海上風機單樁基礎的腐蝕與防護

蘭志剛

（中海油研究總院有限責任公司，北京 100028）

0 引言

單樁基礎是淺至中等水深海上風電場中最常用的風機基礎類型。在全球應對氣候變化的政策背景下，隨著海上風電技術日益成熟、海上風電度電成本大幅下降，特別是“碳達峰”、“碳中和”雙碳目標計劃的提出，預計會有越來越多的海上風電場建設項目付諸實施，單樁基礎的應用場景也將越來越多。

然而海上風電機組所處的環境遠比陸上風電復雜和嚴酷[1]。海面大氣區的高濕度、高鹽度，飛濺區、潮差區的干濕交替、浸沒區的海水浸泡和海生物附著等嚴苛的腐蝕環境均會對海上風機的單樁基礎造成嚴重的腐蝕危害，單樁基礎承受的環境荷載也遠高于陸地，另外風機高聳結構引起的傾覆彎矩對單樁基礎也施加了巨大的交變拉應力，腐蝕、應力、疲勞相互影響，使單樁基礎面臨著嚴峻的安全風險，如何選擇合理的防腐措施，有效應對和緩解這一風險，對于海上風電機組的運行安全至關重要。單樁基礎防腐蝕風險分析和緩解措施的制定也成為了海上風電機組防腐設計中的重要內容。

1 海上風電單樁基礎及腐蝕環境

單樁基礎是風機的支撐結構，由一根打入海底的鋼樁構成，其頂部位于水線以上1～2m的位置。在風機塔筒和基礎之間存在一個過渡段，過渡段安裝在單樁頂部，與單樁之間存在約6m的重疊區，內有許多支架結構，用于安裝位置的調整。安裝調整完成后，單樁和過渡段之間的環形空間用高強度灌漿進行填充，以便將兩根管道完全粘結固定在一起。圖1是一種常見的單樁基礎設計的示意圖，它帶有一個過渡件和一個內部的J形管，用于保護風機的電氣連接電纜。

圖1 單樁基礎設計的示意圖

海洋環境的惡劣復雜，導致了海上風電單樁基礎腐蝕類型呈現多樣新特點。從形態上看單樁基礎腐蝕類型可分為均勻腐蝕和局部腐蝕。其中，均勻腐蝕是微電池效應引起的，腐蝕速率是均勻分布的，腐蝕過程中金屬表面的陰極部分和陽極部分交替變化，沒有固定的陰極和陽極。局部腐蝕包括點蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕、沖擊腐蝕、電偶腐蝕以及生物腐蝕等。局部腐蝕具有隱蔽性，難以察覺，往往會造成災難性事故，危害性很大。產生上述腐蝕的條件與單樁基礎的材質、結構有關，與其所處環境更是密不可分。

在樁基內艙里還存在著微生物腐蝕的風險（MIC），它是一種由微生物繁衍和新陳代謝而改變界面的理化性質，所引發的電化學腐蝕加劇過程。不同的微生物對腐蝕具有不同的影響效果，如微生物腐蝕抑制、微生物腐蝕或局部腐蝕。因此，發生MIC的風險取決于細菌種類和環境條件。在浸沒表面和埋在沉積物上部區域的單樁基礎會發生局部腐蝕，交替的好氧和厭氧條件也會有利于細菌生長。若存在硫酸鹽還原菌（SRB），且生長條件適宜，則還可能產生硫化物，進一步加重MIC腐蝕[10]。J管密封處的漏逢、灌漿連接的惡化或J形管的開裂穿孔均會導致海水滲入，致使樁基內艙氧含量發生改變，當含溶解氧（DO）的海水進入后，內艙表面的腐蝕會增加。然而，在缺少空氣的海泥區，由于氧濃差的作用，腐蝕加速的風險會更高。此外，海水的更新也會影響艙內的微生物和化學過程。如果侵入的海水量很大（例如J管密封完全失效的情況下），樁基內艙的水位會受潮汐影響發生變化，基礎內艙的腐蝕將與空氣通路受限的壓載艙所遭受的腐蝕相類似。目前海上風電單樁基礎內腐蝕防護常采用涂料和/或CP技術，特別是利用CP開展樁基內部防腐已經成為很多新建項目中防腐設計的一部分。另外，在樁基內艙安裝陰極保護監測系統，可用于評估樁基內部的實際腐蝕情況，檢查當前緩解措施的效果，制定合理可行的防腐蝕策略，也成為很多項目腐蝕防護措施的重要選項。監測可采用累計法（如掛片腐蝕試驗），也可利用探針通過手動或自動方式進行實時測量，測量參數可以包括溶解氧、溫度、鹽度、pH值和電位等。樁基內艙實施陰極保護會面臨一些挑戰，如pH值降低、鈣化層形成不完全、氫氣形成或硫化氫（H2S）積聚，這些不利因素均會影響陰極保護效果[11]。以往曾認為樁基內表面的銹蝕率很低，因此大多風力發電機單樁內表面是不做涂層防腐處理的，但目前已認識到海水和空氣可能會進入基礎，由此引發的內表面腐蝕比預期要嚴重得多，為此業界開始重視樁基內艙的涂層防護。如：在過渡段內側水線上下3至4m范圍內，通常會做涂覆處理。單樁內艙可涂兩層200-至250-μm的環氧涂層，也可用基于環氧鋅粉底漆的涂層[11]。

另外，單樁風機基礎局部腐蝕如點蝕的影響也有待進一步研究。海水中侵蝕性陰離子、特別是氯離子的存在，會使金屬的腐蝕電位達到或超過點蝕電位，導致點蝕的發生。由于點蝕可能引發應力和疲勞裂紋，應從結構完整性的角度評估單樁基礎的點蝕程度。除此之外，泥線處的腐蝕防護對長壽命結構的設計非常重要，應進一步檢查單樁基礎在海泥區的局部腐蝕風險。當樁基內艙實施陰極保護時，還應考慮疲勞壽命和應力定向氫致裂紋（SOHIC）引發的風險 ，尤其要關注SOHIC對關鍵部位的損害，特別是當這些部件處于死水、有機活性泥漿（細菌）和H2S的厭氧環境時。必要時應安裝陰極保護監測系統來監測陰極保護狀態。

3 結語

與陸地相比，海洋環境要惡劣復雜得多，海洋腐蝕機理和過程也遠比陸地環境復雜。單樁基礎產生腐蝕的條件與單樁基礎的材質、結構、及其所處環境均有著密切的關系，位于不同海洋腐蝕環境區帶中的海上風電單樁基礎，其不同部位表現出不同的腐蝕行為，這既是不同腐蝕因素影響的結果，也是多種腐蝕因素的共同作用的結果。影響單樁基礎的既有外腐蝕也有內腐蝕。外腐蝕的機理與形態與其他常規海洋工程結構物的腐蝕相類似，外腐蝕防護設計可參照海上油氣工業的經驗做法，在不同的腐蝕區帶，分別采取涂層、包覆、陰極保護等防腐措施，或采取聯合防護措施。海上風機單樁基礎的內防腐也必須予以關注，特別應關注可能發生的微生物腐蝕和應力定向氫致裂紋風險。雖然目前行業標準中尚無針對海上風機單樁基礎內防腐的詳細指南，但根據實際需要，選擇增加壁厚、涂層或陰極保護措施來實施腐蝕防護。另外，必要時應安裝陰極保護監測系統來監測陰極保護狀態。上述結論，可為單樁基礎防腐蝕風險分析和緩解措施的制定提供有益的技術參考。