随着新能源技术的不断进步，风能市场迎来了迅猛的发展。全球范围内，人们越来越重视利用风力发电来开发可再生能源。然而，海上风电机组常处于极端的海洋环境由于海上风电项目施工难度大，维护成本高，同时还需要保证至少20年的使用寿命，因此，紧固件不仅要承受冻融作用、环境载荷、强风、沙尘、冰霜、雨雪等自然条件的考验，还要抵御高盐雾和高湿度等腐蚀性介质的侵蚀，以及来自漂浮物、船只、浮冰和海浪的撞击等。这些问题都极大地增加了风电机组的腐蚀速率，破坏了其整体结构，缩短了使用寿命，并带来了经济和环境上的损失。

       因此，增强风电机组紧固件的承载能力和提升其防腐性能，已成为海上风电防腐技术研究的核心。这对于确保风电机组在整个使用周期内的安全稳定运行具有至关重要的意义。

 

一、海上风机紧固件的腐蚀

1、腐蚀机理

       金属腐蚀是一个涉及电化学反应的破坏过程，它在金属表面与离子之间发生，导致电流的产生。这一过程主要包含氧化和还原两个基本反应。从本质上讲，金属腐蚀的机理可以视为伽伐尼（Galvanic）原电池中阳极和阴极反应的短路现象。

       在海洋环境中，金属紧固件的电化学腐蚀尤为显著。金属在各种电解质水溶液中，包括大气、海水或土壤等介质，都可能发生电化学腐蚀。在钢铁制造过程中，为了提高其耐腐蚀性，通常会加入一些合金元素。这些合金元素与铁元素具有不同的标准电极电位，从而在金属基体内形成微电池，其两极分别是阳极和阴极。在自然环境中，例如大气或其他条件，水和氧气等物质可能会吸附在金属紧固件表面，使得微电池的两极相互连接，触发电化学腐蚀过程。

       另外，海上风电机组的紧固件在海洋环境中遭遇高盐分和湿度，以及干湿交替的条件。海水中的盐分越多，电导率越高，腐蚀速度也越快。海水温度上升会加速氧气的扩散，增加电导率，从而加快腐蚀。但同时，温度升高也会减少水中氧气的溶解度，有助于形成保护性的钙质水垢，这可以减缓腐蚀。此外，水温的升高还会减少金属紧固件上钝化膜的稳定性，增加腐蚀的可能性，并且促进海洋生物的活性，这可能导致局部腐蚀。在高温环境下，这些因素共同作用，使得腐蚀作用更为显著。

2、腐蚀机理

       螺栓腐蚀通常在初期不易被察觉，因为它在前中期发展较慢，表面变化不明显。但随着腐蚀的进展，后期会出现明显的腐蚀迹象。螺栓腐蚀主要分为三种类型：

       ①全面腐蚀：这种腐蚀影响螺栓的整个或大部分表面，特点是腐蚀均匀分布。

       ②缝隙腐蚀：在螺栓安装和使用过程中，可能会损伤螺纹和螺母内侧的防腐层，形成缝隙。这些缝隙内缺氧，导致螺栓迅速腐蚀，严重时会导致螺纹失效和螺栓脱落。

       ③应力腐蚀：螺栓在应力作用下容易产生缝隙，引发缝隙腐蚀。同时，持续的应力会使锈点发展成裂纹，最终导致螺栓断裂或螺纹损坏失效。

 

二、 海上风机紧固件防腐技术

1、氟碳涂层

       氟碳涂层是一种高性能的涂料，基于氟碳树脂制成。氟碳树脂是一种特殊的聚合物，其分子结构中含有氟碳键（F-C）。这种氟碳键是有机化合物中键能最强的，达到485 kJ/mol。这种强键赋予了氟碳涂层出色的耐候性，因为它能有效抵抗大气中紫外线的照射。此外，由于氟碳键的高键能、低极性和低内聚能，氟碳树脂还表现出化学惰性，以及良好的耐温性。

       氟碳涂层经过一系列的测试，证明了它耐老化性能明显超过了丙烯酸聚氨酯涂料。与传统的合成树脂涂料相比，氟碳树脂涂料展现出了更多的优点，包括极高的耐候性、良好的化学稳定性、出色的机械强度和韧性、优秀的耐热性、低表面能和低磨损系数。这些特性使得氟碳涂层在多种应用中成为一种理想的选择。

2、粉末渗锌

       粉末渗锌技术是一种先进的表面处理工艺，它通过超声波产生的机械振动在金属表面形成纳米化层，从而改善材料表面的性质。在这一过程中，使用纳米合金处理设备，配合稀土元素和Ni-Al化合物作为形核剂，通过综合热处理、动力学和化学方法，促进合金中结晶核心的大量形成，防止晶体过度生长。这导致合金晶粒细化，同时减小了高温合金中的初生碳化物和强化相γ＇尺寸，改善了它们的形态，从而提升了金属的性能。

       合金共渗层为钢铁基体提供了一种电化学保护机制。由于金属锌（-0.762 V）和铁（-0.439 V）具有不同的标准电极电位，它们在电解质环境中可以形成原电池。

       锌将作为原电池的阳极，阳极反应为：2+

       铁作为原电池的阴极，阴极反应为：+2

       渗锌生产流水线主要有碳氢清洗设备、悬链步进式抛丸清理机、履带式抛丸清理机、渗锌炉和后处理生产线等多台大型设备。

3、达克罗

       达克罗技术是一种新型的金属表面防腐处理方法，通常称为锌铬膜技术。它涉及将锌、铝粉和铬酐等主要成分混合制成涂液，这些成分共同作用以提供钢铁基体的保护。金属粉，如镁(Mg)、铝(Al)、锡(Sn)和锌(Zn)的混合物，是涂液中最关键的组成部分，它们不仅有助于成膜，还通过牺牲阳极的方式为基体提供保护，其中片状锌粉和铝粉的混合物因其广泛应用和良好效果而特别受欢迎。

       此外，达克罗涂液中还包括惰性有机溶剂（如乙二醇）、钝化剂（如铬酐或重铬酸盐）以及作为增稠剂和分散剂的特殊有机物（主要是纤维素类白色粉末）。

       应用达克罗技术时，将含有锌粉、铝粉、铬酐等的表面活性剂混合制成水溶性涂液，均匀涂覆于工件表面。随后，通过预热和固化过程，铬(Cr)由六价(VI)转化为三价(III)，形成与金属粉紧密结合的Cr(III)骨架结构。六价铬的还原产物作为粘合剂，与金属粉结合形成含有无机盐的涂层。固化烘烤后，生成的无定型非晶态化合物与金属锌、铝粉层结合，形成一层致密的薄膜，有效隔绝外界腐蚀介质，实现防腐效果。涂层外观为银白色或灰色，具有金属光泽，厚度通常在5至15微米之间。

4、磷化

       磷化是一种用于金属材料表面的处理技术，主要目的是在金属表面形成一层稳定的磷化膜，这层膜难以溶于水，并且具有优良的附着性、润滑性和耐腐蚀性。磷化处理过程涉及将清洁过的金属材料浸入或涂覆以特定方式配制的腐蚀溶液中，在一定的温度和时间条件下，溶液与金属表面发生化学反应。

       在磷化反应初期，金属表面会经历酸蚀，形成微阳极和微阴极区域。在微阳极区域，金属发生溶解；而在微阴极区域，生成气体。这一系列复杂的化学和电化学反应最终导致磷化物在金属表面沉积，形成一层保护性的磷化膜。这层膜不仅提高了金属的耐腐蚀性，还能增强涂装的附着力和金属加工时的润滑性，是现代钢铁材料表面处理中不可或缺的一步。

 

三、涂层性能评价办法

1、物理性能评价方法

       ①涂层厚度：涂层厚度直接关系到产品的耐蚀性、承受应力的能力以及整体使用寿命。测量涂层厚度的方法多样，包括机械法、物理法、化学法、电化学法、射线法和光学法等。

       ②附着力：附着力反映了漆膜与底材粘附的牢固程度，是涂料的关键性能指标之一。附着力的评价分为定性和定量两种方法。定性评价通过观察涂层在受力后是否出现气泡或剥离来判断；定量评价则通过测量涂层从基体上剥离所需的最小载荷或单位面积的剥离力来进行。评价方法包括十字划格法、划痕法、圆滚划圈法和拉开法等，遵循的测试标准有ASTM、ISO、GB（GB/T）等。

       ③耐冲击性：耐冲击性指漆膜在受到重锤冲击时能够快速形变而不开裂或从底材脱落的能力。常用的测试方法包括漆膜耐冲击测定法、有机涂层抗快速变形（冲击）的作用测试、油漆与清漆落锤试验、彩色涂层钢板及钢带冲击试验方法等，测试标准通常参照GB/T和ASTM。

       ④柔韧性：柔韧性描述了涂层本身的弹性，是衡量漆膜抗形变能力的一个重要指标。涂层柔韧性的测试可以通过漆膜弹性器来完成，结果通常以轴棒直径的毫米数表示。另外，杯突试验也是一种测定柔韧性的方法，通过在标准测试方法下进行压陷试验，杯突值的大小可以反映涂层的柔韧性，进而体现涂层的抗开裂或抗与金属底材分离的性能。

2、化学性能检测方法

       ①浸渍试验法：这种方法涉及将涂层试样置于腐蚀介质中，在特定条件下浸泡一段时间。通过观察浸泡后的涂层变化、破坏情况，或者记录涂层发生破损的时间，评估涂层的耐蚀性能。浸渍试验法能够直接反映涂层在特定腐蚀环境下的稳定性和保护能力。

       ②耐盐雾试验法：这是一种广泛用于评估涂层耐腐蚀性能的测试方法，特别适用于模拟海洋气氛对材料的影响。盐雾试验通过创造一个高湿度和高温的测试环境，加速腐蚀过程，从而在较短时间内评估材料的耐腐蚀性。该方法模拟了自然环境中因湿度和温度变化引起的腐蚀条件，是评价材料在海洋环境中性能的有效手段。

       这两种检测方法为涂层的化学稳定性和耐腐蚀性能提供了科学的评估，帮助确定涂层系统在实际应用中的可靠性和耐久性。

3、电化学研究方法

       用于涂层防护性能检测的电化学方法主要有极化曲线、极化电阻、电位-时间法、直流电阻法等。通过应用电化学理论对有机涂层在失效过程中的电化学信息进行分析处理，可以对涂层下金属的腐蚀动力学规律和涂层的防护机理进行研究，对涂层的耐蚀性进行定量和半定量评价。 

4、光谱分析技术

       ①拉曼光谱法：该技术基于拉曼散射效应，使用可见光照射样品，通过测量散射光与入射光之间频率的变化，来获得分子的振动信息。这些信息可以用来定性和定量分析样品，揭示其分子组成和结构特征。

       ②扫描电镜：这是一种表面分析技术，通过聚焦电子束扫描样品表面，激发出样品的物理信号（如二次电子、背散射电子等），并根据这些信号形成图像。当与能谱仪联合使用时，扫描电镜不仅可以提供表面形貌的详细信息，还能进行元素成分分析。

 

四、海上风机紧固件防腐技术展望

1、激光表面改性技术

       激光熔覆技术是一种先进的表面处理方法，它使用高功率激光束将具有特殊性能（如耐腐蚀、耐磨）的材料熔覆到基体金属表面。这一过程的热影响区域较小，因此工件的整体变形和基体性能变化较小。

       激光熔覆的优点在于其高能量密度的激光束能够与熔覆材料发生复杂的物理化学反应，形成优异性能的合金层。这种合金层不仅在性能上超越了原始基材，还优于传统喷焊和其他堆焊技术产生的材料层。因此，激光熔覆技术能够为海上风机紧固件提供更强的保护，延长其在恶劣海洋环境中的使用寿命。

2、矿脂包覆防腐技术

       矿脂防蚀膏作为一种关键的防腐蚀材料，在矿脂包覆防腐技术中扮演着至关重要的角色。它主要应用于防腐体系的最内层，能够紧密地粘附在金属结构表面，为其提供保护。由于含有多种防锈成分，矿脂防蚀膏在潮湿环境下依然能够展现出良好的防腐蚀性能，尤其是在海洋等腐蚀性较强的环境中，它能够长期而稳定地保护金属结构免受腐蚀的侵害。

       目前，由于螺栓紧固件结构复杂，矿脂防蚀带不能紧密包覆螺帽等部位，无法形成密封体系，一种在螺栓紧固件上涂覆之后固化成型的防蚀膏值得研究。这种新型防蚀膏应当满足能经受日晒雨淋、不粉尘、耐候和可脱除等要求。这种不粘性矿脂防蚀膏将在对螺栓紧固件实施有效保护的同时，使施工及后期维护操作更为简便。

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