海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的腐蝕與防護(hù)

鄧再芝

(中國二重大型鑄鍛件研究所，四川 618013)

與陸地風(fēng)電場相比，海上風(fēng)電場具有風(fēng)能豐沛、用地廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，但是海上風(fēng)電所處的環(huán)境十分惡劣，高溫、高濕、高鹽分、長日照等都對海上風(fēng)電設(shè)備的腐蝕防護(hù)提出了更高的要求。

從1991 年丹麥在海上安裝第一臺(tái)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)算起，在短短的20 來年時(shí)間里，海上風(fēng)電蓬勃發(fā)展，對海上風(fēng)電系統(tǒng)的腐蝕與防腐蝕技術(shù)的研究也日益受到重視。

1 海上風(fēng)電的防腐蝕標(biāo)準(zhǔn)

目前，還沒有專用的海上風(fēng)電防腐蝕國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)電設(shè)備的制造與驗(yàn)收主要借助于ISO 12944 系列通用標(biāo)準(zhǔn)和一些海上石油生產(chǎn)平臺(tái)防腐蝕標(biāo)準(zhǔn)。ISO 20340、挪威石油標(biāo)準(zhǔn)NORSOK M501、挪威船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)DNV-RP-B401、美國腐蝕工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NACE SP0176、NACE SP0108 等都是在海上風(fēng)電中經(jīng)常引用的防腐蝕標(biāo)準(zhǔn)。我國的海上風(fēng)電也大多引用這些標(biāo)準(zhǔn)。海上風(fēng)電構(gòu)筑物與海上石油生產(chǎn)平臺(tái)的防腐蝕有相似之處，但也有顯著的不同，由于風(fēng)電本身的特點(diǎn)，它需要更嚴(yán)格的防腐蝕保護(hù)和更長的服役壽命。這些標(biāo)準(zhǔn)并沒有考慮到所有的環(huán)境因素，比如ISO 12944 不考慮微生物、化學(xué)品、機(jī)械作用等，而對于海上風(fēng)塔，潮汐帶、浪花飛濺帶、海浪以及它所夾帶的冰渣等固體漂浮物可能是最重要的環(huán)境影響因素;ISO 12944不涉及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的防腐蝕保護(hù)。ISO 12944 的防護(hù)年限劃分最長是15 年以上，而風(fēng)電設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命要長得多(一般在20～30 年)。在這種情況下，很多制造者都采取了比標(biāo)準(zhǔn)要求更為嚴(yán)格的防腐蝕措施。

世界各大風(fēng)電設(shè)備制造公司都有自己的防腐蝕規(guī)范，其中有對標(biāo)準(zhǔn)的引用，還有自己的研究成果和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。但是，海上風(fēng)電的出現(xiàn)只有短短20 來年的時(shí)間，即使是有經(jīng)驗(yàn)的風(fēng)電公司，對海上風(fēng)電防腐蝕問題的認(rèn)識(shí)和解決辦法也會(huì)存在一定的局限性，并且還會(huì)受到材料發(fā)展水平的影響。

2 海洋環(huán)境的腐蝕

NACE SP0176 將海上構(gòu)筑物的腐蝕環(huán)境劃分為全浸區(qū)、飛濺區(qū)和大氣區(qū)三個(gè)區(qū)域，但更多的文獻(xiàn)將它劃分為海底泥土區(qū)、海水全浸區(qū)、海水潮差區(qū)、浪花飛濺區(qū)和海洋大氣區(qū)5 個(gè)區(qū)域，不同區(qū)域的腐蝕行為不同，腐蝕速度差別很大。

圖1 是海洋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施在海洋環(huán)境不同腐蝕區(qū)帶的腐蝕傾向示意圖。圖2 是海洋用鋼在我國海域的實(shí)際腐蝕規(guī)律圖?？梢钥闯?，浪花飛濺區(qū)部位的腐蝕最為嚴(yán)重。同一種鋼，在浪花飛濺區(qū)的腐蝕速度可比海水全浸區(qū)中高出3～10 倍。有關(guān)試驗(yàn)和調(diào)查結(jié)果表明，長期在外海暴露的長尺試件，浪花飛濺區(qū)的腐蝕速率最高可達(dá)1 mm/a以上，而在低潮位以下－0.3 m 全浸區(qū)的腐蝕速度僅為(0.1～0.3)mm/a。

圖1 海洋環(huán)境腐蝕傾向示意圖Figure 1 Schematic drawing of marine environment corrosion tendency

圖2 三種海洋用鋼在青島海區(qū)的腐蝕規(guī)律Figure 2 Corrosion rule of three kinds of steels used in Qingdao sea zone

3 防腐蝕措施

不同的腐蝕區(qū)域應(yīng)采用不同的防腐蝕措施。

在全浸區(qū)采用涂層加陰極保護(hù)或陰極保護(hù)的方式，只需要將被保護(hù)構(gòu)筑物的電位降低到(極化到)－0.80 V 至－1.05 V 之間(相對于Ag/AgCl/海水參比電極)，就可以對海水中的碳鋼和低合金鋼構(gòu)筑物提供很好的陰極保護(hù)，泥下區(qū)只需要在全浸區(qū)陰極保護(hù)中附加考慮適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電流。陰極保護(hù)分為犧牲陽極陰極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)，風(fēng)電基座和塔架屬于永久性安裝的海上構(gòu)筑物，采用犧牲陽極陰極保護(hù)更為適合。鋁基陽極、鋅基陽極和鎂基陽極都可以選用，但鋅基陽極最為常用。外加電流陰極保護(hù)采用石墨、高硅鑄鐵等惰性陽極。

潮差區(qū)和飛濺區(qū)除采用涂層保護(hù)外，需要增加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的腐蝕裕量并采取多層包覆措施(見圖3)。DNV-RP-B401 認(rèn)為，陰極保護(hù)非常適合潮差區(qū)嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境，并對被海水間歇浸濕的表面有降低腐蝕的效果。NACE SP0176 認(rèn)為陰極保護(hù)可用于飛濺區(qū)潮間帶涂層的補(bǔ)充保護(hù)，不能對飛濺區(qū)浪花飛濺打濕的部分或只是偶爾浸沒的部分起保護(hù)作用。

圖3 PTC 技術(shù)構(gòu)成示意圖Figure 3 Schematic drawing of PTC technical composition

大氣區(qū)采用涂層防護(hù)。

對于海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，只有塔架會(huì)處于全部5 個(gè)區(qū)域，安裝在塔架頂部的機(jī)艙和葉輪都處在大氣腐蝕區(qū)。塔架對整個(gè)系統(tǒng)起支撐作用，所以必須保證塔架的穩(wěn)固和耐久性。為了便于防腐蝕施工并將沖蝕作用降至最低，塔架一般分段設(shè)計(jì)成圓柱形狀。由于腐蝕環(huán)境和防腐蝕措施都存在很大的差別，一般將飛濺區(qū)及以下作為塔架的塔基。塔基的下部可以采用單樁式、重力式、三腳架式等基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，塔基頂部作為安裝平臺(tái)，在塔基以上再用螺栓連接的方式安裝塔架。塔基以上的塔架一般采用空心塔筒，塔筒內(nèi)部是通往頂部機(jī)艙的人行通道、電纜通道和運(yùn)輸通道，有些系統(tǒng)直接將變壓器裝在塔筒中。

資料顯示，在海洋大氣區(qū)，風(fēng)電設(shè)備(塔筒和機(jī)艙)的外表面按ISO 12944 的C5-M 腐蝕環(huán)境涂裝，與大氣相通的內(nèi)表面(比如塔筒內(nèi)表面)按ISO 12944 的C4 腐蝕環(huán)境涂裝。機(jī)艙內(nèi)部由于有大量電氣設(shè)備和精密機(jī)械設(shè)備，機(jī)艙需要密封設(shè)計(jì)，內(nèi)部安裝調(diào)溫調(diào)濕設(shè)備，這種機(jī)艙內(nèi)部及內(nèi)部設(shè)備的涂裝可以按ISO 12944 的C3 腐蝕環(huán)境涂裝。所有涂裝的耐久性都按最高級(jí)別(ISO 12944 H 級(jí)，15 年以上)設(shè)計(jì)。根據(jù)這種腐蝕環(huán)境劃分，可以從ISO 12944-5 中選擇到相應(yīng)的涂層設(shè)計(jì)和涂層厚度要求。

4 監(jiān)測、維護(hù)、修理

陰極保護(hù)需要定期監(jiān)測和維護(hù)以保證構(gòu)筑物的電位維持在規(guī)定的范圍之內(nèi)。NACE SP0176對陰極保護(hù)的監(jiān)測與維護(hù)方法有詳細(xì)的描述。

在全浸區(qū)，陰極保護(hù)產(chǎn)生的氫氣可能導(dǎo)致涂層脫落，從而使保護(hù)電流的需求量增加(對于犧牲陽極保護(hù)，會(huì)加快陽極的腐蝕)。這種情況在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)考慮到保護(hù)措施，不需要對涂層進(jìn)行修復(fù)。經(jīng)過一定時(shí)間，陰極保護(hù)的裸金屬表面會(huì)形成一層石灰質(zhì)沉積物，這層沉積物可降低陰極保護(hù)電流的需求量。

在潮差區(qū)和飛濺區(qū)，由于構(gòu)筑物表面會(huì)暴露在空氣中，減弱或失去陰極保護(hù)，因此必須對涂層破壞部位和表面銹蝕進(jìn)行維護(hù)修理。采用圖3 所示的多層包覆技術(shù)可以對這兩個(gè)區(qū)域提供更有效的防腐蝕保護(hù)。

在大氣區(qū)，涂層的耐久性設(shè)計(jì)在15 年以上，表明在新涂裝之后15 年內(nèi)可以免維護(hù)，但這個(gè)時(shí)間并不是擔(dān)保時(shí)間，它只是幫助業(yè)主制定維修計(jì)劃的一個(gè)技術(shù)依據(jù)。因此在15 年之內(nèi)要定期監(jiān)測并根據(jù)監(jiān)測情況進(jìn)行維護(hù)修理。經(jīng)驗(yàn)表明，鑒于海上環(huán)境條件，在涂層沒有完全破壞、金屬基體沒有大量銹蝕之前進(jìn)行維護(hù)修理，操作更為簡便，終生維護(hù)成本最低。良好的施工質(zhì)量和涂層質(zhì)量是維持涂層設(shè)計(jì)壽命的根本保證，因此在新涂裝和維修涂裝中都應(yīng)按ISO 12944-8 要求制訂規(guī)范并進(jìn)行施工管理。

［1］ISO 12944-1～8，色漆和清漆－防護(hù)涂料體系對鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕保護(hù)系列標(biāo)準(zhǔn).

［2］ISO 20340，色漆和清漆－用于近海及相關(guān)構(gòu)筑物的防護(hù)涂料系統(tǒng)的性能要求.

［3］NORSOK M501，表面處理和防護(hù)涂料.

［4］DNV-RP-B401，陰極保護(hù)設(shè)計(jì).

［5］NACE SP0176，海上固定式石油生產(chǎn)鋼質(zhì)構(gòu)筑物全浸區(qū)的腐蝕控制.

［6］NACE SP0108，使用防護(hù)漆對海上構(gòu)筑物的腐蝕控制.

［7］侯保榮.鋼鐵設(shè)施在海洋浪花飛濺區(qū)的腐蝕行為及其新型包覆防護(hù)技術(shù)［J］.腐蝕與防護(hù)，2007(4):174－175.

［8］邵懷啟，等.海洋飛濺區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕規(guī)律與防護(hù)措施［J］.腐蝕與防護(hù)，2008(11):646－649.

［9］胡津津，等.海洋平臺(tái)的腐蝕及防腐蝕技術(shù)［J］.中國海洋平臺(tái)，2008(6):39－42.

［10］時(shí)士峰，等.海上風(fēng)電塔架腐蝕與防護(hù)現(xiàn)狀［J］.腐蝕與防護(hù)，2010(11):875－877.

［11］宋積文，等.海洋環(huán)境中陰極保護(hù)設(shè)計(jì)與陰極產(chǎn)物膜［J］.腐蝕與防護(hù)，2010(4):265－267.