涂層的防腐性能是保證海上風電場設計壽命的關鍵。本文對常規(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)的附著力和電化學性能進行了試驗研究。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數量級,同時其腐蝕電位也正移，表明石墨烯涂層的防腐效果較好。利用數值模擬方法對犧牲陽極和石墨烯涂層防護下的海上風電場鋼管樁防腐性能展開了研究。計算結果表明，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作用。

目前在我國海上風電場中，風機基礎多采用大直徑單樁基礎型式，由于承載著風機系統安全運營的重任，因此，鋼管樁的防腐性能關系到整個風電工程安全運行的關鍵。有機環(huán)氧樹脂涂層因能良好阻隔外界環(huán)境對鋼結構材料的腐蝕而被廣泛應用于海洋環(huán)境中。

但是環(huán)氧樹脂在較高溫度下，承受較強腐蝕介質的能力較差，而且鋼管樁防腐涂層厚度在水流沖刷作用下會逐漸變薄，削弱涂層對鋼管樁的保護作用,使鋼管樁極易發(fā)生腐蝕。受腐蝕后鋼結構的物理、力學性能均會大幅下降,腐蝕嚴重時將會直接縮短整個工程結構的使用壽命。

實際運營中，防腐涂層的失效來自多方面的因素:存在于涂層表面或內部的微觀缺陷導致在涂層/金屬界面的不同部位形成陰極區(qū)和陽極區(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合強度降低,進而導致涂層起泡或剝離;機械損傷、應力等因素導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^復雜因素的影響下，其涂層防腐性能會發(fā)生改變。

石墨烯作為一種sp2雜化的二維網狀碳材料,由碳原子嚴格按照六邊形排布形成，其結構非常穩(wěn)定。分散良好的石墨烯可以在二維片層結構在涂料中進行層層堆，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，達到長效防腐的目的,其應用越來越廣泛。

本文通過試驗研究比較了常規(guī)涂層與石墨烯涂層的附著力和電化學性能?；诟g電化學原理，利用數值模擬方法對石墨烯涂層和犧牲陽極防護下的海上風電場鋼管樁防腐性能展開了研究。

一、石墨烯涂層性能的試驗研究

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)有限公司生產的佐敦工業(yè)保護漆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

使用無油脂和水分的壓縮空氣，對DH36鋼片表面進行噴砂除銹處理，噴砂后的鋼片表面不得有鐵銹、氧化皮等，粗糙度應達到ISO8503中規(guī)定的G級。采用無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。

1.3 試驗方法

1.3.1附著力測試方法

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

1.3.2 電化學測試方法

電化學測試在CHI660E電化學工作站上進行。電化學測試采用三電極體系，其中以Ag/AgCl為參比電極，石墨棒為對電極，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，測定其動電位極化曲線。

二、實驗結果與分析

2.1 附著力測試結果

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到了12.5 MPa，總體平均附著力則達到了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 電化學測試結果

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數量級,同時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)涂層電化學腐蝕參數

表3石墨烯涂層電化學腐蝕參數

研究資料表明，常規(guī)涂層的底漆通過腐蝕鋅粉來保護鐵基體，其在中性或微堿性介質環(huán)境中容易形成穩(wěn)定的腐蝕產物阻隔覆蓋層，從而阻擋腐蝕介質的侵蝕。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作用，只起到有限的阻隔作用.而石墨烯的共軛結構使之具有很高的電子遷移，其快速導電性特性使得石墨烯在涂層中與鋅粉搭接隨機堆疊形成導電通路，整個涂層與鐵基材形成了電化學回路體系，提高了涂層的陰極保護作用,減緩了金屬基材的電化學腐蝕速率。

三、海上風電鋼管樁石墨烯涂層防腐性能的數值模擬

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

采用犧牲陽極和石墨烯涂層聯合防護方法對海上風電鋼管樁進行防護。犧牲陽極為Al-Zn-In-Mg-Ti合金，犧牲陽極焊接在集成式套籠結構圈梁處，沉樁完成后，犧牲陽極隨集成式套籠結構整體吊放在鋼管樁上，部分犧牲陽極沉入泥下區(qū)。

通過電化學測試可知，隨著涂層厚度的增加,涂層交換電流密度降低，其電化學活性降低，涂層抗電解質溶液侵蝕能力增強，從而減緩了金屬基體的腐蝕進程。涂層的作用使鋼結構表面絕緣，減少陰極保護的面積。但減少陰極保護面積在數值模擬中較難實現，可采用降低交換電流密度的方法在數值模型中體現涂層的保護作用。

3.1 基本設置

建立數值模型如圖1所示，為了節(jié)約計算時間，根據對稱性取四分之一圓柱作為計算域，圓柱半徑為60 m，高100 m，鋼管樁長64 m，厚度為70 mm，外徑為2.75 m。海上風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)，直接對不同區(qū)域的氣、液、固體與鋼管樁間的相互作用進行模擬計算成本及難度較大，不便于工程應用,因此對于這些區(qū)域的模擬可通過設置不同交換電流密度來實現。為簡化計算過程，將與鋼管樁相互作用介質分為三部分，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。六組犧牲陽極環(huán)繞鋼管樁等間距設置。犧牲陽極長度為2 m，初始半徑0.23 m，最終半徑為0.05 m，使用“犧牲邊陽極”節(jié)點進行建模，電極動力學模型采用線性Butler-Volmer模型.隨著陽極的溶解，陽極的半徑減小，當達到最終半徑時，陽極被切斷。

3.2 石墨烯涂層和犧牲陽極聯合防護效果分析

圖1示出了20 a和25 a時石墨烯涂層與常規(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，犧牲陽極未完全消耗殆盡，犧牲陽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生一定強度的電流使得鋼管樁受到保護，鋼管樁局部電流密度處于較低水平。在第25 a時，犧牲陽極已全部消耗，鋼管樁的腐蝕速率相較于第20 a時的腐蝕速率有較大的提高，如在海平面處，對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數量級。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，石墨烯涂層和常規(guī)涂層防護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，則分別為0.214 A/m2和0.352 A/m2，可見在20 a和25 a時，石墨烯涂層防護下的腐蝕速率為常規(guī)涂層防護下的37%和61%，這體現出了石墨烯涂層和犧牲陽極聯合防護的重要作用。

四、結論

(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數量級，同時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，石墨烯涂層防護鋼管樁在海平面處的腐蝕速率為常規(guī)涂層的37%和61%。

五、夢能科技

夢能科技是一家致力于涂料的銷售、方案設計、涂裝施工為一體的科技公司，夢能科技專長于EMI行業(yè)、工業(yè)裝備制造、橋梁鋼結構、石油石化、特種氣體行業(yè)、火電、風電、水電能源行業(yè)等重防腐領域。夢能科技為廣大用戶提供全方位的服務，包括在設計階段向您推薦合理的油漆配套方案，在合作當中提供高質量的產品和高水平的施工服務以及完善的現場施工技術指導與優(yōu)質的售后服務。