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)增大了近2倍，說(shuō)明涂層附著力的質(zhì)量波動(dòng)也隨涂層厚度增加而增大。

（3）采用石墨烯光敏復(fù)合增強(qiáng)纖維預(yù)浸帶增強(qiáng)中間漆，能使面漆總體平均附著力增大24%，使面漆的標(biāo)準(zhǔn)差減小45.9%，變異系數(shù)減小72.6%。