海風吹拂下,一座比法國艾菲爾鐵塔還高出50米的世界最高輸電塔,雄姿英發地屹立在浙江舟山金塘島。乍一看,除了“身”高380米,這座塔并沒有什么特別之處。其玄機正在于塔身紅白相間的涂料上,這可不是普通涂料,而是石墨烯防腐涂料,比傳統鍍鋅涂層防護壽命可以提高3倍。

 

比法國艾菲爾鐵塔還高出50米的世界最高輸電塔。黃海華攝

10月17日,國家973計劃“海洋工程裝備材料腐蝕與防護關鍵技術基礎研究”項目課題在中科院寧波技術與工程研究所順利完成驗收。該項目是為了給在海洋中工作的鋼鐵建材穿上“盔甲”,使之盡可能地免受海洋復雜環境的侵害,破解抗腐蝕難題。380米世界最高輸電塔防腐蝕工程,正是其中一項重要應用成果。

腐蝕損失,高達國內生產總值的 3%~5%

說到工程腐蝕,其危害可能遠超人們的想象。

國際上公認,腐蝕對一個國家造成的損失高達國內生產總值的 3%~5%。據美國腐蝕工程師協會統計,全球腐蝕成本估算為2.5萬億美元。2014 年,我國各行業腐蝕總成本約占國內生產總值的 3.34%,總額超過2萬1千億元人民幣。

在工程上,腐蝕導致的直接后果就是縮短工程材料的使用壽命,帶來巨大的經濟損失;在環境安全方面,腐蝕產物或由腐蝕引發的化學物質泄漏可能嚴重污染水資源、大氣和土壤資源;尤其對于新興海洋工程、海島工程而言,腐蝕更是裝備、設施安全性和服役壽命的重要影響因素之一。此外,南海開發和“一帶一路”基礎設施建設也面臨著嚴峻的腐蝕危機。

舟山的 380米世界最高跨海輸電塔,輸電容量達200萬千瓦,但其處于高鹽霧、高濕熱、強日照、臺風環境,年均相對濕度80.3%,年均日照1625小時。有效的防腐措施是保障其安全、穩定地輸送能源的關鍵。

耐鹽霧壽命超過9千小時,優于國際一流產品

腐蝕造成的危害如此之大,人們也一直在探索控制腐蝕的方法,其中使用重防腐涂料就是一種重要手段。中科院寧波材料所薛群基院士和王立平研究員團隊,以“石墨烯”為材料研制了石墨烯改性重防腐涂料,并用于380米世界最高輸電塔防腐工程。

石墨烯是一種由碳原子連接形成的六角型呈蜂巢晶格的平面二維材料,其極為堅韌,可以彎曲到很大角度而不斷裂,其斷裂強度比最好的鋼還要高100倍。它在可見光下透明但不透氣,具有很好的阻隔性能。通過引入石墨烯能夠增強涂層的附著力、耐沖擊等力學性能和對介質的屏蔽阻隔性能,尤其是能夠顯著提高熱帶海洋大氣環境中涂層的抗腐蝕介質(水、氯離子、氧氣等)的滲透能力,在大幅降低涂膜厚度的同時,提高涂層的防腐壽命。

電鏡下的石墨烯 圖片來源:Lawrence Berkley National Laboratory

該研發團隊蒲吉斌研究員向解放日報·上觀新聞記者介紹,傳統的鍍鋅涂層防腐技術,如果在沿海或重工業污染環境,一般3到5年就會銹蝕嚴重。比如,寧波港橋1237線20號鐵塔,其鍍鋅層在運行半年后就失去了光澤,表面呈暗灰色。而石墨烯這一最薄的防腐材料,可以使水的滲透速率下降10萬倍以上,銅的腐蝕速率下降4倍,鎳的腐蝕速率下降20倍。

團隊研發的石墨烯重防腐涂料已通過中國腐蝕與防護學會組織的成果鑒定,獲得了2017年中國好設計銀獎。相比傳統涂層耐鹽霧壽命普遍在2000到3000小時左右,其耐鹽霧壽命超過了9000小時,多項關鍵性能指標明顯優于國際一流產品,防護壽命比同期測試的某國際品牌涂料提高了3倍。而這也是全球首次完成石墨烯改性重防腐涂料工程化全鏈條,包括材料開發、自然環境考核、工程示范乃至大規模生產和應用。

未來五年電網防腐涂料市場將超過千億元,市場前景可期。據介紹,石墨烯重防腐涂料是國際上的一個熱點,但真正實現工程應用的不多。目前該團隊已聯合銀億集團實現了成果產業化,相關產品不僅在輸電鐵塔上獲得規模應用,還在儲油罐、配電網設施、橋梁工程、船舶、南海海洋設施等領域實現了應用。“我國2000噸先導號大型海洋發電平臺,之前用了某國際品牌涂料,不到1年就銹蝕了,如今用了我們的石墨烯重防腐涂料,已經1年多了依然完好。”

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