李延偉，周自強(qiáng)，王彬栩，胡家元，周開(kāi)河，李豐偉，錢(qián)洲亥，楊躍平

（1.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州310014；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315016）

0 引言

舟山500 kV聯(lián)網(wǎng)輸變電工程中，兩基大跨越輸電鐵塔采用混壓四回路鋼管塔。該塔坐落在金塘島和冊(cè)子島，全高380 m，跨越距離2 656 m，為目前世界最高輸電鐵塔。輸電高塔均臨海建設(shè)，桿塔主體處于海洋鹽霧區(qū)域內(nèi)，腐蝕環(huán)境惡劣，屬于典型C5類以上重腐蝕環(huán)境[1]，鋼結(jié)構(gòu)有很大的腐蝕失效風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)多方論證，決定在桿塔原有熱浸鋅鍍層基礎(chǔ)上，額外施加重防腐涂層體系保護(hù)[2]。2號(hào)高塔的重防腐涂層由中科院寧波材料所負(fù)責(zé)施工，采用新型石墨烯重防腐涂層。

石墨烯重防腐涂料作為近年來(lái)一種新型納米重防腐涂料，受到了海洋、石化等嚴(yán)苛防腐行業(yè)的重視[3-4]，在國(guó)網(wǎng)寧波供電公司輸電桿塔上也有少量試點(diǎn)應(yīng)用[5]。黃坤[6]等對(duì)比研究了石墨烯環(huán)氧涂層、炭黑環(huán)氧涂層、富鋅環(huán)氧涂層的防腐性能，發(fā)現(xiàn)含0.5%～1.0%石墨烯時(shí)環(huán)氧涂層表現(xiàn)出了最佳的防腐、耐酸、耐堿性能。Chang[7]等學(xué)者發(fā)現(xiàn)石墨烯可將水滴在環(huán)氧樹(shù)脂界面上的接觸角從82°提高到127°，其優(yōu)異的超疏水性能可以有效阻隔水分子及腐蝕介質(zhì)向涂層內(nèi)部擴(kuò)散。劉栓[8]等總結(jié)了近年來(lái)石墨烯涂層的研究進(jìn)展，闡述了石墨烯防腐涂料表現(xiàn)出的較傳統(tǒng)重防腐涂料更為優(yōu)良的防腐性能。然而，上述判斷僅基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)得出，缺少現(xiàn)場(chǎng)工況檢測(cè)數(shù)據(jù)的支撐?？紤]到涂料的實(shí)際防腐效果受施工工藝影響很大[9]，目前國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)有開(kāi)展石墨烯涂料現(xiàn)場(chǎng)性能檢測(cè)的工作，缺乏該類涂料的現(xiàn)場(chǎng)涂裝效果檢測(cè)資料，不利于全面了解其實(shí)際涂裝性能。

為切實(shí)監(jiān)督380 m輸電高塔防腐涂料施工質(zhì)量、評(píng)估石墨烯涂料實(shí)際涂裝性能并積累現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，采用目視評(píng)估、厚度測(cè)量、附著力測(cè)試等方法，現(xiàn)場(chǎng)多批次抽檢該涂料的涂裝效果，首次獲得石墨烯重防腐涂料的現(xiàn)場(chǎng)涂裝性能數(shù)據(jù)；同時(shí)取樣測(cè)試了石墨烯在涂料中的分散性能，分析該類涂料的防腐機(jī)理，從而綜合評(píng)價(jià)了該涂層的性能優(yōu)劣。該工作可為輸變電工程石墨烯涂層的實(shí)踐應(yīng)用提供可靠的檢驗(yàn)及判斷依據(jù)。

1 檢測(cè)及評(píng)價(jià)內(nèi)容

1.1 工程防腐設(shè)計(jì)要求

380 m輸電桿塔全塔重7 280 t，塔腳根開(kāi)69.024 m，鋼管規(guī)格為Φ2 300 mm×28 mm，其防腐涂料技術(shù)要求由浙江省電力設(shè)計(jì)院提供。其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.2 石墨烯涂料性能指標(biāo)

2號(hào)輸電高塔采用的石墨烯重防腐涂層，為三層四道涂層體系，涂層總厚度控制在230 μm左右。油漆分段漆成紅、白2種顏色，涂裝參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表1 防腐涂料技術(shù)要求

表2 石墨烯重防腐涂層技術(shù)指標(biāo)

1.3 評(píng)估項(xiàng)目及儀器

根據(jù)表1中涂料主要技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估的可行性，選擇涂層外觀、厚度、均勻性、附著力等指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)室對(duì)涂層成分及成膜機(jī)理進(jìn)行分析。主要儀器及對(duì)應(yīng)檢測(cè)內(nèi)容如表3所示。

表3 評(píng)估儀器及對(duì)應(yīng)內(nèi)容

為實(shí)現(xiàn)對(duì)整塔涂裝的全過(guò)程監(jiān)督，分別于2017年12月、2018年4月、2018年6月在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行石墨烯涂料涂裝件的抽樣檢測(cè)，完成對(duì)塔身不同部位涂裝效果的覆蓋評(píng)估。

2 檢測(cè)結(jié)果

2.1 涂層形貌檢查

在堆料場(chǎng)隨機(jī)抽取2根漆膜固化時(shí)間大于72 h的鋼管進(jìn)行涂層表觀形貌檢查，結(jié)果見(jiàn)圖1。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)目視并由10倍放大鏡檢查可見(jiàn)，涂層顏色均勻一致、形貌平整光滑，符合設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)基體裸露、涂層起泡或開(kāi)裂等缺陷。

2.2 涂層厚度檢測(cè)

在抽取的鋼管樣上進(jìn)行測(cè)厚，間隔30 cm螺旋狀取點(diǎn)，每根鋼管選取36個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，并且隨機(jī)選擇1根同批樣品進(jìn)行空白測(cè)試（扣除鍍鋅層厚度），結(jié)果見(jiàn)圖2及表4。

圖1 涂層表觀形貌

圖2 涂層測(cè)厚數(shù)據(jù)及空白數(shù)據(jù)

表4 涂層厚度檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)涂層測(cè)厚結(jié)果可知，樣品1檢測(cè)的涂層總厚度（含鍍鋅層厚度）在 357～468 μm， 均值為426 μm； 空白樣鍍鋅層厚度在 97～209 μm， 均值為158 μm。減去鍍鋅層厚度可知，石墨烯涂層厚度約為268 μm。圖2表明絕大部分測(cè)試點(diǎn)涂層總厚處于420 μm左右，涂層厚度較為均勻。

由表4中的3次抽檢結(jié)果可見(jiàn)，石墨烯涂層平均厚度在 220～397 μm， 均值為 306 μm， 稍有超過(guò)設(shè)計(jì)厚度，但符合DL/T 1453-2015《輸電線路鐵塔防腐蝕保護(hù)涂裝》中關(guān)于涂層實(shí)際厚度不大于3倍設(shè)計(jì)厚度的要求[2]。

2.3 附著力檢測(cè)

按照GB/T 9286-1998《色漆和清漆漆膜的劃格試驗(yàn)》中規(guī)定[10]，在附著力測(cè)試方法中，劃格法適用于厚度小于250 μm的涂層，更大厚度的涂層應(yīng)采用拉拔法測(cè)試附著力[11]。因現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的石墨烯涂料厚度在220～397 μm，因此同時(shí)采用劃格法、拉拔法進(jìn)行石墨烯重防腐涂料附著力測(cè)試。

2.3.1 劃格法檢測(cè)

在管道平直段上隨機(jī)選取實(shí)驗(yàn)面，采用百格刀劃格；劃格結(jié)束后施加膠帶，把膠帶的中心置于網(wǎng)格上方，方向與一組切割線平行，將膠帶在網(wǎng)格上方區(qū)域壓平，并用力按壓數(shù)次，在5 min內(nèi)將膠帶沿60°方向從平面上拉開(kāi)，記錄表面狀況并進(jìn)行分級(jí)，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3劃格結(jié)果可知，3次抽檢涂層均符合“切割邊緣平滑，方格無(wú)脫落”“在切割交叉處有少許涂層脫落，但交叉切割面積受影響不大于5%”的情況，對(duì)比GB/T 9286-1998《色漆和清漆漆膜的劃格試驗(yàn)》中規(guī)定的附著力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可判斷石墨烯重防腐涂料附著力為0～1級(jí)。

2.3.2 拉拔法檢測(cè)

在管道平直段隨機(jī)選取實(shí)驗(yàn)面，先用絨布擦去表面灰塵，用膠水將拉拔柱粘貼在管壁上，待膠水固化24 h后，使用切割裝置沿試柱的周線切透至底材。立即放置拉力機(jī)，以不大于1 MPa/s的速度提升壓力，保證涂層破壞在90 s內(nèi)發(fā)生。典型拉拔后形貌見(jiàn)圖4，各次拉拔結(jié)果見(jiàn)表5。

圖4 拉拔法的測(cè)試形貌

表5 拉拔試驗(yàn)結(jié)果

由表5所示的3批次抽樣檢測(cè)結(jié)果可知，去除測(cè)定點(diǎn)2和6的“涂層與底材間的不充分破壞”2組測(cè)試數(shù)據(jù)后，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)得到的石墨烯涂層附著力處于11.9～18.1 MPa，滿足表1中附著力“≥6 MPa”的設(shè)計(jì)要求。

2.4 透射電鏡分析

石墨烯在涂料中的良好分散是其發(fā)揮效果的基礎(chǔ)[12]。為檢驗(yàn)石墨烯微粒在涂料中的分散性，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)石墨烯中間漆進(jìn)行取樣，在實(shí)驗(yàn)室中制成薄片后進(jìn)行透射電鏡分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 石墨烯涂層透射電鏡照片

由圖5可見(jiàn)，放大20 000倍觀察時(shí)，涂料樣品中未見(jiàn)有明顯團(tuán)聚現(xiàn)象，僅存在少數(shù)幾個(gè)疑似不透明點(diǎn)。放大至50 000倍后，可觀察到涂料中有“絲狀搭建”形貌，可推測(cè)是由石墨烯微粒形成了該類搭接結(jié)構(gòu)?？梢?jiàn)，石墨烯微粒在該種重防腐涂料體系中具有良好的分散特性。

3 成膜機(jī)理分析

在如表6所示的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果（表6數(shù)據(jù)由施工方中科院寧波材料所提供）的基礎(chǔ)上，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)顯示石墨烯重防腐涂料具有良好涂裝效果，同時(shí)利用透射電子顯微鏡進(jìn)一步探索了該涂料的微觀結(jié)構(gòu)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研，可推測(cè)石墨烯涂料的防腐機(jī)理包括物理防腐機(jī)理和導(dǎo)電性機(jī)理[13-15]。

表6 石墨烯涂料性能指標(biāo)（實(shí)驗(yàn)室測(cè)試）

物理防腐機(jī)理：石墨烯為納米微粒，添加入涂料體系并均勻分散后，將形成大量鱗片狀填充結(jié)構(gòu)。石墨烯本身具有憎水性，其片層結(jié)構(gòu)具有“迷宮”效應(yīng)（見(jiàn)圖6），可阻礙水、氧、侵蝕性離子等透過(guò)涂層向金屬基材滲透，延緩金屬腐蝕。這與2.3節(jié)中觀察到的大量“絲狀搭建”形貌相符。

圖6 具有“迷宮”效應(yīng)的石墨烯涂料

導(dǎo)電性機(jī)理：富鋅涂料主要是通過(guò)其中的鋅粉的犧牲陽(yáng)極作用來(lái)保護(hù)金屬基體，當(dāng)鋅粉因含量過(guò)低或腐蝕消耗而無(wú)法形成電子傳輸通道時(shí)，涂料將失去對(duì)金屬的保護(hù)作用。加入石墨烯后，具有導(dǎo)電性的石墨烯通過(guò)與非連續(xù)的鋅粉連接，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)并使鋅粉作為陽(yáng)極犧牲，大幅提高涂料中鋅粉利用率，從而達(dá)到保護(hù)基體的目的。具有超細(xì)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良導(dǎo)電性的石墨烯微粒隨機(jī)分布于涂料中，起到“導(dǎo)電搭橋”的作用[15]，如圖7所示。2.3節(jié)中所觀察到的大量“絲狀搭建”形貌也能支持該機(jī)理。

圖7 石墨烯微粒的導(dǎo)電搭橋作用

4 結(jié)論

通過(guò)針對(duì)380 m輸電高塔石墨烯重防腐涂料的分階段多批次現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)評(píng)估，結(jié)果表明：塔材管壁表面涂層顏色均勻、平整光滑、無(wú)針孔；涂層平均厚度在 220～397 μm， 均值為 306 μm； 涂層附著力為 0～1 級(jí)（劃格法）、 11.9～18.1 MPa（拉拔法）；上述關(guān)鍵指標(biāo)值均滿足設(shè)計(jì)要求，表明該石墨烯涂料的現(xiàn)場(chǎng)涂裝效果合格。石墨烯涂料微觀結(jié)構(gòu)表明：石墨烯微粒在涂料中均勻分散，有望搭接形成電子導(dǎo)流通道以提高鋅粉利用率，并形成“迷宮結(jié)構(gòu)”實(shí)現(xiàn)對(duì)外界侵蝕性離子的物理隔絕。目前，因石墨烯原材料價(jià)格較高、涂料制作工藝復(fù)雜等原因，石墨烯重防腐涂料的成本高于市場(chǎng)上普遍使用的富鋅涂料，因此降低涂料成本將是未來(lái)推廣的關(guān)鍵。