海上风电钢管桩石墨烯涂层的防腐性能_李辉.pdf

第 26 卷第 2 期2023 年 2 月建筑材料学报JOURNAL OF BUILDING MATERIALSVol.26，No.2Feb.，2023海上风电钢管桩石墨烯涂层的防腐性能李辉*，赵凯（浙江华东工程咨询有限公司，浙江 杭州 311122）摘要：研究了常规重防腐涂层（常规涂层）和石墨烯重防腐涂层（石墨烯涂层）的附着力和电化学性能，并利用数值模拟研究了牺牲阳极和石墨烯涂层防护下的海上风电钢管桩的防腐性能.结果表明：石墨烯涂层的附着力明显大于常规涂层；石墨烯涂层的腐蚀电流密度比常规涂层降低了 1个数量级，且其腐蚀电位正移，表明石墨烯涂层的防腐效果较好；与常规涂层相比，石墨烯涂层可显著减小钢管桩表面的腐蚀速率，提高涂层的阴极保护作用.关键词：海上风电；石墨烯涂层；钢管桩；腐蚀中图分类号：P752文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1007-9629.2023.02.013Corrosion Resistance of Graphene Coating for Steel Pipe Pile in Offshore Wind FarmLI Hui*，ZHAO Kai（Zhejiang Huadong Engineering Consulting Co.，Ltd.，Hangzhou 311122，China）Abstract:The adhesion and electrochemical properties of conventional heavy-duty anti-corrosion coating（conventional coating）and graphene heavy-duty anti-corrosion coating（graphene coating）were studied.The corrosion resistance of steel pipe piles in offshore wind farm protected by sacrificial anode and graphene coating was studied by numerical simulation method.The results show that the adhesion of graphene coating is significantly greater than that of conventional coating.The corrosion current density of graphene coating is reduced by one order of magnitude compared with that of conventional coating，and its corrosion potential rises，indicating that the anti-corrosion effect of graphene coating is better.Compared with the conventional coating，the use of graphene coating can significantly reduce the corrosion rate of steel pipe pile and improve the cathodic protection effect of the coating.Key words:offshore wind farm；graphene coating；steel pipe pile；corrosion目前，中国海上风电风机基础多采用大直径单桩基础型式，其承载着风机系统安全运营的重任，因此钢管桩的防腐性能是关系到整个风电工程安全运行的关键1-2.有机环氧树脂涂层能良好阻隔外界环境对钢结构材料的腐蚀，被广泛应用于海洋环境3-5.但是，环氧树脂在较高温度下承受较强腐蚀介质的能力较差6，且钢管桩防腐涂层厚度在水流冲刷作用下会逐渐变薄，削弱涂层对钢管桩的保护作用，使钢管桩极易发生腐蚀.受腐蚀后钢结构的物理、力学性能均会大幅下降，腐蚀严重时将会直接缩短整个工程结构的使用寿命7-9.实际运营中，防腐涂层的失效来自多方面因素的影响：存在于涂层表面或内部的微观缺陷导致在涂层/金属界面的不同部位形成阴极区和阳极区，从而加速金属基体的腐蚀10-11；涂层与金属基体界面附着力的降低，使得涂层与金属基体结合强度降低，进而导致涂层起泡或剥离12-14；机械损伤、应力等因素导致的涂层损伤使涂层体系的低频阻抗模值迅速降文章编号：1007-9629（2023）02-0200-06收稿日期：2021-12-02；修订日期：2022-02-20基金项目：国家自然科学基金资助项目（52179122）第一作者（通讯作者）：李 辉（1983），男，河南驻马店人，浙江华东工程咨询有限公司工程师，学士.E-mail：li_第 2期李辉，等：海上风电钢管桩石墨烯涂层的防腐性能低，电容瞬间增大，腐蚀加速15.由此可见，海上钢管桩在较复杂因素的影响下，其涂层防腐性能会发生改变.石墨烯作为一种sp2杂化的二维网状碳材料，其碳原子严格按照六边形排布，结构非常稳定.分散良好的石墨烯可以在二维片层结构涂料中进行层层堆，从而形成水分子、氧气和氯离子等腐蚀因子很难通过的致密隔绝层，起到优异的物理阻隔作用，达到长效防腐的目的，其应用越来越广泛16-17.本文通过试验研究，比较了常规重防腐涂层（常规涂层）和石墨烯重防腐涂层（石墨烯涂层）的附着力和电化学性能，并基于腐蚀电化学原理，利用数值模拟对石墨烯涂层和牺牲阳极下的海上风电钢管桩防腐性能展开了研究.1试验1.1原材料常规涂层：底漆环氧富锌及改性环氧中间漆均为佐敦涂料（张家港）有限公司生产的佐敦工业保护漆 Penguard Pro GF；面漆为 Hardtop AX 脂肪族聚氨酯.石墨烯购自苏州碳丰石墨烯科技有限公司，在常规涂层中加入0.3%（质量分数）石墨烯得到石墨烯涂层.1.2涂层的制备使用无油脂和水分的压缩空气对DH36钢片表面进行喷砂除锈处理，喷砂后的钢片表面不得有铁锈、氧化皮等，粗糙度应达到 ISO 85031998 喷射清理过的钢材表面粗糙度特征 中规定的 G级.采用无气喷涂工艺涂装钢片，喷枪压力为 0.340.52 MPa，喷距为200300 mm.涂层厚度控制在（20010）m.1.3试验方法用 PAT M01液压型仪器，根据 ISO 46242002色漆和清漆拉开法附着力试验，采用拉开法测试涂层附着力.用 CHI660E电化学工作站进行电化学测试，采用三电极体系，以 Ag/AgCl为参比电极，石墨棒为对比电极，涂膜涂覆的钢片为工作电极，将各涂层试样在 3.5%（质量分数）NaCl溶液中浸泡 24 h后，测定其动电位极化曲线.2涂层的性能2.1附着力常规涂层和石墨烯涂层的附着力见表 1.由表 1可见：石墨烯涂层的最大附着力达到了 12.70 MPa；与常规涂层相比，石墨烯涂层的平均附着力提高了近20%.2.2腐蚀电流和腐蚀电位通过塔菲尔切线外延法可以得到涂层的腐蚀电流密度 Icorr和腐蚀电位 Ecorr，结果见表 2.由表 2可见：与常规涂层相比，石墨烯涂层的腐蚀电流密度降低了 1个数量级，同时其腐蚀电位也逐渐正移，表明石墨烯涂层的防腐效果较好.研究资料18表明，常规涂层的底漆通过腐蚀锌粉来保护铁基体，其在中性或微碱性介质环境中容易形成稳定的腐蚀产物阻隔覆盖层，从而阻挡腐蚀介质的侵蚀，然而随着腐蚀的持续发生，锌粉逐渐被氧化成锌盐，涂层的导电性下降，并可能阻断电子的传输路径，造成大部分锌粉失去其原有的保护作用，只起到有限的阻隔作用.石墨烯的共轭结构19使其具有很高的电子迁移能力，其快速导电特性使得石墨烯在涂层中与锌粉搭接，并随机堆叠形成导电通路，整个涂层与铁基体形成了电化学回路体系，从而提高了涂层的阴极保护作用，减缓了金属基材的电化学腐蚀速率.3数值模拟前文涂层性能试验的样品均为涂覆涂层的钢片，且样品在 NaCl溶液中浸泡的时间也较短.对于大尺度钢管桩的防腐性能的研究，数值模拟可为石表 1常规涂层和石墨烯涂层的附着力Table 1Adhesion of conventional coating and graphene coatingMPaNo.123456AverageConventional coating9.1210.419.8110.5410.8910.1010.20Graphene coating12.5012.1812.7011.8912.1511.2512.10表 2常规涂层和石墨烯涂层的腐蚀电流密度和腐蚀电位 Table 2Corrosion current density and corrosion potential of conventional coating and graphene coatingNo.123456Conventional coatingIcorr105/(A m-2)23.4021.2026.2020.3021.0020.50Ecorr/V-0.58-0.56-0.62-0.53-0.54-0.53Graphene coatingIcorr105/(A m-2)1.221.251.191.231.261.26Ecorr/V-0.21-0.23-0.20-0.22-0.21-0.24201建筑材料学报第 26卷墨烯涂层在实际工程中的防腐性能研究提供便利.3.1基本设置采用牺牲阳极和石墨烯涂层联合对海上风电钢管桩进行防护.牺牲阳极为 Al-Zn-In-Mg-Ti 合金，将其焊接在集成式套笼结构圈梁处，沉桩完成后，牺牲阳极随集成式套笼结构整体吊放在钢管桩上，部分牺牲阳极沉入泥下区.涂层的作用是使钢结构表面绝缘，并减小阴极保护的面积.但减少阴极保护面积在数值模拟中较难实现，因此可采用降低交换电流密度的方法在数值模型中体现涂层的保护作用.数值模型见图1，其圆柱半径为60.0 m，高100.0 m，钢管桩长 64.0 m，厚度为 0.70 m，外径为 2.75 m.为节约计算时间，根据对称性取 1/4圆柱作为计算域；海上风电钢管桩穿越大气区、浪溅区、潮差区、全浸区和海泥区，直接对不同区域的气、液、固体与钢管桩间的相互作用进行模拟，计算成本及难度较大，不便于工程应用，因此对于这些区域的模拟可通过设置不同交换电流密度来实现.为简化计算过程，将与钢管桩相互作用介质分为 3个部分：上部为大气区，高 8.8 m；中间部分为海水区（石墨烯涂层区域），高10.0 m；下部为海泥区，高 81.2 m.在圆柱体中设置 3组牺牲阳极，分别记为 1#、2#、3#，每组 6对牺牲阳极等间距环绕钢管桩.牺牲阳极长 2.0 m，初始半径0.23 m，最终半径为 0.05 m.使用“牺牲边阳极”节点进行建模，电极动力学模型采用线性 Butler-Volmer模型，随着阳极的溶解，阳极的半径减小，当达到最终半径时，阳极被切断.海上风电风机的服役时间 t通常需大于 20 a，本文采用瞬态研究求解 27 a的结果.网格划分图见图2，并对桩周网格进行加密以得到更精确的模拟结果.3.2控制方程对于钢结构而言，海水中的含氧量越高，其腐蚀速率就越大.海水是天然的电解质溶液，且溶有一定量的氧，海水的金属腐蚀可以用电化学腐蚀原理来研究，属于氧去极化腐蚀，其反应式如下：Anode region：Fe Fe2+2e-（1）Cathode region：O2+2H2O+4e-4OH-（2）基于二次电流分布，电解质电位l为：il=-ll（3）il=0（4）式中：il为电解质电流密度矢量；l为电解质电导率，S/m2.氧还原动力学根据极限电流密度来设定，使用Tafel方程模拟阳极氧化反应：iloc=i010/Aa（5）=s-l-Eeq，m（6）式中：iloc为各电极反应电流密度，A/m2；i0为交换电流密