海上升壓站平臺的腐蝕與防護

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(蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004)

根據(jù)國家能源局印發(fā)的《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》 ，到2020年,海上風(fēng)電裝機500萬千瓦，在建1 000萬千瓦，2016年底投產(chǎn)的海上風(fēng)電僅163萬千瓦，海上風(fēng)電發(fā)展前景廣闊。然而在開發(fā)和利用海上風(fēng)電的過程中，會遇到許多與陸上風(fēng)電不同的技術(shù)難題。海上風(fēng)電機組必須承受高濕、高鹽霧、長日照等海洋環(huán)境[1]，此外還受到不同季節(jié)高溫、大風(fēng)等的影響，如果不進行腐蝕防護處理，海上風(fēng)電設(shè)備腐蝕必定非常嚴(yán)重。

海上升壓站平臺承載著變壓器、地學(xué)信息系統(tǒng)(GIS)以及其他配套的電氣設(shè)備，作為海上風(fēng)電的“心臟”，匯合風(fēng)電場各風(fēng)機發(fā)電機輸送的電流，對整個風(fēng)電場起著電力傳輸、中轉(zhuǎn)的重要作用，海上升壓站平臺的防腐蝕性能對海上升壓站的可靠運行具有重要的影響。目前，國際上海上風(fēng)電鋼結(jié)構(gòu)涂層系統(tǒng)主要參考國外海洋油氣平臺方面的經(jīng)驗[2]。我國海上風(fēng)電還處于起步階段，針對海上風(fēng)電設(shè)備腐蝕與防護的研究較少，設(shè)備的防腐蝕經(jīng)驗也多來自于國內(nèi)外海上石油平臺、破冰船以及海底管線等[3]。海上升壓站平臺的防腐蝕盡管在很大程度上可以參考海洋平臺等現(xiàn)有的防腐蝕經(jīng)驗，但是兩者之間也有不同。海上升壓站一般無人值守，并且嚴(yán)格限制人員接近，難以如海洋平臺一樣定期對防腐蝕涂層進行檢查和維修[4]。國外研究表明，在海上對海上風(fēng)電防腐蝕系統(tǒng)進行維修的成本是制造成本的50倍。本工作對海上升壓站平臺的防腐蝕體系進行了分析,同時結(jié)合工程實踐應(yīng)用，旨在促進我國海上風(fēng)電防腐蝕技術(shù)的研究，從而推動我國海上風(fēng)電的發(fā)展與利用。

1 海上升壓站平臺的腐蝕特征

海上升壓站平臺一般由多層鋼結(jié)構(gòu)平臺組成，包含甲板、立柱、欄桿、爬梯護籠、梁、斜撐管等部件，以及配合設(shè)備安裝的管件、緊固件、支架。主要由低合金鋼或者碳鋼焊接而成，重要附件采用不銹鋼制成，爬梯及欄桿等會選擇熱浸鍍鋅鋼。

海上升壓站平臺外部直接暴露在海上大氣環(huán)境中，根據(jù)ISO 12944-2標(biāo)準(zhǔn)中的腐蝕環(huán)境分類，海上升壓站平臺外表面處于C5-M腐蝕環(huán)境，即非常高的海洋腐蝕環(huán)境。

根據(jù)海上環(huán)境腐蝕特點，海上升壓站平臺處于海洋大氣區(qū)，海洋大氣區(qū)具有濕度高、鹽分高、干、濕循環(huán)效應(yīng)明顯等特點。由于海洋大氣濕度大，水蒸氣在毛細(xì)管作用、吸附作用、化學(xué)凝結(jié)作用的影響下，會附著在鋼材表面上形成一層水膜，CO2、SO2和一些鹽分溶解在水膜中，使之成為導(dǎo)電性很強的電解質(zhì)溶液，鐵作為陽極在電解質(zhì)溶液中被氧化而失去電子，變成鐵銹[5]。另外，Cl-有穿透作用，能加速普通鋼材的點蝕、不銹鋼的應(yīng)力腐蝕和縫隙腐蝕等局部腐蝕 ，低碳鋼暴露1 a后的腐蝕大于80～200 μm，鍍鋅層的年腐蝕速率為4.2～ -8.4 μm/a。腐蝕嚴(yán)重影響了海洋平臺結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能，從而影響到海洋平臺的使用安全[6]，海洋大氣區(qū)的防腐蝕主要是采用涂層或金屬鍍層[7-10]。

2 海上升壓站平臺的防腐蝕體系建設(shè)

2.1 防腐蝕設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

海洋工程經(jīng)過多年的發(fā)展，已有了較為完善的標(biāo)準(zhǔn)體系和有效的防腐蝕設(shè)計。目前國外使用廣泛的標(biāo)準(zhǔn)有：ISO 12944-2007《色漆和清漆-防護漆體系對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕防護》；NORSOK M-501 《表面處理和防護涂料》；NACE SP 0180《使用防護涂層對海上平臺結(jié)構(gòu)進行腐蝕控制》。國內(nèi)使用較多的海洋鋼結(jié)構(gòu)平臺防腐標(biāo)準(zhǔn)有：JTS 153-2003《海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》和SY/T 4094-2012《淺海鋼質(zhì)固定平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計與建造技術(shù)規(guī)范》等。

上述標(biāo)準(zhǔn)在使用范圍、涂層體系、表面處理、涂層材料和施工、質(zhì)量保證和控制方面存在差別，有些內(nèi)容甚至完全相反。例如,對于不銹鋼的防腐蝕，NORSOK M-501建議對于不保溫的不銹鋼無須進行防腐蝕處理，而NACE SP 0180則規(guī)定應(yīng)對其進行防腐蝕處理。

2.2 涂料性能測試方法

在選擇涂層體系前，應(yīng)先在實驗室對涂料性能進行測試。ISO 12944-2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定實驗室鹽霧性能檢測為靜態(tài)試驗，只能定性給出試樣在連續(xù)鹽霧條件下的腐蝕速率，沒有考慮到涂料暴露于實際工況環(huán)境中的紫外線照射、干濕交替、溫度變化等多種情況。NORSOK M-501要求按照ISO 20340-2009標(biāo)準(zhǔn)進行動態(tài)循環(huán)試驗，根據(jù)BEMARD R.博士和阿克蘇諾貝爾國際油漆英國中心實驗室的研究結(jié)果，動態(tài)循環(huán)試驗與室外暴露試驗具有較好的相關(guān)性，能更好地模擬了室外環(huán)境[11-12]。

2.3 防腐蝕涂層體系

為了保證海上升壓站平臺服役25 a免維護，需要選擇合適的防腐蝕涂層體系，不同涂層體系的標(biāo)準(zhǔn)不盡相同。

2.3.1 C5-M環(huán)境中的碳鋼/低合金鋼防護涂層體系

各標(biāo)準(zhǔn)都給出了大氣區(qū)碳鋼/低合金鋼的涂層體系，由于在設(shè)計年限、使用環(huán)境、設(shè)備特征等方面的考慮不同，對于涂料類型和干膜厚度的要求也有較大差別，典型的涂層體系如下[13-14]：底漆為環(huán)氧/富鋅/金屬熱噴涂，中間漆為環(huán)氧、環(huán)氧云鐵、環(huán)氧玻璃鱗片，面漆為聚氨脂、氟碳、水性丙烯酸、聚硅氧烷和環(huán)氧丙烯酸。

JTS 153-3-2007《海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)對涂層干膜厚度的要求最高(標(biāo)準(zhǔn)要求干膜厚度達(dá)到575 μm)，但此要求也是基于結(jié)構(gòu)材料的防腐蝕壽命為20 a設(shè)置的，若結(jié)構(gòu)材料的防腐蝕壽命要達(dá)到25 a以上，就需要更厚的漆膜厚度。國外對海上風(fēng)電機組防腐蝕涂層的干膜厚度要求為達(dá)到800 μm。

2.3.2 浸鍍鋅鋼防護涂層體系

ISO12944、NORSOK M-501及NACE SP 0180標(biāo)準(zhǔn)對浸鍍鋅鋼防腐蝕涂層體系的要求見表1。

表1 浸鍍鋅鋼表面涂層體系Tab.1 Dip galvanized steel surface coating system

2.3.3 不銹鋼防護涂層體系

NORSOK M-501及NACE SP 0108標(biāo)準(zhǔn)對不銹鋼防腐蝕涂層體系的要求見表2。

表2 不銹鋼表面涂層體系Tab.2 Stainless steel surface coating system

2.3.4 緊固件及管架涂層體系

NACE SP 0108標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)描述了緊固件及管架的涂層體系，緊固件應(yīng)采用可達(dá)到與鋼結(jié)構(gòu)相同耐久性的防腐蝕措施。

2.4 涂料選用原則

海上環(huán)境極其復(fù)雜，鹽霧、大風(fēng)以及紫外線等對海上風(fēng)電場的防護涂料構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，綜合考慮了環(huán)境、施工和性能，海上升壓站平臺涂料的一般選用原則如下[15]：

(1) 底漆應(yīng)能在很長的施工期間保護底材，同時能經(jīng)得住搬運和建造期間的磨損，優(yōu)先選擇容易修補和維修的涂料體系；

(2) 優(yōu)先選擇施工方便，能用普通涂裝設(shè)備進行施工的涂料體系；

(3) 結(jié)構(gòu)長期處于雨水沖刷環(huán)境，宜采用耐海水、耐水性能優(yōu)異的涂料體系；

(4) 平臺裸露于陽光中的構(gòu)件，宜采用耐紫外線、抗粉化性能好、耐老化的涂層體系；

(5) 海上風(fēng)電設(shè)備晝夜溫差明顯，選用的涂料應(yīng)具有良好的耐冷熱交替性；

(6) 宜采用同一制造商的底漆、中間漆和面漆。

3 海上升壓站平臺防腐蝕技術(shù)的應(yīng)用

3.1 防腐蝕設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)選擇

國外海上風(fēng)電鋼結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)主要有ISO 12944、NORSOK M-501、NACE SP 0108等，ISO 12944是國際上應(yīng)用最廣泛的鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)某海上風(fēng)電防腐蝕設(shè)度依據(jù)ISO 129944，出于免維護和耐久性方面的考慮，還參考了NORSOK M-501、NACE SP 0108中的部分條款。

3.2 涂料性能試驗

海上升壓站無人值守、海洋環(huán)境條件惡劣，海上升壓站平臺所有構(gòu)建表面(包括無涂層表面、浸鋅鋼表面及車間底漆表面)的實驗室測試應(yīng)盡可能地模擬實際工況。國內(nèi)某海上升壓站的碳鋼表面、浸鋅鋼表面及車間底漆表面性能根據(jù)NORSOK M-501進行測試，按照ISO20340程序A進行老化試驗進行驗收(試驗時間為4 200 h)。要求如下：粉化不超過2級；附著力不低于5 MPa,老化試驗后附著力下降不超過原值的50%；未經(jīng)機械處理后覆涂，層間附著力不低于5 MPa。不銹鋼表面的涂層體系已在碳鋼上應(yīng)用并通過涂料性能測試，經(jīng)業(yè)主認(rèn)可，不再單獨進行涂料性能測試。

3.3 涂層體系

根據(jù)海上升壓站平臺所處環(huán)境的特點，對國內(nèi)某海上升壓站平臺防腐蝕涂層體系進行如下設(shè)計,見表3。底漆選用已在防腐設(shè)計系統(tǒng)使用多年的富鋅涂料[16]，中間漆選用在海洋工程上廣泛使用的玻璃鱗片漆和環(huán)氧云鐵漆，面漆選用耐候性突出、保色保光優(yōu)良的聚氨脂面漆[17-18]。

表3 國內(nèi)某海上升壓站平臺防腐涂層體系Tab.3 Anti-corrosion coating system for a offshore substation platform in China

高強度螺栓連接面的表面防腐蝕工藝如下：沖砂至Sa2.5級后涂裝無機鋅底漆，干膜厚度50 μm，聚氨脂硅膠封閉連接面縫隙。

4 我國電海上升壓站平臺防腐蝕涂料的開發(fā)

海洋防腐蝕涂料的開發(fā)具有研制周期長、投資大、技術(shù)難度高且風(fēng)險大的特點。國外大型涂料公司，如HEMPEL、NOBEL、PPG等，均有上百年的涂料開發(fā)歷史，是國外海上風(fēng)電用涂料的供應(yīng)商，同時也是全球主要的海洋工程涂料供應(yīng)商。

我國海洋防腐蝕涂料的發(fā)展較晚，在海上風(fēng)電的腐蝕機理和涂料開發(fā)應(yīng)用上都處于起步階段，整體技術(shù)水平落后于先進國家。過去我國涂料防腐蝕主要是以防銹、耐溫為主，國際上，防腐蝕涂料的研究重點是開發(fā)適應(yīng)性強的新型環(huán)保涂料[19]、具有自修復(fù)能力的涂料以及由不同功能涂層構(gòu)成的組合系統(tǒng)[20-21]。國內(nèi)海上風(fēng)電發(fā)展之初，防腐蝕涂料主要為國外或合資公司生產(chǎn)的涂料，例如我國在渤海灣建立的第一座深海海上示范性風(fēng)電機組、江蘇如東150 MW潮間帶示范風(fēng)電場使用的都是國外涂料。國內(nèi)某海上風(fēng)電海上升壓站平臺采用了PPG Sigma Coatings，在國內(nèi)海上風(fēng)電防腐蝕領(lǐng)域具有成功應(yīng)用經(jīng)驗。

5 結(jié)束語

目前，此座海上升壓站已投入運行，防腐蝕效果較好，這表明采用海工平臺標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計海上升壓站平臺防腐蝕體系是可行的。根據(jù)近幾年東海大橋海上風(fēng)電場、江蘇如東海上風(fēng)場的服役經(jīng)驗反饋，鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕問題呈普遍增多趨勢，主要體現(xiàn)在防腐蝕方案不合理、涂層失效、防腐蝕材料及施工質(zhì)量不過關(guān)等方面。綜上所述，我國海上風(fēng)電防腐蝕方面存在以下問題：

(1) 我國海上風(fēng)電技術(shù)不成熟，缺少一套關(guān)于海上風(fēng)電的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。一方面，國外很多技術(shù)都嚴(yán)格保密，無法直接獲得國外的核心技術(shù)；另一方面，各家企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計具有特殊性，不同地區(qū)的海洋環(huán)境又存在差異，現(xiàn)有的國際標(biāo)準(zhǔn)也無法完全適用于我國的海上風(fēng)電防腐蝕。

(2) 我國海上風(fēng)電腐蝕防護基礎(chǔ)薄，涂料發(fā)展較慢，特別是有關(guān)高性能涂料及先進涂料的研究明顯比不上國外公司，導(dǎo)致重要部位的涂料基本為國外品牌，使得海上風(fēng)電投入大、成本高。

(3) 海上風(fēng)電防腐蝕是一個系統(tǒng)工程，從涂層體系配套、涂料選用、表面處理、涂裝施工到安裝運行階段，都需要進行嚴(yán)格控制?，F(xiàn)階段，國內(nèi)海上風(fēng)電配套體系方案少，國內(nèi)設(shè)備供應(yīng)商對海上風(fēng)電設(shè)備涂裝工藝的積累不足，安裝、運營單位對設(shè)備的維護和保養(yǎng)的經(jīng)驗欠缺等，這些因素都會影響到海上風(fēng)電設(shè)備的防腐蝕性能。

隨著我國開發(fā)和利用海上風(fēng)電的速度加快，應(yīng)結(jié)合我國的實際情況深入開展海上風(fēng)電機組的腐蝕防護等關(guān)鍵性技術(shù)的研究，更好地促進海上風(fēng)電機組腐蝕與防護技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，從而大力推動海上風(fēng)電的建設(shè)。