淺談海上風電防腐技術應用及優(yōu)化方案

文 | 王健，高宏飆，劉碧燕

淺談海上風電防腐技術應用及優(yōu)化方案

文 | 王健，高宏飆，劉碧燕

海上風電設備處于苛刻的海洋環(huán)境中，受到海水、鹽霧的侵蝕以及海浪、潮水的沖刷，如何保證風電設備實現(xiàn)20－25年的使用壽命，是海上風電防腐技術研究的重要課題。

江蘇海上龍源如東風電場始建于2009年，經過近8年的生產運行管理，積累了一定的海上風電防腐技術應用和缺陷整改、方案優(yōu)化的經驗，可為海上風電場建設中防腐設計及生產運行中防腐維護提供借鑒。

目前海上風電防腐設計及存在問題

一、海上風電防腐設計

按國際標準組織《鋼結構防腐涂裝規(guī)范》ISO 12944腐蝕環(huán)境分類、《海港工程鋼結構防腐蝕技術規(guī)范》JTS153-3-2007，海上風電機組、塔筒處于C5-M（暴露在海洋大氣部分）或C5、C4（塔筒內設備）腐蝕環(huán)境，風電機組基礎處于Im2腐蝕環(huán)境。采用的防腐設計主要有：選用耐蝕材料，腐蝕裕量設計，防腐涂層，包覆防腐，陰極保護（犧牲陽極、外加電流）。

江蘇海上龍源如東風電場位于黃海東岸，現(xiàn)有155臺機組，風電機組基礎包括三種類型：混凝土承臺、多管樁及單管樁鋼構基礎。風電場位于如東爛沙海域，海水為微混濁咸水，鹽度約26.2‰，pH8.0，懸浮物52－63 mg/L，溶解氧10.4 mg/L。海水對混凝土結構弱腐蝕，對鋼結構中等腐蝕，干濕交替下對鋼結構及混凝土中鋼筋強腐蝕。

防腐設計方案：主要分為混凝土承臺、鋼構基礎、塔筒，共3大類方案。具體如下：

混凝土承臺：海上試驗風電場最早建設了7基鋼筋混凝土低樁承臺基礎，采用加大鋼筋外保護層厚度、摻入阻銹劑等防止鋼筋銹蝕，浪花飛濺區(qū)和潮差區(qū)則采用結構表面硅烷浸漬（輥涂）防腐方案。

鋼構基礎：采用“涂層+犧牲陽極陰極保護”防腐方案，涂層為“玻璃鱗片環(huán)氧漆+脂肪族聚氨酯面漆”，總干膜厚度800μm。

塔筒：涂層方案包括兩大類，（1）“環(huán)氧富鋅底漆+厚漿型環(huán)氧云鐵中間漆/高固態(tài)厚膜型聚酰胺固化環(huán)氧漆+脂肪族聚氨酯面漆”，總干膜厚度320μm；（2）對于少數(shù)塔筒，考慮到底段位置低、可能有海浪飛濺，采用“改性環(huán)氧樹脂漆+厚漿型環(huán)氧云鐵中間漆+改性環(huán)氧樹脂漆”，總干膜厚度660μm；或“聚酰胺固化環(huán)氧通用底漆+環(huán)氧玻璃鱗片漆”，總干膜厚度800μm。

二、目前存在問題

存在的主要問題表現(xiàn)在：混凝土承臺運行3－5年后，表面陸續(xù)出現(xiàn)鋼筋銹蝕現(xiàn)象；鋼構基礎潮差區(qū)海生物生長嚴重、涂層破壞大，現(xiàn)場修補難度大、質量難保證；同時涂層損壞又引發(fā)犧牲陽極塊消耗大、陰極保護電位正移大，按現(xiàn)有正移速度推算，即將到達陰極保護電位臨界值-0.85mV（銅/硫酸銅參比電極），遠遠滿足不了海上風電機組基礎25年使用壽命的要求；個別塔筒防腐涂層出現(xiàn)粉化。

（一） 混凝土承臺表面出現(xiàn)早期銹蝕

運行三、四年后出現(xiàn)鋼筋混凝土承臺表面硅烷涂層破損，受海水的腐蝕，混凝土中的鋼筋出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，如圖1所示。

鋼筋混凝土承臺腐蝕電位檢測發(fā)現(xiàn)，自然腐蝕電位檢測結果在-0.695－-0.845 V之間（表1）。根據(jù)標準ASTM C-876，腐蝕電位負于-0.350V時，發(fā)生腐蝕的概率高于90%。

（二） 多管樁基礎潮差區(qū)涂層防腐遭遇挑戰(zhàn)、陰極保護有待完善

多管樁基礎設計了涂層+犧牲陽極陰極保護。鋼構基礎潮差區(qū)海生物生長嚴重（圖2），海生物脫落加重涂層破壞、鋼構腐蝕。潮水漲落使現(xiàn)場涂層修補難度大、質量難保證。潮差區(qū)的涂層防腐遭遇挑戰(zhàn)。

多管樁的犧牲陽極陰極保護，則主要存在以下問題：（1）試驗風電場存在因設計高度偏差、4臺多管樁基礎斜撐桿上陽極塊長時間裸露在空氣中的情況，無法起到保護作用；（2）1臺風電機組因基礎周圍海床沖刷，低潮位期間犧牲陽極塊全部裸露（圖7），無法起到保護作用；（3）1臺多管樁基礎的1個陽極塊完全溶解、只剩下焊腳；1臺風電機組的1個獨樁，僅設計1個犧牲陽極塊，無冗余，一旦該陽極塊掉落則失去保護。

圖1 運行3年的#47承臺

表1 鋼筋混凝土承臺腐蝕電位

（三） 單管樁基礎沉樁期間涂層損壞大、維護困難

單管樁基礎主要存在兩大問題：一是施工沉樁期間，替打法蘭和樁頭固定位置涂層損壞大，現(xiàn)場維護困難；二是存在部分單管樁陰極保護電位正移太快的情況，如表2所示，存在即將達到保護臨界值的可能，不能滿足設計壽命的要求。

（四） 塔筒存在個別機位防腐涂層粉化

通過對運行5年的塔筒進行詳細涂層檢查，發(fā)現(xiàn)個別塔筒外壁出現(xiàn)防腐涂層粉化，判斷其程度為1.5－2級，不滿足20年防腐要求。

問題分析

一、海上風電設備腐蝕原理

圖2 #39多管樁基礎海生物生長嚴重

圖3 潮差區(qū)附近的宏電池腐蝕

表2 部分單管樁陰極保護電位正移太快

海上風電設備的腐蝕源：氧氣、海水、氯離子、紫外線等。腐蝕類型，多屬于金屬的電化學腐蝕。腐蝕特點：飛濺區(qū)和潮差區(qū)干濕交替、浪花沖擊，腐蝕速度最大。腐蝕原理：微電池和宏電池的共同作用，潮濕環(huán)境下的金屬表面形成無數(shù)個腐蝕微電池，陽極區(qū)金屬溶解、腐蝕；處于海水環(huán)境的風電機組基礎，潮差區(qū)附近又形成一個宏電池（圖3），加速腐蝕。

二、目前所存在問題的分析

海上風電設備的防腐設計思路：隔離腐蝕源。例如：防腐涂層、包覆防腐，加熱，防鹽霧、防潮氣；使設備成為陰極，從而不發(fā)生腐蝕，即陰極保護。

（一） 混凝土承臺需提高涂層防腐效果，同時采用陰極保護。

海洋工程環(huán)境中使用的鋼筋混凝土，受海水、鹽霧的環(huán)境影響，因碳化作用降低混凝土的pH值，破壞堿性環(huán)境；侵蝕性氯離子競爭吸附鋼筋表面的活性位，破壞表面的鈍化膜，引起鋼筋腐蝕?？梢姡摻罨炷脸信_，一旦涂層破損，易發(fā)生腐蝕，需及時采取措施進行腐蝕防護。

措施：隔離腐蝕源，并使基礎陰極極化，即防腐涂層修補，同時采用陰極保護防腐。

（二） 多管樁基礎需優(yōu)化陰極保護

多管樁鋼構基礎的問題，綜合成兩點：浪濺潮差區(qū)防腐涂層隔離腐蝕源失效；犧牲陽極塊掉落，或者由于設計、環(huán)境變化原因，導致犧牲陽極塊露出水面以上，阻礙了犧牲陽極塊陰極保護防腐作用的發(fā)揮。

對于有1個犧牲陽極塊全部溶解的情況，初步分析為潮水浸蝕、犧牲陽極塊本身有瑕疵導致的焊腳位置陽極塊加速溶解、陽極塊與焊腳徹底脫離而掉落，并排除涂層大面積剝落、犧牲陽極塊批量質量問題、雜散電流等原因引起陽極塊過早消耗的可能性。

（三） 單管樁基礎采用浪濺區(qū)包覆防腐

主要存在犧牲陽極塊保護電位正偏移太快的情況?？刹扇≡黾影惭b犧牲陽極塊，或采用浪濺區(qū)包覆防腐作為補充措施。

（四） 塔筒面漆選型不低于脂肪族聚氨酯

資料顯示：少數(shù)機位的底段塔筒面漆設計，由于側重于考慮海水飛濺效應，而忽視了紫外線對環(huán)氧樹脂油漆的加速老化、粉化作用，忽視了脂肪族聚氨酯面漆對環(huán)氧中間漆的保護作用，導致個別機位底段塔筒出現(xiàn)涂層粉化。

優(yōu)化方案

為保證海上風電設備安全，需對目前存在的防腐涂層、陰極保護應用中的問題進行整改和優(yōu)化。具體如下：針對混凝土承臺表層生銹情況，對混凝土承臺涂層進行整體維護，同時進行技改，增加犧牲陽極陰極保護；針對多管樁潮差區(qū)涂層破損多、修補難度大的問題，采用包覆防腐方案進行施工，并增加安裝犧牲陽極塊；對單管樁基礎，采用浪濺潮差區(qū)包覆防腐；增加安裝犧牲陽極塊；同時進行陰極保護遠程監(jiān)控和外加電流陰極保護系統(tǒng)應用研究，并采用BEASY軟件模擬電位分布，優(yōu)化犧牲陽極、輔助陽極的布置，確保保護電位均勻，避免出現(xiàn)過保護或欠保護。

一、混凝土承臺

（一） 涂層整體維護

混凝土承臺涂層整體維護：進行整體打磨（除海生物、除銹）、高壓淡水沖洗。吹干后，采用“特奈麥克/ TNEMEC Series 201+氣相二氧化硅”環(huán)氧水性改性砂漿膩子抹平小孔+環(huán)氧玻璃鱗片涂料底漆350μm+環(huán)氧玻璃鱗片涂料中間漆400μm+脂肪族聚氨酯面漆60μm的防腐涂料噴涂工藝（圖4）。

（二） 陰極保護技改

針對混凝土承臺無陰極保護設計、本體出現(xiàn)早期腐蝕的情況，進行技改增加犧牲陽極塊。選用犧牲陽極塊型號：A21I-7（表3）。

材料要求：犧牲陽極塊符合《鋁—鋅—銦系合金犧牲陽極》（GB/T 4948-2002）要求；制作廠家資質、犧牲陽極塊進場驗收程序、化學組成和電化學性能符合規(guī)范標準要求，并確認原材料不是回收鋁。

施工要求：應滿足陽極塊浸沒在海水中，保證陽極塊與混凝土承臺實現(xiàn)電連接、且不破壞混凝土本體，犧牲陽極塊與混凝土承臺接觸電阻小于0.01歐姆。

安裝和運行效果如圖5所示。

二、多管樁

（一） 浪濺潮差區(qū)技改增加包覆防腐

圖4 混凝土承臺涂層整體維護（打磨、沖洗、噴涂）

表3 犧牲陽極塊型號、規(guī)格

針對浪濺潮差區(qū)防腐涂層破損多、修補難度大的情況，采用包覆防腐方案施工（圖6），保證浪濺潮差區(qū)的防腐效果。

（二） 陰極保護整改優(yōu)化

多管樁基礎整改包括兩方面：因設計缺陷、在水面以上的犧牲陽極塊，進行下移安裝；對于因地形、地貌變化導致陽極塊露出水面的，獨樁設計只有一個陽極塊，以及陽極塊掉落的，采取增加安裝犧牲陽極塊的措施進行整改。

三、單管樁

（一） 浪濺潮差區(qū)技改增加包覆防腐

浪濺潮差區(qū)采用涂層+包覆防腐方案。包覆防腐系統(tǒng)由四層緊密相連的保護層組成，即防蝕膏、防蝕帶、聚乙烯泡沫和玻璃鋼或者增強玻璃鋼防蝕保護罩（圖8）。其中防蝕膏和防蝕帶添加有抗腐蝕材料，具有優(yōu)良的保護性、粘附性、與水和空氣隔絕性；加上堅硬的固體玻璃鋼保護罩，可以達到更好的保護效果（圖9）。

（二） 陰極保護遠程監(jiān)控及外加電流陰極保護應用研究

圖5 犧牲陽極塊安裝（左）、運行保護（右）

圖6 多管樁基礎包覆前后對比

圖7 犧牲陽極塊增加安裝前后

按《港工設施犧牲陽極保護設計和安裝》（GJB 156A-2008）及《海港工程鋼結構防腐蝕技術規(guī)范》（JTS 153-3-2007）規(guī)定：陰極保護系統(tǒng)電位檢測應一年一次。海上風電通達性差，人工檢測工作量大、安全風險大，為此進行陰極保護遠程監(jiān)控及外加電流陰極保護應用研究。研究后發(fā)現(xiàn)：遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工測試數(shù)據(jù)吻合性較好，可大力提高工作效率和自動化程度。

外加電流陰極保護研究，在直徑5.6m單管樁上進行，保護面積約800m2。系統(tǒng)主要由恒電位儀、輔助陽極、參比電極、陽極屏蔽涂料、海洋工程專用電纜、監(jiān)測系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)安裝前，需確認其認證證書、材料質量證明書、檢測及試驗報告。系統(tǒng)安裝后，保護電位達到規(guī)范要求范圍。

調試期間，為避免過保護，將設定值由-1.019－-0.994V（圖10）調整為-0.9538－ -0.9622 V（銅/飽和硫酸銅參比電極）。

四、塔筒

為提高塔筒防腐壽命，主要著手于底漆、中間漆、面漆的選型。

塔筒外表面防腐借鑒西門子風電機組C5-M環(huán)境防腐方案：采用熱噴鋅取代富鋅底漆。中間漆采用環(huán)氧云鐵中間漆。面漆要求耐太陽暴曬，抗紫外線，抵御褪色、變色、龜裂、粉化和剝落的能力強，以維持涂層防銹性能，選用聚氨酯面漆或者4F氟碳涂料。

圖8 鋼樁包覆層修復技術示意圖

圖9 單管樁基礎包覆防腐效果

圖10 外加電流系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)（鋅參比電極）

優(yōu)化效果

表4 陰極保護電位

通過整改、優(yōu)化，從陰極保護電位檢測數(shù)據(jù)看，海上風電機組基礎的保護狀態(tài)都得到明顯改善?；炷脸信_安裝犧牲陽極塊后，已處于正常陰極保護狀態(tài)（表4）；多管樁在包覆施工后，克服了涂層修補難度大的問題（圖6）；單管樁在包覆防腐施工后，陰極保護電位已經基本穩(wěn)定不再正偏移（表5）。

一、混凝土承臺

通過涂層整體維護和安裝犧牲陽極塊后，混凝土承臺表面腐蝕得到有效控制，承臺也在陰極保護電位正常范圍（表4）。

由表可見，安裝犧牲陽極塊后，混凝土承臺檢測電位明顯負移，除1臺低潮位期間電位稍偏正，其余都受到良好的陰極保護。

二、多管樁基礎

整改后保護電位均合格。以獨樁為例，高潮位期間保護電位為-1.0097－-1.0264V。

表5 包覆前后單管樁基礎陰極保護電位對比

三、單管樁基礎

數(shù)據(jù)顯示：自從對單管樁進行包覆防腐后，陰極保護電位已基本穩(wěn)定無正移（表5）。顯示包覆對基礎防腐效果良好，包覆與陰極保護相結合，能有效保證基礎安全。

結論

綜上所述，海上風電防腐技術應用及優(yōu)化方案，主要需要注意以下幾點：

（1）對于浪濺潮差區(qū)防腐涂層破損修補難度大的問題，包覆防腐是一個很好的解決方法。

（2）海上風電混凝土承臺和鋼構基礎，都宜在水下采取陰極保護防腐方案。有條件的，建議對浪濺潮差區(qū)采用包覆防腐。

（3）隨著海上風電場規(guī)模的擴大、離岸距離的增加，應考慮遠程監(jiān)控項目及外加電流陰極保護等自動化程度高的陰極保護技術的研究和推廣應用。

（作者單位：江蘇海上龍源風力發(fā)電有限公司）