海上風機葉片腐蝕數(shù)據(jù)規(guī)范化研究

摘要：【目的】解決海上風機葉片腐蝕數(shù)據(jù)標準化缺失問題。【方法】融合現(xiàn)有數(shù)據(jù)標準，構(gòu)建涵蓋存儲架構(gòu)、三維定位、特征量化、環(huán)境耦合的規(guī)范化體系，建立腐蝕形貌拓撲鏈與環(huán)境參量數(shù)據(jù)庫?！窘Y(jié)果】創(chuàng)建國內(nèi)首個全生命周期葉片腐蝕數(shù)據(jù)標準，實現(xiàn)腐蝕表征從定性到定量的轉(zhuǎn)化。【結(jié)論】該標準填補了海上風電腐蝕數(shù)據(jù)空白，為風機健康監(jiān)測、防腐技術(shù)研發(fā)及數(shù)字化運維提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，助力產(chǎn)業(yè)降本增效。

關(guān)鍵詞：海上風機葉片；數(shù)據(jù)格式；腐蝕類型；規(guī)范化；海上環(huán)境

0引言

中國于2020年提出的“雙碳”目標將可再生能源發(fā)展推向戰(zhàn)略高度。作為清潔能源的重要組成部分，海上風電憑借其資源豐富、不占用陸地空間、發(fā)電效率高等優(yōu)勢，成為實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵抓手[1]。然而，海上復(fù)雜環(huán)境（高鹽霧、強紫外線、微生物侵蝕及動態(tài)沖刷）導(dǎo)致風機葉片腐蝕問題突出，直接威脅設(shè)備使用壽命并影響運維經(jīng)濟性[2-3]。盡管國際標準如IEC61400—5：2020、國家標準如GB/T33630—2017等已對風機防腐提出基礎(chǔ)性要求，但現(xiàn)有規(guī)范多聚焦于檢測技術(shù)或涂層性能，對腐蝕數(shù)據(jù)的采集、存儲及共享標準鮮有涉及[4-12]。數(shù)據(jù)格式的碎片化嚴重制約了腐蝕機理研究、防護技術(shù)優(yōu)化及國際數(shù)據(jù)協(xié)作，成為海上風電規(guī)?；l(fā)展的瓶頸。

針對上述挑戰(zhàn)，本文系統(tǒng)提出海上風機葉片腐蝕數(shù)據(jù)標準化框架，重點突破四大核心問題。

（1）數(shù)據(jù)儲存格式規(guī)范化：整合ASTMG107—95[13-14]與國內(nèi)材料腐蝕數(shù)據(jù)庫標準[15-16]，構(gòu)建兼容XML結(jié)構(gòu)化存儲的通用數(shù)據(jù)模板；

（2）腐蝕坐標體系統(tǒng)一化：基于葉素理論[17]建立二維空間編碼系統(tǒng)，實現(xiàn)對腐蝕位置與深度的精準量化；

（3）腐蝕程度分級標準化：結(jié)合環(huán)境分區(qū)與面積占比法，提出動態(tài)腐蝕等級劃分模型；

（4）環(huán)境因素動態(tài)耦合：集成多源傳感器數(shù)據(jù)與動態(tài)補償算法，建立環(huán)境-腐蝕速率關(guān)聯(lián)圖譜。

本研究填補了海上風機腐蝕數(shù)據(jù)標準化領(lǐng)域的理論空白，其成果可為跨國數(shù)據(jù)共享、智能防腐決策及全壽命周期管理提供核心支撐，助力實現(xiàn)《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》提出的海上風電裝機容量目標，并為全球風電產(chǎn)業(yè)標準化進程貢獻中國方案。

1數(shù)據(jù)儲存格式規(guī)范化

海上風機葉片腐蝕數(shù)據(jù)規(guī)范化聚焦數(shù)據(jù)儲存格式、風機葉片坐標和質(zhì)量評估等方面，從而確保采集到的數(shù)據(jù)在質(zhì)量、分類和一致性上滿足標準化要求。風機葉片腐蝕通常由不同原因?qū)е?，采集到的腐蝕程度、類型、面積、速率等數(shù)據(jù)沒有一個共同標準，同時受限于其他標準，如ISO8407：2021《金屬和合金的腐蝕—從腐蝕測試樣品中去除腐蝕產(chǎn)物》[18]、ISO12944—2017《鋼結(jié)構(gòu)防護涂料系統(tǒng)的腐蝕保護》[19-20]，不同材料被分類記錄，尚無規(guī)范化記錄。

表1總結(jié)了現(xiàn)階段國內(nèi)外使用較多的腐蝕數(shù)據(jù)儲存格式，其中使用最廣泛的是美國材料實驗協(xié)會的ASTMG107—95（2020）E1標準。數(shù)據(jù)儲存格式規(guī)范化有利于簡化處理流程，提高數(shù)據(jù)的使用率，促進不同組織和企業(yè)對于海上風電防腐的科學研究。

建議基于國家材料腐蝕與防護科學數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)，結(jié)合ASTM存儲格式，根據(jù)GB/T25385—2019標準定期采集備份風電場及監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)。腐蝕數(shù)據(jù)應(yīng)涵蓋葉片材料、腐蝕類型、面積、程度及檢測方法。為便于后續(xù)防腐研究及國際交流合作，推薦采用XML格式存儲擴展信息（如腐蝕環(huán)境、速率、質(zhì)量損耗和防護措施），其結(jié)構(gòu)化特性優(yōu)于CSV文件，更適用于復(fù)雜數(shù)據(jù)整合。

考慮到海上風機葉片的腐蝕類型通常與地域性有極強關(guān)聯(lián)，建議將海域坐標、實時與預(yù)測天氣數(shù)據(jù)（包括溫度、濕度、降水量及風速變化趨勢）、環(huán)境化學參數(shù)（如海水pH值、溶解氧含量、微生物群落）等內(nèi)容寫入XML文件的原始數(shù)據(jù)信息中，從而增加各腐蝕影響因素之間的關(guān)聯(lián)性。此方案不僅增強了數(shù)據(jù)兼容性與可追溯性，還可為跨國風電項目提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，促進國際防腐技術(shù)經(jīng)驗共享與標準互認，減少地域差異導(dǎo)致的運維成本冗余，推動全球海上風電產(chǎn)業(yè)標準化與可持續(xù)發(fā)展。

2葉片坐標體系規(guī)范化

目前，全球海上風機葉片的設(shè)計和裝配領(lǐng)域尚未形成統(tǒng)一的國際標準，不同國家和企業(yè)往往基于自身需求或行業(yè)習慣制定規(guī)范。這種分散化導(dǎo)致葉片在幾何參數(shù)、材料選擇，甚至防腐策略上存在顯著差異，尤其在坐標系的應(yīng)用上問題突出。例如，一些研究采用以葉片根部為原點的局部坐標系分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，而另一些研究則選擇以塔基或海平面為基準的全局坐標系評估動態(tài)載荷。此外，氣動坐標系（用于翼型參數(shù)分析）與腐蝕監(jiān)測坐標系（定位損傷位置）的并存，進一步加劇了數(shù)據(jù)格式的碎片化。不同坐標系的混雜使用不僅增加了數(shù)據(jù)整合的難度，還使得跨團隊協(xié)作和防腐技術(shù)的普適性驗證變得復(fù)雜。

針對這一問題，建議在海上風機葉片的腐蝕研究中推動坐標體系的統(tǒng)一化。同時引入腐蝕專用參數(shù)（如腐蝕深度、面積占比等），構(gòu)建一套兼容性強、可擴展的標準化框架。這一框架不僅能為不同研究團隊提供一致的數(shù)據(jù)基準，還能促進國際項目間的數(shù)據(jù)共享，為全球海上風電產(chǎn)業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新與標準制定提供技術(shù)支撐。

針對不同風機葉片形狀、尺寸及傳感器差異導(dǎo)致的坐標系建模多樣性，簡化葉素理論（BEM）[17]，建立腐蝕區(qū)域?qū)Ｓ枚S坐標系，如圖1所示。以轉(zhuǎn)軸為原點構(gòu)建坐標系。

（1）（x，y）：定位腐蝕點距轉(zhuǎn)軸的橫向與縱向距離（單位：m）。

（2）z（n-b）：復(fù)合參數(shù)編碼腐蝕類型與程度。其中，n為腐蝕類型代碼（①鹽霧腐蝕；②微生物腐蝕；③紫外線腐蝕；④沖刷腐蝕），b為腐蝕程度，定義為腐蝕區(qū)域面積與葉片總面積的比值（0lt;b≤1）。

該體系通過空間維度的量化與標準化編碼，顯著提升了防腐方案的規(guī)劃效率。

3葉片腐蝕程度標準化

海上風機葉片腐蝕程度評估數(shù)據(jù)在葉片防腐工程中至關(guān)重要。針對海域環(huán)境獨特性，建立規(guī)范的葉片腐蝕程度數(shù)據(jù)庫，能夠為今后防腐工作提供可視化數(shù)據(jù)。海上風機所處環(huán)境復(fù)雜，其垂直方向可劃分為大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)及海泥區(qū)[24]，如圖2所示。葉片主要位于大氣區(qū)，葉尖周期性進入潮差區(qū)，這兩區(qū)域因干濕交替與鹽霧沉積成為腐蝕高發(fā)區(qū)。

根據(jù)第2節(jié)定義的z（n-b）編碼規(guī)則，腐蝕類型由n標識，腐蝕程度b通過面積占比法量化[25]。結(jié)合圖2所示的海洋分區(qū)特征，進一步提出動態(tài)腐蝕等級劃分模型，具體示例如圖3所示。在圖1所建立的坐標系中，假定該葉片遭受了鹽霧腐蝕，腐蝕面積與葉片面積之比為b1，在二維風機坐標上的位置為（x1，y1），那么該組腐蝕坐標數(shù)據(jù)即可表示為EB[x1，y1，z（①-b1）]，其中EB為腐蝕葉片。

4腐蝕環(huán)境因素規(guī)范化

本文針對海洋極端環(huán)境與風機葉片動態(tài)形變導(dǎo)致的腐蝕數(shù)據(jù)失真問題，通過標準化采集校準技術(shù)構(gòu)建抗干擾數(shù)據(jù)體系。采用動態(tài)補償算法消除風速旋轉(zhuǎn)形變誤差，將數(shù)據(jù)偏差率從15%～20%壓縮至lt;5%，同步集成鹽霧濃度、溫濕度等實時環(huán)境參數(shù)構(gòu)建多因子腐蝕速率預(yù)測模型?；陲L機葉片25年全壽命周期建立的動態(tài)腐蝕數(shù)據(jù)庫，可量化分析材料對海域特異性腐蝕因子的耐受閾值，支撐涂層防腐、陰極保護等技術(shù)的適配性優(yōu)化。該體系通過環(huán)境-腐蝕響應(yīng)圖譜指導(dǎo)新型復(fù)合材料研發(fā)，并實現(xiàn)腐蝕因子閾值預(yù)警，使運維成本降低30%，為海上風電全生命周期精準管控提供核心數(shù)據(jù)引擎。

海上風機葉片腐蝕情況往往與其所在海域的環(huán)境直接相關(guān)，如該片海域的經(jīng)緯度、鹽霧、涌浪、溫度、濕度、光照、離岸距離、海水成分和風速等條件。不同經(jīng)緯度的海域，其氣候、溫度、濕度等環(huán)境因素存在差異，這些差異會影響風機葉片的腐蝕速率。表2總結(jié)了某海域中影響風機葉片腐蝕的環(huán)境因素，重點闡明了在海洋環(huán)境中鹽霧腐蝕對材料性能的顯著影響。鹽分（如Na+、Cl-和SO42-等）的存在對腐蝕過程至關(guān)重要，高鹽濃度往往加速材料的腐蝕速率。環(huán)境因素（如溫度、濕度和風速等）也顯著影響鹽霧腐蝕行為，進一步推動材料劣化。在研究海洋環(huán)境下的腐蝕機理時，鹽霧腐蝕需受到特別關(guān)注，以便制定有針對性的防護策略。

以煙臺市的華能山東半島南4號海上風電場為例，繪制如圖4的海上風機葉片腐蝕類型與環(huán)境條件因果圖（以鹽霧腐蝕為例），數(shù)據(jù)來源：海陽市政府官網(wǎng)。

5結(jié)語

研究提出海上風機葉片腐蝕數(shù)據(jù)標準化體系，通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲格式、葉片坐標系、腐蝕程度及環(huán)境參數(shù)標準，構(gòu)建全鏈條數(shù)據(jù)管理框架。該標準有利于保障風機葉片腐蝕數(shù)據(jù)質(zhì)量、提升數(shù)據(jù)共享與分析效能。通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準消除協(xié)作壁壘，有助于行業(yè)內(nèi)形成統(tǒng)一的評估體系和技術(shù)規(guī)范，促進海上風電設(shè)備的設(shè)計、制造、運營和維護的標準化發(fā)展，提升行業(yè)的技術(shù)水平和競爭力。

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