海上風電防腐技術現狀及研究方向

胡蘇杭 劉碧燕

隨著國內首批投運機組進入10年在役期，海上風電設備的腐蝕嚴重性日益突顯。如何在嚴峻環境下采用合適的防腐技術，以保證風電機組順利達到設計使用壽命，成為海上風電運營方倍加關注的問題。

海上風電腐蝕環境及腐蝕傾向

一、海上風電腐蝕環境

海上風電設備遭受的強腐蝕，主要來自于海洋腐蝕環境下海水、鹽霧中的氯離子（滲透性強，腐蝕破壞大）。海上風電基礎所處的海水、海泥，塔簡及機艙所處的鹽霧環境中氯離子含量富足，因而腐蝕活性較高，風電設備很難處于鈍態。

其次，海水與空氣接觸面積大、對流充分，在海浪不斷攪拌作用下，氧氣飽和、濕度極大，加快了海上風電設備的腐蝕速率。加上風電機組“有風發電、無風停機、超風速急停”的不均勻運轉模式，以及腐蝕環境下高頻交變應力的疲勞荷載作用，風電機組運行壽命面臨嚴峻考驗。

二、海洋環境腐蝕機理

海上風電鋼構設備的腐蝕形式多屬于電化學腐蝕，其兩極反應為：

由反應式可知，鋼構基礎金屬發生5日極反應，失電子，被氧化腐蝕。影響電化學腐蝕的主要因素有溫度、濕度、含鹽量、pH值。其內在關系為溫度、濕度、含鹽量越高，腐蝕性越強;pH值越低，腐蝕性越強。

三、海洋環境腐蝕規律

（一）海洋環境腐蝕速率曲線

海上風電鋼構設備豎向存在5個海洋腐蝕區域，對應不同的腐蝕速率，且在飛濺區、全浸區存在腐蝕速率的最高點、次高點（圖1）。

飛濺區：干濕交替，鹽分富集，陽光照射，浪花沖擊，形成最苛刻腐蝕環境，出現腐蝕速率最高點。

全浸區：由于全浸區的一定深度位置與表層氧氣溶解量飽和區域存在氧濃度差、海生物生長嚴重且附著不均勻、水速沖擊大且存在基礎沖刷現象，還受到含鹽量、pH值、水溫等因素影響，全浸區成為腐蝕速率次嚴重區域。在防腐設計、施工和生產運行期間，需要針對腐蝕嚴重區域采取有效防腐技術措施，克服海上風電設備使用壽命短板，保證海上風電設備使用壽命期內的安全運行。

（二）腐蝕的多種形態

海上風電設備存在多種腐蝕形態：沉積物下腐蝕、接觸腐蝕、縫隙腐蝕等。

沉積物下腐蝕：海上風電設備表面的附著物、腐蝕產物等不均勻因素形成氧濃差電池，加劇腐蝕。

接觸腐蝕：海上風電設備接觸到電位較正的金屬時，成為陽極而發生嚴重腐蝕。

縫隙腐蝕：海上風電設備之間存在縫隙而發生腐蝕，尤其在全浸區和浪濺區。

海生物促進腐蝕：附著不均;放出二氧化碳或死后分解出硫化氫而酸化，加劇腐蝕。

（三）腐蝕疲勞

海洋環境中的海上風電設備，承受海風、海浪、腐蝕等力學和化學協同作用，運行中遭受高頻次交變應力（25年壽命期達108），遠高于海上石油平臺，腐蝕疲勞成為影響其安全運行的重要因素。

四、海上風電腐蝕危害

以2011年9月歐洲腐蝕大會資料為例，某單管樁內壁已腐蝕（圖3）。檢查結果發現，該單管樁內壁局部存在腐蝕瘤，打磨后檢測表明，腐蝕瘤下的腐蝕坑最深達1.3mm。

海上風電設備腐蝕導致設備故障率高、可利用率低，生產效益、項目投資回報率降低：海上風電機組基礎腐蝕導致設備剛度、強度、穩定性下降，降低使用壽命或導致事故（若發生設備或人員安全事故，會造成社會負面效應。海上風電投資方和運營方需竭力避免）。

國內外海上風電設備防腐設計

海上風電設計、建設和運營方，需要針對海上風電設備腐蝕特點，采取有效的防腐方案，包括：涂層、包覆、陰極保護等。

一、海上風電設備防腐機理

（一）金屬熱噴涂防腐機理

根據熱噴涂金屬的種類，金屬熱噴涂可分為熱噴鋅、熱噴鋁或鋅鋁合金。防腐機理主要包括：物理覆蓋、充當犧牲陽極等。熱噴涂的鋁、鋅金屬本身的耐蝕性強，且都是化學元素周期表中排序在鐵前面的活潑金屬，當存在涂層局部破損或有孔隙、露出鋼構本體時，熱噴涂層成為犧牲陽極，鋼構設備則因成為陰極而得到保護。

（二）涂層防腐機理

涂料，是一種透明或著色的成膜材料，在鋼構表面形成致密的膜，實現鋼構與腐蝕環境的隔離，保護鋼構表面免受環境影響，從而防止腐蝕。該防腐方法的缺點是易破損、海上修補難度大，不能單獨作為防腐措施，需與包覆或陰極保護聯合采用，避免產生局部點蝕。

（三）陰極保護防腐機理

陰極保護防腐主要針對海水以下位置的海上風電基礎，使之與電位更負的金屬進行電連接，或者通過強制外加從海水、海泥到海上風電基礎的電流，使之陰極極化，從而消除電化學腐蝕。

鋼在海水中的保護電位為-0.85V～-1.05V（cu/CuSO4）。當電位高于-0.85V，則鋼構腐蝕;當電位低于-1.05V，則會出現油漆鼓泡、鋼構氫脆。

（四）復層包覆防腐機理

復層包覆防腐體系由防蝕膏、防蝕帶、緩沖層和防蝕保護罩四層組成。其中防蝕膏、防蝕帶主要包含可有效阻止腐蝕介質侵蝕的緩蝕成分：密封緩沖層和防蝕保護罩主要起隔絕海水、耐沖擊、抵御機械損傷的作用。

二、海上風電設備防腐設計

海上風電防腐設計主要包括：材料選擇、腐蝕裕量、金屬熱噴涂、包覆、防腐涂層、陰極保護、環境控制。針對風電機組基礎、塔筒、機組，國內外防腐設計對比如下：

（一）風電機組基礎

國內外（國外以挪威、日本為例）海上風電機組基礎設計的相同點包括：材料選擇、腐蝕裕量、防腐涂層、陰極保護：不同點在于：挪威的《海上風電機組結構設計》DNV-OS-J101、《海上鋼構設計》DNV-OS-C101強調生產期間的腐蝕檢查、腐蝕監測及內部空間濕度控制：日本《港灣設施技術標準》強調潮差區以上需采用包覆設計。國內主要包括：材料選擇、腐蝕裕量、防腐涂層、犧牲陽極陰極保護，對于國外要求的生產期間的腐蝕檢查、監測、內部空間濕度控制以及浪濺潮差區包覆設計，國內未形成統一規范。相信隨著海上風電投產運行時間的推移，會逐漸引起運營方的廣泛重視和推廣。

（二）塔筒

對比國內、國外（以西門子為例）塔簡防腐設計：西門子要求鋼構表面預處理為Sa3，高于國內Sa2 1/2-Sa3;塔簡外表面（C5-M），西門子采用“熱噴鋅/鋁+封閉漆+環氧中間漆+聚氨酯面漆”防腐方案，用“熱噴鋅/鋁+封閉漆”代替環氧富鋅底漆;干膜厚度350um，大于國內320um，優于國內防腐設計。

（三）風電機組

國內外海上風電機組防腐設計的相同點主要有：機組設備的防腐涂層、轉動部件的油脂防腐、設備材料選擇：不同點在于：塔筒及機艙整體結構（包括機艙內大部件冷卻方式）上是否考慮防鹽霧，從而達到防腐設計效果。

國內早期試驗機組基本為陸上風電機組，未從風電機組結構上考慮防海洋鹽霧設計。隨著海上風電的發展，近幾年針對海上風電機組開始從結構上考慮防鹽霧設計，主要表現為：變頻器、發電機等大部件的液冷設計。

國外以西門子為例，西門子箱變采用油浸式變壓器，不會因空氣冷卻而將大氣鹽霧引入塔簡：外循環冷卻系統設計密封進出風道，有效隔離海洋大氣中的水分和鹽霧。

總體來說，國內海上風電機組的防腐設計水平在不斷提高，正逐步趕上國際水平。

國內海上風電防腐技術應用

目前，國內海上風電防腐技術，以江蘇海上龍源為例，主要有包覆、外加電流、疲勞腐蝕早期檢測等。

一、包覆防腐

浪濺潮差區腐蝕最嚴重，如不切實采取措施，勢必成為風電機組達到設計使用壽命的瓶頸。原設計的“涂層+陰極保護”方案，涂層由于受到水上漂浮物頻繁碰撞、船只停靠撞擊會破損嚴重：陰極保護方法則由于受到潮漲潮落的影響，也不能很好發揮作用。而包覆防腐能彌補浪濺潮差區涂層和陰極保護兩種防腐方法的不足，達到防腐效果。

礦脂防蝕膏具有良好的附著性能（鹽水浸泡試驗、中性鹽霧試驗均為A級），耐腐蝕性高;礦脂防蝕帶吸水率低，附著力在4.9N/25mm以上，-5～70°C環境中作業性能良好防蝕保護罩拉伸強度、彎曲強度、拉伸彈性模量、彎曲彈性模量、沖擊強度都較高。

技術難點：海上風電機組基礎直徑大于5m，呈錐形，樁體上有很多不規則結構，形狀復雜;風電場高溫、高濕、高鹽分的亞熱帶海洋性季風氣候環境使得腐蝕易發生。

解決方案：采用橫向、縱向多片式保護罩聯用，保護罩之間通過法蘭、螺栓連接固定的方法，解決了風電機組單管樁基礎直徑大、樁程高、樁柱呈錐形的包覆難題：采用現場制作玻璃鋼保護罩的方法，解決了風電機組基礎結構復雜的難題。

施工步驟刮涂防蝕膏、纏繞防蝕帶（圖4）、安裝防護罩。

實施效果：相較于裸鋼掛片、涂層掛片試驗的防腐效果，包覆防腐的優勢更加明顯。目前已推廣應用。

二、外加電流陰極保護

外加電流陰極保護，用于保護全浸區及以下部分的風電機組基礎，與犧牲陽極陰極保護相比，外加電流實現了陰極保護的無衰減及可控可調。

外加電流陰極保護系統主要由輔助陽極、輔助陽極配套雙硫化管道、組合式參比電極、恒電位儀、輔助陽極電纜、參比電極電纜、SCADA風電場集控軟件等組成。原理如下：2個組合式參比電極分別為恒電位儀提供測量和控制信號：恒電位儀根據參比電極測量電位的大小，調整、輸出平滑的直流電，通過輔助陽極、海水、海泥，流向鋼樁，實現主動陰極保護。

為保證電極穩定性，輔助陽極選用鈦基混合金屬氧化物陽極（MMO/Ti），參比電極選用純度>99.999%的高純鋅。其電化學性能如下：電極電位（飽和甘汞電極）為-1.044～-1.014V：電位穩定性：+0.015V;陰極極化電流10gA的極化值>-0.020 v：陽極極化電流10gA的極化值<+0.020V。

安裝系統后，參照國家標準調試保護電位為100mY，系統投運后運行基本平穩。恒電位儀顯示輸出電壓為3V，輸出總電流為2A，相當于平均保護電流密度為2.5mA/m²。

外加電流陰極保護增強了防腐系統監控的及時性、準確性和智能化，提高了風電機組基礎的安全水平，推動了國內海上風電防腐監控技術進步。

三、疲勞腐蝕早期檢測

由于基礎腐蝕疲勞的存在和危害嚴重性后果，應對疲勞腐蝕進行早期檢測。無損檢測方法很多，但超聲檢測、磁粉檢測等傳統方法，都需要打磨涂層才能保證檢測的靈敏度。海上風電機組基礎防腐涂層厚（800um以上），使得檢測難度大：嚴峻的海上風電腐蝕環境不利于油漆修補質量的保障，因此，不破壞油漆涂層的無損檢測方法具有較大的市場需求。脈沖電磁法作為一種無損檢測方法，其優點是不需要打磨掉鋼構表面的油漆涂層，對缺陷的指示明確直觀。

脈沖電磁法的主要技術參數為：最大檢查速度0.2m/s;靈敏度：寬度≥0.01mm，深度>0.5mm（焊縫）/0.3mm（母材）、長度>5mm（焊縫）/3mm（母材）：電源可保證連續檢測10小時以上。

為驗證脈沖電磁法無損檢測的可靠性和準確度，先做試板檢測、建立標準工作曲線：制作與多管樁鋼構基礎同材質、同厚度、同角度、同等焊接狀態的檢測試板，并人工制作模擬裂紋（長度約10mm，深度0.5mm、1.0mm、1.5mm的各2條），按與風電機組基礎相同的油漆選型和施工工藝進行防腐涂層涂覆。完成試板檢測后，再進行現場檢測。

現場檢測結果如表1所示：檢測出1臺機組存在腐蝕疲勞早期裂紋。根據原設計單位處理方案，打磨后修補涂層進行消缺閉環。

四、單管樁內防腐檢查、有毒氣體檢測

海上風電單管樁，直徑為5～6m，樁長為45～68m，甚至更大。單樁內部屬于密閉或半密閉空間的海洋大氣區、全浸區、海泥區腐蝕環境，其中泥上部分15m以上。樁底由于不便于常規檢查跟蹤，隱患較大，樁內檢查很有必要。另外，某些單管樁內有刺激難聞的硫化物味道，初步判斷為養殖區內生物腐爛產生的硫化氫氣體所致。

防腐檢查：對單樁內部進行抽水、清理垃圾、清除腐敗淤泥，對底部鋼構本體內壁進行清潔后做防腐檢查，對負一層平臺進行局部焊接加固，對涂層破損位置進行修補。

有毒氣體檢測：參考專業檢測單位的意見，選取3個風電場中刺激氣味最嚴重的6臺機組進行氣體取樣送檢。檢測出濃度不等的硫化氫、甲烷等氣體成分，如表2所示。

海上風電防腐技術發展方向

海上風電防腐技術面臨自然條件嚴苛、浪濺潮差區腐蝕嚴重、設備防腐體系完整性保持有難度、現場維護質量難保證、個別單管樁存在硫化氫氣體威脅等問題。與海上風電設備防腐安全及使用壽命直接相關的幾項關鍵檢測均存在技術上的瓶頸，包括：陰極保護電位檢測的及時性和準確性，疲勞腐蝕早期檢測的科學性和可靠性，鋼構本體厚度測量的普遍應用，防腐遠程智能檢測技術的應用。根據海上風電防腐技術急需解決的難題，今后的主要研究方向為：

（1）浪濺潮差區風電設備防撞擊、防腐蝕、防疲勞、防海生物的綜合防護方案研究。

（2）海上風電防腐在線檢測技術研究。應對風電機組基礎保護電位、有毒氣體、環境腐蝕數據、設備腐蝕狀態進行在線檢測分析，做到實時掌握、提前預警。

（3）鋼構基礎腐蝕疲勞早期檢測研究，包括帶油漆檢測鋼構深層裂紋的研究。

（4）塔簡高性能、耐老化面漆研究，例如開展耐紫外線侵蝕、屏蔽作用好的面漆優化研究。