考慮涂層性能與腐蝕速率的海上風(fēng)電

國(guó)家電力投資集團(tuán)有限公司 張 昊 國(guó)家電投集團(tuán)江蘇電力有限公司 田宏衛(wèi)

隨著我國(guó)海洋開發(fā)事業(yè)的飛速發(fā)展，海上金屬(鋼鐵)設(shè)施越來(lái)越多。自1991年世界上首座海上風(fēng)電場(chǎng)在丹麥建成以來(lái)，海上風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為世界可再生能源發(fā)展的焦點(diǎn)領(lǐng)域。海上風(fēng)電運(yùn)行環(huán)境十分復(fù)雜：高溫、高濕、高鹽霧和長(zhǎng)日照等，腐蝕環(huán)境非常惡劣，對(duì)海上風(fēng)電設(shè)備的腐蝕防護(hù)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，防腐設(shè)計(jì)成為海上風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)必須考慮的重要環(huán)節(jié)之一。目前對(duì)于海上風(fēng)電工程基礎(chǔ)設(shè)施以及風(fēng)機(jī)的防腐措施,主要來(lái)自于海上石油平臺(tái)、破冰船以及海底管線等方面的防腐經(jīng)驗(yàn)，而針對(duì)海上風(fēng)電腐蝕與防護(hù)的研究及應(yīng)用還較少。在大力提倡節(jié)能減排的今天,結(jié)合國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的理論研究和工程背景，對(duì)海上風(fēng)電的腐蝕與防護(hù)進(jìn)行系統(tǒng)的研究及應(yīng)用已成為當(dāng)前需要解決的重要課題[1]。

海洋環(huán)境是指海洋大氣到海底泥漿這一范圍內(nèi)的任何一種物理量，如溫度、風(fēng)速、日照、含氧量、鹽度、pH值以及流速等。在海洋環(huán)境中不同區(qū)域有不同的腐蝕影響因素，對(duì)于海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)按照水位變動(dòng)情況來(lái)劃分不同的腐蝕控制區(qū)域。參照IEC61400-2009《海上風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)要求》，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙以下的支撐結(jié)構(gòu)包括塔架、下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)，其中與海床直接接觸的部分定義為基礎(chǔ)，位于水面以上的通道平臺(tái)作為塔架和下部結(jié)構(gòu)的分界線，則海上風(fēng)電場(chǎng)的塔架所處的海洋環(huán)境主要為大氣區(qū)。

1 海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)

對(duì)于海上鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕目前世界各國(guó)都已經(jīng)制定了有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)也制定了海上風(fēng)電場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)防腐標(biāo)準(zhǔn)。海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)中的鋼結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期暴露于海洋環(huán)境中，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中不同位置腐蝕程度的不同，一般可將海洋腐蝕環(huán)境分為海洋大氣區(qū)、浪濺區(qū)、潮差區(qū)/潮汐區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)五個(gè)不同的腐蝕區(qū)帶，浪濺區(qū)是鋼結(jié)構(gòu)腐蝕最嚴(yán)重的區(qū)域。解決海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕問題，有耐海水鋼、腐蝕裕量、涂裝法、陰極保護(hù)及包覆等方法，但各種方法都有自己的適用范圍(表1)。

表1 防腐蝕措施的適用范圍

耐海水鋼為一種新型材料，在浪濺區(qū)和海洋大氣中的腐蝕速度比一般碳鋼小很多，但由于其經(jīng)濟(jì)性較差，故較少采用；腐蝕裕量是根據(jù)一定使用年限內(nèi)計(jì)算得到的鋼材腐蝕厚度，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)截面厚度主動(dòng)增大，以滿足其腐蝕要求的方法，即實(shí)際鋼材厚度=腐蝕厚度+滿足各種承載條件的設(shè)計(jì)厚度；涂裝法是采用底漆、中間漆和面漆組成的多層涂裝體系。涂裝的選擇應(yīng)考慮周圍環(huán)境，對(duì)不同的腐蝕環(huán)境，不同涂料的耐久性不同；海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐同時(shí)采用腐蝕裕量和涂裝法，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)預(yù)留的腐蝕裕量應(yīng)根據(jù)有涂層保護(hù)的基材腐蝕速率來(lái)確定。

包覆法是指為防止腐蝕，在結(jié)構(gòu)物外表面復(fù)合一層耐蝕材料，以使原來(lái)表面與環(huán)境隔離?？刹捎冒灿袡C(jī)復(fù)合層、樹脂砂漿、復(fù)合耐蝕金屬層進(jìn)行保護(hù)；陰極保護(hù)法屬于電化學(xué)保護(hù)技術(shù)，基本原理是對(duì)被保護(hù)的金屬表面施加一定的直流電流使其產(chǎn)生陰極極化，當(dāng)金屬的電位負(fù)于某一值時(shí)，腐蝕的陽(yáng)極溶解過程就會(huì)得到有效抑制。根據(jù)提供陰極電流的方式不同分成犧牲陽(yáng)極法和外加電流法兩種，犧牲陽(yáng)極法是在鋼結(jié)構(gòu)表面附加較活潑的金屬取代鋼材的腐蝕；外加電流法將外部電流轉(zhuǎn)變成低壓直流電，通過輔助陽(yáng)極將保護(hù)電流傳遞給被保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)，抑制腐蝕。

2 海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)防腐蝕設(shè)計(jì)

海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)防腐蝕措施一般按照不同分區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)：海洋大氣區(qū)采用涂料或金屬熱噴涂保護(hù)；浪濺區(qū)采用涂料保護(hù)或金屬熱噴涂保護(hù)，并在涂料保護(hù)或金屬熱噴涂保護(hù)的基礎(chǔ)上增加腐蝕裕量；全浸區(qū)、海泥區(qū)上部采用陰極保護(hù)、陰極保護(hù)與涂料或金屬熱噴涂聯(lián)合保護(hù)措施，涂料或金屬熱噴涂的作用主要為改善陰極保護(hù)電流分布和減少陽(yáng)極用量。陰極保護(hù)應(yīng)包括浪濺區(qū)平均潮位以下的部分。

國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電項(xiàng)目一般采用腐蝕裕量、涂裝及犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)等防腐蝕設(shè)計(jì)。外部犧牲陽(yáng)極一般為長(zhǎng)條型鋁合金型，單塊重量一般為數(shù)百公斤。外部犧牲陽(yáng)極焊接在集成式套籠結(jié)構(gòu)支撐鋼管處，通過套籠與單樁結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電氣連接[2]。內(nèi)部犧牲陽(yáng)極一般通過懸掛系統(tǒng)安裝在單樁的內(nèi)平臺(tái)下部。內(nèi)部犧牲陽(yáng)極從潮差區(qū)至泥面均勻布置，并采用銅芯導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)與單樁結(jié)構(gòu)的電氣連接。海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)防腐蝕設(shè)計(jì)方案總結(jié)如下：海洋大氣區(qū)。涂裝；浪濺區(qū)/潮差區(qū)。平均海平面以上涂裝+腐蝕裕量，平均海平面以下涂裝+陰極保護(hù)；全浸區(qū)。涂裝+陰極保護(hù)；海泥區(qū)。涂裝至泥面以下1米。

3 海上風(fēng)電腐蝕在線監(jiān)測(cè)

海上風(fēng)電腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在江蘇某海上風(fēng)電場(chǎng)通過監(jiān)測(cè)以下指標(biāo)，來(lái)評(píng)估海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的腐蝕狀態(tài)。

涂層性能監(jiān)測(cè)：通過測(cè)量海水環(huán)境中單樁涂層探頭阻抗譜隨時(shí)間的變化趨勢(shì)來(lái)判斷涂層的老化狀態(tài)。將涂層探頭固定在涂裝設(shè)備表面，長(zhǎng)期測(cè)量涂層的老化過程，為涂層損傷的預(yù)防性維護(hù)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。涂層腐蝕傳感器的樣板涂層與單樁涂層設(shè)計(jì)厚度一致。樣板進(jìn)行劃痕處理，劃痕區(qū)能夠模擬涂料破損后的耐腐蝕情況，因?yàn)榻饘俚穆懵丁⒏g情況會(huì)遠(yuǎn)比非劃痕區(qū)嚴(yán)重。由于劃痕深至金屬底材導(dǎo)致金屬裸露，所以腐蝕現(xiàn)象會(huì)從劃痕處向兩邊擴(kuò)展。腐蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)順序應(yīng)為銹蝕、起泡、開裂、剝落。非劃痕區(qū)有涂層的保護(hù)，因此這個(gè)區(qū)域的腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)順序一般為起泡、開裂和銹蝕、剝落。

陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)：犧牲陽(yáng)極的保護(hù)電位是陰極保護(hù)有效性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，一般采用參比電極對(duì)單樁基礎(chǔ)上的鋼管樁陰極保護(hù)電位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，常用參比電極有銀氯化銀電極和高純鋅參比電極，若保護(hù)電位值超過或低于允許電位范圍（-0.85V～-1.05V相對(duì)于硫酸銅電極），可能對(duì)基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)造成過保護(hù)或保護(hù)不足，應(yīng)及時(shí)干預(yù)，保證腐蝕防護(hù)效果。

腐蝕速率監(jiān)測(cè)：電阻探針法(Electrical Resistance,ER)也稱為可自動(dòng)測(cè)量的掛片失重法。該方法通過裝有金屬試片的探針（電阻探針）測(cè)量金屬的腐蝕速率。金屬試片的面積因腐蝕而變化，電阻增大。周期性精準(zhǔn)測(cè)量電阻可計(jì)算出總腐蝕量及腐蝕速率。腐蝕速率監(jiān)測(cè)可監(jiān)測(cè)試片腐蝕速率、通電電位、極化電位、交流電壓、直流電流密度、交流電流密度等參數(shù)。腐蝕速率傳感器安裝單樁基礎(chǔ)上，監(jiān)測(cè)試片的電阻變化可以得到試片的腐蝕速率，保證腐蝕防護(hù)效果。

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)：包括多通道測(cè)量卡及信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、控制單元和通信單元，可根據(jù)傳感器的數(shù)量相應(yīng)增加多通道測(cè)量卡。主要用于對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，功能模塊包括腐蝕數(shù)據(jù)管理、腐蝕余量與腐蝕速率顯示、圖形打印等；物理掛片腐蝕速率測(cè)量。在海上風(fēng)電場(chǎng)選取5臺(tái)典型機(jī)位，在單樁基礎(chǔ)的潮差區(qū)、全浸區(qū)、海泥區(qū)依次布置物理掛片，定期取回到岸上實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行失重測(cè)量，并與在線監(jiān)測(cè)的腐蝕速率結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)過6個(gè)月現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，無(wú)陰極保護(hù)及有陰極保護(hù)的物理掛片腐蝕狀態(tài)如圖1所示。

圖1 物理掛片腐蝕速率測(cè)量

4 基于支持向量機(jī)算法的腐蝕在線評(píng)估

SVM支持向量機(jī)是一個(gè)分類算法，通過一條分類線或平面將數(shù)據(jù)分隔在線或平面兩側(cè)，是一種二類分類模型，與感知機(jī)相似，支持向量機(jī)的學(xué)習(xí)算法是求解凸二次規(guī)劃的最優(yōu)化算法。SVM學(xué)習(xí)的基本思想是求得能夠正確劃分?jǐn)?shù)據(jù)集并且之間幾何間隔最大的分離超平面。線性可分等價(jià)f(x)=w1x1+w2x2+…+wnxn+b，其中的x、w是向量。預(yù)測(cè)分類時(shí)，用sgn(f(x))函數(shù)支持向量所在的面之間的間隙就是要求最大化的分類間的間隙Margin Width=M，其公式為M=2/

如圖2所示，紅線wx+b=0為分離超平面，對(duì)于線性可分的數(shù)據(jù)集來(lái)說，超平面可以有很多個(gè)，但是幾何間隔最大的分離超平面卻是唯一的。假設(shè)給定一個(gè)特征空間上的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集T=(x1,y1),(x2,y2),…(xN,yN)。其 中xi∈Rn，yi∈{+1,?1},i=1,2,…N，xi為第i個(gè)特征向量，yi表示為類標(biāo)記，當(dāng)它等于+1時(shí)為正例，即圖1中的紅色小圈；yi為-1時(shí)為負(fù)例，圖1中用藍(lán)色星號(hào)來(lái)表示。

圖2 分離超平面示意圖

幾何間隔。對(duì)于給定的數(shù)據(jù)集T和超平面wx+b=0，定義超平面關(guān)于樣本點(diǎn)(xi,yi)的幾何間隔為γi=yi(w/‖w‖xi+b/‖w‖)。超平面關(guān)于所有樣本點(diǎn)的幾何間隔的最小值為γ=mini=1,2…,Nγi，即支持向量到超平面的距離。

對(duì)偶算法。就是應(yīng)用拉格朗日對(duì)偶性求得線性可分支持向量機(jī)的最優(yōu)化問題的解，通過求解對(duì)偶問題（dual problem）得到原始問題（primal problem）的最優(yōu)解。該方法可使偶問題往往更容易求解，其次是引入自然核函數(shù)，使得非線性分類問題也能適用。在算法過程中，首先需要構(gòu)建拉格朗日函數(shù)（Lagrange function）。為此，對(duì)每一個(gè)不等式約束引進(jìn)拉格朗日乘子（Lagrange multiplier）ai≥0,i=1,2,…,N，定義拉格朗日函數(shù)：L(w,b,a)=1/2 wTw+∑N(i=1)ai(1-yi(wTxi+b))=1/2wTw-∑N(i=1)aiyi(wTxi+b)+∑N(i=1)ai，再由拉格朗日的對(duì)偶性求解極大極小問題：minw,bL(w,b,a)=-1/2∑N(i=1)∑N(j=1)aiyiajyjxiTxj+∑N(i=1)ai。

對(duì)偶問題中minw,bL(w,b,a)對(duì)a的極大值：maxa-ai≥0,i=1,2…N。對(duì)偶最優(yōu)問題即將上面的極大轉(zhuǎn)為極?。?,i=1,2…N。

由上述滿足KKT條件得出的定理推導(dǎo)出分離超平面和分類決策函數(shù)關(guān)系式：分類超平面∑N(i=1)ai＊yi(xxi)+b＊=0，分 類 決 策 函 數(shù)f(x)=sign(∑N(i=1)ai＊yi(xxi)+b＊）。

結(jié)論：海上風(fēng)電腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過對(duì)單樁基礎(chǔ)涂層性能、腐蝕速率與陰極保護(hù)等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量。通過分析運(yùn)行數(shù)據(jù)，評(píng)估腐蝕防護(hù)效果，為海上風(fēng)電場(chǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障，不斷降低運(yùn)維成本。