风能是储量丰富、非常具商业化前景的可再生绿色能源。随着我国对海洋经济发展的大力支持，海洋风力资源作为新能源开发受到诸多青睐^[1,2]。相比于陆地风电机组，海上风速更高且更稳定，海上风电的风能利用率要高于陆地风电，此外海上风场形成的视觉污染小，运行带来的噪声影响也小。《风电发展“十三五”规划》和《全国海洋经济发展“十三五”规划》等均明确提出加强海上风电设备研制，鼓励建设海上风电场^[3]。

然而，与陆地上风机相比，海上风机所处的海洋大气湿度大、盐分高，相比内陆大气环境风机更易发生腐蚀，缩短机组运营寿命，给海上风电机组带来安全隐患^{[4,5,6,7,8,9,10,11]}。与陆地上风电机组相比，海上风电机组更加难以接近，设备涂层维护过程复杂、成本高昂，但维护后的涂层寿命、性能通常却不及新建时的涂装体系^{[12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]}。

因此，必须对拟用于海上风电设备上的重防腐体系进行性能评估，筛选出合理的涂层及涂装体系，以抵抗恶劣环境，最大可能地延长风电设备安全使用寿命，并在其预计的寿命期限内做最低的维护。本工作以环氧富锌重防腐涂层体系为研究对象，通过附着力、中性盐雾、耐磨性、紫外老化、循环腐蚀和户外暴露等实验评价不同涂装体系在海上风电机组的适用性。

分别选取6个品牌的环氧富锌底漆、环氧厚浆中间漆和聚氨酯面漆，以表面喷丸处理至Sa2.5~Sa3的Q235-B钢板为基材，采用空气喷涂方式制备底漆、面漆和涂层体系试板，分别编号P01~P06 (干膜厚 (90±10) μm)、T01~T06 (干膜厚 (70±10) μm) 和S01~S06 (干膜厚 (300±20) μm)，其中底漆、中间漆和面漆的设计厚度分别为90，140和70 μm)。所有试板非实验面及边缘涂漆封闭。

所有试样均在 (23±2) ℃、相对湿度 (50±5)%的环境下养护10 d后，进行性能测试。

在具有自动对中功能的PosiTest AT-A型液压式拉拔仪进行涂层附着力实验，加载速率1.0 MPa/s。将环氧富锌底漆涂层沿与长度方向平行划两条深至基体划痕后，采用5% (质量分数) NaCl溶液，在pH值为6.5~7.2的盐雾箱内持续进行2000 h中性盐雾实验。采用天然石英砂和Elcometer 1700型落砂耐磨试验仪对面漆试板进行耐磨实验，并采用下式计算涂层耐磨性：

式中，A为耐磨性 (L/μm)；V为磨料使用量 (L)；T为涂层厚度 (μm)。

采用辐照度为0.55 W/m²的UVA-340型灯管对试板进行60 ℃紫外光暴露 (4 h) +50 ℃冷凝 (4 h) 的老化实验，持续进行1000 h；以“72 h紫外老化+72 h中性盐雾+24 h低温暴露”为一个循环周期，对涂层持续进行4200 h的循环腐蚀实验。其中，紫外老化和中性盐雾实验条件与前述一致，低温暴露实验在 (-20±2) ℃下进行。低温暴露前，采用去离子水清洗试板表面。此外，还选取青岛和舟山大气腐蚀试验站进行了为期5 a的暴露实验。

涂层附着力通常是指漆膜与基材表面通过物理和化学作用相互黏结的能力，同时也包括涂层自身成膜物质之间的内聚力。当涂层与基材的结合力和内聚力同时达到较高的水平时，涂层才具有良好的附着强度^[22]。图1a为涂层体系S01~S06的附着力测试结果。显示，各体系的附着力平均值分别为6.14，6.79，8.33，7.77，5.77和6.78 MPa，其中体系S05的平均附着力明显低于其他体系的。

采用—/Y表示最后一道涂层与胶黏剂间的附着破坏，B/C表示第一道涂层与第二道涂层间的附着破坏，A/B表示第一道涂层与底材间的破坏，B表示第一道涂层的内聚破坏。图1b中显示，S01，S02，S03和S05分别呈现100%，90%，30%和40%的涂层内聚破坏，说明体系S01 (6.14 MPa) 和S02 (6.79 MPa) 本身内聚力即为涂层体系的附着强度。S04和S06则基本全为涂层与胶黏剂间的附着破坏，则涂层体系的强度应大于测试所得的7.80和6.80 MPa。

涂层更高的附着力在一定程度上表明其具有较少的内部微观缺陷，从而涂层服役环境中的O₂、H₂O和Cl^-等腐蚀介质难以通过涂层体系向内渗透，使界面处基体金属的电化学腐蚀难以发生，从而具有更长的防腐寿命^[23]。因此，S03，S04和S06相对应具有更好的防腐性能。

图2为P01~P06环氧富锌底漆试板的盐雾实验照片，表1为各涂层的起泡和生锈评级。P01底漆涂层在划线处锈蚀蔓延最严重，在非划线处也大量锈蚀和起泡剥落；结合其附着力测试结果，该涂层中的微观缺陷应相对更多，腐蚀性介质更容易在金属/涂层界面处扩散^[24]；P03涂层在划线处锈蚀蔓延严重，在非划线处也锈蚀和起泡剥离，但程度较P01涂层的相对较轻；P02，P04，P05和P06涂层在划线处无明显锈蚀蔓延，其所构成的涂层体系在出现损伤后具有更好的抗腐蚀能力。P02和P05涂层在非划线处出现少量的锈蚀和起泡剥离；P04和P06涂层在非划线处出现极少量的锈蚀，但无明显的起泡剥离，与涂层的附着力测试结果具有较好的一致性。

地处海边甚至是在海上的风力电站，风力常年在4级以上，涂层体系在遭受盐雾腐蚀的同时，也要承受海洋大气中风沙和固体颗粒物的冲刷、侵蚀，因此涂层体系面漆应选择高耐磨性的涂料。由图3可知，T01~T04和T06面漆的耐磨性分别为1.0，1.2，1.1，1.0和1.3 L/μm，各面漆耐磨性基本在同一水平；T05面漆的耐磨性最低为0.6 L/μm，仅为T06面漆耐磨性的46.2%。在实际服役条件下，T05面漆表面更容易因外部颗粒物的碰撞产生物理缺陷，引发腐蚀性介质滞留；且由于风机现场环境的交替变化，有可能导致涂层阻挡外界腐蚀介质的能力迅速下降，引起涂层过早失效。从耐磨性角度考虑，不推荐T05面漆用于海上型风机的涂装。

面漆的光泽度是衡量涂层性能的重要指标，涂层的老化多从表面开始，所以光泽度变化可作为涂层老化程度的指标。由图4可知，6种面漆涂层在紫外老化实验后，表面均出现变色，其中T06试板出现明显锈蚀 (见图4f)，这可能是由于老化实验过程中的冷凝水已穿透部分面漆到达金属基体，诱发了底材锈蚀。

图5中对面漆试板光泽度测试显示，在人工加速老化条件下，面漆出现失光、变色，T05和T06两种面漆失光率分别为42.5% (按GB/T 1766-2008评定，失光：3，下同) 和21.9% (失光：2)，T01~T04失光率分别为3.5% (失光：1)、8.5% (失光：1)、3.3% (失光：1) 和6.9% (失光：1)。可能是由于涂料树脂和配方的差异，导致涂层的耐老化、抗腐蚀性等明显低于其他面漆，表现为涂层T05和T06面漆严重失光和锈蚀，其中T05面漆严重的失光与其较差的耐磨性具有较好的一致性。

由图6a可知，循环腐蚀后，S01和S03划线处的腐蚀宽度分别高达6.78和5.02 mm；S02，S04和S05划线处的腐蚀宽度分别为2.70，2.70和2.78 mm，3种涂层划线处腐蚀宽度基本相当，而S06划线处的腐蚀宽度仅为1.48 mm。循环腐蚀中各体系表现出的耐蚀性与图2盐雾实验中底漆表现的耐蚀性具有较好的一致性。在厚度、锌粉等级一致的情况下，S01和S03耐腐蚀蔓延的能力明显低于其他涂层体系。在海洋大气环境下，S01和S03涂层体系的部分破损可能会给风电系统带来更为严重的腐蚀。

循环腐蚀中的辐照-冷凝阶段，50~60 ℃的高温会加速水的渗透作用，扩大涂层体系内部空隙，而反复的温度剧烈变化带来的热胀冷缩则有利于微裂纹形成与发展，降低涂层与基材、涂层层间的内聚力。同时涂层内部微裂纹的出现，会促进水、盐溶液等腐蚀性介质的渗入，进而导致涂层溶胀、机械屏障作用的衰减、涂层内部微裂纹、孔隙及通道的联通和扩大，降低涂层力学性能，而不断的循环更加速涂层失效。

由图6b可知，循环腐蚀后S03，S04和S06的附着力分别为5.58，6.97和5.02 MPa，仍处于较高的附着力水平，这可能是由于3种涂层体系的耐腐蚀性介质穿透的能力和耐温变性较好的缘故。而S01，S02和S05涂层体系的附着力分别为3.70，3.42和3.06 MPa，下降虽都不超过50%，但附着力绝对值较小，即材料在循环腐蚀后材料内部已出现较多的缺陷，对腐蚀性介质的耐受性变低。

图7a和表2分别为S01~S06共6种涂层体系在青岛和舟山大气环境暴露实验站的附着力测试结果和附着力下降率。S02体系在青岛、舟山户外实验5 a后的附着力分别为3.78和3.43 MPa，为各体系中最小值；同时附着力下降率分别达44.33%和49.48%，为各体系中最大值。S03，S04和S06涂层体系在户外暴露5 a后，附着力分别为5.23，5.87和5.20 MPa (青岛)，5.15，5.50和5.02 MPa (舟山)，这与循环腐蚀实验中的结果具有较好的一致性，因此上述3种涂层体系在实际服役过程应具有更好的附着强度和防护效果。

由图7b可知，在两个户外暴露试验站涂层体系的面漆失光率都随户外暴露时间的延长而上升，但舟山试验站的涂层面漆失光率相对较高。在暴露第1 a，S03和S04涂层体系的失光率最低，青岛试验站均为17% (失光：2)，而舟山试验站的失光率分别为29% (失光：2) 和23% (失光：2)。在暴露第2 a，各体系的失光率均大幅上升，S03和S04体系在两个试验站的失光率均未超过50% (失光：3)，其余体系的失光率均超过70% (失光：4)。暴露第5 a，各涂层体系的失光率均在约95% (失光：5)，各体系面漆老化失光率基本一致，这主要是面漆涂层在长期吸收太阳光并不断累积后，表面分子劣化趋于一致，导致了上述现象。S03和S04两种面漆失光与实验室结果具有较好的一致性。

(1) S02，S03和S04涂层体系相对于其他3种涂层体系，具有更好的附着力。循环腐蚀实验后，S03和S04涂层体系的附着力仍维持在较高水平；而户外暴露实验后，S03，S04和S06涂层体系的附着力仍保持在5 MPa以上。

(2) P04和P06两种富锌底漆在2000 h中性盐雾实验后，其锈蚀和起泡等级均为1 (S2)，划线处无明显的锈蚀扩展，相对具有较好的耐盐雾和抗腐蚀扩展性能。

(3) T01~T04和T06面漆的耐磨性均大于1.0 L/μm，而T05面漆的耐磨性仅为0.6 L/μm。从耐磨性角度考虑，T05面漆不适合用于风机的涂装。

(4) 对涂层面漆的紫外老化和户外暴露实验显示，在开始阶段S03和S04涂层体系的失光率上升并不明显。

(5) 综合来看，S04涂层体系综合性能最优，可推荐其用于海上风力发电系统的涂装防腐。