海上風電腐蝕監(jiān)測技術研究現(xiàn)狀

張 真殷愛鳴金緒良王海剛聶晉峰

(中國大唐集團科學技術研究總院有限公司華北電力試驗研究院,北京市 石景山區(qū) 100040)

0 引言

在雙碳目標的背景下,我國清潔能源裝機總量不斷提升,投入運營的海上風電機組數(shù)量逐年增加[1-5]。然而,與陸上風電相比,海上風電面臨愈加嚴峻的腐蝕問題。海上風電終年處于高濕度、高鹽霧的海洋環(huán)境,并且還可能受到海中風浪、漂浮物的撞擊,因此,海上風電的基礎裝置、塔筒、機艙、葉片及零部件等,都極易出現(xiàn)腐蝕情況[6-7]。當海上風電設備處于腐蝕狀態(tài)時,輕則引起設備失效,造成經(jīng)濟財產(chǎn)損失,重則引發(fā)人身安全事故。

海上風電由于所處環(huán)境較為復雜,同時受到海水、大氣腐蝕、土壤等惡劣環(huán)境的腐蝕影響,因此腐蝕情況多變,更加需要進行腐蝕情況監(jiān)測。具體腐蝕分為:(1)海水腐蝕,海水屬于電解質(zhì)環(huán)境,含鹽量較高,還有大量繁殖的微生物,都可腐蝕金屬設備;(2)大氣腐蝕,分為氣候及污染物2種影響因素,主要是大氣中的水分、氧化物等與設備發(fā)生反應,屬于自發(fā)的薄液膜環(huán)境中的電化學反應,會導致腐蝕情況加劇;(3)土壤腐蝕,由于土壤是由氣液固三相構成的體系,以及存在微生物、雜散電流等多種原因,導致其腐蝕情況更為復雜。

海上風電的特點是大型化、連續(xù)化,應該盡量減少停運檢修的頻次和時間,延長正常使用周期。為確保海上風電設備的安全平穩(wěn)運行,在進行防腐的基礎上,需要采取相應的腐蝕監(jiān)測技術。腐蝕監(jiān)測技術是通過監(jiān)測方法或分析儀器,針對設備腐蝕速率、狀態(tài)及相關參數(shù)進行實時、連續(xù)化的監(jiān)測,確保在不影響設備系統(tǒng)安全平穩(wěn)運行的前提下,監(jiān)測設備的腐蝕情況[8]。此外,腐蝕監(jiān)測還能明晰腐蝕的形成過程并了解控制成效,評估設備的腐蝕情況及運行壽命,并快速準確地判斷腐蝕位置及情況,有針對性地采取防腐措施,起到適時維護、提高生產(chǎn)力、延長使用壽命等諸多作用[9-10]。在海上風電運行過程中,可選用1種或多種腐蝕監(jiān)測技術,以便準確全面地進行設備腐蝕在線監(jiān)測,形成監(jiān)測網(wǎng)絡,獲得設備腐蝕情況。

海上風電監(jiān)測技術需要具備監(jiān)測精度高、壽命長、響應時間短、穩(wěn)定性高、對環(huán)境適應性強等優(yōu)點,以精準判斷設備腐蝕情況及速率,使系統(tǒng)能平穩(wěn)運行。

本文分析海上風電腐蝕監(jiān)測技術的現(xiàn)狀,并探討每種技術的原理、適用情況及優(yōu)缺點,以期對設備腐蝕情況進行監(jiān)測預警及壽命評估。

1 探針技術

探針技術是通過采集腐蝕信號,并傳送至腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)中,進而轉換成相應的腐蝕速率,從而得到設備的腐蝕情況。探針是腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)中最核心的部件,其材質(zhì)一般與所監(jiān)測設備保持一致,確保能直觀、精確地反映設備腐蝕情況。

1.1 電阻探針

電阻探針是通過規(guī)定長度的金屬介質(zhì)受腐蝕影響而厚度減薄、電阻值升高,并利用電阻值的變化轉換成對應腐蝕速率的技術[11]。由于金屬材質(zhì)的探針容易受到溫度干擾,影響測量的準確度,因此通常需要加裝溫度補償探頭。溫度補償探頭位于殼體里,隔絕腐蝕環(huán)境,其電阻變化只與溫度有關,起到溫度補償?shù)淖饔?進而起到減弱或消除溫度對探針帶來誤差的作用[12]。

電阻探針可按照插入性、伸縮性及安裝位置分類,也可按照形狀分為帶、管、環(huán)、線及薄膜片等。該監(jiān)測系統(tǒng)包括中心工作站、數(shù)據(jù)采集轉換及探針。目前國內(nèi)研究機構及院校主要有中國石油天然氣集團、西南石油大學、中科院金屬研究所,生產(chǎn)廠商主要有武漢科斯特、沈陽中科韋爾、深圳格魯森及廣州易安達;國外生產(chǎn)廠商主要有美國的Teledyne Cormon、Metal Sample、GE 及COSA SCO Corrosion Management等公司。

該技術的優(yōu)點是可適于大部分環(huán)境,其信號不會受到導電性高低的影響,并且結構簡單、成本低廉,可用于在線監(jiān)測設備腐蝕率,也可用于高溫高壓環(huán)境。但其缺點是對于設備的局部腐蝕敏感度較低、準確度較差,以及測量元件較薄、使用壽命較短導致的更換頻次較高。未來的研究方向應以突破形狀限制、測定瞬時腐蝕速率為主。

1.2 電位探針

電位探針技術通常是采用高阻直流電壓表測定金屬設備的電位值,得到腐蝕電位-pH 圖或極化曲線,進而得到設備腐蝕狀態(tài)。由于設備的電化學狀態(tài)隨所處形態(tài)變化,其電位也會產(chǎn)生波動,當設備處于鈍化狀態(tài)時,其腐蝕電位值較高;而轉為活化態(tài)時,腐蝕電位較低。在鈍化區(qū)和活化區(qū)間產(chǎn)生“電偶”電流和電場,利用參比電極在設備表面測定各處的電位,得到等電位線的測定結果,可以大致判斷其腐蝕情況[13]。

由于海上風電水下部分的設備目前一般采用犧牲陽極的陰極保護法來保護易腐蝕部位,因而可直接測定犧牲陽極相對于保護設備的電位。電位腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)包括電位腐蝕自動監(jiān)測儀、監(jiān)測探頭、數(shù)據(jù)采集器及計算軟件等,實現(xiàn)實時自動監(jiān)測設備的電位腐蝕情況。

該技術的優(yōu)點是在對設備表面無干擾的基礎上可快速得到其腐蝕情況,缺點只適用于電解質(zhì)環(huán)境,并且容易受到設備的金屬特性、孔隙液電導率、雜散電流、溫度等的干擾,無法得到具體的腐蝕速率,只能用于定性判斷腐蝕階段,一般用于初期、局部的腐蝕監(jiān)測等相對局限的場景,在生產(chǎn)中可聯(lián)合其他技術使用[14]。

1.3 電偶探針

電偶腐蝕由于不同金屬處于同一導電介質(zhì)內(nèi),出現(xiàn)自腐蝕電位形成電位差,在此情況下,處于低電位的金屬極化反應加劇,處于高電位的金屬極化反應減慢,導致腐蝕電位差值增大,電偶腐蝕的傾向也隨之增大[15-18]。電偶探針技術正是基于測定電偶腐蝕的差值來得到設備的腐蝕情況。

國內(nèi)主要研究院校和機構是華中科技大學和武漢科斯特,其中華中科技大學的郭興蓬等發(fā)明了一種電偶電化學噪聲腐蝕監(jiān)測探針,可對多相腐蝕介質(zhì)中的局部腐蝕進行監(jiān)測;武漢科斯特研發(fā)了電偶型大氣腐蝕監(jiān)測儀、CST500電偶腐蝕/電化學噪聲監(jiān)測儀。

該技術的優(yōu)點是能測定瞬時腐蝕率;缺點是當電偶體系的陽極是鈍性材料時,易發(fā)生點蝕,導致測得電偶電流密度偏小,使其測得的平均電偶電流密度不宜作為評判設備腐蝕性的依據(jù)。

1.4 電感探針

電感探針是利用腐蝕環(huán)境引起設備的電磁阻發(fā)生變化來測定腐蝕速率的技術。其過程是探針內(nèi)部纏繞腐蝕測量元件的線圈磁阻變化產(chǎn)生腐蝕電流,腐蝕電流大小可根據(jù)極化電阻值、塔菲爾常數(shù)計算得到,進而由設備材質(zhì)的電化學當量、比重得到其腐蝕速率[19],其中管狀和片狀的監(jiān)測原理一致[20]。

該技術的優(yōu)點是響應迅速、分辨率高、對腐蝕介質(zhì)無要求、抗干擾力強;缺點是該探針大多為插入式,是借助探頭金屬腐蝕減少量來判斷實時腐蝕速率,因此只對均勻腐蝕監(jiān)測有效,而對局部腐蝕的測定結果不太準確,所以要加裝其他監(jiān)測手段來彌補不足,或額外安裝旁路[21]。

目前國內(nèi)主要研究機構是沈陽中科韋爾,其開發(fā)研究了一種精度達10 nm 的電感探針腐蝕監(jiān)測儀。

1.5 氫探針

氫探針是通過測定氫的壓力或滲透電流來監(jiān)測腐蝕率。當酸性環(huán)境中發(fā)生腐蝕反應產(chǎn)生氫及陰極產(chǎn)物為氫時,呈原子態(tài)或離子態(tài)進入設備里層,在夾雜處或空穴中生成氫,進而降低設備的金屬延展性,使其脆性增加,出現(xiàn)氫脆、開裂、鼓泡現(xiàn)象。而氫探針可測定氫擴撒傾向,從而判定其腐蝕發(fā)展趨勢[22]。

氫探針按原理分為電化學型、壓力型、真空型。電化學型氫探針是在探針內(nèi)部裝滿電解質(zhì)溶液,控制電壓處在氫易離子化的電位,設備腐蝕產(chǎn)生的氫原子可進入探針并被氧化成離子態(tài),通過測量原電池電流,即可計算出滲氫量,得到設備腐蝕情況。壓力型氫探針是三者中最簡單的類型,其利用壓力的變化來計算滲氫量,外界的氫滲入內(nèi)部合成氫分子,使測壓器的壓力發(fā)生變化,通過計算壓力增加的速率可計算腐蝕速率,通常用于低位溶液中。真空型氫探針是利用探針外壁析氫產(chǎn)生的氫原子擴散入內(nèi)部后,在真空環(huán)境發(fā)生離子化反應產(chǎn)生電流,其速率可反映設備腐蝕速率,通常用于酸性油質(zhì)環(huán)境腐蝕監(jiān)測[23]。

該技術的優(yōu)點是構件簡單,可做到無損監(jiān)測;缺點是適用范圍較窄,只適用于析氫腐蝕,并且只能反映總體的滲氫速度,不能測量局部腐蝕。

1.6 電化學探針

電化學探針又稱線性極化探針,是利用腐蝕設備的極化電位和電流呈線性關系,電流和腐蝕速率呈正比關系,進而測定電極的極化電阻值,并通過Stern-Geary方程得到設備腐蝕速率[24]。目前生產(chǎn)廠商主要是美國Magan公司和英國Waverley公司。

該技術的優(yōu)點是反應迅速、可監(jiān)測瞬時速率;缺點是容易受環(huán)境干擾導致測量結果準確度降低,需要增加與探針中測試電極的形狀、材料、尺寸相同的參比電極和輔助電極來減弱干擾,且限制于常溫常壓電化學體系,因此常用于海水全浸區(qū)的設備腐蝕監(jiān)測。

2 電化學技術

電化學腐蝕監(jiān)測技術,是無需破壞設備表層且響應迅速的監(jiān)測手段,也可以利用監(jiān)測器快速判斷設備的腐蝕情況,接下來要研究電化學技術在海上風電設備腐蝕監(jiān)測中適用的技術。

2.1 電化學阻抗譜

電化學阻抗譜是對電化學系統(tǒng)施加固定頻率的小幅正弦電位擾動,通過測定響應信號值得到阻抗譜,在等效電路模型或數(shù)學模型的基礎上,可反復測量、分析、計算,得到設備的腐蝕狀態(tài)[25]。

電化學阻抗譜技術在用于海水環(huán)境在線監(jiān)測時,需要獲取較好的阻抗數(shù)據(jù),系統(tǒng)需要滿足穩(wěn)定性、因果性及線性等要求。但是腐蝕環(huán)境的復雜性造成系統(tǒng)穩(wěn)定性難度增加,所以一般系統(tǒng)變化較慢則近似認為穩(wěn)定、阻抗數(shù)據(jù)可用,而產(chǎn)生的無效數(shù)據(jù)可通過一定轉換來檢測數(shù)據(jù)的有效性。阻抗譜數(shù)據(jù)的解析包括2種:(1)是擬合等效電路圖,得到電化學特征參數(shù);(2)是采用轉移函數(shù),根據(jù)電化學腐蝕微分方程,得到阻抗表達式,這種方法過程較為繁瑣,使用較少。

文獻[26]研究了一處長期處于海洋環(huán)境中的鋼筋混凝土梁結構,利用交流阻抗來消除電流、電阻所引起的偏差(IR 降),計算出極化阻力進而得到其腐蝕情況;文獻[27]研究了一種基于交流阻抗技術的腐蝕監(jiān)測探頭,并用于青島地區(qū)海洋環(huán)境中碳鋼設備的腐蝕監(jiān)測,可得到相應腐蝕情況及溫、濕度對腐蝕速率的影響。

該技術的優(yōu)點是:(1)監(jiān)測頻率范圍大,可原位監(jiān)測電化學腐蝕情況;(2)測定結果準確,可顯示防腐涂層界面下層的腐蝕過程,適于分析動力學進程;(3)對設備擾動小,不會對設備的結果產(chǎn)生影響。缺點是:(1)目前頻率范圍多用于試驗室階段,阻礙了該技術在海上風電現(xiàn)場的應用;(2)若腐蝕環(huán)境不穩(wěn)定,則大多得到的是無效數(shù)據(jù),因此對系統(tǒng)穩(wěn)定性要求較高;(3)圖譜復雜性高,需要專業(yè)人員進行數(shù)據(jù)解析,限制了大規(guī)模應用。

2.2 電化學噪聲

電化學噪聲腐蝕監(jiān)測是在系統(tǒng)非擾動基礎上,通過測定電極表面電勢及電流波動信號的變化,來表明設備的腐蝕狀態(tài)[28]。

電化學噪聲包括電流、電壓噪聲,又可分為閃爍、散粒效應和熱噪聲[29]。電化學噪聲的測量系統(tǒng)包括異種電極、全同電極和工作電極等3種類型。

文獻[30]利用電化學噪聲技術研究了加州失落山卡恩3號水處理廠的腐蝕情況,并進行了現(xiàn)場試驗,同期測定線性極化電阻和電位學噪聲來計算平均及瞬時腐蝕速率,結果表明腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)可信;文獻[31]研究了電化學噪聲技術對5083 和6061這2種鋁合金的縫隙腐蝕情況,并且探究了材料顯微情況與縫隙腐蝕之間的關聯(lián)性,結果表明:成分改變和IR 降分別是5083、6061鋁合金產(chǎn)生縫隙腐蝕的重要因素。

該技術的優(yōu)點是:(1)不用額外建立測量系統(tǒng)的電極過程模型,屬于原位腐蝕監(jiān)測技術;(2)設施簡單,可遠距離在線監(jiān)測、分析設備的應力腐蝕、局部腐蝕及系統(tǒng)的腐蝕速率等。缺點是:腐蝕進程中電化學狀態(tài)會發(fā)生變化,欠缺腐蝕監(jiān)測系統(tǒng),加大了監(jiān)測難度。

2.3 光電化學

光電化學技術屬于原位監(jiān)測,該技術是利用電極和電解質(zhì)溶液產(chǎn)生的光電效應來進行腐蝕監(jiān)測,通過測定光電效應可得到相關電極表面的結構信息,可監(jiān)測設備的光學、電子性質(zhì)及金屬相表層的組成和相應的腐蝕情況[32]。

文獻[33]研究了電解質(zhì)材料光電化學過程的蝕刻腐蝕過程,結果表明:腐蝕過程發(fā)生在橫向n型層中,在結構中形成空隙和空腔,進而加劇腐蝕情況。文獻[34]研究了影響金屬光電化學防腐的因素,即通過測定光強、溶液組成、半導體種類和性質(zhì)等,得到了利用復合、改性電導體來提高光電轉換效率的方法。

該技術的優(yōu)點是可在微觀環(huán)境下監(jiān)測金屬設備表面鈍化膜的孔蝕情況,缺點是光電轉換效率較低且對材料要求較高,未來研究方向應以擴展催化劑的光譜利用范圍、提高光電轉換效率為重點[35]。

2.4 腐蝕電位

腐蝕電位是在未外加電流時,金屬達到腐蝕的穩(wěn)定狀態(tài)時表現(xiàn)出的電位,是陽極和陰極的極化反應產(chǎn)生的混合電位,本質(zhì)是結合極化數(shù)據(jù)來判斷設備腐蝕及陰極保護系統(tǒng)情況。

該技術的優(yōu)點是可方便快捷地監(jiān)測腐蝕狀態(tài)的變化情況,缺點是參比電極可能發(fā)生反應而受到污染,并且高溫環(huán)境需使用特制的參比電極。

2.5 線性極化阻力

極化阻力Rp是對試樣施加小的極化電流后其極化電位ΔE和極化電流ΔI的比值,線性極化方程式將表征腐蝕速度的自腐蝕電流與極化阻力聯(lián)合,經(jīng)測定極化阻力可計算腐蝕電流,并利用法拉第定律計算腐蝕速率[36]。我國南海油田采油系統(tǒng)的腐蝕監(jiān)測采用美國Amoco東方石油公司的線性極化技術。

該技術的優(yōu)點是反應迅速、靈敏度高、可監(jiān)測瞬時腐蝕速率且對電極系統(tǒng)影響弱;缺點是限制于導電性高的體系,無法監(jiān)測局部腐蝕。

3 其他技術

3.1 失重技術

失重技術是利用處于腐蝕環(huán)境中掛片的重量改變來計算平均失重量,評價其腐蝕狀態(tài)[37]。

該技術的優(yōu)點是經(jīng)濟、簡單、使用廣泛,可利用試片分析表面腐蝕產(chǎn)物、速率、類型;缺點是掛片期間不能判斷腐蝕程度,若時間過短則準確性大大降低。

3.2 超聲波

超聲波技術是在超聲波脈沖反射基礎上,測定回聲返回需要的時間并記錄共鳴時的聲波振幅,來檢測腐蝕情況[38]。日本某公司研發(fā)了干耦合超聲波檢測器;英國Sonatest機構研發(fā)了自動調(diào)節(jié)方向的超聲檢測器;我國中海油公司研發(fā)了一種超聲波腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)。

該技術的優(yōu)點是精度高、不受設備形狀限制;缺點是只能檢測整體腐蝕情況。

3.3 電偶腐蝕

電偶腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的電流表能監(jiān)測金屬對間的電偶電流,該電流和設備腐蝕情況相關,可通過電偶電流轉變成相應設備的腐蝕速率,做到腐蝕情況的實時監(jiān)測[39]。武漢科斯特公司研發(fā)了CST516八通道電偶腐蝕監(jiān)測儀。

該工藝的優(yōu)點是工藝簡便;缺點是我國在該領域的核心技術受制于國外,且缺乏相關技術標準。

3.4 聲發(fā)射

聲發(fā)射技術是基于材料變形斷裂時產(chǎn)生應變能并釋放聲能,通過監(jiān)測聲波可分析腐蝕情況[40]。

該技術優(yōu)點是靈敏度高、可用于高溫環(huán)境并且能得到腐蝕過程的動態(tài)參數(shù);缺點是只能用于拉應力腐蝕,且有效區(qū)分腐蝕信號和噪聲是最大的難點。

3.5 薄層活化

薄層活化技術是一種用于測量材料腐蝕和侵蝕的核技術,該技術需要用高能離子束照射材料,并在材料經(jīng)受腐蝕性環(huán)境后測量放射性損失[41]。英國哈威爾原子核研究機構、西德卡爾斯魯埃核研究機構及奔馳、通用、豐田等車企均采用該技術精確監(jiān)測設備及零件磨損情況。

該技術的優(yōu)點是可無損遠程監(jiān)測、節(jié)省時間、靈敏度高,缺點是存在輻射。

3.6 場圖像

場圖像技術是通過監(jiān)測電位差得到電場分布的變化情況,來監(jiān)測設備腐蝕情況[42]。目前英國、美國的某個公司生產(chǎn)的便攜系統(tǒng),可用于內(nèi)腐蝕外監(jiān)測。

該技術優(yōu)點是可監(jiān)測點蝕、裂紋;缺點是靈敏度低,信號數(shù)據(jù)難處理。

3.7 恒電量

恒電量技術是將己知電荷作為激勵信號快速施加到電極上,記錄電位隨時間變化曲線來得到腐蝕情況[43]。湖南大學趙常就等研發(fā)出了一種恒電量智能腐蝕監(jiān)測儀。

該技術優(yōu)點是無損檢測、結果定量,可監(jiān)測瞬時和平均腐蝕速率;缺點是設備自動化程度低、數(shù)據(jù)處理難度大。

4 總結

本文探討了多種腐蝕監(jiān)測技術,用以監(jiān)測海上風電設備的腐蝕情況,但是每種技術都存在優(yōu)缺點,需要結合實際情況,尋找具有實時監(jiān)測、靈敏度高、數(shù)據(jù)精確度高等特點的監(jiān)測方法和技術,將設備的腐蝕情況真實準確地進行反饋,來有效防范腐蝕風險,保證設備平穩(wěn)運行及機組安全生產(chǎn),以期對海上風電設備的腐蝕監(jiān)測提供參考。