海上風電GIS匯控柜防腐蝕研究與應用

0 引言

隨著海上風電的快速發(fā)展，GIS（氣體絕緣開關設備）具備占地面積小、可靠性高、維護工作量小等優(yōu)點，已在海上風電項自中得到廣泛應用。作為GIS設備的控制中樞，匯控柜負責對設備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控、操作控制及保護，其可靠運行對保障整個風電系統(tǒng)的安全性至關重要。然而，海上風電所處的高濕、高鹽霧、強紫外線環(huán)境對匯控柜的金屬部件及電子元器件造成了嚴重的腐蝕威脅，直接影響GIS設備的長期穩(wěn)定運行。本文旨在探討海上風電GIS匯控柜面臨的腐蝕問題及其解決方案，通過分析環(huán)境因素對匯控柜的影響，評估現(xiàn)有防腐技術的效果，并提出綜合防腐蝕策略。本文采用文獻分析、試驗測試和案例研究相結合的方法，重點考察新匯控柜新防腐蝕技術方案的應用效果，研究成果可為改善海上風電GIS匯控柜的環(huán)境適應性、延長其使用壽命提供理論支持和實踐指導，對推動海上風電技術的進步具有重要意義。

1海上風電GIS匯控柜面臨的環(huán)境影響

1.1 高濕影響

海上風電環(huán)境中空氣濕度常年居高不下，GIS匯控柜表面及內部容易產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，使金屬部件易腐蝕、絕緣材料老化加快、電氣元件絕緣性能降低。對于內部含有印刷電路板的敏感電子元件，凝露可能引發(fā)接觸不良、漏電、短路、誤動作等故障。

1.2 高鹽霧影響

海水中含高濃度鹽分，尤其是氯化鈉，氯離子因其半徑小，可滲透至鈍化膜中與陽離子發(fā)生化學反應破壞鈍化膜結構，不僅會對金屬表面產(chǎn)生化學腐蝕，還能造成材料內部結構破壞[1]，從而加劇金屬腐蝕速度[2]。

1.3 強紫外線影響

海上紫外線輻射較強，長期的紫外線照射會使GIS匯控柜中高分子材料（密封橡膠、電氣元件外殼、模擬線等）發(fā)生性能劣化，如硬度降低、韌性下降、脆性增加、褪色等，從而使其防護性能降低，間接導致金屬部件更容易受到腐蝕。

1.4 環(huán)境影響結果

高濕、高鹽霧、強紫外線環(huán)境因素對匯控柜的綜合影響表現(xiàn)為：首先，匯控柜金屬外殼和內部結構件容易發(fā)生均勻腐蝕和局部腐蝕，導致機械強度下降和電氣性能惡化。其次，電子元器件和電路板在高濕環(huán)境下容易發(fā)生電化學遷移，造成短路或斷路故障。此外，密封材料和絕緣材料在紫外線和鹽霧的共同作用下容易老化失效，導致防護性能下降。這些腐蝕問題嚴重威脅了GIS匯控柜的長期可靠運行，亟需采取有效的防護措施。

2 現(xiàn)有防腐技術與措施分析

針對海上風電GIS匯控柜的腐蝕問題，目前主要采用材料選擇、表面防護處理、結構設計和環(huán)境控制等防腐蝕措施。

2.1 材料選擇

2.1.1 匯控柜材料

GIS匯控柜外殼及支撐部件優(yōu)先選用耐腐蝕性能好的材料，如不銹鋼、鋁合金等。不銹鋼具有良好的耐蝕性和強度，能夠有效抵御鹽霧和濕氣的侵蝕。鋁合金則具有質輕、導熱性好、耐蝕性較強等優(yōu)點，通過表面處理后，其耐蝕性能可進一步提高，可作為柜內支撐結構件的首選材料。

2.1.2 電氣元件材料

在選擇電氣元件時，優(yōu)先選用具有船級認證的電氣元件，沒有具備船級認證的元件可供選擇時，應選擇具備防潮、防霉、防鹽霧性能的產(chǎn)品。電氣元件設計時考慮增加防護涂層或封裝結構，以增強其對惡劣環(huán)境的適應能力。對于金屬緊固件，可采用鍍鉻、鍍鋅、鍍鎳等表面處理工藝，在其表面形成一層致密的保護膜，提高其抗腐蝕能力。

2.2 表面防護處理

防腐涂層是海洋環(huán)境下金屬結構使用最多、應用范圍最廣的腐蝕防護技術[3]，涂層具體作用有屏蔽、鈍化、陰極保護和緩蝕等[4]。對GIS匯控柜外殼和柜內金屬支撐部件，應在其表面噴涂環(huán)氧漆、聚氨酯漆等。在噴漆過程中要嚴格控制施工工藝，應對金屬表面進行嚴格的預處理，包括除油、除銹、打磨等，以確保漆膜厚度均勻，附著力良好。同時，應定期對涂層進行檢查和維護，如有破損應及時修復。

2.3 匯控柜密封與防潮結構設計

2.3.1 匯控柜柜體密封

通過優(yōu)化GIS匯控柜密封結構設計，防止外界的鹽霧、濕氣等腐蝕性介質進入柜體內部?？稍趨R控柜的柜門、通風口、電纜進出口等部位設置有效的密封膠條、密封墊圈或電纜封堵泥，并確保密封件的質量、安裝精度以及施工質量。此外，可在柜體內部設置防潮除濕機，當柜內濕度較高時，除濕機能夠自動析出水分，保持柜內空氣干燥。

2.3.2 電氣元件密封

對于一些關鍵的電氣元件，如接觸器、繼電器等，目前主要采用密封封裝的方式將其與外界環(huán)境隔離。例如，采用環(huán)氧樹脂灌封技術，將元件封裝在環(huán)氧樹脂中，不僅能夠提高元件的防潮、防鹽霧性能，還能增強其電氣絕緣性能和機械性能。此外，對于印刷電路板（PCB），可在其表面涂覆一層三防漆（防潮、防霉、防鹽霧），以保護電路板上的電子元件不受腐蝕。

2.4 環(huán)境控制措施

環(huán)境控制措施主要通過改善GIS設備運行環(huán)境，降低海洋環(huán)境對設備的影響，如在海上風機塔筒或GIS設備室中安裝除濕設備和空氣過濾系統(tǒng)，以降低環(huán)境濕度及鹽霧濃度。GIS匯控柜根據(jù)給定環(huán)境條件設計即可。

2.5 現(xiàn)有技術措施的局限性

采用上述防腐技術措施后，工程應用中發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)金屬材料在長期暴露下仍會發(fā)生腐蝕，涂層易受機械損傷和老化影響。密封結構在長期使用后可能出現(xiàn)失效，環(huán)境控制設備增加了能耗和維護成本。此外，現(xiàn)有措施多側重于被動防護，缺乏對腐蝕狀態(tài)的實時監(jiān)測和預警能力。因此，需要開發(fā)更先進的防腐蝕技術和綜合防護策略，以提高匯控柜的環(huán)境適應性，延長其使用壽命。

3海上風電GIS匯控柜防腐蝕研究與應用

為應對海上風電GIS匯控柜的腐蝕挑戰(zhàn)，本文在原防腐蝕方案基礎上進行改進，并成功實現(xiàn)工程應用，具體方案如下。

3.1 表面防護優(yōu)化

選用規(guī)格為 150mm×70mm×5mm 的304不銹鋼和316L不銹鋼樣件，參照ISO12944-9對304不銹鋼樣件和316L不銹鋼樣件進行紫外線和鹽霧循環(huán)老化試驗。鹽霧濃度： 50g/L 的NaC1溶液；試驗箱溫度： 35^°C ；鹽霧沉降量： 1.6mL/（80cm²?h） ；紫外線輻照度 0.83W/m² 。4200h試驗后，304不銹鋼和316L不銹鋼樣件均有輕微銹蝕痕跡，不滿足海洋環(huán)境長期運行要求。

對304不銹鋼和316L不銹鋼樣件分別進行防護處理，表面處理后噴底漆環(huán)氧樹脂，面漆氟碳漆，漆膜總厚度 130μm 。在同樣的試驗條件下進行鹽霧試驗，試驗后304不銹鋼和316L不銹鋼樣件表面均完好，涂層無破損起皮情況，無銹蝕痕跡?？紤]到運行過程中可能出現(xiàn)機械碰撞導致漆膜破損等情況，匯控柜外殼選用耐腐性能更優(yōu)的316L不銹鋼替代304不銹鋼，采用耐腐蝕性能優(yōu)異的碳纖維復合材料替代鋁合金支撐部件。

3.2 元器件金屬部件防腐

電氣元件內部印刷電路板經(jīng)三防處理后，防護性能良好，其裸露的金屬接線端子成為耐腐蝕性能的薄弱環(huán)節(jié)。對匯控柜常用電氣元件（繼電器、轉換開關等），根據(jù)GB/T2423.18進行Kb鹽霧試驗，試驗后，封裝及三防處理過的部分耐腐蝕效果良好，而裸露金屬端子出現(xiàn)銹蝕，其中鍍鎳金屬部件銹蝕情況嚴重，鍍鋅層表面有少量腐蝕痕跡，基體未發(fā)生銹蝕，鹽霧試驗后實物如圖1所示。試驗結果表明，同種基體時鍍鋅比鍍鎳有更好的耐腐蝕性能。因此，匯控柜內元器件及緊固件金屬優(yōu)先選用鍍鋅部件或不銹鋼部件。

3.3 智能監(jiān)測系統(tǒng)

在海上風電GIS匯控柜內安裝智能監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測柜內溫濕度、鹽霧濃度、腐蝕速率，及時發(fā)現(xiàn)柜內的腐蝕隱患，實現(xiàn)腐蝕狀態(tài)預警，為采取相應的防腐蝕措施提供依據(jù)。例如，當監(jiān)測到柜內潮濕時，啟動除濕機及時排出柜內濕氣；當監(jiān)測到某一部位的腐蝕速率超過設定值時，可及時對該部位進行檢查和維護，避免腐蝕進一步加劇。

3.4 工程應用案例分析

以防城港某海上風電GIS設備為例，設備運行在風機塔筒內，塔筒內設置除濕機，除濕機 70%RH 啟動， 60%RH 停止，運行要求塔筒內設備防腐等級為C4H。GIS匯控柜外殼及支撐框架采用316L不銹鋼材質，外表面分層噴涂環(huán)氧樹脂漆、氟碳漆，漆膜總厚度 130μm 。端子排及元器件的支撐部件采用碳纖維增強塑料材質，控制繼電器及端子排選用有船級認證產(chǎn)品，金屬部件鍍鋅處理或選用316L不銹鋼金屬部件。匯控柜內設置智能監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測柜內溫濕度、鹽霧濃度，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)控制柜內微環(huán)境。該工程投運3年，其間未發(fā)生腐蝕相關故障，工程應用案例證明了本文改進后的防腐蝕技術在提高匯控柜可靠性方面的有效性。

4海上風電GIS匯控柜防腐蝕技術發(fā)展趨勢

4.1 智能防腐蝕技術

隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術的不斷發(fā)展，智能防腐蝕技術將成為未來的研究熱點。采用間接監(jiān)測技術監(jiān)測受腐蝕影響而出現(xiàn)變化的參數(shù)（如腐蝕點位、腐蝕產(chǎn)物、腐蝕介質等）[5]，并利用數(shù)據(jù)分析對設備的腐蝕趨勢進行評估和控制，根據(jù)評估結果自動調整防腐蝕措施，實現(xiàn)智能化的防腐蝕預警及管理是未來的發(fā)展趨勢之一。通過在GIS匯控柜內安裝監(jiān)測傳感器，可以實時采集GIS設備的環(huán)境參數(shù)、腐蝕數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)等信息，并利用數(shù)據(jù)分析對設備的腐蝕趨勢進行評估和控制，最終實現(xiàn)智能化的防腐蝕預警及管理。

4.2 多種材料協(xié)同防護

多種材料協(xié)同防護是一種創(chuàng)新的防腐蝕策略，即通過合理搭配不同性能的材料，實現(xiàn)對GIS匯控柜及電氣元件的全方位保護。例如采用不銹鋼、玻璃鋼和密封膠三種材料協(xié)同防護的方案，GIS匯控柜的主體框架采用不銹鋼材料制造，不銹鋼具有良好的耐腐蝕性和機械強度，能夠為柜體提供基本的防護。柜體的外殼部分使用玻璃鋼材料，玻璃鋼具有輕質、高強度、耐腐蝕等優(yōu)點，能有效抵抗鹽霧、水汽和紫外線的侵蝕，同時還能減輕柜體的重量，便于安裝和維護。在柜體的拼接縫、柜門與柜體的連接處等部位，使用高性能的密封膠進行密封處理。密封膠能填充縫隙，阻正腐蝕介質的侵入，確保柜體內部的電氣元件處于一個相對密封的環(huán)境中。

在電氣元件的防護方面，也可采用多種材料協(xié)同的方式。對于一些關鍵的電氣元件，其外殼采用工程塑料制造，工程塑料具有良好的絕緣性能和耐腐蝕性，能夠有效保護內部的電子元件。在元件的引腳部位，采用鍍銀處理，鍍銀層具有良好的導電性和抗腐蝕性，能夠防止引腳在潮濕環(huán)境中發(fā)生腐蝕，保證電氣連接的可靠性。同時，在元件的封裝過程中，使用灌封膠對內部電路進行灌封處理，灌封膠能夠填充元件內部的空隙，隔絕空氣和水分，進一步提高元件的防腐蝕性能和電氣性能。通過多種材料的協(xié)同作用，可以形成一個多層次、全方位的防護體系，顯著提高GIS匯控柜在惡劣海洋環(huán)境中運行的可靠性和穩(wěn)定性。

4.3 多功能一體化防腐蝕技術

將多種防腐蝕技術有機結合，形成多功能一體化的防腐蝕方案，也是未來的發(fā)展方向之一。例如，將材料表面處理技術與密封技術相結合，開發(fā)出具有自修復功能的密封涂層，既能提高密封性能，又能在涂層受損時自動修復，增強防腐蝕效果。此外，還可以將防腐蝕技術與電氣性能優(yōu)化、散熱等功能相結合，實現(xiàn)設備性能的綜合提升。

5 結束語

本文針對海上風電GIS匯控柜面臨的嚴苛腐蝕環(huán)境，提出了一系列有效的防腐蝕解決方案。通過表面防護優(yōu)化、元器件防腐設計優(yōu)化和采用智能監(jiān)控系統(tǒng)，顯著提高了匯控柜的環(huán)境適用性，延長了其使用壽命。隨著科技的不斷進步，智能防腐蝕技術、多種材料協(xié)同防護以及多功能一體化防腐蝕技術等將為海上風電GIS設備的防腐蝕提供更先進、更可靠的解決方案。在未來的海上風電項目中，應不斷關注和研究防腐蝕技術的發(fā)展動態(tài)，持續(xù)優(yōu)化防腐蝕措施，確保海上風電GIS設備長期穩(wěn)定運行。

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