海上風(fēng)電防腐技術(shù)現(xiàn)狀及研究方向

胡蘇杭 劉碧燕

隨著國內(nèi)首批投運(yùn)機(jī)組進(jìn)入10年在役期，海上風(fēng)電設(shè)備的腐蝕嚴(yán)重性日益突顯。如何在嚴(yán)峻環(huán)境下采用合適的防腐技術(shù)，以保證風(fēng)電機(jī)組順利達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命，成為海上風(fēng)電運(yùn)營方倍加關(guān)注的問題。

海上風(fēng)電腐蝕環(huán)境及腐蝕傾向

一、海上風(fēng)電腐蝕環(huán)境

海上風(fēng)電設(shè)備遭受的強(qiáng)腐蝕，主要來自于海洋腐蝕環(huán)境下海水、鹽霧中的氯離子（滲透性強(qiáng)，腐蝕破壞大）。海上風(fēng)電基礎(chǔ)所處的海水、海泥，塔簡(jiǎn)及機(jī)艙所處的鹽霧環(huán)境中氯離子含量富足，因而腐蝕活性較高，風(fēng)電設(shè)備很難處于鈍態(tài)。

其次，海水與空氣接觸面積大、對(duì)流充分，在海浪不斷攪拌作用下，氧氣飽和、濕度極大，加快了海上風(fēng)電設(shè)備的腐蝕速率。加上風(fēng)電機(jī)組“有風(fēng)發(fā)電、無風(fēng)停機(jī)、超風(fēng)速急停”的不均勻運(yùn)轉(zhuǎn)模式，以及腐蝕環(huán)境下高頻交變應(yīng)力的疲勞荷載作用，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行壽命面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。

二、海洋環(huán)境腐蝕機(jī)理

海上風(fēng)電鋼構(gòu)設(shè)備的腐蝕形式多屬于電化學(xué)腐蝕，其兩極反應(yīng)為：

由反應(yīng)式可知，鋼構(gòu)基礎(chǔ)金屬發(fā)生5日極反應(yīng)，失電子，被氧化腐蝕。影響電化學(xué)腐蝕的主要因素有溫度、濕度、含鹽量、pH值。其內(nèi)在關(guān)系為溫度、濕度、含鹽量越高，腐蝕性越強(qiáng);pH值越低，腐蝕性越強(qiáng)。

三、海洋環(huán)境腐蝕規(guī)律

（一）海洋環(huán)境腐蝕速率曲線

海上風(fēng)電鋼構(gòu)設(shè)備豎向存在5個(gè)海洋腐蝕區(qū)域，對(duì)應(yīng)不同的腐蝕速率，且在飛濺區(qū)、全浸區(qū)存在腐蝕速率的最高點(diǎn)、次高點(diǎn)（圖1）。

飛濺區(qū)：干濕交替，鹽分富集，陽光照射，浪花沖擊，形成最苛刻腐蝕環(huán)境，出現(xiàn)腐蝕速率最高點(diǎn)。

全浸區(qū)：由于全浸區(qū)的一定深度位置與表層氧氣溶解量飽和區(qū)域存在氧濃度差、海生物生長(zhǎng)嚴(yán)重且附著不均勻、水速?zèng)_擊大且存在基礎(chǔ)沖刷現(xiàn)象，還受到含鹽量、pH值、水溫等因素影響，全浸區(qū)成為腐蝕速率次嚴(yán)重區(qū)域。在防腐設(shè)計(jì)、施工和生產(chǎn)運(yùn)行期間，需要針對(duì)腐蝕嚴(yán)重區(qū)域采取有效防腐技術(shù)措施，克服海上風(fēng)電設(shè)備使用壽命短板，保證海上風(fēng)電設(shè)備使用壽命期內(nèi)的安全運(yùn)行。

（二）腐蝕的多種形態(tài)

海上風(fēng)電設(shè)備存在多種腐蝕形態(tài)：沉積物下腐蝕、接觸腐蝕、縫隙腐蝕等。

沉積物下腐蝕：海上風(fēng)電設(shè)備表面的附著物、腐蝕產(chǎn)物等不均勻因素形成氧濃差電池，加劇腐蝕。

接觸腐蝕：海上風(fēng)電設(shè)備接觸到電位較正的金屬時(shí)，成為陽極而發(fā)生嚴(yán)重腐蝕。

縫隙腐蝕：海上風(fēng)電設(shè)備之間存在縫隙而發(fā)生腐蝕，尤其在全浸區(qū)和浪濺區(qū)。

海生物促進(jìn)腐蝕：附著不均;放出二氧化碳或死后分解出硫化氫而酸化，加劇腐蝕。

（三）腐蝕疲勞

海洋環(huán)境中的海上風(fēng)電設(shè)備，承受海風(fēng)、海浪、腐蝕等力學(xué)和化學(xué)協(xié)同作用，運(yùn)行中遭受高頻次交變應(yīng)力（25年壽命期達(dá)108），遠(yuǎn)高于海上石油平臺(tái)，腐蝕疲勞成為影響其安全運(yùn)行的重要因素。

四、海上風(fēng)電腐蝕危害

以2011年9月歐洲腐蝕大會(huì)資料為例，某單管樁內(nèi)壁已腐蝕（圖3）。檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該單管樁內(nèi)壁局部存在腐蝕瘤，打磨后檢測(cè)表明，腐蝕瘤下的腐蝕坑最深達(dá)1.3mm。

海上風(fēng)電設(shè)備腐蝕導(dǎo)致設(shè)備故障率高、可利用率低，生產(chǎn)效益、項(xiàng)目投資回報(bào)率降低：海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)腐蝕導(dǎo)致設(shè)備剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性下降，降低使用壽命或?qū)е率鹿剩ㄈ舭l(fā)生設(shè)備或人員安全事故，會(huì)造成社會(huì)負(fù)面效應(yīng)。海上風(fēng)電投資方和運(yùn)營方需竭力避免）。

國內(nèi)外海上風(fēng)電設(shè)備防腐設(shè)計(jì)

海上風(fēng)電設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營方，需要針對(duì)海上風(fēng)電設(shè)備腐蝕特點(diǎn)，采取有效的防腐方案，包括：涂層、包覆、陰極保護(hù)等。

一、海上風(fēng)電設(shè)備防腐機(jī)理

（一）金屬熱噴涂防腐機(jī)理

根據(jù)熱噴涂金屬的種類，金屬熱噴涂可分為熱噴鋅、熱噴鋁或鋅鋁合金。防腐機(jī)理主要包括：物理覆蓋、充當(dāng)犧牲陽極等。熱噴涂的鋁、鋅金屬本身的耐蝕性強(qiáng)，且都是化學(xué)元素周期表中排序在鐵前面的活潑金屬，當(dāng)存在涂層局部破損或有孔隙、露出鋼構(gòu)本體時(shí)，熱噴涂層成為犧牲陽極，鋼構(gòu)設(shè)備則因成為陰極而得到保護(hù)。

（二）涂層防腐機(jī)理

涂料，是一種透明或著色的成膜材料，在鋼構(gòu)表面形成致密的膜，實(shí)現(xiàn)鋼構(gòu)與腐蝕環(huán)境的隔離，保護(hù)鋼構(gòu)表面免受環(huán)境影響，從而防止腐蝕。該防腐方法的缺點(diǎn)是易破損、海上修補(bǔ)難度大，不能單獨(dú)作為防腐措施，需與包覆或陰極保護(hù)聯(lián)合采用，避免產(chǎn)生局部點(diǎn)蝕。

（三）陰極保護(hù)防腐機(jī)理

陰極保護(hù)防腐主要針對(duì)海水以下位置的海上風(fēng)電基礎(chǔ)，使之與電位更負(fù)的金屬進(jìn)行電連接，或者通過強(qiáng)制外加從海水、海泥到海上風(fēng)電基礎(chǔ)的電流，使之陰極極化，從而消除電化學(xué)腐蝕。

鋼在海水中的保護(hù)電位為-0.85V～-1.05V（cu/CuSO4）。當(dāng)電位高于-0.85V，則鋼構(gòu)腐蝕;當(dāng)電位低于-1.05V，則會(huì)出現(xiàn)油漆鼓泡、鋼構(gòu)氫脆。

（四）復(fù)層包覆防腐機(jī)理

復(fù)層包覆防腐體系由防蝕膏、防蝕帶、緩沖層和防蝕保護(hù)罩四層組成。其中防蝕膏、防蝕帶主要包含可有效阻止腐蝕介質(zhì)侵蝕的緩蝕成分：密封緩沖層和防蝕保護(hù)罩主要起隔絕海水、耐沖擊、抵御機(jī)械損傷的作用。

二、海上風(fēng)電設(shè)備防腐設(shè)計(jì)

海上風(fēng)電防腐設(shè)計(jì)主要包括：材料選擇、腐蝕裕量、金屬熱噴涂、包覆、防腐涂層、陰極保護(hù)、環(huán)境控制。針對(duì)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)、塔筒、機(jī)組，國內(nèi)外防腐設(shè)計(jì)對(duì)比如下：

（一）風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)

國內(nèi)外（國外以挪威、日本為例）海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的相同點(diǎn)包括：材料選擇、腐蝕裕量、防腐涂層、陰極保護(hù)：不同點(diǎn)在于：挪威的《海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》DNV-OS-J101、《海上鋼構(gòu)設(shè)計(jì)》DNV-OS-C101強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)期間的腐蝕檢查、腐蝕監(jiān)測(cè)及內(nèi)部空間濕度控制：日本《港灣設(shè)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》強(qiáng)調(diào)潮差區(qū)以上需采用包覆設(shè)計(jì)。國內(nèi)主要包括：材料選擇、腐蝕裕量、防腐涂層、犧牲陽極陰極保護(hù)，對(duì)于國外要求的生產(chǎn)期間的腐蝕檢查、監(jiān)測(cè)、內(nèi)部空間濕度控制以及浪濺潮差區(qū)包覆設(shè)計(jì)，國內(nèi)未形成統(tǒng)一規(guī)范。相信隨著海上風(fēng)電投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間的推移，會(huì)逐漸引起運(yùn)營方的廣泛重視和推廣。

（二）塔筒

對(duì)比國內(nèi)、國外（以西門子為例）塔簡(jiǎn)防腐設(shè)計(jì)：西門子要求鋼構(gòu)表面預(yù)處理為Sa3，高于國內(nèi)Sa2 1/2-Sa3;塔簡(jiǎn)外表面（C5-M），西門子采用“熱噴鋅/鋁+封閉漆+環(huán)氧中間漆+聚氨酯面漆”防腐方案，用“熱噴鋅/鋁+封閉漆”代替環(huán)氧富鋅底漆;干膜厚度350um，大于國內(nèi)320um，優(yōu)于國內(nèi)防腐設(shè)計(jì)。

（三）風(fēng)電機(jī)組

國內(nèi)外海上風(fēng)電機(jī)組防腐設(shè)計(jì)的相同點(diǎn)主要有：機(jī)組設(shè)備的防腐涂層、轉(zhuǎn)動(dòng)部件的油脂防腐、設(shè)備材料選擇：不同點(diǎn)在于：塔筒及機(jī)艙整體結(jié)構(gòu)（包括機(jī)艙內(nèi)大部件冷卻方式）上是否考慮防鹽霧，從而達(dá)到防腐設(shè)計(jì)效果。

國內(nèi)早期試驗(yàn)機(jī)組基本為陸上風(fēng)電機(jī)組，未從風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)上考慮防海洋鹽霧設(shè)計(jì)。隨著海上風(fēng)電的發(fā)展，近幾年針對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組開始從結(jié)構(gòu)上考慮防鹽霧設(shè)計(jì)，主要表現(xiàn)為：變頻器、發(fā)電機(jī)等大部件的液冷設(shè)計(jì)。

國外以西門子為例，西門子箱變采用油浸式變壓器，不會(huì)因空氣冷卻而將大氣鹽霧引入塔簡(jiǎn)：外循環(huán)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)密封進(jìn)出風(fēng)道，有效隔離海洋大氣中的水分和鹽霧。

總體來說，國內(nèi)海上風(fēng)電機(jī)組的防腐設(shè)計(jì)水平在不斷提高，正逐步趕上國際水平。

國內(nèi)海上風(fēng)電防腐技術(shù)應(yīng)用

目前，國內(nèi)海上風(fēng)電防腐技術(shù)，以江蘇海上龍?jiān)礊槔?，主要有包覆、外加電流、疲勞腐蝕早期檢測(cè)等。

一、包覆防腐

浪濺潮差區(qū)腐蝕最嚴(yán)重，如不切實(shí)采取措施，勢(shì)必成為風(fēng)電機(jī)組達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命的瓶頸。原設(shè)計(jì)的“涂層+陰極保護(hù)”方案，涂層由于受到水上漂浮物頻繁碰撞、船只?？孔矒魰?huì)破損嚴(yán)重：陰極保護(hù)方法則由于受到潮漲潮落的影響，也不能很好發(fā)揮作用。而包覆防腐能彌補(bǔ)浪濺潮差區(qū)涂層和陰極保護(hù)兩種防腐方法的不足，達(dá)到防腐效果。

礦脂防蝕膏具有良好的附著性能（鹽水浸泡試驗(yàn)、中性鹽霧試驗(yàn)均為A級(jí)），耐腐蝕性高;礦脂防蝕帶吸水率低，附著力在4.9N/25mm以上，-5～70°C環(huán)境中作業(yè)性能良好防蝕保護(hù)罩拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、拉伸彈性模量、彎曲彈性模量、沖擊強(qiáng)度都較高。

技術(shù)難點(diǎn)：海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)直徑大于5m，呈錐形，樁體上有很多不規(guī)則結(jié)構(gòu)，形狀復(fù)雜;風(fēng)電場(chǎng)高溫、高濕、高鹽分的亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候環(huán)境使得腐蝕易發(fā)生。

解決方案：采用橫向、縱向多片式保護(hù)罩聯(lián)用，保護(hù)罩之間通過法蘭、螺栓連接固定的方法，解決了風(fēng)電機(jī)組單管樁基礎(chǔ)直徑大、樁程高、樁柱呈錐形的包覆難題：采用現(xiàn)場(chǎng)制作玻璃鋼保護(hù)罩的方法，解決了風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的難題。

施工步驟刮涂防蝕膏、纏繞防蝕帶（圖4）、安裝防護(hù)罩。

實(shí)施效果：相較于裸鋼掛片、涂層掛片試驗(yàn)的防腐效果，包覆防腐的優(yōu)勢(shì)更加明顯。目前已推廣應(yīng)用。

二、外加電流陰極保護(hù)

外加電流陰極保護(hù)，用于保護(hù)全浸區(qū)及以下部分的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)，與犧牲陽極陰極保護(hù)相比，外加電流實(shí)現(xiàn)了陰極保護(hù)的無衰減及可控可調(diào)。

外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)主要由輔助陽極、輔助陽極配套雙硫化管道、組合式參比電極、恒電位儀、輔助陽極電纜、參比電極電纜、SCADA風(fēng)電場(chǎng)集控軟件等組成。原理如下：2個(gè)組合式參比電極分別為恒電位儀提供測(cè)量和控制信號(hào)：恒電位儀根據(jù)參比電極測(cè)量電位的大小，調(diào)整、輸出平滑的直流電，通過輔助陽極、海水、海泥，流向鋼樁，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)陰極保護(hù)。

為保證電極穩(wěn)定性，輔助陽極選用鈦基混合金屬氧化物陽極（MMO/Ti），參比電極選用純度>99.999%的高純鋅。其電化學(xué)性能如下：電極電位（飽和甘汞電極）為-1.044～-1.014V：電位穩(wěn)定性：+0.015V;陰極極化電流10gA的極化值>-0.020 v：陽極極化電流10gA的極化值<+0.020V。

安裝系統(tǒng)后，參照國家標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試保護(hù)電位為100mY，系統(tǒng)投運(yùn)后運(yùn)行基本平穩(wěn)。恒電位儀顯示輸出電壓為3V，輸出總電流為2A，相當(dāng)于平均保護(hù)電流密度為2.5mA/m²。

外加電流陰極保護(hù)增強(qiáng)了防腐系統(tǒng)監(jiān)控的及時(shí)性、準(zhǔn)確性和智能化，提高了風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的安全水平，推動(dòng)了國內(nèi)海上風(fēng)電防腐監(jiān)控技術(shù)進(jìn)步。

三、疲勞腐蝕早期檢測(cè)

由于基礎(chǔ)腐蝕疲勞的存在和危害嚴(yán)重性后果，應(yīng)對(duì)疲勞腐蝕進(jìn)行早期檢測(cè)。無損檢測(cè)方法很多，但超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)等傳統(tǒng)方法，都需要打磨涂層才能保證檢測(cè)的靈敏度。海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)防腐涂層厚（800um以上），使得檢測(cè)難度大：嚴(yán)峻的海上風(fēng)電腐蝕環(huán)境不利于油漆修補(bǔ)質(zhì)量的保障，因此，不破壞油漆涂層的無損檢測(cè)方法具有較大的市場(chǎng)需求。脈沖電磁法作為一種無損檢測(cè)方法，其優(yōu)點(diǎn)是不需要打磨掉鋼構(gòu)表面的油漆涂層，對(duì)缺陷的指示明確直觀。

脈沖電磁法的主要技術(shù)參數(shù)為：最大檢查速度0.2m/s;靈敏度：寬度≥0.01mm，深度>0.5mm（焊縫）/0.3mm（母材）、長(zhǎng)度>5mm（焊縫）/3mm（母材）：電源可保證連續(xù)檢測(cè)10小時(shí)以上。

為驗(yàn)證脈沖電磁法無損檢測(cè)的可靠性和準(zhǔn)確度，先做試板檢測(cè)、建立標(biāo)準(zhǔn)工作曲線：制作與多管樁鋼構(gòu)基礎(chǔ)同材質(zhì)、同厚度、同角度、同等焊接狀態(tài)的檢測(cè)試板，并人工制作模擬裂紋（長(zhǎng)度約10mm，深度0.5mm、1.0mm、1.5mm的各2條），按與風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)相同的油漆選型和施工工藝進(jìn)行防腐涂層涂覆。完成試板檢測(cè)后，再進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果如表1所示：檢測(cè)出1臺(tái)機(jī)組存在腐蝕疲勞早期裂紋。根據(jù)原設(shè)計(jì)單位處理方案，打磨后修補(bǔ)涂層進(jìn)行消缺閉環(huán)。

四、單管樁內(nèi)防腐檢查、有毒氣體檢測(cè)

海上風(fēng)電單管樁，直徑為5～6m，樁長(zhǎng)為45～68m，甚至更大。單樁內(nèi)部屬于密閉或半密閉空間的海洋大氣區(qū)、全浸區(qū)、海泥區(qū)腐蝕環(huán)境，其中泥上部分15m以上。樁底由于不便于常規(guī)檢查跟蹤，隱患較大，樁內(nèi)檢查很有必要。另外，某些單管樁內(nèi)有刺激難聞的硫化物味道，初步判斷為養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)生物腐爛產(chǎn)生的硫化氫氣體所致。

防腐檢查：對(duì)單樁內(nèi)部進(jìn)行抽水、清理垃圾、清除腐敗淤泥，對(duì)底部鋼構(gòu)本體內(nèi)壁進(jìn)行清潔后做防腐檢查，對(duì)負(fù)一層平臺(tái)進(jìn)行局部焊接加固，對(duì)涂層破損位置進(jìn)行修補(bǔ)。

有毒氣體檢測(cè)：參考專業(yè)檢測(cè)單位的意見，選取3個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中刺激氣味最嚴(yán)重的6臺(tái)機(jī)組進(jìn)行氣體取樣送檢。檢測(cè)出濃度不等的硫化氫、甲烷等氣體成分，如表2所示。

海上風(fēng)電防腐技術(shù)發(fā)展方向

海上風(fēng)電防腐技術(shù)面臨自然條件嚴(yán)苛、浪濺潮差區(qū)腐蝕嚴(yán)重、設(shè)備防腐體系完整性保持有難度、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)質(zhì)量難保證、個(gè)別單管樁存在硫化氫氣體威脅等問題。與海上風(fēng)電設(shè)備防腐安全及使用壽命直接相關(guān)的幾項(xiàng)關(guān)鍵檢測(cè)均存在技術(shù)上的瓶頸，包括：陰極保護(hù)電位檢測(cè)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，疲勞腐蝕早期檢測(cè)的科學(xué)性和可靠性，鋼構(gòu)本體厚度測(cè)量的普遍應(yīng)用，防腐遠(yuǎn)程智能檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用。根據(jù)海上風(fēng)電防腐技術(shù)急需解決的難題，今后的主要研究方向?yàn)椋?/p>

（1）浪濺潮差區(qū)風(fēng)電設(shè)備防撞擊、防腐蝕、防疲勞、防海生物的綜合防護(hù)方案研究。

（2）海上風(fēng)電防腐在線檢測(cè)技術(shù)研究。應(yīng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)保護(hù)電位、有毒氣體、環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)、設(shè)備腐蝕狀態(tài)進(jìn)行在線檢測(cè)分析，做到實(shí)時(shí)掌握、提前預(yù)警。

（3）鋼構(gòu)基礎(chǔ)腐蝕疲勞早期檢測(cè)研究，包括帶油漆檢測(cè)鋼構(gòu)深層裂紋的研究。

（4）塔簡(jiǎn)高性能、耐老化面漆研究，例如開展耐紫外線侵蝕、屏蔽作用好的面漆優(yōu)化研究。