淺談海上風(fēng)電防腐技術(shù)應(yīng)用及優(yōu)化方案

浙江華東工程咨詢有限公司 洛 成

目前國(guó)家大力提倡發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，根據(jù)規(guī)劃內(nèi)容，我國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)，新能源發(fā)電做出了積極貢獻(xiàn)，其中風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電、潮汐發(fā)電都是常用的發(fā)電方式。近年來(lái)許多國(guó)家開(kāi)始致力于海上風(fēng)電的研究，同時(shí)取得了一定的應(yīng)用成果，相較于傳統(tǒng)陸地上的風(fēng)力發(fā)電，海上風(fēng)電所面臨的最大問(wèn)題是腐蝕問(wèn)題，這也是影響海上風(fēng)電項(xiàng)目綜合效益的重要因素。

1 海上風(fēng)電腐蝕相關(guān)內(nèi)容

1.1 腐蝕環(huán)境分析

海上風(fēng)電設(shè)備遭受的強(qiáng)腐蝕主要來(lái)自于海洋腐蝕環(huán)境下海水、鹽霧中的氯離子（滲透性強(qiáng)，腐蝕破壞性大）。海上風(fēng)電基礎(chǔ)所處的海水、海泥，塔筒及機(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)。而且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(wú)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)。

1.2 腐蝕機(jī)理分析

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：陽(yáng)極反應(yīng)Fe－2e→Fe2+；陰極反應(yīng)：O2＋2H2O＋4e→4OH-?？拷?yáng)極溶液 中 的 反 應(yīng) 為：Fe2+＋2OH-→Fe(OH)2；O2＋4Fe(OH)2＋2H2O=4Fe(OH)3。由反應(yīng)式可知，鋼構(gòu)基礎(chǔ)金屬發(fā)生陽(yáng)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)。

1.3 腐蝕規(guī)律分析

腐蝕速率曲線。在海洋豎向方向上共存在著五個(gè)腐蝕區(qū)域，分別是海洋大氣區(qū)、浪濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)。其中浪濺區(qū)和全浸區(qū)屬于鋼結(jié)構(gòu)腐蝕速度最快的區(qū)域：浪濺區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)有時(shí)被海水淹沒(méi)、有時(shí)會(huì)暴露在大氣區(qū)中，在干濕交替的過(guò)程中鹽分會(huì)逐漸富集在鋼結(jié)構(gòu)表面，在陽(yáng)光照射下也會(huì)加快鹽類侵蝕速度，影響到鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性；全浸區(qū)雖然鋼結(jié)構(gòu)完全浸沒(méi)在海水中，但不同深度的氧氣飽和度、海洋生物密集度、海水溫度、含鹽量均存在一定差異，因此在差異化影響下也會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)形成較嚴(yán)重腐蝕，從而影響到結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性。

腐蝕形態(tài)分析。在結(jié)構(gòu)腐蝕的過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的腐蝕形態(tài)包括：沉積物腐蝕，海水流動(dòng)會(huì)使一些雜物附著在結(jié)構(gòu)表面，這樣也會(huì)在表面形成陰陽(yáng)極電池，從而加快電腐蝕速度；接觸腐蝕。在海洋運(yùn)動(dòng)過(guò)程中也會(huì)帶來(lái)許多金屬顆粒，這些金屬顆粒附著在結(jié)構(gòu)表面后會(huì)成為陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，這也會(huì)加劇腐蝕速度，影響結(jié)構(gòu)完整性；縫隙腐蝕。在風(fēng)電設(shè)備連接處容易受到海水侵蝕，從而出現(xiàn)腐蝕的情況；海洋生物腐蝕，如藤壺科植物附著在鋼結(jié)構(gòu)表面會(huì)釋放一些腐蝕性物質(zhì)，從而加快腐蝕速度。

圖1 海洋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施在不同環(huán)境下的腐蝕速度圖

腐蝕疲勞分析。海上風(fēng)電設(shè)備在應(yīng)用中會(huì)承受許多的外部作用，如海風(fēng)侵蝕、海浪拍打、腐蝕作用等，一般情況下，在生產(chǎn)海上風(fēng)電設(shè)備時(shí)其預(yù)期壽命在25年左右，但在多項(xiàng)作用力影響下所產(chǎn)生的腐蝕疲勞也會(huì)縮減設(shè)備壽命，即實(shí)際壽命會(huì)縮短到10～15年，這樣也會(huì)影響到系統(tǒng)帶來(lái)的綜合效益，而且也會(huì)影響到風(fēng)電系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程的安全性，影響到系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

腐蝕危害分析。腐蝕坑深度較大。在腐蝕作用下會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)壁上形成腐蝕瘤，即使清理掉腐蝕瘤也會(huì)在結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)腐蝕坑，影響到結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)固性；設(shè)備故障發(fā)生率較高，在風(fēng)電設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，所帶來(lái)的腐蝕作用會(huì)影響到設(shè)備內(nèi)部零件連接的通暢性，從而加快零件磨損速度，增加設(shè)備運(yùn)行故障的發(fā)生幾率；綜合效益較低。如上文提到的腐蝕疲勞會(huì)影響到設(shè)備使用壽命，這也使設(shè)備穩(wěn)定性下降，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的效益目標(biāo)。

2 海上風(fēng)電防腐技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

風(fēng)電塔筒。目前在風(fēng)電塔筒的使用過(guò)程中結(jié)構(gòu)腐蝕最為嚴(yán)重的區(qū)域是在浪濺區(qū)，這也是防腐處理的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。在風(fēng)電塔筒的防腐處理中常用防腐處理方法為涂層防腐處理，目前所使用的防腐干膜厚度會(huì)控制在320～500μm，這樣可確保15年以上的無(wú)維修期，而使用到的涂料需對(duì)腐蝕因素進(jìn)行細(xì)致分析，同時(shí)根據(jù)涂料要求來(lái)完成材料選擇，從而提升結(jié)構(gòu)的應(yīng)用強(qiáng)度。

風(fēng)電葉片。相較于其他的風(fēng)電設(shè)備零件葉片所能夠接觸的腐蝕環(huán)境較少，但也存在慢性腐蝕，而所制作的防腐層在被破壞后很難再進(jìn)行重做，因此也要求在前期做好防腐處理，降低慢性腐蝕所帶來(lái)的影響性，從而提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù)腐蝕環(huán)境特點(diǎn)去選擇合適的材料來(lái)制作風(fēng)葉，如目前使用較多的風(fēng)葉材料以復(fù)合材料為主，同時(shí)也會(huì)在葉片表層涂抹膠衣來(lái)進(jìn)行防腐，對(duì)于一些無(wú)法附著到的結(jié)構(gòu)，也需采用抗腐蝕材料進(jìn)行制作，從而提升結(jié)構(gòu)的防腐性能[1]。

風(fēng)電設(shè)備其他部件。在風(fēng)電設(shè)備其他部件的防腐設(shè)計(jì)中，也需對(duì)部件工作環(huán)境進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果來(lái)選擇恰當(dāng)?shù)姆栏胧?。如風(fēng)電設(shè)備中的變壓器多采用落地箱式進(jìn)行安裝，很容易受到紫外線、海風(fēng)的侵蝕，基于此，除在外層涂抹防護(hù)涂料外也會(huì)利用絕緣樹脂來(lái)包裹鐵芯，借此來(lái)提升變壓器結(jié)構(gòu)的防腐性。又如在鈑金結(jié)構(gòu)的防腐處理中也會(huì)使用粉末涂料來(lái)進(jìn)行防腐處理，其作用也是將鈑金結(jié)構(gòu)和外界環(huán)境隔絕開(kāi)，借此來(lái)提升結(jié)構(gòu)的整體防腐性能，滿足防腐要求[2]。

鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。在海洋環(huán)境中對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性較強(qiáng)，為滿足耐久性要求，在實(shí)際處理中，多采用海工重防腐涂層+犧牲陽(yáng)極系統(tǒng)或海工重防腐涂層+外加電流保護(hù)系統(tǒng)的聯(lián)合防腐蝕方案進(jìn)行處理。以前者為例，該方式是在滿足結(jié)構(gòu)質(zhì)量、安全性要求的基礎(chǔ)上，選擇電容量大、極化率小、溶解均勻的材料作為陽(yáng)極，以此來(lái)延緩陰極損耗速度。即使在使用中出現(xiàn)腐蝕，但不會(huì)影響到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性，從而起到延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)使用壽命的作用。同時(shí)也會(huì)在鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)表層上涂抹上高分子材料，如聚乙烯材料、環(huán)氧樹脂玻璃鋼等，這樣也可將鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和外部環(huán)境隔離開(kāi)，從而提升結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性能。

3 海上風(fēng)電防腐優(yōu)化方案

做好涂層整體維護(hù)。在涂層整體維護(hù)過(guò)程中首要任務(wù)便是對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體打磨，將結(jié)構(gòu)表面附著的海洋生物、銹跡清理干凈，隨后利用高壓淡水進(jìn)行沖洗，在清理干凈后也會(huì)利用改性砂漿將表面進(jìn)行涂抹，將縫隙完全覆蓋，同時(shí)也會(huì)在表面涂抹底漆、中間漆、面漆，厚度分別是350μm、400μm和60μm，使其重新形成穩(wěn)定的防腐層，提高結(jié)構(gòu)整體的防腐性能，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命[3]。

陰極保護(hù)優(yōu)化處理。在既定要求下也需做好陰極保護(hù)優(yōu)化處理，在實(shí)際處理中，所使用的材料需要滿足陽(yáng)極犧牲要求，而且也需對(duì)材料耐腐蝕性能進(jìn)行檢查，確定沒(méi)有問(wèn)題后再進(jìn)行使用。嚴(yán)禁使用回收鋁作為陽(yáng)極犧牲材料，以滿足相應(yīng)的應(yīng)用需求。同時(shí)在對(duì)其進(jìn)行安裝時(shí)，也需確保陽(yáng)極塊能與混凝土承臺(tái)穩(wěn)定連接在一起，但是不能破壞混凝土結(jié)構(gòu)的完整性，而接觸電阻也不能超過(guò)0.1Ω，以起到良好的保護(hù)作用[4]。

增加包覆防腐。除上述提到的應(yīng)用內(nèi)容外，在技術(shù)優(yōu)化處理中也可增加包覆防腐技術(shù)，以提升結(jié)構(gòu)整體的防腐性能。結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)可了解到，浪濺區(qū)是結(jié)構(gòu)腐蝕最為嚴(yán)重的區(qū)域，且該區(qū)域的修復(fù)難度較大、破損頻率較高，對(duì)此也需在原有基礎(chǔ)上提高防腐層的應(yīng)用厚度，同時(shí)也需做好加工處理工作，適當(dāng)提高防腐層厚度，從而延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命[5]。