江蘇竹根沙海域海上風機單樁基礎防腐技術

周曉天，鈄錦周

(1. 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司, 浙江 杭州 311100；2. 浙江華東工程咨詢有限公司 浙江 杭州 311100)

目前，隨著石油資源的日益消耗，世界各國對新能源的需求也在日益增長，風能成為了一個重要的新能源。利用風能的常用方式有陸上風電和海上風電等，由于陸上風電有著噪音大和土地資源占用量大等缺點，海上風電就越來越受到重視。由于海上風機處于極為復雜的海洋環境中，海洋腐蝕成為了一個不得不重點關注的問題。基礎的腐蝕會導致整體結構的穩定性受到影響，在波浪、風、地震等荷載的作用下可能發生結構破壞。近年來沿海地區的海洋設施經常發生腐蝕破壞，使正常的生產受到了嚴重影響，給工程帶來巨大的經濟損失。針對風機樁基礎的腐蝕這一重點問題，研究者對風機基礎的耐腐蝕性進行大量的研究，取得了較好的進展和成就[1-10]，周玉波等[1]總結了目前且比較成熟較為常用的腐蝕監測技術包括電阻法、線性極化法、電位法、超聲波測厚法，并提出今后腐蝕監測的主流發展方向是與計算機技術相結合。侯保榮等[5]根據海洋腐蝕狀況將海洋環境從海底往上依次劃分為海底泥土區、海水全浸區、海水潮差區、浪花飛濺區以及海洋大氣區，并提出海上設施的腐蝕有海洋腐蝕和生物腐蝕兩方面，同時強調了應當重視海洋腐蝕監測以及建立相關標準。高宏飆等[7]提出了單樁式錐塔形大直徑鋼管樁的表面持久防腐蝕(Surface Tolerant Anti Corrosion，簡稱STAC)復層包覆防護技術，取得了良好的防腐效果。

本研究結合江蘇竹根沙海域海上風電單樁基礎施工工程，開展單樁基礎包覆防腐施工技術研究，研究成果可為海上風電單樁基礎的防腐作業提供參考。

1 工程概況

江蘇竹根沙(H2號)300 MW海上風電項目位于江蘇省竹根沙及北條子泥附近海域，其東北側為東臺H2號海上風電場，東南側為竹根沙H1號海上風電場，改風電項目離岸距離為39 km，海底地形變化平緩，場區高程-13～2.8 m，風電場區域形狀為狹長形多邊形，南北寬約6 km，東西長約21 km，整個區域面積為37 km2，規劃容量300 MW。

風電場區域為近海～潮間帶的地形，場區地勢整體較平緩，泥面高程-10～1.0 m(1985國家高程基準，下同)，東南角局部存在小潮溝，場區表層以粉土、粉砂為主，屬濱海相沉積地貌單元。場區T2站高潮10%、低潮90%所對應的設計高、低水位分別為3.42 m和-2.67 m；50年一遇的極端高、低潮位分別為5.22 m和-4.57 m。風電場地理位置見圖1。

圖1 風電場地理位置圖

2 防腐涂層保護

2.1 防腐施工環境

表面處理和防腐涂層施工過程中，要進行環境控制，以獲得最佳的涂裝質量。環境控制主要包括溫度、相對濕度和露點。空氣相對濕度要低于85%，底材須高于露點溫度至少3℃。常溫型防腐涂層施工環境溫度范圍為5～40℃；當環境溫度為-5～5℃時，施工必須使用冬用型涂料，施工工藝按涂料供應商提供的說明進行。低于-5℃時嚴格禁止防腐涂層施工。施工時，涂裝環氧類涂料的溫度必須高于10℃。

2.2 表面處理及涂裝要求

全部機械準備工作(去飛邊毛刺，銳邊尖角進行倒角等)必須在打砂清理之前完成，銳邊和切割邊緣打磨到R≥2 mm，并清除所有的焊接飛濺物和焊渣，咬邊要進行打磨。

噴砂施工應位于相對封閉的噴砂房內進，并保證過程中足夠的通風和照明；涂層涂裝過程必須在廠房內進行。室內空氣流通，光線明亮。要求使用鋼砂、鋼丸，鋼砂、鋼丸混合比例為3∶7～5∶5。

鋼材在涂裝前須進行表面噴砂除銹工藝。第一道涂層為防腐涂層時，表面除銹等級應達到Sa2.5級，平均粗糙度要達到50～80 μm[8]；第一道涂層為熱浸鍍鋅或熱噴鋅時，鋼材表面除銹等級應達到Sa3級，平均粗糙度要達到50～100 μm，且應保持鋼材表面粗糙度和清潔度直到第一道涂層施工，否則應重新處理。

3 陰極保護系統的要求

3.1 犧牲陽極材料

本工程所采用的犧牲陽極為：Ai-Zn-In-Mg-Ti合金犧牲陽極[9]，其化學組成和電化學性能見表1和表2。

表1 犧牲陽極材料的化學組成表(表中化學組成按質量分數%分配)

表2 犧牲陽極材料的電化學性能表

犧牲陽極塊表面不允許沾染油漆、油污等，否則應采用水基生物降解清潔劑清除表面；犧牲陽極塊尺寸偏差為長度±2%，寬度±3%，厚度±5%，直線度≤2%；陽極塊單體總重量偏差為0～+3%，不允許出現負偏差。

3.2 保護電位測量

測量保護電位應使用阻抗大于10 MΩ、精度為0.001 V的萬用表或其他電位監測設備進行測量。犧牲陽極的陰極保護系統使用中保護電位應滿足表3要求。若保護電位測得超過或低于表3的電位范圍，可能對風機基礎鋼結構造成過保護或保護不足。

表3 犧牲陽極保護的保護電位范圍

4 包覆防腐

復層礦脂包覆防腐(Petrolatum Tape and Covering system，簡稱PTC)技術由四層緊密相連的保護層組成，即防蝕膏、防蝕帶、襯里和防蝕保護罩[10]，如圖2所示。

圖2 PTC 防腐系統剖面示意圖

4.1 礦脂防蝕膏技術性能

防蝕膏應含有鐵銹轉化劑，能夠在表面形成一層保護性封閉層，防止鋼鐵進一步腐蝕破壞，并可填充其中的縫隙。防銹劑分子膠束可吸附和捕集腐蝕性物質，并將其封存于膠束之中，避免金屬與腐蝕物質接觸，從而起到長效的防腐蝕作用。為了讓PTC防腐系統能夠帶水作業，復合防銹劑應含有表面活性物質，該表面活性物質應當具有不對成結構能夠將金屬表面的水膜置換。

4.2 礦脂防蝕帶技術性能

礦脂防蝕帶為浸漬有特制化合物的帶狀防蝕材料，其與防蝕膏應為同一系列的防腐蝕材料，相互之間應可粘接成為一體。防蝕帶應具有良好的柔韌性能，能夠增強整體的密封性能，須有效阻擋水以及腐蝕性介質入侵，起到優良的腐蝕防護作用。防蝕帶也應具有良好的疏水性能，可以在水下施工。防蝕帶與防蝕膏具有良好的相容性，相互之間可以粘結成一體，能夠全面覆蓋凹凸不平的鋼材表面，致密性好。礦脂防蝕膏、礦脂防蝕帶具有優良的保護性、粘附性、與水和空氣隔絕性，在潮濕環境中良好的防腐蝕、耐鹽霧、附著力，減緩金屬的腐蝕速率。

4.3 緩沖層襯里技術性能

密封緩沖層襯里宜為有機化學材料，如彈塑性體橡膠、聚乙烯泡沫等，材料應滿足以下要求：

材料致密性好，腐蝕性介質不易滲透；壓縮性和回彈性好，具有與密封面貼全的柔軟性，永久性變形小；高溫下不軟化、不分解，低溫下不硬化、不脆裂；抗腐蝕性能好，能夠在酸、堿環境下進行工作；耐老化性好，在使用壽命期內可較好保持初始物理力學性能。

4.4 防蝕保護罩技術性能

防蝕保護罩由增強玻璃鋼(FRP)外套、擋板、不銹鋼螺栓和底部卡箍等部分組成。防蝕保護罩應具有良好的加工性能，可加工成任意形狀，便于對復雜節點及細部位置進行防護。施工時可采用卡箍加螺栓固定的方式以保證防蝕保護罩固定牢靠，不易脫落；對于大直徑的鋼樁可以采用多片玻璃鋼搭接的方式。防蝕保護罩具有良好的致密性、柔韌性，耐沖擊性能，同時堅固耐久，兩端涂封水中固化樹脂，具有良好的水密性。

5 包覆防腐施工要求

5.1 風機基礎包覆防腐施工流程

施工設計→準備工作(搭建腳手架、吊籠；標記施工部位和范圍；預制防蝕保護罩)→表面處理(除去浮銹和表面附著生物)→下部焊接固定卡箍→涂刷礦脂防蝕膏→纏繞礦脂防蝕帶→安裝預制防蝕保護罩→端部處理。

5.2 防蝕保護罩安裝

1)安裝方法。防蝕保護罩主體厚度應為3～5 mm(可結合海洋腐蝕環境情況及使用壽命確定，并報業主及設計確認)，至法蘭部位的壁厚應逐漸平緩加厚，法蘭部位的保護罩厚度應為主體部位厚度的3～4倍。防蝕保護罩預制過程中應避免產生氣泡。為安裝方便，應先將密封緩沖層粘貼在防蝕保護罩的內側。用于立管的預制防蝕保護罩的密封緩沖層的一端應比外殼短約10 mm。防蝕保護罩應自下往上安裝；防蝕保護罩法蘭對接處內面應放置擋板，擋板厚度為1～2 mm，寬度為100～200 mm。

2)螺栓緊固。首先將螺栓插入防蝕保護罩上的所有螺孔，并擰上螺帽固定；然后依次擰緊所有部位的螺栓，由于海浪拍打和防蝕保護罩應力的自釋放作用，防蝕保護罩的螺栓會變松，應再次緊固方式保護罩。

3)安裝要求。安裝的兩個半圓殼防蝕保護罩在接口處應充分壓在玻璃鋼密封防滲板，在緊固過程中不能出現密封板滑脫和移位漏出內部的防蝕帶；防蝕保護罩外殼用螺栓扣緊，立管底端部須用卡箍固定，玻璃襯里應與保護鋼結構結合緊密，不應存在鼓泡和氣孔；密封板的兩端應與防蝕保護罩中的泡沫塑料齊平；盡量減少斜管的缺口尺寸，施工單位根據風機基礎施工圖紙和現場情況確定的防蝕保護罩加工制作前須呈于業主與設計方，經同意方可進行防蝕保護罩的預制加工；防蝕保護罩螺栓完成后第一周內應分別緊固3次。

4)防蝕保護罩端部密封。為了使垂直安裝防護罩上端和水平安裝防護罩兩端不被海水侵蝕，必須在這些部位填加水中固化型環氧樹脂(如油泥狀水中固化型環氧樹脂)密封；利用水中固化環氧樹脂填滿防蝕保護罩頂部凹槽處(約10 mm)并外延10～20 mm，密封防水。

6 結 語

以江蘇竹根沙海上風電項目風機單樁基礎包覆防腐施工為例，對單樁基礎包覆防腐施工及關鍵技術進行研究，主要結論如下。

1)對防腐涂層的技術要求有對溫度、相對濕度和露點等進行環境控制。空氣相對濕度要低于85%，底材須高于露點溫度至少3℃。常溫型防腐涂層施工環境溫度范圍為5～40℃，當環境溫度為-5～5℃時，施工必須使用冬用型涂料，低于-5℃時嚴格禁止防腐涂層施工。

2)對陰極保護系統的技術要求有測量保護電位應使用阻抗大于10 MΩ、精度為0.001 V的萬用表或其他電位監測設備進行測量。犧牲陽極的陰極保護系統使用中，保護電位應滿足-0.85～-1.10(Cu/CuSO4參比電極)、-0.80～-1.05(Ag/AgCl參比電極)、0.25～0(Zn參比電極)。

3)PTC防腐系統由四層緊密相連的保護層組成，即防蝕膏、防蝕帶、襯里和防蝕保護罩。其中，防蝕保護罩由增強玻璃鋼(FRP)外套、擋板、不銹鋼螺栓和底部卡箍等部分組成。施工時可采用卡箍加螺栓固定的方式以保證防蝕保護罩固定牢靠，不易脫落；對于大直徑的鋼樁可以采用多片玻璃鋼搭接的方式。