抵御嚴酷環(huán)境的海上集成變電站防腐技術(shù)研究

王洋洋，黃文君

（許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 許昌 461000）

我國海上風(fēng)力資源儲備豐富，具備較高的開發(fā)價值。我國海岸線長約18000km，可利用海域面積300多萬km2，擁有島嶼6000多個。近海風(fēng)力資源主要集中于東南沿海地區(qū)及其附加島嶼。根據(jù)此前風(fēng)能資源普查的結(jié)果顯示，我國5-25m水深、50m高度海上風(fēng)電開發(fā)潛力約2億kW；5-50m水深、70m高度海上風(fēng)電開發(fā)潛力約5億kW。預(yù)計2025年，我國電源裝機容量為29.5億kW，清潔能源裝機占比將由2019年的41.9%提高到57.5%，煤電裝機會下降至37.3%，基本實現(xiàn)從基荷型電源向調(diào)節(jié)型電源功能的轉(zhuǎn)變?！笆奈濉逼陂g風(fēng)電規(guī)劃裝機達到5.4億kW；光伏規(guī)劃裝機達到5.6億kW。2015到2019年全國風(fēng)電光伏新增并網(wǎng)容量最高值6812萬kW，低于每年8000萬kW的規(guī)劃值。截至“十三五”末，近海海域已核準、未建成的風(fēng)電場容量約2500萬kW?！笆奈濉睍r期，在新的政策形勢下，近海海上風(fēng)電應(yīng)通過項目優(yōu)化布局、技術(shù)快速迭代進步、發(fā)展模式和政策創(chuàng)新等，加快推進布局優(yōu)化與成本快速降低，力爭近海海域?qū)崿F(xiàn)新增并網(wǎng)容量800-1000萬kW。海上風(fēng)電發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

相較于陸地，海上環(huán)境特殊，給風(fēng)電發(fā)展帶來的很大的不便，需要不斷的技術(shù)突破。主要問題體現(xiàn)在以下幾個方面：一是鹽霧腐蝕現(xiàn)象嚴重；二是海上空氣潮濕，絕緣故障時有發(fā)生；三是設(shè)備的日常維護量大，日常維護不便。

1 海上惡劣環(huán)境調(diào)研

海上環(huán)境相比陸地環(huán)境有更惡劣的自然條件，高濕熱、高鹽霧、大風(fēng)浪、臺風(fēng)多發(fā)、地震烈度大等特點。

根據(jù)中國科學(xué)院海洋研究所資料，我國近海海上環(huán)境的氣溫在夏季時一般處于30℃左右，相對濕度為70%-95%，風(fēng)速一般在6m/s左右，鹽霧濃度在30%左右，而且海上會有強熱帶風(fēng)暴和臺風(fēng)。另外，我國渤海、南海一帶屬于地震活動區(qū)，所以海上集成變電站要能夠抵御9級以下的地震。

2 海上集成變電站防腐技術(shù)研究

2.1 海上集成變電站核心設(shè)備情況

新能源用海上集成變電站主要由外殼、低壓開關(guān)設(shè)備、升壓設(shè)備、高壓開關(guān)設(shè)備、電纜連接、環(huán)境控制系統(tǒng)、保護系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)等組成。海上環(huán)境對集成變電站的主要影響有外殼等設(shè)備的抗腐蝕性、吊裝安裝困難、檢修維護不便、電氣設(shè)備的耐鹽霧功能、電氣設(shè)備智能化、核心元件的技術(shù)研究等。因此需要針對這些問題進行優(yōu)化，并提出更可靠、高效的解決方案。新能源海上集成變電站由于其環(huán)境的特殊性，我們在選擇設(shè)備時要從環(huán)保性、環(huán)境適應(yīng)性、體積、防污能力、和抗震性等幾個方面考慮，目前主流小型化開關(guān)設(shè)備絕緣介質(zhì)有固體絕緣、SF6氣體絕緣、N2氣體絕緣等。

2.2 海上集成變電站腐蝕的原因

海上環(huán)境具有高濕熱、高鹽霧、大風(fēng)浪、臺風(fēng)多發(fā)、地震烈度大等特點，相比陸地環(huán)境來說，海上集成變電站所處的環(huán)境更加惡劣。

我們可以將海上風(fēng)電機組的風(fēng)塔及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)根據(jù)所處海洋腐蝕環(huán)境和水位的變動情況，從下到上分成5個腐蝕區(qū)域：海泥區(qū)、全浸區(qū)、潮差區(qū)、浪濺區(qū)和海洋大氣區(qū)。不同區(qū)域的腐蝕因素和腐蝕速率不同，其中飛濺區(qū)的腐蝕速率要遠大于其他區(qū)域。在這個區(qū)域，除了受海鹽含量、濕度、溫度等海洋大氣環(huán)境中的腐蝕影響因素外，還受到海浪飛濺的影響。

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，影響電化學(xué)腐蝕的主要因素有溫度、濕度、海鹽含量等。溫度、濕度、海鹽含量越高，腐蝕性越強。

2.3 海上風(fēng)電機組的防腐方法

海洋工程中，常用的防腐蝕方法主要有5種：涂層法、鍍層法、陰極保護法、預(yù)留腐蝕余量法和選用耐腐蝕的材料。我們通過對海上船舶的防腐工藝研究，并結(jié)合最新防腐技術(shù)領(lǐng)域的最新成果，進一步提高海上集成變電站外殼的抗腐蝕能力。目前世界上船舶普遍采用的是陰極保護技術(shù)和防腐涂料技術(shù)相結(jié)合的方式。

陰極保護的方式有兩種：外加電流陰極保護和犧牲陽極保護。

目前，熱浸鍍鋅與熱噴鋅（鋁）是常用的陰極保護技術(shù)，鋅（鋁）作為犧牲陽極，而使鋼鐵表面受到保護，即使當(dāng)鋅保護層有少許受損，鋅層下的鋼鐵亦不會形成銹。但傳統(tǒng)的鍍鋅技術(shù)很難現(xiàn)場應(yīng)用，而鋅加鍍鋅系統(tǒng)可以在現(xiàn)場或車間施工涂裝。常規(guī)的富鋅涂料因含鋅量低陰極保護作用不強，它與普通涂料一樣以屏障保護作用為主，涂料涂層可以在鋼鐵表面形成一道對空氣中的水蒸氣和氧氣等的保護屏障。

鋅加對鋼鐵保護有兩種途徑：

（1）主動陰極保護作用。鋅加干膜含鋅量高，大約含有96%以上的純鋅，足以保證為鋼板提供絕好的陰極保護，其保護原理類似于熱鍍鋅，但防腐蝕保護性卻能優(yōu)于熱浸鋅。

（2）被動屏障式保護作用

當(dāng)鋅加被氧化時，會在鋅加表面緩慢產(chǎn)生一層鋅鹽層來提供屏障保護。接著，鋅加中的黏結(jié)劑也提供一層附加的屏障保護，從而減緩了鋅的氧化。所以鋅加的防腐蝕性能遠比由噴鋅（鋁）、熱浸鍍鋅及其他富鋅涂料的防腐蝕性能好很多。

因此，鋅加有效地結(jié)合了熱鍍鋅鋅層的主動陰極保護和有機涂料的屏障保護，對鋼鐵具有長效的優(yōu)異防腐保護性能。

3 結(jié)束語

對于海上風(fēng)電材料的現(xiàn)有防腐方法，風(fēng)電制造商有自己的防腐蝕解決方案。一般來說，由于缺乏數(shù)據(jù)積累和對風(fēng)電運行環(huán)境的精確定義，并且缺少針對性的基礎(chǔ)研究，尤其是對微腐蝕環(huán)境個性化解決方案基本沒有。當(dāng)前的防腐經(jīng)驗可歸納為以下三點：

一是不同的腐蝕區(qū)域采用不同的防腐方法。例如在海洋大氣區(qū)，塔筒的外壁，通常使用涂料防腐；在全浸區(qū)和潮差區(qū)，海水中的鋼結(jié)構(gòu)主要采用電化學(xué)防腐，隔離防腐方法。對于機艙輪轂內(nèi)部的零件，主要方法是采取密封措施。為了防止外部腐蝕性氣體進入并直接腐蝕，葉片主要采用凝膠涂層作為保護層。

第二是進口涂料價格高昂，導(dǎo)致風(fēng)電投資大，成本高，而國產(chǎn)涂料的性能有待進一步提高。有很多浪費為了提供更高的耐用性，高腐蝕性等級設(shè)計用于低腐蝕性等級。

第三，海洋大氣區(qū)的保護規(guī)范比較完整。處在這個區(qū)域中的材料防腐措施可以借鑒石油平臺的防腐經(jīng)驗，可以參考鋼結(jié)構(gòu)的防腐標準，但處于密封空間的葉片缺乏相應(yīng)的防腐規(guī)范。

目前，我國國產(chǎn)海上風(fēng)機的建設(shè)已進入試運行階段，目前海上風(fēng)機動力設(shè)備技術(shù)的發(fā)展相對滯后，專門為海上風(fēng)機開發(fā)的動力設(shè)備將具有巨大的發(fā)展空間。市場潛力和推廣空間。當(dāng)前，所有海上風(fēng)電場飛行員都迫切需要支持適用于海上環(huán)境且具有高可靠性的集成變電站產(chǎn)品。這項研究實施后，將解決海上風(fēng)電場使用的電力設(shè)備采取防腐措施的迫切需求。