考慮涂層性能與腐蝕速率的海上風電

國家電力投資集團有限公司 張 昊 國家電投集團江蘇電力有限公司 田宏衛

隨著我國海洋開發事業的飛速發展，海上金屬(鋼鐵)設施越來越多。自1991年世界上首座海上風電場在丹麥建成以來，海上風力發電已經成為世界可再生能源發展的焦點領域。海上風電運行環境十分復雜：高溫、高濕、高鹽霧和長日照等，腐蝕環境非常惡劣，對海上風電設備的腐蝕防護提出了嚴峻挑戰，防腐設計成為海上風電場設計必須考慮的重要環節之一。目前對于海上風電工程基礎設施以及風機的防腐措施,主要來自于海上石油平臺、破冰船以及海底管線等方面的防腐經驗，而針對海上風電腐蝕與防護的研究及應用還較少。在大力提倡節能減排的今天,結合國內外風力發電的理論研究和工程背景，對海上風電的腐蝕與防護進行系統的研究及應用已成為當前需要解決的重要課題[1]。

海洋環境是指海洋大氣到海底泥漿這一范圍內的任何一種物理量，如溫度、風速、日照、含氧量、鹽度、pH值以及流速等。在海洋環境中不同區域有不同的腐蝕影響因素，對于海上風電結構按照水位變動情況來劃分不同的腐蝕控制區域。參照IEC61400-2009《海上風機設計要求》，風力發電機組機艙以下的支撐結構包括塔架、下部結構和基礎，其中與海床直接接觸的部分定義為基礎，位于水面以上的通道平臺作為塔架和下部結構的分界線，則海上風電場的塔架所處的海洋環境主要為大氣區。

1 海上風機基礎鋼結構腐蝕防護

對于海上鋼結構的防腐蝕目前世界各國都已經制定了有關的標準，我國也制定了海上風電場鋼結構防腐標準。海上風機支撐結構中的鋼結構長期暴露于海洋環境中，根據鋼結構在海洋環境中不同位置腐蝕程度的不同，一般可將海洋腐蝕環境分為海洋大氣區、浪濺區、潮差區/潮汐區、全浸區和海泥區五個不同的腐蝕區帶，浪濺區是鋼結構腐蝕最嚴重的區域。解決海上風機基礎鋼結構防腐蝕問題，有耐海水鋼、腐蝕裕量、涂裝法、陰極保護及包覆等方法，但各種方法都有自己的適用范圍(表1)。

表1 防腐蝕措施的適用范圍

耐海水鋼為一種新型材料，在浪濺區和海洋大氣中的腐蝕速度比一般碳鋼小很多，但由于其經濟性較差，故較少采用；腐蝕裕量是根據一定使用年限內計算得到的鋼材腐蝕厚度，對設計結構截面厚度主動增大，以滿足其腐蝕要求的方法，即實際鋼材厚度=腐蝕厚度+滿足各種承載條件的設計厚度；涂裝法是采用底漆、中間漆和面漆組成的多層涂裝體系。涂裝的選擇應考慮周圍環境，對不同的腐蝕環境，不同涂料的耐久性不同；海港工程鋼結構防腐同時采用腐蝕裕量和涂裝法，結構設計預留的腐蝕裕量應根據有涂層保護的基材腐蝕速率來確定。

包覆法是指為防止腐蝕，在結構物外表面復合一層耐蝕材料，以使原來表面與環境隔離?？刹捎冒灿袡C復合層、樹脂砂漿、復合耐蝕金屬層進行保護；陰極保護法屬于電化學保護技術，基本原理是對被保護的金屬表面施加一定的直流電流使其產生陰極極化，當金屬的電位負于某一值時，腐蝕的陽極溶解過程就會得到有效抑制。根據提供陰極電流的方式不同分成犧牲陽極法和外加電流法兩種，犧牲陽極法是在鋼結構表面附加較活潑的金屬取代鋼材的腐蝕；外加電流法將外部電流轉變成低壓直流電，通過輔助陽極將保護電流傳遞給被保護的鋼結構，抑制腐蝕。

2 海上風電單樁基礎防腐蝕設計

海上風電基礎結構防腐蝕措施一般按照不同分區進行設計：海洋大氣區采用涂料或金屬熱噴涂保護；浪濺區采用涂料保護或金屬熱噴涂保護，并在涂料保護或金屬熱噴涂保護的基礎上增加腐蝕裕量；全浸區、海泥區上部采用陰極保護、陰極保護與涂料或金屬熱噴涂聯合保護措施，涂料或金屬熱噴涂的作用主要為改善陰極保護電流分布和減少陽極用量。陰極保護應包括浪濺區平均潮位以下的部分。

國內海上風電項目一般采用腐蝕裕量、涂裝及犧牲陽極陰極保護等防腐蝕設計。外部犧牲陽極一般為長條型鋁合金型，單塊重量一般為數百公斤。外部犧牲陽極焊接在集成式套籠結構支撐鋼管處，通過套籠與單樁結構實現電氣連接[2]。內部犧牲陽極一般通過懸掛系統安裝在單樁的內平臺下部。內部犧牲陽極從潮差區至泥面均勻布置，并采用銅芯導線實現與單樁結構的電氣連接。海上風電單樁基礎防腐蝕設計方案總結如下：海洋大氣區。涂裝；浪濺區/潮差區。平均海平面以上涂裝+腐蝕裕量，平均海平面以下涂裝+陰極保護；全浸區。涂裝+陰極保護；海泥區。涂裝至泥面以下1米。

3 海上風電腐蝕在線監測

海上風電腐蝕在線監測系統在江蘇某海上風電場通過監測以下指標，來評估海上風電基礎結構的腐蝕狀態。

涂層性能監測：通過測量海水環境中單樁涂層探頭阻抗譜隨時間的變化趨勢來判斷涂層的老化狀態。將涂層探頭固定在涂裝設備表面，長期測量涂層的老化過程，為涂層損傷的預防性維護提供實時數據。涂層腐蝕傳感器的樣板涂層與單樁涂層設計厚度一致。樣板進行劃痕處理，劃痕區能夠模擬涂料破損后的耐腐蝕情況，因為金屬的裸露、腐蝕情況會遠比非劃痕區嚴重。由于劃痕深至金屬底材導致金屬裸露，所以腐蝕現象會從劃痕處向兩邊擴展。腐蝕現象的出現順序應為銹蝕、起泡、開裂、剝落。非劃痕區有涂層的保護，因此這個區域的腐蝕現象出現順序一般為起泡、開裂和銹蝕、剝落。

陰極保護監測：犧牲陽極的保護電位是陰極保護有效性評價的重要指標，一般采用參比電極對單樁基礎上的鋼管樁陰極保護電位進行監測，常用參比電極有銀氯化銀電極和高純鋅參比電極，若保護電位值超過或低于允許電位范圍（-0.85V～-1.05V相對于硫酸銅電極），可能對基礎鋼結構造成過保護或保護不足，應及時干預，保證腐蝕防護效果。

腐蝕速率監測：電阻探針法(Electrical Resistance,ER)也稱為可自動測量的掛片失重法。該方法通過裝有金屬試片的探針（電阻探針）測量金屬的腐蝕速率。金屬試片的面積因腐蝕而變化，電阻增大。周期性精準測量電阻可計算出總腐蝕量及腐蝕速率。腐蝕速率監測可監測試片腐蝕速率、通電電位、極化電位、交流電壓、直流電流密度、交流電流密度等參數。腐蝕速率傳感器安裝單樁基礎上，監測試片的電阻變化可以得到試片的腐蝕速率，保證腐蝕防護效果。

遠程監控系統：包括多通道測量卡及信號轉換單元、控制單元和通信單元，可根據傳感器的數量相應增加多通道測量卡。主要用于對監測數據分析，功能模塊包括腐蝕數據管理、腐蝕余量與腐蝕速率顯示、圖形打印等；物理掛片腐蝕速率測量。在海上風電場選取5臺典型機位，在單樁基礎的潮差區、全浸區、海泥區依次布置物理掛片，定期取回到岸上實驗室進行失重測量，并與在線監測的腐蝕速率結果進行對比。經過6個月現場測試，無陰極保護及有陰極保護的物理掛片腐蝕狀態如圖1所示。

圖1 物理掛片腐蝕速率測量

4 基于支持向量機算法的腐蝕在線評估

SVM支持向量機是一個分類算法，通過一條分類線或平面將數據分隔在線或平面兩側，是一種二類分類模型，與感知機相似，支持向量機的學習算法是求解凸二次規劃的最優化算法。SVM學習的基本思想是求得能夠正確劃分數據集并且之間幾何間隔最大的分離超平面。線性可分等價f(x)=w1x1+w2x2+…+wnxn+b，其中的x、w是向量。預測分類時，用sgn(f(x))函數支持向量所在的面之間的間隙就是要求最大化的分類間的間隙Margin Width=M，其公式為M=2/

如圖2所示，紅線wx+b=0為分離超平面，對于線性可分的數據集來說，超平面可以有很多個，但是幾何間隔最大的分離超平面卻是唯一的。假設給定一個特征空間上的訓練數據集T=(x1,y1),(x2,y2),…(xN,yN)。其 中xi∈Rn，yi∈{+1,?1},i=1,2,…N，xi為第i個特征向量，yi表示為類標記，當它等于+1時為正例，即圖1中的紅色小圈；yi為-1時為負例，圖1中用藍色星號來表示。

圖2 分離超平面示意圖

幾何間隔。對于給定的數據集T和超平面wx+b=0，定義超平面關于樣本點(xi,yi)的幾何間隔為γi=yi(w/‖w‖xi+b/‖w‖)。超平面關于所有樣本點的幾何間隔的最小值為γ=mini=1,2…,Nγi，即支持向量到超平面的距離。

對偶算法。就是應用拉格朗日對偶性求得線性可分支持向量機的最優化問題的解，通過求解對偶問題（dual problem）得到原始問題（primal problem）的最優解。該方法可使偶問題往往更容易求解，其次是引入自然核函數，使得非線性分類問題也能適用。在算法過程中，首先需要構建拉格朗日函數（Lagrange function）。為此，對每一個不等式約束引進拉格朗日乘子（Lagrange multiplier）ai≥0,i=1,2,…,N，定義拉格朗日函數：L(w,b,a)=1/2 wTw+∑N(i=1)ai(1-yi(wTxi+b))=1/2wTw-∑N(i=1)aiyi(wTxi+b)+∑N(i=1)ai，再由拉格朗日的對偶性求解極大極小問題：minw,bL(w,b,a)=-1/2∑N(i=1)∑N(j=1)aiyiajyjxiTxj+∑N(i=1)ai。

對偶問題中minw,bL(w,b,a)對a的極大值：maxa-ai≥0,i=1,2…N。對偶最優問題即將上面的極大轉為極小：0,i=1,2…N。

由上述滿足KKT條件得出的定理推導出分離超平面和分類決策函數關系式：分類超平面∑N(i=1)ai＊yi(xxi)+b＊=0，分 類 決 策 函 數f(x)=sign(∑N(i=1)ai＊yi(xxi)+b＊）。

結論：海上風電腐蝕在線監測系統通過對單樁基礎涂層性能、腐蝕速率與陰極保護等關鍵指標進行監測，實現遠程測量。通過分析運行數據，評估腐蝕防護效果，為海上風電場安全穩定運行提供保障，不斷降低運維成本。