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目前在我国海上风电场中，风机基础多采用大直径单桩基础型式，由于承载着风机系统安全运营的重任，因此，钢管桩的防腐性能关系到整个风电工程安全运行的关键。有机环氧树脂涂层因能良好阻隔外界环境对钢结构材料的腐蚀而被广泛应用于海洋环境中。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，而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。

实际运营中，防腐涂层的失效来自多方面的因素: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，加速金属基体的腐蚀]；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;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低，电容瞬间增大，腐蚀加速[15]。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,由碳原子严格按照六边形排布形成，其结构非常稳定。分散良好的石墨烯可以在二维片层结构在涂料中进行层层堆，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。

本文通过试验研究比较了常规涂层与石墨烯涂层的附着力和电化学性能。基于腐蚀电化学原理，利用数值模拟方法对石墨烯涂层和牺牲阳极防护下的海上风电场钢管桩防腐性能展开了研究。

一、石墨烯涂层性能的试验研究

1.1 原材料

常规涂层采用环氧富锌底漆、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.石墨烯涂层通过添加0.3 wt%的石墨烯以改善常规涂层性能。

1.2 涂层制备

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ISO8503中规定的G级。采用无气喷涂的工艺涂装钢片，喷枪压力为0.34~0.52 MPa，喷距为200~300 mm。涂层厚度控制在(200±10) μm范围内。

1.3 试验方法

1.3.1附着力测试方法

采用拉开法测试涂层附着力。测试仪器为PAT M01液压型仪器.测试过程根据ISO 4624-2002《色漆和清漆 拉开法附着力试验》施行。

1.3.2 电化学测试方法

电化学测试在CHI660E电化学工作站上进行。电化学测试采用三电极体系，其中以Ag/AgCl为参比电极，石墨棒为对电极，涂膜涂覆的钢片为工作电极。将各涂层试样在浓度为3.5%的NaCl溶液中浸泡24 h后，测定其动电位极化曲线。

二、实验结果与分析

2.1 附着力测试结果

表1示出了6组常规涂层和石墨烯涂层的附着力。从表1中可以看出，石墨烯涂层的最大附着力达到了12.5 MPa，总体平均附着力则达到了12.1 MPa，明显大于常规涂层10.2 MPa的平均附着力，平均附着力提升了约20%。

表1 涂层附着力比较(单位:MPa)

2.2 电化学测试结果

通过塔菲尔切线外延法得出6组常规涂层和石墨烯涂层的腐蚀电流(Icorr)和腐蚀电位(Ecorr)，结果如表2和表3所示。从表中可以看出,常规涂层的腐蚀电流在2.05×10-4 A·m-2~2.62×10-4 A·m-2之间；而石墨烯涂层的腐蚀电流范围为1.22×10-5 A·m-2~1.26×10-5 A·m-2，相比常规涂层,石墨烯涂层的腐蚀电流降低了一个数量级,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。

表2 常规涂层电化学腐蚀参数

表3石墨烯涂层电化学腐蚀参数

研究资料表明，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，可能阻断电子传输路径，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.而石墨烯的共轭结构[19]使之具有很高的电子迁移，其快速导电性特性使得石墨烯在涂层中与锌粉搭接随机堆叠形成导电通路，整个涂层与铁基材形成了电化学回路体系，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。

三、海上风电钢管桩石墨烯涂层防腐性能的数值模拟

前文关于石墨烯涂层防腐性能试验的样品为涂覆涂层的钢片，各涂层样品在NaCl溶液中浸泡时间也较短。对于大尺度钢管桩的防腐性能的研究，数值模拟方法则为石墨烯涂层在实际工程中防腐性能的研究提供了便利。

采用牺牲阳极和石墨烯涂层联合防护方法对海上风电钢管桩进行防护。牺牲阳极为Al-Zn-In-Mg-Ti合金，牺牲阳极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。通过电化学测试可知，随着涂层厚度的增加,涂层交换电流密度降低，其电化学活性降低，涂层抗电解质溶液侵蚀能力增强，从而减缓了金属基体的腐蚀进程。涂层的作用使钢结构表面绝缘，减少阴极保护的面积。但减少阴极保护面积在数值模拟中较难实现，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。

3.1 基本设置

建立数值模型如图1所示，为了节约计算时间，根据对称性取四分之一圆柱作为计算域，圆柱半径为60 m，高100 m，钢管桩长64 m，厚度为70 mm，外径为2.75 m。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三部分，上部为大气区，高8.8 m，中间部分为海水区，高10 m，下部为海泥区，高81.2 m。其中海水区为石墨烯涂层区域。六组牺牲阳极环绕钢管桩等间距设置。牺牲阳极长度为2 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。

3.2 石墨烯涂层和牺牲阳极联合防护效果分析

图1示出了20 a和25 a时石墨烯涂层与常规涂层(i0=4×10-5 A/m2)作用下钢管桩表面的局部电流密度，即腐蚀速率.在第20 a时，牺牲阳极未完全消耗殆尽，牺牲阳极作为电位较低的合金材料，使得钢管桩成为阴极材料，其与钢管桩之间的电位差产生一定强度的电流使得钢管桩受到保护，钢管桩局部电流密度处于较低水平。在第25 a时，牺牲阳极已全部消耗，钢管桩的腐蚀速率相较于第20 a时的腐蚀速率有较大的提高，如在海平面处，对于石墨烯涂层和常规涂层而言，钢管桩的腐蚀速率均提高了两个数量级。此外由图可知，泥面处的腐蚀速率较慢。使用石墨烯涂层可显著减小钢管桩的腐蚀速率.在20 a时，石墨烯涂层和常规涂层防护下钢管桩在海平面处的腐蚀速率分别为2.13×10-2A/m2和5.75×10-2 A/m2，在25 a时，则分别为0.214 A/m2和0.352 A/m2，可见在20 a和25 a时，石墨烯涂层防护下的腐蚀速率为常规涂层防护下的37%和61%，这体现出了石墨烯涂层和牺牲阳极联合防护的重要作用。

图1 海水区钢管桩局部电流密

四、结论

(1) 石墨烯涂层的附着力明显大于常规涂层的附着力，其平均附着力提升了近20%。石墨烯涂层的腐蚀电流相比常规涂层的腐蚀电流降低了一个数量级，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。

(2)  与常规涂层相比，使用石墨烯涂层可显著减小钢管桩表面的腐蚀速率，在20 a和25 a时，石墨烯涂层防护钢管桩在海平面处的腐蚀速率为常规涂层的37%和61%。

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