海上风电钢筋混凝土基础的防腐涂装及应用
日期：2022-01-19
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166 核心提示：0 引言广东粤电湛江海上风电场位于广东省湛江市徐闻县新寮岛东部的琼州海峡外罗海域，距离新寮岛海岸为9~12 km，海水深度范围为2
0 引言
广东粤电湛江海上风电场位于广东省湛江市徐闻县新寮岛东部的琼州海峡外罗海域，距离新寮岛海岸为9~12 km，海水深度范围为2.5~9 m，一期规划装机容量48 MW，安装16 台3 MW 风机。该风电场所处的琼州海峡是中国大陆雷州半岛与海南岛的连接水域，是中国三大海峡之一，东西方向沟通中国南海北部与北部湾。在自然气候条件方面，受台风、洋流、海潮、大气的影响比较大，腐蚀环境比较恶劣。海峡海水的透明度5 m，盐度值约为3.0% 左右，年平均温度25~27℃。50 a 一遇的高潮位为5 m，100 a 一遇的高潮位为5.42 m，海水对处于干湿交变条件下的钢筋混凝土具有强腐蚀性，对长期浸入海水条件下的钢筋混凝土具有较强腐蚀性。在地理条件方面，湛江徐闻海上风电场受台风、热带风暴的影响较大。该海上风电场处于雷州半岛的徐闻一侧，其中首台海上风电样机离岸3 km，海水深为3 m 左右。该样机基础为钢筋混凝土承台结构，处于潮差区、浪溅区及海水区，由于氯离子对混凝土的侵蚀，且海水中富含氧气，对混凝土产生的腐蚀严重，因此采取必要的防腐措施显得尤为重要。涂层防护是一种保护钢筋混凝土结构较为方便和实用的方法，涂层的致密性远远大于混凝土结构，相当于大大增加了钢筋混凝土层的厚度，好似于在混凝土表面披上了一层防护性外衣，从而有效地阻止氯离子、氧气、二氧化碳和海水等腐蚀介质对混凝土的渗透和侵蚀。众所周知，性能优异的涂料产品和严格的施工工艺过程是确保涂装质量的两大关键因素。而处于海洋风电基础承台的表湿区涂装条件更为苛刻，可涂装时间短、表面含水率高、涂层不能在大气中固化、施工环境恶劣等等因素均会影响涂装效果。因此，系统地阐述海上风电基础承台表面涂层的施工和质量控制对确保潮差区混凝土结构的涂装质量具有十分重要的意义。
1 基础的腐蚀环境特点和涂层体系设计
1.1 基础的腐蚀环境特点
湛江粤电海上风电场的腐蚀环境属于海洋腐蚀环境，氯离子渗透危害严重，夏季氯离子含量为5 602~5 864 mg/L，冬季氯离子含量约为8 220 mg/L，而且海水溶解氧浓度约为6.21~8.89 mg/L，属于富氧环境。海水中氯离子含量较大，当含氯离子的溶液侵入钢筋混凝土中时，通常生成含铁氯盐，含铁氯盐会产生破坏性膨胀，在氯盐的作用下，钢筋混凝土中不稳定产物可生成水化氯铝酸钙，导致混凝土固体体积可增大2 倍多。同时，当氯离子渗透到钢筋表面时，钢筋表面局部的碱性保护膜被破坏，使钢筋成为活化态。在氧气和水充足的条件下，活化的钢筋表面形成阳极，未活化的钢筋表面成为阴极，发生电化学腐蚀，从而使阳极金属铁被溶解，形成腐蚀坑。腐蚀过程主要涉及到以下化学反应式：
若Fe（OH）3 继续失水就形成水化氧化物Fe2O3（即红锈），一部分氧化不完全的就生成Fe3O4（即黑锈），在钢筋表面形成锈层。由于铁锈层呈多孔状，即使锈层较厚，其阻挡进一步腐蚀的效果也不明显，因而腐蚀将不断地向钢筋内部扩散，导致钢筋遭受腐蚀而强度降低。因此，抗氯离子的渗透性是衡量基础表面防腐涂层性能的重要指标。由于琼州海峡是世界强海潮湾之一，平均海水流速2.39 m/s，实测大海水流速5 m/s以上，粉沙含量高，高含沙量为9.605 kg/m3，平均含沙量为1.249 kg/m3，潮流紊乱，冲刷严重，加之基础设计之初，为了加强对基础承台的冲刷保护，其表面采用干砌块石进行护坡，从而防止海浪对基础的冲刷和撞击。因此该样机基础承台的混凝土表面防护涂层的附着力和耐磨性也是衡量涂层性能的重要指标。
1.2 涂层体系设计
根据粤电湛江洋前海上风电样机的混凝土基础设计的30 a 使用年限、环境状况以及参考《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTJ 275）和（MF.W22.121.065）《SCD3.0MW 海上型风力发电机组防腐技术规范》（粤电湛江海上风电项目）中的设计涂层系统要求，实施如下防腐涂装方案。
（1） 对于预埋锚固螺栓，采用达克罗+ 环氧厚浆漆+PVC 套管+ 螺栓保护罩的复合防腐保护方案。
（2） 混凝土基础底部和承台的外表面分别采用表1 和表2 的防腐涂装方案，其防腐涂装示意图如图1 所示。
2 涂装施工要求
（1） 施工人员在涂装施工之前，应认真阅读相关涂装技术和工艺文件，理解和掌握涂层配套要求，阅读涂料产品说明书及其施工指导。
（2） 所用涂料必须是出厂检验的合格品（随产品附有相应的出厂检验报告）。禁止将不同生产厂家、不同品种、不同组分的涂料混掺使用。
（3） 涂装表面必须是经过检验并确认表面处理状况和等级、表面清洁度、粗糙度等技术要求合格的部位。
（4） 确认施工现场环境条件，如温度、相对湿度、风力等指标符合规定的技术标准。
（5） 检查所用涂料的型号、批号、色号、数量等；特别要注意双组分涂料的施工，包括固化剂和基料的混合比例、混合使用时间及固化剂的类型，正确使用稀释剂，注意根据施工环境温度、湿度的变化而随时调整涂料的施工黏度，防止漏涂、流挂等涂层缺陷。
（6） 注意涂装工序的时间间隔，严格遵守涂料产品说明书上所规定的重涂时间间隔。如果重涂时间间隔超过规定的限度，那么应将上一层漆膜表面粗糙处理以保证后一道涂层的附着力。
（7） 涂装每道涂料时，检查和调整施工设备、工具及其工作状态。保证其在简便、佳施工条件下使用，施工后按照相关要求清洗施工工具和设备，确保其后续正常使用。
（8） 涂装过程中按照相关要求严格做好施工记录，以备查验。施工记录主要包含施工起止时间、施工人员、施工环境、施工部位、涂料品种名称、平均干膜厚度及其他相关信息。
（9） 当施工环境温度低于5℃或高于40℃时，必须采取相应的措施来改善环境以达到相应的范围要求，或在环境条件不符时暂停施工。在露天涂装施工时，必须避开高温时间，由于此时稀释剂挥发速度快，容易导致针孔和气泡，严重影响涂料的成膜性能和涂层终的附着力。
（10） 涂漆施工应尽量避免在相对湿度高于85% 或工件表面温度低于露点3℃的气候条件下进行，对于环氧混凝土封闭漆和环氧沥青漆，应确保环境温度10℃以上施工才能获得良好的固化效果。当施工面漆时，相对湿度应小于80%，并且要预防待处理表面的结露或湿气，防止漆膜表面发雾、变色、脆性增大和失去光泽而影响涂层的外观与质量。
3 防腐涂装施工工艺
3.1 基础预埋锚固螺栓的防腐施工
3.1.1 预埋之前的防腐处理
螺栓制造厂采用无铬达克罗工艺对螺栓整体（含螺母、垫片）进行防腐处理，达克罗涂层干膜厚度为3~12 μm。达克罗处理结束后，对螺杆部分加涂环氧厚浆漆，漆膜厚度为50~80 μm，螺栓防腐处理完毕后由制造厂进行包装运输。
在混凝土基础施工现场，由基础施工公司对预埋螺栓的螺杆部分在螺杆外部安装Φ67 mm×Φ61 mm 的PVC 套管，PVC 套管长度根据螺栓的螺杆长度确定，套管两端与锚栓螺栓连接部分采用手
持式热风塑料焊枪用热缩套管进行密封。对于下部螺栓头埋入混凝土的部分，在灌注混凝土之前采用环氧焦油厚浆涂料对预埋的螺栓头进行密封和防腐处理。
3.1.2 螺栓保护罩的安装
对于锚固螺栓外露于预应力混凝土并与节塔架下法兰连接后的部分，基础施工安装公司在进行塔架下法兰与锚固螺栓预紧力矩连接后，先用环氧富锌底漆对外露的螺栓整个表面（包括螺杆、螺母和垫片）进行刷涂。待漆膜完全干燥后，在螺栓头上涂抹膏状的润滑脂（二硫化钼），然后采用根据螺栓外露尺寸制作且耐老化性良好的螺栓防锈罩（M56）用力旋转套紧外露的螺栓，防锈罩外圆圈与螺栓接触的部分采用不干性密封胶带（胶泥）进行密封，这样不仅能使防锈罩与螺栓紧密配合，防止水分和盐雾等腐蚀性介质渗入螺栓造成腐蚀，而且不干性密封胶带便于今后进行检查和维护，从而达到更好的防腐防护目的。
3.2 混凝土基础承台表面的防腐施工
3.2.1 施工工艺流程
混凝土基础承台表面的防腐施工工艺流程如下：
3.2.2 基层的检查及表面处理
（1） 采用外加热源或压缩空气除去残留在混凝土表面的水珠、水迹，必要时可用棉布、海绵等吸湿工具抹去，涂装前混凝土表面应无流水、渗水现象，尽可能使混凝土表面达到要求的含水率状态。虽然封闭底漆具有湿固化功能，但在潮湿的基面施工会影响涂料的渗透性，从而影响涂层的附着力。混凝土基层必须坚固密实平整，基层的坡度和强度应符合设计要求，基层表面不应有起砂起壳、裂缝、蜂窝、麻面等现象，用2 m 的直尺检查其平整度，允许空隙不应大于5 mm。
（2） 施工底层防腐涂料时，混凝土基层的龄期≥ 28 d。基层必须干燥，在深为20 mm 的厚度层内，混凝土含水率不应大于6%，否则对防腐涂层的施工质量会有较大影响。简单的测试方法是：使用吸水滤纸按压在混凝土表面5~10 min，如果滤纸吸湿变黑，说明混凝土表面含水率过高，可采用电热吹风机等强制干燥方法去除混凝土中的水分。
（3） 基层表面必须洁净，防腐涂层施工前应将基层表面的浮灰、水泥渣及疏松部位清理干净。根据条件不同，可采用电动砂轮、风动钢丝轮、手工钢丝刷等工具打磨混凝土表面，以除去表面泛碱和附着物，增加表面粗糙度，然后用干净的软毛刷、压缩空气或吸尘器将混凝土表面的浮尘清理干净，确保混凝土表面粉尘等污物清除。
3.2.3 配漆
配漆前，首先根据涂装施工的面积估算涂料用量。并应采用清洁干燥的容器配料，如涂料遭受污染，宜采用80~100 目筛网过滤后再使用。配漆时，应先将基料完全搅拌均匀。对于两组分的涂料，按照涂料生产厂家提供的漆料配比将固化剂缓慢地加入基料中，搅拌均匀，然后根据混合的实际情况加入适量稀释剂进行充分搅拌。注意在混合时决不能将基料倒入固化剂中，以免引起凝胶。对于已加入固化剂混合而未用完的涂料，一旦超过规定的活化期后，不论其外观如何都不应重复使用。混合稀释搅拌后的涂料应熟化反应10~20 min 后（温度越低熟化反应时间越长）再涂装施工，从而更好地避免双组分涂料在涂装时产生气泡。在施工过程中仍要对混合的涂料进行搅拌以保证施工的涂料为均匀一致的混合物。
3.2.4 涂漆
（1） 涂装封闭漆：无论钢筋混凝土的质量如何好，微孔总是存在的。为了封闭钢筋混凝土的微孔，防止腐蚀介质的渗透，就必须使用环氧封闭层进行打底。
（2） 刮涂腻子层：根据混凝土表面的状况，通过刮涂腻子来填补混凝土表面的坑洞和缺陷，提高混凝土表面的平整度，以达到表面强度和美观性要求。可采用专用的环氧腻子或者环氧封闭漆调和水泥灰作为混凝土结构填补的腻子，要求腻子有良好的刮涂性、抗收缩性和抗流挂性，对于封闭层和中间层有良好的附着力。
（3） 涂装中间漆：中间漆层采用环氧（玻璃鳞片）厚浆漆，位于封闭层和面漆层之间，起着承上启下的作用，它可以增加涂层体系的厚度，增加面漆层与封闭层间的附着力，所以中间层要和封闭层与面漆层有很好的相容性。涂装中间漆在刮涂腻子并手工（或机械）打磨后进行。
（4） 涂装面漆：面漆层采用耐候性优良的丙烯酸改性聚氨酯涂料，面漆层不仅提供装饰和警示作用，还具有耐老化、耐磨损等耐候性。在基础承台被干砌石块覆盖的区域采用环氧（焦油）漆作为面漆层。
（5） 涂装时优先采用高压无气喷涂进行施工，若受条件限制才可采用刷涂及辊涂方法施工。涂装时尽量做到涂层厚薄均匀，不漏涂、不流挂，并达到规定的漆膜厚度。
（6） 涂装下一道涂料前，应对上一道涂层进行表面清洁，使用饮用水除去涂层表面的盐分、泥尘、油污等污染物，可用清洁剂清除油污，待干燥后才可接着涂装。如上一道涂层太光滑影响下一道涂层的黏结强度，应对上一道涂层进行拉毛处理。
（7） 混凝土结构表面的漆膜必须严格检查和控制，严格按照施工设计方案组织施工，一道工序完工并全部验收合格后才能进入下道工序。
（8） 每次涂装完毕，要及时用稀料清洗漆刷等施工工具，以备下次使用。若采用喷涂，应及时用稀料将喷枪和软管洗净，防止涂料固化后堵塞。
4 涂装质量控制及涂层检验
4.1 涂装质量控制
4.1.1 涂料产品的质量控制
涂装施工前必须核实所用涂料的品种、数量、型号等，所用涂料产品应有出厂检验证明文件，且在产品使用的有效期内。
4.1.2 施工过程的质量控制
施工过程中，应对每一道工序进行认真检查。并按照设计要求的涂装道数和涂膜厚度进行施工，采用湿膜厚度规或其它仪器监测每一涂层的湿膜厚度，以控制涂层的终干膜厚度及其均匀性。施工过程中随时注意涂层湿膜的表面状况，当发现漏涂、流挂等情况时，应及时进行处理。每道涂层施工前应对上道涂层外观进行目视检查，每一道涂层表面均应均匀，无气泡、裂缝等缺陷。
4.2 防腐涂层检测
根据《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTJ 275）和（MF.W22.121.065）《SCD3.0MW 海上型风力发电机组防腐技术规范》（粤电湛江海上风电项目）中对涂层性能的基本要求，确定了粤电湛江洋前海上风电样机混凝土基础承台表面防腐涂层的检验要点（表3）。
4.2.1 涂层外观检验
某一区域整个涂层系统的漆膜完全固化后，应进行涂层外观的目视检验，检验内容包括：涂层厚度和色泽应均匀，无色差、流挂现象，涂层未出现起泡、龟裂、脱落等缺陷。
注：1. 按照相应的测试标准要求，根据施工现场浇灌的混凝土制作砂浆试片。涂层性能检验按照施工现场的涂层系统设计：封闭底层（+ 中间层）+ 面漆层的复合涂层组成；2. 涂层的耐老化性能测试采用涂装过的砂浆试片（70 mm×70 mm×20 mm），按现行国家标准《色漆和清漆——人工气候老化和人工辐射暴露（滤过的氙弧辐射）》（GB/T 1865）测定；3. 对于试片的耐碱性、抗氯离子渗透性、与混凝土表面的黏结强度，按照现行标准《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTJ 275）附录C（混凝土表面涂层试验方法）进行测定。
4.2.2 涂层厚度检验
涂层厚度是保证海上风电混凝土基础承台涂层体系设计寿命的关键因素，涂层的厚度控制与检验采用下列几种方法进行。
（1） 湿膜厚度规测试法。此法局限性在于：由于混凝土表面的不平整以及施工条件的不同，如气温高、有风的天气溶剂挥发快，反之溶剂挥发慢，同一涂层的湿膜在不同条件下的测定结果可能不同，导致测试结果不准确。此法可以检测涂膜是否均匀，以及预估漆膜的干膜厚度。
（2） 干膜测厚仪测试法。某一区域整个涂层系统的漆膜完全固化后，进行涂层干膜厚度的测定。按照每50 m2 面积的混凝土基础随机检测5 个点，将5 个测点的漆膜厚度平均值作为该50 m2 面积的漆膜厚度代表值。所测点的小干膜厚度应不小于设计干膜厚度的80%，其平均干膜厚度应不小于设计干膜厚度。当不符合上述要求时，应根据情况进行局部或全面补涂，直至达到要求的漆膜厚度为准。此法局限性在于：干膜测厚仪对基材的平整度非常敏感，而混凝土基础表面不平整，导致其测量结果不准确。
（3） 涂料用量控制法。此法局限性在于：由于无法控制涂料的使用情况和涂装厚度均匀，也不能保证混合后的涂料完全用于涂装，此法也有可能不准确。鉴于湿膜厚度测试法、干膜测厚仪测试法、涂料用量控制法等3 种测试方法的局限性，综合考虑本项目涂层施工要求，采用这3 种测试方法相结合进行混凝土基础承台的涂层厚度控制和检测。只要加强涂装过程中的现场检测和监督，既可以通过涂料用量控制法来保证涂层的厚度，又可以通过湿膜测试方法控制漆膜的均匀性，并且以干膜厚度的检验结果作为参考，从而更好地保证涂膜厚度的检测和涂层的质量。
4.2.3 涂层附着力（黏结强度）检验
涂层经过7 d 自然干燥固化后，用拉脱法涂层黏结强度测定仪检测涂层系统的黏结强度。以所有测点黏结强度的算术平均值作为涂层系统黏结强度的代表值。涂层系统黏结强度的平均值应不小于1.5 MPa，小黏结强度的测点值应不小于1.2 MPa。涂层黏结强度测定后，应立即观察附着力测试仪的铝合金铆钉头型圆盘座底面的黏结物情况，如果盘座底面有75% 以上面积黏附涂层或混凝土，则试验数据有效。如果盘座底面黏附涂层或混凝土的面积少于75%，而且黏结强度小于1.5 MPa，则可在该测点附近的涂层面上重新进行黏结强度检测。如果涂层黏结强度不能达到1.5 MPa 时，可在原测点附近的基础涂层面上，按加倍测点数量重做涂层附着力测试。
5 涂层验收要求
竣工验收应在涂装完成后14 d 内进行。验收时应提交下列资料：（1）各种涂料出厂合格证或质量检验文件；（2）原设计施工文件或设计变更文件；（3）每道涂层的现场施工记录。
应建立由业主、监理、涂料公司的技术工程师、施工单位的质检人员共同组成的完整的质量检查体系，做到层层把关，确保涂装质量。从而更好地确保该项目基础的防腐施工满足设计施工文件要求和30 a防腐防护寿命的要求。
