1 引言
风电场一般处于环境恶劣的沙漠、海洋、高山等边缘地带，风电设备必将受到自然环境的严重影响。而一般风力发电设备要使用20 年以上，因此必须用涂层加以保护，来防止各种破坏因素的侵蚀。随着风电机组装置的大型化及维护成本的提高，对于保护风电机组基材的涂料也提出了更高的性能要求中国机械网okmao.com。
2 风电场腐蚀环境分析
风电场的恶劣气候对风电设备是一项重大考验，不同环境的腐蚀因素截然不同。我国东北、华北、西北地带多风沙，昼夜温差大，气候相当恶劣。环境大气中磨损应力（磨蚀），可能因为风挟带的颗粒（例如砂砾）摩擦钢结构，风电机组表面极易产生破坏，另外是冰雹、沙尘暴甚至飞鸟等较大物的撞击破坏。这在沙漠戈壁风电场塔架迎风面及底部、风电叶片表面、箱式落地变压器迎风侧面比较明显。
由于风电运行环境的特殊性，除了ISO12944 划分的环境等级外，应当考虑沙漠戈壁地区的风蚀环境、北方地区的低温环境以及两者的共同作用。而东南沿海区域的气候环境具有高温、高湿热、高盐雾和高辐射的特点，冰冻、台风、巨流、闪点、漩涡、潮汐时常发生。由于海上的自然环境，风电机组塔筒外表面直接暴露于所处区域的大气环境（部分结构处于潮差或水下环境），环境因素（如风雨、潮湿、大气污染等）和使用过程（叶片运转等）直接影响到风电机组结构的腐蚀进程，主要的腐蚀类型包括电化学腐蚀、化学腐蚀、应力腐蚀、疲劳腐蚀等，其中以局部区域的电化学腐蚀破坏性最大，它是影响风电机组塔筒使用年限与安全的重要因素之一。
塔筒钢结构件很容易遭受腐蚀破坏，一旦这些钢结构系统发生腐蚀破坏，后果不可想象。因此，风电机组塔筒所处环境的腐蚀调查与分析，以及与此相应的涂装配套设计越来越受到重视。
3 风电机组塔筒涂料配套现状及隐患
3.1 风电机组塔筒涂料配套情况
由于业内没有专门针对风电涂料配套设计和技术要求的权威行业标准，目前风电机组金属表面防腐设计主要依据为ISO12944-2007《色漆和清漆防护涂料体系对钢结构的防腐保护》。该标准将大气腐蚀环境划分为C1（很低）、C2（低）、C3（中等）、C4（高）、C5-I（很高—工业）、C5-M（很高—海洋）6个等级；将水和土壤腐蚀环境划分为：Im1（淡水）、Im2（海水或盐水）、Im3（土壤）；将涂层耐久性期限划分为：2 ～ 5 年（低）、5 ～ 15 年（中）、15 年以上（高）等。
一般而言风场所处的大气腐蚀环境都较为恶劣，我国的风场环境多数应归属于C3、C4、或C5 的腐蚀环境，风力发电装置要求防护年限多数在15 年以上，有的长达20 年。耐久性是一个能够帮助业主进行维修计划的技术依据，在出现涂层褪色、粉化、污损、磨损、撕裂，或者出于美观或其他原因，维修涂装工作需要频繁进行。
风电机组塔筒外表面涂层配套基本采用环氧富锌底漆+ 环氧漆+ 聚氨酯面漆的体系，是典型的钢结构重防腐涂料体系。
表1 是目前国内普遍采用的风电机组塔筒涂装体系。
表1 传统塔筒涂料产品配套情况
近年来，随着我国风电产业的迅速发展，包括中远关西在内的一些知名涂料商纷纷进入我国风电机组涂料市场，中远关西设计的风电机组塔筒涂料体系严格执行ISO12944-5 标准，具有较好的防腐、耐候、耐磨、耐冲击、耐低温性能，而且近期在内蒙古卓资风场100MW 工程中得到了成功应用。
注：塔筒内表面由于没有阳光照射，因此无需涂装面漆。
3.2 目前风电机组塔筒涂料配套存在的隐患
由于目前主流风电技术都是自欧洲引进，国内塔筒的防腐配套也完全是照搬国外的配套方案，然而我国幅员辽阔，各地的地理环境和气候特点差异很大，跟欧洲具有很大的不同，加上工业化发展带来的大气污染较为严重，目前的配套能否适合我国的环境和气候特点存在很大的疑问。
尤其是在风沙严重、昼夜和季节温差大的西北、内蒙古等地区，目前已经有部分风电场发生了配套涂层风蚀严重、漆膜提前老化的问题，给风电机组设备的长效运转及安全性带来了隐患。防腐涂层的实际防护效果，依赖于涂料质量、配套的合理性以及涂装工艺水平，其中涂装工艺水平最难控制，也是权重最大的一个因素。
但是目前国内塔筒生产厂家的涂装工艺水平参差不齐，管理粗放，底材处理、喷涂工艺和涂装质量控制不一定能完全达到设计要求，因此最终的成膜效果和防腐期限很难有保障。在风电行业发展之初，在欧洲超长耐候性面漆的发展还不成熟，因此选用了技术上最为成熟、相对耐候性较好的聚氨酯作为面漆。但是，就涂料本身的性能而言，涂料业界对聚氨酯产品一致的共识是：其有效的耐候性最长只能达到7 ～ 8 年。
户外环境中涂层会自然老化，涂层基本失光、粉化，以至于开裂脱落，无法屏蔽阳光和空气中的各种腐蚀介质对下层涂膜的侵蚀和破坏。风电塔筒如果在服役运营期间，出现大规模的涂膜劣化，必然对风塔外观和风电机组正常运行产生极为不利的影响。
我国风电机组企业致力于风电机组装置的大型化和较长的免维护周期，这对保护风电机组基材的涂料提出了更高的性能要求，因此，如果我国大范围使用存在隐患的配套产品，将会给风电业主、风电场运营企业、风电设备制造企业带来极大的风险。多年的研究和大量的实际应用经验证明，用优质的氟碳涂层替代现有的传统聚氨酯体系是规避上述隐患的有效途径。
4 氟碳涂料介绍
4.1 氟碳涂料特点
氟碳涂料顾名思义，是指主体树脂为含氟树脂，即主链或侧链的碳原子上含有氟原子的合成高分子材料。它包括氟烯烃聚合物或氟烯烃和其他单体的共聚物两类。在欧美等西方国家将其称为“氟碳树脂”（fluorocarbon resin），由其为成膜物制成的涂料则称作“氟碳涂料”（fluorocarbon coating）。在我国习惯称作“含氟树脂”和“含氟涂料”。
目前，国际上形成了3 种不同用途的氟树脂与氟涂料行业，第一种是1938 年以美国杜邦公司为代表的热熔型氟涂料特氟龙不粘涂料，主要用于不粘锅、不粘餐具及不粘模具等方面；第二种是1965 以美国阿托- 菲纳公司生产的聚偏氟乙烯树脂PVDF 为主要成分的建筑氟涂料，具有超强耐候性，主要用于铝幕墙板；第三种是1982 以日本旭硝子为代表的室外常温固化氟碳涂料——氟乙烯和羟基乙烯基醚共聚物（FEVE 氟涂料），这种FEVE 常温干燥型氟碳涂料不需烘烤，可在建筑及野外露天大型物件上现场施工操作，从而大大拓展了氟碳漆可应用的范围，主要应用于桥梁、电视塔、大型钢结构设施等难以经常维护重涂或施工成本较高的塔架防腐等领域。氟碳涂料具有优异的性能，主要源于以下几点：
氟碳树脂中氟原子电负性最高；
氟碳键能比其他化学键能大，达485kJ/mol ；
氟碳键距最短，为0.1317nm ；
氟原子与碳碳主键紧密结合，形成一个螺旋形结构。
由于上述特征，氟原子遮蔽了碳键间的正电效应，使涂膜具有较小的聚合能和低表面张力；氟原子与碳碳形成一个螺旋形结构，具有屏蔽作用；氟原子保护C-C 键免受紫外线和化学品侵蚀；涂膜的固化过程中，氟原子会发生迁移而富集到涂膜表面，使氟碳涂料具有较好的耐候性、耐寒性、耐高温、耐腐蚀、耐化学及表面自洁性能等，这是其他涂料无法比拟的优点。
图1 为FEVE 氟碳树脂结构，不同的官能团和交联结构赋予了氟碳涂料的超高性能。对于氟碳涂料的高性能可以从以下几个方面研究：
（1）超耐候性。氟碳涂料具有超长耐候性，经5000h 人工加速老化试验，保光率80%。作为风电机组塔筒涂层，可应用20 年以上，涂层不粉化，不起泡，不起皱，不脱落。氟碳是一种户外年老化漆膜损耗量最低的涂料，根据旭硝子的研究，其年损耗量只有0.5 微米，理论上20 微米的膜厚就达到满足40 年的防腐要求。
（2）耐温适应性。氟碳涂料可在—40℃～ 160℃内正常使用，能抵御酷暑和干湿交替的风电场复杂环境。
（3）耐酸碱性。在我国东南沿海风电场，风电机组上的涂膜不但长期暴露在湿热环境下，而且经常遭受雨淋、寒暑交替、盐雾的侵蚀，如此周而复始的气候条件和不稳定因素，导致涂膜的化学结构发生改变，分子降解或发生其他反应。所以风电涂料的设计要强调耐化学介质、耐湿热及耐盐雾腐蚀性等。氟碳涂层耐候性优，耐化学介质性很好。
（4）氟碳漆膜的氯离子扩散系数是聚氨酯漆膜的1/5，采用氟碳涂层作面涂层时，可提高涂层体系的防介质渗透性，更加适用于氯离子含量很高的海洋环境。
4.2 氟碳涂料与聚氨酯涂料性能对比
从以上对比数据可以明显地看出，氟碳涂料在漆膜年消耗量、耐腐蚀介质、抗氯离子渗透性和耐候性性能上，相比聚氨酯涂料具有压倒性的优势。
4.3 氟碳涂料应用
氟碳涂料因为技术含量高和性能优越而被称为“涂料王”，以其超耐候性、耐腐蚀性和优异的自清洁性、长效免维护性而日益受到重视，近年来，在需要满足超长防腐期限（20 年）的工业防腐领域得到了广泛应用，如钢结构建筑、桥梁、船舶、轨道交通车辆、石油储罐和管道、化工设施、海上设施、彩涂钢板等。
目前，中国和日本都已将氟碳涂料列入公路和铁路桥梁设计施工规范标准，我国2000 年以后设计或改造的重点桥梁90% 都指定用氟碳涂料进行涂装保护，例如高铁在长江上的两个过江通道南京大胜关大桥和武汉天兴洲大桥。此外，闻名世界的北京奥运会主体育场“鸟巢”，以及我国的青藏铁路等工程都选择氟碳涂料作为面漆，以期获得长效可靠的保护效果，减少维护费用。
5 氟碳涂料在风电机组塔筒上的配套设计
我国的陆地风电场地理环境复杂，导致风电机组塔筒受到风蚀的严重破坏，需要定期维修和补漆，大大提高了维修成本，同时也降低了使用寿命；海上施工的特殊要求，又加大了投资费用，提高了用电成本。
国外有关机构对如何降低风电的发电成本进行了研究后提出：提高风电机组的可靠性，延长使用寿命，要使风电机组使用寿命不少于20 年，必须进行必要的特殊设计，提高免维护时间，降低维护和维修费用。因此，风电机组涂层的防腐性和耐久性是决定风电机组使用寿命和维修成本的重要因素，提高涂层的防腐性能的最佳方案是选用超耐候性的氟碳涂料，能够提高风电机组的维修期限，延长其使用寿命。
氟碳涂料可用于有较高耐久性需求的风电机组，特别是作为钢结构塔筒外表面面漆，将有效延长其使用寿命。其作用机理（表3）是将氟碳面漆与其他配套涂层一起形成可靠的涂装保护层，提供对底材的屏蔽作用，增强耐候性、耐蚀性及物理机械性能。
其涂装系统构成主要是：在喷砂或打磨预处理的钢材表面，除去底材表面的铁锈、油污、灰尘，提供除锈级别合格的钢材表面，然后涂装富锌漆等底漆涂料，涂装环氧云铁漆等中层涂料，再涂装氟碳面漆。氟碳涂料优异的耐紫外线性能，适于用在紫外线较强、温差较大和潮湿地区，可延长涂装保护层的有效使用寿命。
表4 是某公司针对我国风电机组塔筒应用环境设计，外表面采用环氧富锌底漆+ 环氧漆+ 氟碳面漆体系，内表面为环氧富锌底漆+ 环氧漆，与常规聚氨酯配套体系相比，具有以下优点：
优异的防腐性能。塔筒内外表面环氧富锌底漆和环氧漆设计膜厚与传统聚氨酯涂料相同，即漆膜配套的防腐体系未变，因此其防腐性与传统的配套系统相当。
超长的耐候性能。塔筒外表面配套面漆选用性能优异的氟碳涂料，能有效抵抗强紫外线的破坏，是普通聚氨酯面漆无法比拟的。
综合性能优异。通过实验证明，塔筒外表面氟碳涂料可提供更优异的耐化学品性、耐高低温和湿热性能。
氟碳涂料配套体系（30μm）的设计膜厚低于聚氨酯配套体系（50μm），在涂装过程中将会减少VOC 气体的排放，更加符合我国所倡导的绿色环保理念，也映衬风电本身的环保能源属性。
同时，使用氟碳防腐配套体系，能减少对风电机组塔筒的维护和重涂费用。
一般聚氨酯配套涂层的保护寿命不超过8 年，而风电机组的使用寿命要达到20 年，因此，其间必须进行3 次以上的重涂和维护工作，否则将造成巨大损失，如使用防护年限达到20年的氟碳涂料，在风电机组正常的使用寿命期内，不需要进行维护，或只需进行一次维护，从而大幅度的降低成本，节约社会资源，减少环境污染。
6 总结
综上所述，我国风电场气候的多样性和极端性已经对目前传统的聚氨酯涂层体系的耐候性提出了严峻挑战，照搬从欧美引进的一成不变的防护涂层面临着重大隐患。氟碳涂料不仅能靠自身卓越的耐候性和耐腐蚀性消除隐患，提供更安全的保障，更能通过稳定的防护大大延缓设备维护周期，节约大量维护费用。
大量应用证明，氟碳涂料作为外用涂料可提供最长的免维护周期（一般20 年以上），这是其他涂料及设计配套体系无法比拟的。笔者在充分研究和调查我国风电场现场情况、分析风电机组塔筒的腐蚀因素等前提下，对普通聚氨酯涂层出现早期风蚀、粉化等不良现象进行剖析，结合我国的特殊地理环境特点和所属企业掌握的先进的氟碳技术，针对有较高防腐及耐候性能要求的风电机组塔筒，大力呼吁在风电领域推广氟碳涂料的应用，为我国的风电设备的长效安全运转提供可靠的防腐保护。