风电保护涂料市场发展现状
日期：2022-05-19
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185 核心提示：风电保护涂料市场发展现状(中国化工学会涂料涂装专业委员会海洋石油工业防腐分会，江苏常州213016)0 引言为限制发达国家温室气体
风电保护涂料市场发展现状
(中国化工学会涂料涂装专业委员会海洋石油工业防腐分会，江苏常州213016)
0 引言
为限制发达国家温室气体排放量以抑制全球变暖，1997 年12 月，作为《联合国气候变化框架公约》补充条款的《联合国气候变化框架公约的京都议定书》(简称“京都议定书”)在日本京都通过，并于2005 年2 月16 日起正式生效。这份具有法律效力的《京都议定书》规定：到2010年，所有发达国家二氧化碳等6 种温室气体的排放量要比1990 年减少5.2%。2009 年12 月，在《京都议定书》一期承诺即将到期之时，全球192 个国家的环境部长和官员在丹麦哥本哈根召开联合国气候峰会，原则达成了《哥本哈根协议》，在2020 年之前，将建立一个每年1 000 亿美元的气候援助基金，资助发展中国家减少温室气体的排放，并希望能在2050 年之前把全球升温控制在2 ℃以内。虽然新达成的协议不具有法律约束力，但这已是继《京都议定书》后又一具有划时代意义的全球气候协议书。2010年3 月9 日，中国批准《哥本哈根协议》，承诺到2020 年在2005 年水平上消减碳密度40%～45%。在全球减少碳排放量的进程中，以风力发电为代表之一的清洁能源产业已备受重视。
1 全球风电产业方兴未艾
全球的风能约为2.74×109 MW，其中可利用的风能为2×107 MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10 倍。早在公元前4000 年人类便开始利用风能，中国人首先将风用于海上竹筏，此后在埃及、波斯等国出现了帆船和风磨，中世纪，荷兰与美国出现了用于排灌的水平轴风车。1887 年左右，美国人Charles F. Brush 建造了第一台风力发电机。随着人类逐渐认识到清洁、可再生能源对减少碳排放的重要性，使风力发电行业在21 世纪前10 年出现了井喷式的发展。作为典型的清洁能源，风电不但可以节省大量煤炭、石油等不可再生资源，具有极其重要的经济价值，而且每千瓦时风电可减少600～700 g 二氧化碳的排放，对降低温室气体排放、保证《哥本哈根协议》全球2 ℃升温控制目标有着极其重要的作用。据欧洲风能协会(EWEA)对原油价格、碳排放量费用与风电投资进行的对比分析显示，合理应用风电可节约超过百万亿欧元。
全球风电装机容量近10 年里保持了年均近30%的增速，即便在金融危机肆虐的2008 年，风机总装机容量和新增装机量同比增幅也分别达到29%和37.8%(调整前数据)。2009 年，全球风电总装机容量已经达到了159 213 MW，同比增长31.7%，其中，新增风机装机容量38 312 MW，同比增长42%。
2009 年，中国风电装机新增容量高达13 800 MW，同比增长113%，这几乎是其前4 年新增装机总量的1 倍，中国继2008 年后再次成为全球新增风机量最大的国家。2009 年，美国风机装机总量35 159 MW，仍是排名全球第一的国家，中国以260 100 MW 总装机量超过德国和西班牙，从2008 年的第四位上升到第二位。
2009 年，全球风电装备共发电340 TWh(1 TWh=10 亿kWh)，相当于意大利(全球第7 大经济体)全国的电力需求总量，约等于全球电力消费总量的2%。风电发电行业2009年产值约500 亿欧元。伴随着全球风电市场的高速发展，涌现出了一批领先的风电装备生产企业，目前全球十大风能设备提供商分别为丹麦维斯塔斯(Vestas)、西班牙歌美飒(Gamesa)、美国通用电气(GE)、德国Enercon、印度苏司兰(Suzlon)、西门子(丹麦)公司、德国Nordex、德国REpower、西班牙Acciona 和中国金风。据全球风能协会(WWEA)的预测，到2013 年全球风机总装机容量将达到332 488 MW，比2009 年增长100%以上，可见，风力发电装备高速增长的时代仍将继续。
2 中国风电行业后来居上
中国幅员辽阔，海岸线狭长，风能资源及其丰富，根据2006 年国家气象中心根据数值模拟方法对我国风能资源进行的评价，在不考虑青藏高原的情况下，我国陆地上离地面10 m 高度层风能资源可开发量为25.48 亿kW，风能功率在150 W/m2 以上的陆地面积约为20 万km2。
1975 年，清华大学和内蒙古草原研究所合作试制出微型风力发电机，标志着中国风力发电产业的诞生。1986年，中国从丹麦维斯塔公司引进了3 台55 kW 变桨距风力发电机，并在山东荣成建立了中国第一个小型风电场。1997 年，我国提出“乘风计划”，大型并网风电机组开始从科研走向市场，1999 年，新疆金风科技和浙江运达自主研制出600 kW 失速型风力发电机，标志着我国风机制造行业正式起步。
2001 年，我国风机装机总量约400 MW，此后连续多年的增长率一直稳定在20%以下。2006 年起，受益于产业政策扶持和巨额投资拉动，行业出现爆发式增长。尤其是2007 年9 月中国政府发布的《可再生能源中长期发展规划》(提出到2020 年全国风电总装机容量达到3 000 万kW)和2008 年3 月国家发展改革委发布的《可再生能源发展“十一五”规划》(提出2010 年风电装机容量目标为1 000 万kW)，带动我国风电装机总量连续4 年实现翻番。此外，财政部《关于调整大功率风力发电机组及其关键零部件、原材料进口税收政策》、发改委推出的《可再生能源发电价格和费用分摊管理办法》以及《电网企业全额收购可再生能源电量监管办法》等政策均极大地推动了风电行业的蓬勃发展。此外，《京都议定书》中引入的清洁发展机制(CDM)，一定程度上从经济角度促进了我国风电产业的发展。在各种因素的推动下，“十一五”规划的风电发展目标2008 年当年即被超额完成。此后，国家发改委和能源局又宣布，将用10 多年的时间在甘肃、内蒙古、河北、江苏等地形成几个上千万kW 的风电基地，实现2020 年供电装机规模1～1.5 亿kW，市场被进一步放大。
根据WWEA 发布的数据，2009 年中国风机总装机量260 100 MW，成为全球风机装机总量第二位的国家；新增风机装机量13 800 MW，是全球年新增风机量最大的国家。而根据中国电力企业联合会的统计，2008-2009 年，我国风电基本建设投资完成额分别同比增长88.10%和43.90%，新增风电容量分别为466 万kW 和897 万kW。2009 年，我国风电装机容量1 613 万kW，虽然这一数据远小于WWEA的数据，但仍较2008 年增长92.26%，远高于同期火电8.16%和水电14.01%的年增长率。
近年来风电产业在中国的腾飞吸引了大批国际风机生产商投资建厂，同时也带动了国内风机生产企业的崛起。目前，我国已有近80 家风电整机生产企业，但真正形成批量生产MW 机组的企业则仅有10 余家。2009 年我国新增风电装机量企业排名参见图4。
图4 2009 年我国新增风电装机量企业排名
其中华锐风电、金风科技和东方汽轮机有限公司分别以349.5 万kW、272.2 万kW 和203.5 万kW 位居市场前“三甲”，三家企业合计825.2 万kW，占新增市场的59.7%，而全年新增装机在10～80 万kW 的企业有16 家，占新增市场的36.1%，其余企业新增装机量均低于10 万kW。在出口方面，近年来我国风机行业也实现了从无到有、从小到大，并一举成为全球主要风机出口国之一。有数据显示，2008 年全年中国出口风力发电机组总金额达2.11 亿美元，共10 398 台，出口地遍及意大利、荷兰、德国、英国、丹麦、西班牙、美国、古巴以及亚洲的蒙古、韩国、日本等国家。
3 风电设备保护涂料技术进展
从上面对我国风电市场发展远景的分析可以看出，这是一个方兴未艾的行业，其巨大的发展空间必将带动对相关配套产品的需求增长，其中对风电装备保护涂料的需求将使风电涂料成为推动涂料行业发展的一个新的增长点。风力发电机组主要由叶片、传动系统、发电机、储能设备、塔架及电器系统等组成，由于风机所处的地域宽广，会遭遇到各种恶劣环境的影响，如风沙侵蚀、沿海的盐雾腐蚀、温差变化、紫外光辐射老化等，因此需要采取各种保护措施，其中对保护涂料的需求主要包括塔架防腐涂料、叶片保护涂料以及风机抗静电涂料等。
3.1 塔架防腐涂料
塔架是风力发电机组中的主要支承装置，它将风电机与地面联接，为水平轴叶轮提供需要的高度，而且要承受极限风速产生的载荷，其成本约占风机总成本的15%～18%。目前常见的塔架有锥筒式、桁架式、混凝土式等几种形式。现代大型风力发电机组通常采用锥筒式塔架。这种形式的塔架一般有若干段20～30 m 的锥筒用法兰联接而成，塔架由底向上直径逐渐减小，整体呈圆台状，因此又称为圆台式塔架，这类塔架的优点是安全性能好，而且进行维修时比较方便安全。风机塔架装备大量采用钢结构，不可避免地会遇到金属腐蚀的情况，按风机所处环境分，塔架防腐可简单分为陆上钢结构防腐与海上钢结构防腐，腐蚀防护可采取电化学保护、金属热喷涂和防腐涂料涂层保护相结合，本文仅探讨防腐蚀涂料涂层保护。
3.1.1 陆上风机塔架防腐
陆上风力发电场的塔架钢结构主要受到温度、湿度、高海拔、盐雾及结冰等腐蚀，其中南方风力发电场的钢结构必须抵抗高温高湿的海洋气候的腐蚀，北方风力发电场的钢结构必须抵抗高海拔所带来的紫外光、风沙、低温结冰等的腐蚀，因此塔筒内、外壁以及联结处的法兰都需涂装大量的防腐涂料。陆上风机塔架防腐涂料与一般的钢结构防腐类似，但风机塔架需要在各种较为恶劣的自然或工业环境中运行数十年，而且塔架的高度一般超过30 m(目前的大型兆瓦风机塔架高度甚至在100 m 以上)，维修比较困难，因此需要一次防腐涂装即有较长的使用寿命。结合以上需求，根据钢结构防腐涂层保护体系ISO 12944 第二部分《腐蚀环境分类》的规定，塔筒外壁应处于在 C4 至C5-M 腐蚀环境，而塔筒内壁由于不直接与外部大气自然环境接触，应属于C3 腐蚀环境，而根据ISO 12944 第一部分的要求，塔桶的防腐保护等级为“长期”，防腐寿命一般要求在20 a以上。此外，要求防腐涂层整体漆膜较厚，而且由于塔筒为圆型，因此需要涂层的延展性能较好。
目前陆上风机塔筒涂装以环氧富锌底漆+环氧厚浆漆(或环氧云铁漆)+聚氨酯面漆(或氟碳面漆)三道涂层体系为主。其中，以富锌底漆可提供电化学保护，以环氧厚浆漆(或环氧云铁漆)提供屏蔽保护，以聚氨酯面漆(或采用氟碳面漆和聚硅氧烷涂料)提供防腐与装饰兼具的效果。典型的风机塔筒外表面典型聚氨酯防腐涂层体系、环氧防腐涂层体系和法兰防腐体系分别参见表3、表4 和表5。
聚氨酯涂料除具有较好的耐候性和优良的装饰性外，还具有很好的弹性和延展性，符合风机塔筒涂装需求，因此这一体系已成为目前陆上风机塔架的主流防腐涂装体系。
法兰一般也需要进行简单的防腐涂料处理，也有部分法兰直接具有防腐性能。塔筒涂装需要先进行表面处理，包括除油、除盐分、除锈、喷砂等，钢材表面处理一般应达到GB/T 8923 规定的Sa 2.5 级，表面粗糙一般要求达到Rz 40~75 μm，表面可溶性氯化物含量一般不大于5 μg/cm2。
3.1.2 海上风机塔架防腐
海上风机塔架防腐比起陆上风机复杂得多。海上风机分为两种，即在浅海和沿海滩涂的底座式以及在近海和深海的浮体式。底座式风机由管桩上浇筑钢筋混凝土承台，承台上树立风机塔筒。其中混凝土承台部分由于在海上现场施工，环境复杂、气候恶劣，盐雾多，湿度大，潮汐间隔短，施工难度大，后续维修困难，所以其防腐涂层质量要求更为严格，防腐周期越长越好。浮体式风机类似于船舶和海工平台。但是，由于深海海上风电场是无人居住的，并且严格限制人员的接近，因此相比海工平台更难做到定期防腐涂层检修，因此其腐蚀保护的要求最严格。
海上风机塔架腐蚀情况又可根据其部位所处的环境不同分为水上部位及水下部位，其腐蚀还可细分为海洋大气腐蚀、飞溅区的腐蚀、潮差区的腐蚀、全浸区的腐蚀和海泥区的腐蚀，此外还有海洋生物的影响。
(1) 海洋大气区的腐蚀
海洋大气湿度大，易在风机塔架钢铁表面形成水膜；海洋大气中盐分多，它们积存钢铁表面与水膜一起形成导电良好的液膜电介质，是电化学腐蚀的有利条件。因此，海洋大气比内陆大气对风机塔架钢铁的腐蚀程度要高4~5倍。海上风机塔筒大部分处于海洋大气区，塔筒外表面防腐涂料体系一般采用富锌底漆+环氧云铁+脂肪族聚氨酯面漆。其中，采用玻璃鳞片涂料体系时底漆不能太厚，面漆也可选用耐久性更好的聚硅氧烷涂料。塔筒内表面由于不接触外界阳光直射，腐蚀环境相对也弱于外表面，因此可直接采用环氧涂层体系。
(2) 飞溅区的腐蚀
除了海盐、湿度、温度等大气环境腐蚀因素，风机塔架基座还受到海浪的飞溅，飞溅区的下部经常受到海水短时间的浸泡，干湿交替频繁，该部位海盐含量远高于大气区，而且氧在飞溅区含量较高，其去极化作用促进了钢桩的腐蚀，此外，海浪的冲击对保护涂膜也具有相当的破坏力，使腐蚀加速。因此，碳钢在飞溅区的腐蚀速度要远大于其他区域。海上风机塔架底部一般设立一个甲板平台(承台)，用于安装塔筒工作和维护工作所需，该部位处于飞溅区，涂层保护体系一般采用无溶剂环氧或环氧玻璃鳞片方案，如果需要面漆调颜色，也可选用聚氨酯漆罩面。
(3) 潮差区的腐蚀
从高潮位到低潮位的区域称为潮差区。在潮差区的风机塔架钢铁表面经常和饱和了空气的海水相接触，加剧钢铁的腐蚀。在冬季有流冰的海域，潮差区的钢铁设施还会受浮冰的撞击。承台下部到海面部位属于潮差区和飞溅区，是海上风机塔架防腐的重点，一般采用环氧玻璃鳞片系统或无溶剂环氧涂料，干膜厚度往往需要大于1 500μm，为控制漆膜下的腐蚀蔓延，也可增加一道具有良好阴极保护性能的环氧底漆。
(4) 全浸区的腐蚀
风机导管架平台的中下部位及钢桩等长期浸泡在海水中，溶解氧、海流、盐度、污染和海生物等因素对钢铁造成多方面腐蚀影响，其中，溶解氧和海盐对该部位的腐蚀起着主导作用。海上风机塔架钢桩在全浸区的防腐涂料体系可采用环氧底漆+环氧玻璃鳞片，厚度约为450 μm即可。
(5) 海泥区的腐蚀
浅海和沿海滩涂的底座式风机需将钢桩打入海泥区内，海泥区主要由海底沉积物以及饱和了海水的土壤所构成，是一种比较复杂的腐蚀环境，既有土壤的腐蚀特点，又有海水的腐蚀行为。海泥区含盐度高，电阻率低，但由于氧浓度十分低，其对塔架钢构的腐蚀速度比全浸区要低。此外，海泥中含有的硫酸盐还原菌在缺氧环境下生长繁殖，也成为钢材腐蚀的影响因素之一。在海泥区，风机塔架钢桩一般只靠阴极保护，也可结合采用防腐涂料，涂层一般不需太厚。
(6) 海生物的影响
海生物如苔藓虫、石灰虫、藤壶和海藻等的污损，对风机塔架碳钢的腐蚀影响较大。但污损海生物能阻碍氧气向腐蚀表面扩散，其不渗透性和外污损层中嗜氧菌的呼吸作用，使钢表面形成缺氧环境，从而对钢的腐蚀有一定的保护作用，但这也利于硫酸盐还原菌的生长。典型的长效海上风机塔架防腐涂层体系参见表6。
3.2 叶片保护涂料
风机叶片是风机的重要组成部分，其成本约占风机总成本的21%。由于风机叶片的工作环境一般是海边或者风沙大的沙漠、高原山区地带，平均每年要运行约7 000 h，叶片边缘的运转速度大概70～80 km/h，因此接受空气摩擦的量可达一般汽车的5～10 倍，而且叶片工作在高空、全天候条件下，经常受到空气介质、大气射线、沙尘、雷电、暴雨、冰雪的侵袭，因此叶片的运行条件和运行环境极其严酷，另外大型叶片的吊装费用极其昂贵且费时(2 MW以上的大型风机叶片长度超过45 m)，一般运转10 a 以上才进行一次修缮维护。然而，作为制造叶片的材料(如不饱和聚酯树脂、环氧树脂玻璃钢、竹木等)本身很难在这样恶劣的环境中长时间保持完好，因此，往往需要涂装叶片保护涂料，尤其是耐候性较差的环氧树脂玻璃钢产品(约占风机叶片市场的75%)，而不饱和聚酯树脂型叶片(约占风机叶片市场的25%)基本不需要涂装。
3.2.1 叶片保护涂层的要求
风机叶片涂层防护技术不仅需要满足叶片防腐蚀、提高使用寿命的要求，还需要重点考虑抗石击性能，以及防霜、防冰等功能，此外，表面涂层还在很大程度上为风机叶片提供了光滑的空气动力学表面，有效提高了风能的转化率。其具体要求如下。
(1) 优异的附着力。风机叶片涂料需与底材有良好的附着力，平均附着力需超过 8 MPa；
(2) 良好的柔韧性。风机叶片在运行过程中，叶片本身将发生一定的形变，因此要求叶片涂料本身具备一定的伸长模量，防止漆膜开裂、脱落；
(3) 良好的耐磨性和抗石击性。在高速工作环境下，风机叶片时刻都有受到各类风沙的袭击和雨雪的冲刷，尤其是叶片边缘，因此对其耐磨性和抗石击性提出了较高要求；
(4) 良好的耐候性。叶片涂料需经受阳光曝晒、昼夜冷热交替，因此要求涂料具备优异的耐候性，10 a 以上无明显光泽变化，无粉化、剥落、霉变等，海上风机叶片还要考察耐盐雾性能；
(5) 为防止闪电击中的发生，涂料中禁用导电颗粒和铁磁性材料；
(6) 涂膜平滑。叶片涂料的漆膜必须平整光滑，以减少能量损耗，获得良好的能量转化效率；
(7) 耐化学品性。风电叶片在运输安装过程中可能被液压油、润滑油等物质沾污，需用有机溶剂或高压清洗机清洗，因此叶片涂料的涂膜需耐有机溶剂、液压油、润滑油，耐高压清洗；
(8) 耐高低温性。风机运行环境条件苛刻，温差范围在-20～50 ℃，因此叶片涂料需经受高低温的变化及运行时的摩擦升温；
(9) 耐冷冻性。风机叶片表面可能被超过25 mm 冰层覆盖，要求涂膜有极好的耐冷冻性；
(10) 低吸水率。海上风机叶片表面会覆盖海水，因此要求叶片涂料有很低的吸水率和耐海水性；
(11) 良好的施工性。涂膜要常温干燥、表干快、不沾尘，一次成膜厚度可达到120～150 μm，此外还要考虑打磨性和环保性能。
3.2.2 “863”项目对叶片保护涂层的要求
为推动我国MW 级风机叶片关键结构材料的国产化，科技部“863 计划”新材料领域办公室于2009 年9 月27日发布了《国家高技术研究发展计划(863 计划)新材料技术领域“MW 级风力发电机组风轮叶片原材料国产化”重点项目申请指南》，其中提出了“叶片辅料原材料国产化的制备及应用技术研究”研究课题，而“高性能多用途叶片保护涂料的研发及规模化生产技术研究”成为该课题的一部分，项目目标是研发高性能多用途聚氨酯叶片表面保护涂料体系，提高叶片耐紫外老化、耐风沙侵蚀以及耐湿热、盐雾腐蚀能力，适应我国南北方不同极端气候条件下风电场使用需求，保证风机叶片20 a 的设计使用寿命。该项目对风机叶片表面保护涂料的技术要求如表7。
项目指南中特别提出采用高性能聚氨酯涂料品种建立示范生产线。
3.2.3 风机叶片保护涂层体系
