海风吹拂下, 一座比法国艾菲尔铁塔还高出50米的世界最高输电塔, 雄姿英发地屹立在浙江舟山金塘岛. 乍一看, 除了 '身' 高380米, 这座塔并没有什么特别之处. 其玄机正在于塔身红白相间的涂料上, 这可不是普通涂料, 而是石墨烯防腐涂料, 比传统镀锌涂层防护寿命可以提高3倍.
比法国艾菲尔铁塔还高出50米的世界最高输电塔. 黄海华摄
其玄机正在于塔身红白相间的涂料上. 黄海华摄
10月17日, 国家973计划 '海洋工程装备材料腐蚀与防护关键技术基础研究' 项目课题在中科院宁波技术与工程研究所顺利完成验收. 该项目是为了给在海洋中工作的钢铁建材穿上 '盔甲' , 使之尽可能地免受海洋复杂环境的侵害, 破解抗腐蚀难题. 380米世界最高输电塔防腐蚀工程, 正是其中一项重要应用成果.
腐蚀损失, 高达国内生产总值的 3%~ 5%
说到工程腐蚀, 其危害可能远超人们的想象.
国际上公认, 腐蚀对一个国家造成的损失高达国内生产总值的 3%~ 5%. 据美国腐蚀工程师协会统计, 全球腐蚀成本估算为2.5万亿美元. 2014 年, 我国各行业腐蚀总成本约占国内生产总值的 3.34%, 总额超过2万1千亿元人民币.
在工程上, 腐蚀导致的直接后果就是缩短工程材料的使用寿命, 带来巨大的经济损失;在环境安全方面, 腐蚀产物或由腐蚀引发的化学物质泄漏可能严重污染水资源, 大气和土壤资源;尤其对于新兴海洋工程, 海岛工程而言, 腐蚀更是装备, 设施安全性和服役寿命的重要影响因素之一. 此外, 南海开发和 '一带一路' 基础设施建设也面临着严峻的腐蚀危机.
舟山的 380米世界最高跨海输电塔, 输电容量达200万千瓦, 但其处于高盐雾, 高湿热, 强日照, 台风环境, 年均相对湿度80.3%, 年均日照1625小时. 有效的防腐措施是保障其安全, 稳定地输送能源的关键.
耐盐雾寿命超过9千小时, 优于国际一流产品
腐蚀造成的危害如此之大, 人们也一直在探索控制腐蚀的方法, 其中使用重防腐涂料就是一种重要手段. 中科院宁波材料所薛群基院士和王立平研究员团队, 以 '石墨烯' 为材料研制了石墨烯改性重防腐涂料, 并用于380米世界最高输电塔防腐工程.
石墨烯是一种由碳原子连接形成的六角型呈蜂巢晶格的平面二维材料, 其极为坚韧, 可以弯曲到很大角度而不断裂, 其断裂强度比最好的钢还要高100倍. 它在可见光下透明但不透气, 具有很好的阻隔性能. 通过引入石墨烯能够增强涂层的附着力, 耐冲击等力学性能和对介质的屏蔽阻隔性能, 尤其是能够显著提高热带海洋大气环境中涂层的抗腐蚀介质(水, 氯离子, 氧气等)的渗透能力, 在大幅降低涂膜厚度的同时, 提高涂层的防腐寿命.
电镜下的石墨烯 图片来源: Lawrence Berkley National Laboratory
该研发团队蒲吉斌研究员向解放日报·上观新闻记者介绍, 传统的镀锌涂层防腐技术, 如果在沿海或重工业污染环境, 一般3到5年就会锈蚀严重. 比如, 宁波港桥1237线20号铁塔, 其镀锌层在运行半年后就失去了光泽, 表面呈暗灰色. 而石墨烯这一最薄的防腐材料, 可以使水的渗透速率下降10万倍以上, 铜的腐蚀速率下降4倍, 镍的腐蚀速率下降20倍.
团队研发的石墨烯重防腐涂料已通过中国腐蚀与防护学会组织的成果鉴定, 获得了2017年中国好设计银奖. 相比传统涂层耐盐雾寿命普遍在2000到3000小时左右, 其耐盐雾寿命超过了9000小时, 多项关键性能指标明显优于国际一流产品, 防护寿命比同期测试的某国际品牌涂料提高了3倍. 而这也是全球首次完成石墨烯改性重防腐涂料工程化全链条, 包括材料开发, 自然环境考核, 工程示范乃至大规模生产和应用.
石墨烯重防腐涂料的喷涂. 采访对象提供
未来五年电网防腐涂料市场将超过千亿元, 市场前景可期. 据介绍, 石墨烯重防腐涂料是国际上的一个热点, 但真正实现工程应用的不多. 目前该团队已联合银亿集团实现了成果产业化, 相关产品不仅在输电铁塔上获得规模应用, 还在储油罐, 配电网设施, 桥梁工程, 船舶, 南海海洋设施等领域实现了应用. '我国2000吨先导号大型海洋发电平台, 之前用了某国际品牌涂料, 不到1年就锈蚀了, 如今用了我们的石墨烯重防腐涂料, 已经1年多了依然完好. '