防生物污损涂料技术在潮汐发电机组上的应用

苗旺

摘 要：文章分析了防生物污损涂料的类型和作用原理，对其发展方向进行了论述，并结合我国潮汐能源开发的现状和前景，对防生物污损涂料技术在潮汐发电机组上的应用工艺进行了介绍。

关键词：防生物污损；涂料；潮汐电站

中图分类号：TV744 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）23-0172-02

1 概述

1.1 潮汐电站简介

潮汐电站是利用潮汐过程的水位变化进行发电的装置、设备及设施的总称。其原理是在海湾或河口筑坝形成水库，海水涨潮时水库蓄水，落潮后海水水位降低，水库水位与海水水位形成水位差，水库泄水后，水的重力势能可转化为动能形成水头，推动水轮发电机组运行发电，将海洋潮汐能转变成可利用的电能。潮汐电站机组的特点是水头低、流量大，主要有单库单向型（一个水库，落潮时放水发电）、单库双向型（一个水库，涨潮、落潮时都能发电）、双库单向型（利用两个始终保持不同水位的水库发电）三种类型。浙江省的江厦潮汐电站是我国目前装机规模最大的潮汐电站，设计安装6台500～700kW机组，总装机容量3900kW，年发电量可达1100万kW·h，建设规模居亚洲第一位，世界第三位。

1.2 潮汐电站开发的优势

我国有长达18000公里的海岸线，拥有300万平方公里的海域面积，其中蕴藏着丰富的海洋能源，据中国潮汐能资源普查，全国可开发潮汐电站191处，可装机容量21580MW，年发电量619亿kW·h，仅浙江省可以建造10MW级潮汐电站的理想站址就有10余处。但目前我国已建潮汐电站不到10处，潮汐能源的开发，可以有效缓解沿海地区经济发达省份能源短缺的现状，减小火电站的发电压力，降低煤炭消耗量，减少石化能源燃烧造成的排放污染。

1.3 海洋生物污染对发电机组的影响

潮汐过程中的海水含有大量的藻类植物、贝壳类生物，这些海生物容易吸附在发电机组部件表面。其中，藻类植物通过光合作用产生氧气，使附近水体含氧量增加，贝壳类生物呼吸作用产生的二氧化碳及动植物腐化后的分解产物会增加附近水体的酸性，有些海生物甚至会破坏设备表面的保护涂层，这些情况都会引起金属部件发生腐蚀，缩短发电机组的使用寿命。此外，海生物的大量吸附还会影响水体流量和机组散热，降低发电设备的运行性能和稳定性。

2 防生物污损涂料技术

防止海生物污损的方法较多，常用的有涂覆防生物污损涂料、施加液态氯、电解海水制氯防污、电解重金属防污、铜合金覆膜、电解氯-铜联合防污等，在某些局部的特定环境下，还可以使用过滤法、灼热法、超声波法、紫外线法等方式防止生物污染。

2.1 防生物污损涂料

涂覆防污涂料是最方便有效、应用范围最广的防止生物附着污染的方法，防污涂料由基料、防污剂、填料和溶剂组成，其作用原理是：将防污涂料涂覆于发电机部件金属表面，依靠涂膜中防污剂的逐步溶解、渗出，在漆膜表面形成有毒溶液薄层，用以抑制或杀死停留在设备表面的污损生物，防止海洋生物的吸附、破坏。

2.2 防污涂料的分类

根据涂料组成和渗出机理，传统防污涂料通常可分为三种类型：

2.2.1 溶解型防污涂料

溶解型防污涂料的防污原理是：涂层中的基料（主要为松香、油基树脂等）和防污剂（主要为氧化亚铜、有机氯类化合物等）可以在海水中溶解，其中的防污剂成分发生水解反应生成氯化物，随着基料的逐渐溶解，涂层内含有的防污成分不断暴露、水解，使发电机组金属表面维持具有氯化物的溶液薄层保护，防止海洋生物附着污损。

2.2.2 接触型防污涂料

接触型防污涂料的基料（主要为氯化橡胶、乙烯共聚物等）不易溶解，此类涂料中的防污剂（主要为氧化亚铜和铜粉）的含量较高，以颗粒状存在，当漆膜表面的防污颗粒从涂料中析出后，漆膜表面就形成空洞或沟穴，海水可以渗入并与内部的防污剂表面接触，使其继续析出，与海水发生水解反应生成氯化铜，起到保护机组的目的。

2.2.3自抛光型防污涂料

自抛光型防污涂料的基料是丙烯酸有机锡酯共聚物，聚合物的本身是疏水性的，它在海水中会发生水解，酯键断裂，并释放出有机锡，留下羧酸盐进而提高聚合物的亲水性。此类涂层的基料水解后的产物成分具有水溶性，在释放出有机锡防止海生物附着的同时，还能有效降低涂层表面的原始粗糙度，起到抛光漆膜的作用。

3 影响涂料防污效果的因素

防生物污染涂料的防污效果主要体现在可预防的对象种类范围和使用寿命两个方面，即在具有明显防止海洋生物附着污染能力的同时，还应具有较理想的有效时间。大多数海洋防污涂料的理论有效时间为2到3年，根据防污涂料的成分和作用机理，影响防污效果的条件主要有：

（1）防污剂的含量：通常，涂料中的防污成分含量越大，其使用時间也越久。

（2）防污涂层的表面自由能：表面自由能低的涂层不容易被海洋生物附着，即使被生物附着后也较容易将附着物从涂层表面清除。

（3）涂层的弹性模量：将附着在部件表面的生物剥离所需的功（W）为表面张力（γ）和弹性模量（E）乘积的1/2次方，即W=（γ·E）1/2。对于弹性模量低的涂层，在较小的外力下就可以将海洋生物剥离。

（4）涂层的粗糙度：涂层表面粗糙度越小，越不易被海洋生物附着。同时，涂料表面的粗糙程度也会影响涂层的使用寿命和清洁周期。

（5）涂层的疏水性：防污涂料的疏水性越强，对海生物的防污效果越好，目前已有将表面与水的接触角大于150°的超疏水性防污材料应用于海洋中金属设备的防污。

（6）涂层对氢离子浓度的影响：漆膜表层水体与当前海域海水的氢离子浓度相差越大，海洋生物越不易附着。

（7）涂层的颜色：选择当前海域中主要海生物排斥的颜色作为设备涂层的颜色。通常情况下，与深色系的涂层相比，浅色系颜色的涂层不易被海洋生物附着。endprint

4 防生物污损涂料技术在潮汐发电机组上的应用

防污涂层主要应用于潮汐电站水轮机部件与水接触的表面，对表面涂层有较高的涂装质量要求，防生物污损涂料通常可与常规防腐油漆配套按如下工艺要求涂覆于发电机组的金属部件表面，对发电机组进行防腐防污。

4.1 表面预处理

4.1.1 涂装前部件表面状态要求：金属表面应平顺，不允许有毛刺、尖角、焊豆、凸瘤、砂孔，无探伤残留物。

4.1.2 溶剂清理：对有油污及其他污染物的表面，用有机溶剂（如200#汽油）清理，目视检查清理后的表面，应无油脂、污物、切削化合物。

4.1.3 喷砂清理：按照美国防护涂料协会SSPC-SP5标准要求，使用棕刚玉磨料对发电机部件表面进行喷砂预处理，喷砂清理后的表面清洁度需达到ISO8501-1 Sa3标准要求，表面应无可见的油污、氧化皮、铁锈和其他异物，具有均匀的金属色泽，表面粗糙度Rz在70～100微米。喷砂预处理后的金属表面，应尽快喷涂油漆，当环境相对湿度≤60%时，应在喷砂后8小时内进行喷涂；当60%≤环境相对湿度≤80%时，应在喷砂后4小时内进行喷涂；当环境相对湿度≥80%时，不允许喷涂。

4.2 喷涂防污防腐涂料

4.2.1 涂装场地要求：应在具有排风系统的喷漆室进行施工，要求室内平均照度≥400Lux，空气中无肉眼可视灰尘分散。

4.2.2 涂装温度和湿度条件：涂装场地的温度应在控制在15℃至45℃，环境湿度在20%至80%，涂装前产品表面的温度应比露点值高3℃以上。

4.2.3 喷涂前对使用的压缩气体应经除油、除水装置处理。

4.2.4 涂料检查：核对涂料的牌号、颜色，确认是否在质保期内。

4.2.5 涂料配制：按照涂料的指导说明书调制油漆，用稀释剂调整涂料粘度、用搅拌器使混合均匀，并用滤网过滤后在活化期内使用。

4.2.6 涂漆方法：使用高压无气喷涂方式，喷漆喷孔：0.5mm，工作压力：250kg/cm2。施工时保持喷漆方向与被涂漆表面呈直角，喷枪距离被涂漆表面距离控制在0.2至0.3m之间，并以0.3至0.5m/s的速度匀速平行移动。

4.2.7 按施工工艺要求依次涂覆下列种类油漆：

（1）高固态环氧富锌底漆75？滋m；（2）耐水环氧漆300？滋m；（3）防生物污损涂料75？滋m。

4.3 漆膜质量检查

4.3.1 漆膜涂覆均匀，不得有流挂、分层、漏涂现象。

4.3.2 漆膜附着力按美国材料试验协会ASTM D3359标准中的划×法进行检查，测试结果等级需达到5A标准。

5 防污涂料的研究方向

含铜、锡元素的防污涂料主要是通过释放对海洋生物具有毒性的元素抑制和防止海洋生物的附着，因此也会污染海洋的水体环境。所以，无污染、环保类的海洋防污涂料成为了当前研究方向：

5.1 低表面能防污涂料

当涂层表面张力小于22dyn·cm-1时，就可认为海洋生物难于附着，日本关西涂料公司的防污硅氧烷涂料采用含有硅氧烷等单体的复杂共聚物，并加入硅油和硅胶溶剂，此材料涂层临界表面张力为20.5dyn·cm-1，海湾挂片试验12个月后无污损。

5.2 导电防污涂料

应用此类涂料进行防生物污染的原理与电解海水防污相似，电解海水技术的关键是设置一个寿命长、性能稳定、可在海水中浸润的电解电极。若在发电机表面涂覆绝缘涂料后再涂覆导电防污涂料，并对其表面施加微弱电压，此时的导电涂层可作为电解电极，将海水电解生成次氯酸，进而防止海洋生物附着。

5.3 仿生防污涂料

海洋中的鱼类、哺乳类动物表皮不易被生物附着，这是因为此类动物的表皮可分泌活性物质或具有特殊结构，目前研究的原理有：

5.3.1 从海洋鱼类生物中提取出具有抑制海洋生物及幼虫附着的天然活性物质，在培养衍生后作为防污成分加入涂料中，发挥防生物污染的作用。

5.3.2 模拟大型海洋动物的表皮结构来实现防生物附着。如使用塑料和橡胶材料仿制具有鲨鱼皮表面纹理的防污涂层，防止海底生物附着。

6 结束语

我國沿海蕴藏丰富的海洋能资源，利用海洋能发电既经济，又不占用土地，无需移民，不受气候影响，不污染环境，开发利用价值极高，而且这些海洋能源主要集中在经济发达、能源需求量大的东南沿海地区。但目前我国沿海地区对潮汐电站的开发率还较低，充分利用海洋能源，将有效缓解沿海地区能源紧缺的现状，减少化石能源燃烧造成的环境污染，因此，潮汐电站在我国具有很大的开发前景。同时，海洋性环境对机组的防腐防污要求较高，机组长期置于环境恶劣、复杂的海水中，面临着严重的海水侵蚀和生物污染，对机组进行合理有效的防生物污损涂料技术保护，有助于发电设备的运行稳定性，延长机组的使用寿命，是潮汐电站发电机组设备生产中的一项重要的工作。

参考文献：

[1]黄国综，蔡如星.海洋污损生物及其防除[M].北京：海洋出版社，2008.

[2]叶扬祥，潘肇基.涂装技术实用手册[M].北京：机械工业出版社，2005.endprint