风电零部件耐磨涂层
文/詹耀·广东明阳风电产业集团有限公司
根据风电机组法兰面的耐磨性能要求,从理论分析和试验方面验证和比较了水性无机富锌漆和环氧富锌漆的技术性能,并通过试验验证了水性无机富锌漆的耐磨性能,归纳和总结出其相应的施工方法和检测要点。
在风力发电机组的金属零部件装配过程中，大部分零部件一般采用高强度螺栓进行配置连接,在用高强度螺栓连接的风电零部件法兰接触面,需要一定的摩擦系数来增大法兰相互接触面的啮合力,从而确保风力发电机组零部件的连接紧密和装配技术实现,确保零部件的结构配合。为此,需要研究和分析出提高风电零件部的法兰接触面耐磨性能的技术和方法。
一般常用的提高钢铁零件表面摩擦系数的措施有:在法兰接触面喷丸(砂)后直接连接和在法兰接触面喷丸(砂)再喷锌(铝)涂层。
想要解决法兰表面腐蚀问题,仅靠在法兰面喷丸(砂)的方法不可行;而在法兰面进行热喷铝(锌)的方法不仅工艺操作复杂,也容易受到零件待喷涂面的现状、涂装设备及操作工人的熟练程度等因素的制约,由于喷锌层的空隙率较大,腐蚀介质容易渗透至基材而产生腐蚀。
为此,本文在综合分析和试验总结各种提高金属零部件耐磨方法的基础上,归纳出采用水性无机富锌涂料的耐磨性能及其应用技术和工艺。
耐磨涂层的分析和比较
涂料产品的性能分析
考虑到风电法兰接触面需要优良的表面耐磨性(表面摩擦系数)和防腐蚀性能等要求,从常用的富锌涂料、包括有机环氧富锌涂料和水性无机富锌涂料进行实验和分析,二者的技术性能对比如下:
(1)表面摩擦系数。在风电机组的设计中要求金属法兰等零部件连接面的表面摩擦系数≥0.25,而环氧富锌涂料固化后漆膜表面光滑,经试验测算其漆膜表面的摩擦系数一般在0.25以下,不能满足风电机组的金属法兰连接面所要求的摩擦系数,而水性无机富锌涂料的摩擦系数经实验测算则达到0.45以上,能够满足金属法兰的耐磨性能要求。
(2)附着力。由于水性无机富锌涂料在无机硅酸盐与锌粉反应的同时还与钢铁反应形成硅酸锌铁络合物,因而对钢铁表面形成很强的化学键,只要表面处理和粗糙度达到技术要求,在增加漆膜与基材接触的表面积的同时,也能确保锌粉同钢铁的紧密接触,从而可抵抗海水、氯化物等腐蚀介质的侵蚀。而环氧富锌涂料的附着力主要是树脂与钢铁表面的粘结力,属于物理吸附作用,初始附着力较好,但有机物耐候性较差,在恶劣环境下更易老化,从而导致附着力慢慢下降,因此在附着力方面水性无机富锌涂料优于环氧富锌涂料。
(3)耐腐蚀性。无论是水性无机富锌涂料,还是环氧富锌涂料都具有阴极保护作用和自修复性能,水性无机富锌涂料与钢铁基材反应生成硅酸锌铁络合物,是化学键结合,而环氧富锌涂料,基本上为物理吸附,且成膜有机物的导电性能较差,在相同锌粉含量的情况下,水性无机富锌涂料的阴极保护作用效果要优于环氧富锌涂料。美国国家航空航天总署也曾发布报告称,在各类富锌涂料中,耐腐蚀性最佳的是水性无机富锌涂料,其寿命在在海洋大气条件下的使用寿命可达25年以上。
(4)耐热性。风电机组运行中,高强度螺栓连接的法兰接触面存在摩擦,会导致摩擦面局部温度迅速升高,这就要求防腐涂层具有一定的耐热性。水性无机富锌涂料固化形成硬化膜是以聚硅氧烷(Si-O-Si)相结合,Si-O键的结合能为445.2kJ/mol,比有机高分子C-C键结合能(346.9kJ/mol)要大得多,因此无机富锌漆固化后的耐热性更优,其能够耐受的最高连续温度为400℃ 。而环氧富锌涂料是高分子有机物固化后成膜的,其通常耐受温度在120℃ 以下。
综上所述,针对高强度螺栓的法兰接触面耐磨涂层的性能要求,我们选择了水性无机富锌涂料进行相关涂装实验研究和工艺分析。
材料的选择
(1)涂料品种的选择。从涂料性能及涂装施工的绿色环保和无污染角度出发,试验中选择了IP涂料公司生产的水性无机富锌底涂料(Interzinc697)产品进行了实验分析。
(2)稀释剂的选择。普通的矿物质水或城市饮用水含有较多的离子和矿物质,作为稀释剂可能导致涂料溶解性变差,引起性能和施工质量问题。为此,我们选用几种不同品牌的瓶装饮用水作为稀释剂进行了对比试验,通过导电率来分析其洁净度,最终选用了娃哈哈纯净水。
耐磨涂层的施工技术
施工准备
水性无机富锌涂料在固化过程中与钢铁表面形成化学键,必须保证涂料与钢铁表面充分接触,要求待涂装的零部件表面粗糙度应达到Sa21/2级40μm≤ Rz≤75μm),因此必须对零部表面件进行喷砂处理。
在零部件法兰面的进行喷砂处理时,考虑到零部件的相关要求和对周围作业环境的影响程度,不推荐采用开放式喷丸(砂)机进行表面粗糙处理。经过对市场上几种品牌喷砂机的调查和试用分析,我们选用北京亿州科技有限公司生产的YZR-2D型循环回收式环保喷砂机。
该喷砂机使用G40和G25混合磨料,磨料混合比为3：1,喷砂工作压力为0.4~0.5MPa,喷砂后使用TR200粗糙度测定仪测试已喷砂处理零部件表面的粗糙度,经实验检测,喷丸处理后的表面粗糙度Rz一般50~70μm范围内,符合风电法兰面40~75μm的粗糙度及表面处理Sa21/2级的要求。
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