海上風機塔筒腐蝕機理和防護措施研究

郭 健，許 進，駱光杰，羅先啟，張海濤

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 311122； 2.浙江華東工程咨詢有限公司，杭州 311122；3.武警警官學院訓練基地兵種訓練系，廣州 510000； 4.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；5.清華大學 土木水利學院，北京 100084； 6.北京工業(yè)大學 城市與工程安全減災教育部重點實驗室，北京 100124)

近年來海上風力發(fā)電發(fā)展迅速，在全球能源趨緊和節(jié)能減排雙重重壓下，我國利用豐富的海上風能資源，建成了多個海上風電項目，但相對于陸上風電裝機量還有較大差距。根據(jù)全球風能理事會(GWEC)的數(shù)據(jù)[1]，2020年我國新增風電裝機52 000 MW，居全球第一，其中海上風電新增3 060 MW，僅占新增風電裝機容量的5.9%。相比較而言，海上風電技術門檻高、單位千瓦投資高、維護成本高。在海洋環(huán)境中，海床沖刷是影響結構穩(wěn)定的主要因素[2]，而腐蝕則是加速風機塔筒結構失效的主要原因，也是導致風機維護成本較高的重要因素。

海洋環(huán)境中鋼結構物腐蝕類型較多，針對各腐蝕類型的不同開展相應的防腐措施能起到較好的保護效果。目前大多數(shù)海上鋼結構防腐采用防腐涂層和犧牲陽極進行保護[3-4]。上海東海大橋鋼樁基礎防腐采用環(huán)氧防腐涂層加鋁合金作為犧牲陽極的防腐技術[5]，上海洋山深水港區(qū)一期工程碼頭鋼管樁防腐在浪濺區(qū)采用涂層套裝防護，水下區(qū)采用犧牲陽極和配套涂料防護，海泥區(qū)采用犧牲陽極保護陰極防護[6-7]。上述防腐措施同樣適用于海上風機塔筒防腐工程，本文在分析海上風機塔筒常見腐蝕類型機理和影響因素的基礎上，針對犧牲陽極保護和添加保護層的防腐方案，運用COMSOLMultiphysic有限元軟件，在考慮海水與海泥的電導率不同、有涂層和無涂層條件下電流密度不同等情況下，對布置在不同位置的三種犧牲陽極防腐壽命進行計算。據(jù)此提出一種延長防腐涂層壽命的高阻隔防護措施，并通過工程實踐檢測進行驗證。

1 海上風機塔筒腐蝕機理及影響因素

在海水中海上風機塔筒的腐蝕速率比塔筒在陸上的腐蝕速率快很多。海水中氯化鈉及其他多種鹽類形成的電解液、浮游生物以及各類污染都會對風機產(chǎn)生較強的腐蝕侵害[8]。腐蝕過程中，海洋環(huán)境溫度、日光、海流速度、潮汐、海水含氧量和鹽霧等作用[9]都會對海上風機產(chǎn)生不同規(guī)律的腐蝕。根據(jù)風機腐蝕規(guī)律的不同劃分類型，研究腐蝕機理，分析腐蝕影響因素，為運用有限元軟件對腐蝕環(huán)境數(shù)值模擬奠定理論基礎。

1.1 海上風機腐蝕類型及機理

風機塔筒所處海洋環(huán)境可分為大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)5個腐蝕帶。腐蝕類型分為全面腐蝕和局部腐蝕兩種[10]。全面腐蝕是最常見的腐蝕形態(tài)，在風機塔筒表面以近似相同的速度腐蝕。這是一種比較容易預測使用壽命的腐蝕形態(tài)，通常發(fā)生在宏觀上陰極區(qū)和陽極區(qū)難以區(qū)分的地方。其為電化學腐蝕，反應方程式為[11]

陽極區(qū)反應

(1)

陰極區(qū)反應

(2)

相對于全面腐蝕，局部腐蝕會導致風機在無預兆的情況下發(fā)生斷裂，造成嚴重事故。局部腐蝕因其不可預測而危險性更大。從近年發(fā)生的海上腐蝕失效事故統(tǒng)計來看，全面腐蝕導致的事故約占18.3%，局部腐蝕占81.7%。此類腐蝕應屬于風機防腐中關注的重點。局部腐蝕的類型包括孔蝕(點蝕)、縫隙腐蝕、空泡沖擊腐蝕、電偶腐蝕和鹽霧腐蝕等。各類型腐蝕的機理如下所述。

1.1.1 孔蝕(點蝕)腐蝕機理

海上風機塔筒表面局部區(qū)域內(nèi)由于腐蝕出現(xiàn)小孔、坑點甚至穿孔稱為孔蝕(點蝕)腐蝕。風機塔筒在空氣中受到鹽粒作用、浪花撞擊、塔筒表面缺陷等引起此類腐蝕。在海水中Cl-使風機塔筒表面鈍化膜破裂，形成電偶腐蝕，會加速塔筒腐蝕速度。

1.1.2 縫隙腐蝕機理

縫隙腐蝕發(fā)生在風機單樁塔筒焊接鉚釘縫墊片或沉積物下的縫隙內(nèi)。破壞形態(tài)為溝縫狀，嚴重的可穿透塔筒?？p隙腐蝕是由于海水和其他介質中Cl-的濃度高導致塔筒表面氧化膜破損而形成的。縫隙部位海水中氧氣被消耗后難以及時補充，導致金屬表面新的鈍化氧化層難以形成，使塔筒縫隙部位加速腐蝕[10-12]?？孜g腐蝕和縫隙腐蝕在風機塔筒全部區(qū)域都會發(fā)生。

1.1.3 空泡沖擊腐蝕機理

在海洋環(huán)境中，高速流動海水壓力下降會形成氣泡，當壓力發(fā)生變化時會在塔筒表面發(fā)生破滅，產(chǎn)生類似于氣蝕的破壞?？张輿_擊不僅能撕裂塔筒表面涂層，甚至把塔筒體擊碎出微小顆粒，導致塔筒表面金屬直接在海水中暴露并被腐蝕，形成類似于點蝕的腐蝕形態(tài)[13]。此類腐蝕通常發(fā)生在浪花飛濺區(qū)。

1.1.4 電偶腐蝕機理

電偶腐蝕即兩種或兩種以上不同電位的金屬在腐蝕介質內(nèi)引起的電化學腐蝕[14]。發(fā)生電偶腐蝕速率大小與兩種金屬電位序差有關。兩種金屬的電位差越小，則電偶腐蝕陽極消耗越慢。此外，腐蝕介質電導率、陽極和陰極面積之比和金屬極化都會影響電偶腐蝕速率[15]。電偶腐蝕一般發(fā)生在全浸區(qū)和海泥區(qū)。

1.1.5 鹽霧腐蝕機理

海洋環(huán)境中形成的含有氯化物的大氣稱為鹽霧。鹽霧中所含的氯離子穿透金屬表面的氧化層和防腐層，導致內(nèi)部金屬發(fā)生電化學反應導致腐蝕。鹽霧中的氯離子容易吸附在金屬表面的缺口和裂紋中，隔離氧氣使鈍化表面活性增強，從而加速金屬的腐蝕[16]。鹽霧腐蝕易導致風機塔筒及塔柱剝皮且厚度變薄，通常發(fā)生在大氣區(qū)和浪花飛濺區(qū)。

1.2 海上風機塔筒腐蝕主要影響因素

根據(jù)風機腐蝕類型并結合海洋環(huán)境分析，海上風機塔筒腐蝕主要影響因素有海水水溫、潮汐、鹽度(海水電導率)、海水流速、含氧量、附著海生物和海域環(huán)境污染程度等。上述因素之間相互影響，在一定條件下任何一種都可能成為影響風機塔筒腐蝕的主要因素。例如：海水溫度降低，海水中的溶解氧含量增加，會加速氧化導致金屬材料的腐蝕速率增加[17]。溫度上升，氧的溶解度降低，生物活性降低，導致金屬腐蝕速度降低。在數(shù)值計算和防腐處理措施設計時需考慮上述因素的影響。

2 海上風機塔筒犧牲陽極腐蝕研究

2.1 工程概況

根據(jù)海上風機腐蝕類型和影響因素分析，本文以如東某海上風電場防腐工程為研究對象，運用COMSOL有限元軟件對防腐設計進行數(shù)值仿真驗證。工程位于南通市如東海域，在洋口港水域港界北側、河豚沙西部，場區(qū)中心離岸距離33 km，海底泥面高程在-18.6～0 m，水深約18 m，海底地形起伏明顯，部分在理論最低潮面以上。風電場形狀呈梯形，東西長約13 km，南北方向平均寬約5 km，風電場涉海面積64 km2，規(guī)劃裝機容量400 MW，海水年平均溫度17℃。

2.2 數(shù)值模型

根據(jù)本工程犧牲陽極布置圖(圖1)建立數(shù)值模型。將風機單樁塔筒周圍的海水和海泥假定為圓柱體，為減少計算量，根據(jù)對稱性將模型繪制成1/4圓柱體，如圖2所示。風機單樁高度64 m，風機單樁塔筒所處介質分空氣區(qū)(高7.8 m)、海水區(qū)(高18 m)、海泥區(qū)(高74.2 m)三個區(qū)段建模。由于風機單樁為電子導體可以看成等勢體，單樁實體在模型求解中采用邊代替。犧牲陽極在幾何模型中繪制為邊，采用犧牲邊陽極節(jié)點進行研究。陽極溶解后半徑減少，達到失效半徑時陽極失去作用。根據(jù)陽極設置位置不同，從上至下分為三種情況進行研究：(1)海水區(qū)有保護層犧牲陽極；(2)海水區(qū)無保護層犧牲陽極；(3)海泥區(qū)無保護層犧牲陽極(圖2)。剖分網(wǎng)格的時候區(qū)分犧牲陽極和其他介質，犧牲陽極單元格大小采用厘米級尺寸進行剖分。

圖1 犧牲陽極布置圖 圖2 鋼管樁及犧牲陽極布置位置模型

2.3 控制方程

風機塔筒在海水中的腐蝕包括一般性化學反應和電化學反應兩種化學腐蝕，其中電化學腐蝕占主導地位，陽極和陰極反應按式(1)和式(2)進行。

風機塔筒電極表面發(fā)生陽極區(qū)鐵的氧化反應和陰極區(qū)氧氣的還原反應。根據(jù)塔菲爾公式，過電位與電流密度之間關系如下

η=a+blog|i|

(3)

式中：η為過電位，V；i為電流密度，A/m2；a、b為塔菲爾常數(shù)，取決于電極材料、電極表面狀態(tài)和溶液組成等因素。本文在風機塔筒表面陽極區(qū)采用的陽極塔菲爾方程為

iloc=i0×10η/Aa

(4)

陰極塔菲爾方程為

iexpr=-i0×10η/Ac

(5)

式中：i0為交換電流密度，iloc為電極反應電流密度，A/m2；iexpr為表面電流密度，A/m2；Aa為陽極塔菲爾斜率，mV；Ac為陰極塔菲爾斜率，mV。

電極反應電流密度iloc計算考慮反應中極限電流密度ilim，A/m2，以及表面電流密度iexpr，A/m2。

(6)

過電位η通過如下公式計算

η=Φs-Φl-Eeq,m

(7)

式中：Φs為初始電極電位，V；Φl為終了電極位，V；Eeq,m為氧化平衡電位，V。

犧牲陽極半徑計算采用如下公式

(8)

式中：Q0為初始電荷密度，C/m；r0為陽極初始半徑，m；rend為陽極反應終結半徑，m。

2.4 初始條件與邊界條件

根據(jù)工程中犧牲陽極的設計壽命，采用瞬態(tài)研究求解27 a的計算結果。由于風機所處海洋環(huán)境參數(shù)變化具有隨機性，根據(jù)文獻[18]和本項目所處區(qū)域水文資料設定邊界條件，所選用參數(shù)為平均值。其中：海水溫度T=290.15 K；外部電勢為0 V；陽極電勢為-1.05 V；海水電解電導率為3.2 S/m；海泥電解電導率為1.3 S/m。設置初始交換電流密度值，海泥為0.025 A/m2，海水為0.15 A/m2，計算電極反應電流密度時考慮海水和泥漿中氧氣濃度極化的影響，設塔筒表面在海水中極限電流密度ilim值為-0.1 A/m2；泥漿中極限電流密度為-0.02 A/m2。區(qū)分塔筒有無保護層，分別設置交換電流密度。有保護層交換電流密度為2×10-5A/m2，無保護層交換電流密度為1×10-3A/m2。犧牲陽極初始半徑為0.23 m，反應終了半徑為0.05 m。將電流密度設為零損耗，如陽極數(shù)值低于該值表明陽極不再起保護作用。

2.5 計算結果分析

2.5.1 電位及電流密度分析

根據(jù)仿真計算結果可發(fā)現(xiàn)塔筒表面電位較高，表明其更具有氧化環(huán)境，對風機塔筒腐蝕性更強。圖3所示為保護開始至第5年、第10年、第15年風機塔筒表面電位(圖中標為5 a、10 a和15 a，下同)。在保護開始時，處于陽極保護區(qū)塔筒(較淺位置)表面的電位較低，海水區(qū)低于海泥區(qū)，海水區(qū)平均電位約為-1 V，與陽極保護塊對應位置的鋼管樁表面電位由于回路的電阻較小，流入電流較大，電位有所上升。海泥的電阻率高于海水，在海泥區(qū)隨著深度增加電位逐漸增高。

圖3 保護前期風機塔筒表面電位 圖4 保護結束時塔筒表面電位

圖4為保護期至18 a后塔筒不同深度的表面電位大小。由圖可見，保護期18～23 a時，陽極保護區(qū)對應的塔筒表面電位隨著深度變化有明顯變化，特別在塔筒無保護層海水區(qū)與有保護層海水區(qū)的電位相差較大，證明保護層對犧牲陽極消耗和塔筒防腐有較大影響。至23 a后塔筒表面電位相差不大，表明所有位置的犧牲陽極都已逐漸消耗完。

圖5和圖6分別為風機塔筒在犧牲陽極保護開始和結束后的電流密度分布情況。電流密度的大小能反應犧牲陽極消耗速率大小。仿真開始和仿真結束時鋼氧化的電流密度大約增加4個數(shù)量級，根據(jù)對比，在保護后期陽極消耗增加較快，塔筒保護層對陽極消耗影響明顯。

圖5 第1年局部電流密度

2.5.2 陽極消耗分析

圖7～圖9分別展示了第10年、第15年、第18年陽極半徑情況。在保護開始時海水中有保護層區(qū)域和無保護層區(qū)的塔筒電流密度差別不大。隨著運行時間增加，海水中無保護層犧牲陽極電極半徑消耗越來越多，與其他位置犧牲陽極的半徑消耗差距加大，在保護開始第10 a時，最大處有近3 cm的差距。

圖7 第10年犧牲陽極半徑 圖8 第15年犧牲陽極半徑

圖9 第18年犧牲陽極半徑 圖10 陽極犧牲半徑隨時間變化曲線

圖10給出了不同位置犧牲陽極半徑隨時間變化的情況。由于海泥電阻率較高，對塔筒有一定的保護作用。根據(jù)計算結果可見海泥中無保護層犧牲陽極反應速率最慢，在海水中有保護層犧牲陽極反應速率比海水中無保護層犧牲陽極腐蝕速率慢，其反應速率與海泥無保護層的反應速率接近。

與工程運行5 a檢測結果比對，發(fā)現(xiàn)上述數(shù)值模擬結果與犧牲陽極剩余半徑現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)基本接近，如表1所示。

表1 前5 a犧牲陽極剩余半徑數(shù)值模擬結果與現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)

從仿真結果發(fā)現(xiàn)，至18 a時，海水區(qū)無保護層塔筒對應的犧牲陽極最厚處僅為0.05 m，幾乎不起保護作用，而海水中有保護層區(qū)的犧牲陽極壽命可持續(xù)到23 a?？梢娝舶Ｗo層后能降低犧牲陽極消耗速率，可延長防腐壽命近5 a，犧牲陽極壽命延長率達27%以上。據(jù)此，在設置犧牲陽極保護的基礎上如能提高包覆保護層性能，可有效延長塔筒和保護陽極的使用壽命。

3 高阻隔樹脂基增強纖維三防復合帶防護措施

為達到犧牲陽極防腐壽命27 a的設計要求，提高風機塔筒涂層防腐壽命。經(jīng)過試驗和比對，本文采用了HG高阻隔樹脂基增強纖維三防復合帶對風機塔筒進行保護，以達到犧牲陽極設計壽命要求，提高塔筒涂層的防腐效果。

3.1 高阻隔復合帶保護層制作

HG高阻隔樹脂基增強纖維三防復合帶是在增強纖維高性能樹脂復合帶的基礎上，通過改變UV樹脂的配方，添加了石墨烯及生物毒素而獲得的具有防腐、防護(高強度、耐沖擊、耐劃傷、與鋼鐵相同的線脹系數(shù))、防污(防止海生物附著)等性能防腐保護帶。復合帶采用了對接結構加補強布的表面結構，帶材與鋼管樁軸向垂直的兩邊緊密對接(圖11-a)，可有效地避免傳統(tǒng)搭接處形成的凸高及空鼓現(xiàn)象(圖11-b)，同時極大減少了海洋生物附著。

11-a 保護層緊密對接制作方法 11-b 保護層傳統(tǒng)制作方法

3.2 高阻隔復合帶保護應用

通過HG高阻隔樹脂基增強纖維三防復合帶保護技術在如東某海上風電場防腐工程中的應用，并對運行5 a后應用結果進行檢查。采用人工在自然光照條件下，參照《GB/T 30789色漆和清漆涂層老化的評價》對15臺風機塔筒表面進行檢查。通過檢查發(fā)現(xiàn)：塔筒防腐涂層表面狀況大部分良好，未發(fā)現(xiàn)明顯的變色和起泡等現(xiàn)象，塔筒被海生物覆蓋現(xiàn)象較少，其中局部小面積破損、脫落和銹蝕的塔筒數(shù)占總檢查量26%(未采用阻隔復合帶的塔筒此類缺陷為100%)；沒有發(fā)現(xiàn)平均涂層厚度低于設計值的情況。對每個風機隨機抽檢2塊犧牲陽極(共30塊，包括海水中25塊和海泥中5塊)采用探摸檢查和測量尺寸方式進行檢查。發(fā)現(xiàn)陽極表面雖海生物覆蓋嚴重但表面溶解較好。由于運行時間短，陽極塊損耗未明顯減少，海水中犧牲陽極尺寸平均損耗近13%，海泥中犧牲陽極損耗率稍低，差別較小。經(jīng)推算，犧牲陽極平均剩余使用壽命為30.2 a，超過設計使用壽命，比風機塔筒采用傳統(tǒng)耐腐材料保護層覆蓋的犧牲陽極使用壽命提高7 a以上。

4 結論

本文分析了海上風機主要類型腐蝕的機理和影響因素，并通過數(shù)值模擬不同條件下風機單樁塔筒犧牲陽極的消耗情況，發(fā)現(xiàn)有保護層犧牲陽極消耗速率更慢。據(jù)此在項目工程中選用了HG高阻隔樹脂基增強纖維三防復合帶保護技術，經(jīng)檢測犧牲陽極壽命可達到設計要求。主要結論如下：

(1)根據(jù)仿真結果計算采用對風機塔筒體覆蓋保護層能提高犧牲陽極使用壽命27%以上。

(2)HG高阻隔樹脂基增強纖維三防復合帶保護技術具有較好防腐效果，能提高犧牲陽極使用壽命7 a以上。