海上風電設(shè)備的防腐蝕研究與應(yīng)用

中國三峽新能源（集團）股份有限公司江蘇分公司 唐偉

1 引言

當前，我國海洋開采、海洋工程、海上能源等新興海洋產(chǎn)業(yè)正快速發(fā)展。海上風電比陸地環(huán)境更復(fù)雜，海洋環(huán)境大氣區(qū)高濕度、海水飛濺等環(huán)境特征，為海上風電設(shè)備防腐蝕帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。海水腐蝕不僅會將機組運營的壽命縮短，使海上風電產(chǎn)生極大的安全隱患，還會增加海上風電設(shè)備建設(shè)的相關(guān)投資及運營維護成本[1]。所以，海上風電設(shè)備防腐蝕措施是海上風電場設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。當前大部分的海洋工程結(jié)構(gòu)處在一種裸露或是缺少保護的狀態(tài)下，海洋工程的結(jié)構(gòu)安全因腐蝕帶來嚴重損失。對海洋工程設(shè)備的安全性及耐用性的保障是減少重大災(zāi)害性事件，延長設(shè)備使用壽命的重要措施，而這也成為我國海洋經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵問題。

2 海上風電設(shè)備的腐蝕環(huán)境

2.1 海洋環(huán)境

伴隨環(huán)境惡化、氣候變暖、化石能源日益枯竭等問題的出現(xiàn)，清潔能源發(fā)展顯得極為重要。我國有著非常豐富的風資源，風電是當前技術(shù)具有規(guī)模化、商業(yè)化發(fā)展的新能源。2017～2021年中國海陸風電機組新增平均單機容量如表1所示。2020年中國風電裝機新增20401 臺，容量5443 萬kW，同比增長為105.1%。裝機累計超過15 萬臺，容量超過了2.9億kW，同比增長達到23%。

表1 中國海陸風電機組新增平均單機容量（單位：MW)

結(jié)合表1可知，陸上與海上風電機組新增平均單機容量兩者均表現(xiàn)出逐年增長的趨勢。相比陸上新增平均單機容量，海上新增平均單機容量表現(xiàn)出了較為明顯的增長趨勢。

研究分析2021年海上不同單機容量機組新增裝機容量占比情況，其中單機容量機組6.0～6.9MW占比最高，為45.9%。5.0～5.9MW容量占比為22.5%。4.0～4.9MW 容量占比為19.2%。其他容量占比較小。

2021年海上不同單機容量機組新增裝機容量占比如圖1所示。

圖1 2021年海上不同單機容量機組新增裝機容量占比

海上風電處在一種較為惡劣的海洋環(huán)境中，不僅有高鹽霧、高濕度等腐蝕問題存在，還會發(fā)生物理性碰撞的損傷性問題，例如浮冰、漂浮物等撞擊，船舶停靠等。海上的風電場基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，機艙、塔筒以及各種零部件、葉片等都面臨較為嚴重的腐蝕問題。

當前我國海上發(fā)電已經(jīng)向著深遠海風電發(fā)展，并且向大規(guī)模、連片化趨勢發(fā)展。《十四五可再生能源發(fā)展規(guī)劃》中提出，要將深遠海上風電規(guī)劃開展，將深遠海上風電的開發(fā)建設(shè)及管理完善，促進深遠海上風電技術(shù)的創(chuàng)新及示范應(yīng)用[2]。深遠海域海上風電的鋼結(jié)構(gòu)表面處于一種較強的沖刷、侵蝕的狀態(tài)下，致使鋼結(jié)構(gòu)的表面加劇腐蝕，對相關(guān)的防腐蝕技術(shù)要求更高。

2.2 海洋大氣區(qū)

相比內(nèi)陸大氣區(qū)而言，海洋大氣區(qū)具有更大的濕度及高鹽分，容易致使鋼鐵表面逐漸形成一層具備良好導電性的液態(tài)電介質(zhì)膜，并且鋼鐵機構(gòu)中還會有少量碳原子存在，形成原電池，發(fā)生電化學腐蝕現(xiàn)象。根據(jù)相關(guān)研究可知，海洋大氣環(huán)境與內(nèi)陸大氣環(huán)境相比，其腐蝕鋼鐵構(gòu)件的程度要高出4～5倍。

2.3 海水浪濺區(qū)

海上風電設(shè)備除了受到海洋大氣環(huán)境的影響之外，海浪飛濺區(qū)域的鋼鐵在頻繁的干濕交替環(huán)境中工作，所受腐蝕的程度相比其他區(qū)域更加明顯。在高潮位線以上，會出現(xiàn)一個腐蝕度的峰值。在不同海域，其峰值與高潮位線的距離也會有所差異[3]。高潮位線以上的海水浪濺區(qū)也是最為嚴重的腐蝕區(qū)域，主要是因為在此區(qū)域中鹽含量非常充分，并且含氧量最高，同時氧元素去極化作用也會增加腐蝕鋼鐵的程度。除此之外，海浪飛濺具有較大的沖擊強度，對鋼鐵表面保護膜造成較為嚴重的破壞，致使沖擊的局部表現(xiàn)出更嚴重的腐蝕問題。

3 海上風電設(shè)備防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 外表面的選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計

海上風電設(shè)備的表面暴露在外，與海水直接接觸。例如海上風電基礎(chǔ)設(shè)施護欄、海纜護管等，所以此類部件可以利用涂層或是熱鍍鋅的方法進行加強防護。同時選擇含堿量較小、干縮性較小、水化熱較低、抗?jié)B透性較好、抗腐蝕性能較好、抗凍性較好的材料，對于保護層的厚度要合理控制，并且通過做好防凍措施、使用超疏水涂層等方式實現(xiàn)對裂縫的防護，保證高品質(zhì)施工質(zhì)量。

3.2 柜體類設(shè)計

柜體類主要涉及機艙、輪轂等部分，而此類設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)及機械部件包括軸承、齒輪、聯(lián)軸器等，其中主軸的連接面屬于機加工面，不需要進行保護，所暴露的結(jié)構(gòu)部件及位置可使用涂層防腐的方式。聯(lián)軸器屬于特殊的高彈性材料，在表面不能進行相應(yīng)的防腐蝕防護，可以利用預(yù)留腐蝕裕量法進行解決。齒輪箱、軸承內(nèi)部將防腐潤滑油進行填充，進而起到保護作用，而外部同結(jié)構(gòu)部件的防腐蝕措施是相同的。

3.3 防電偶腐蝕設(shè)計

電氣部件主要包含變壓器、發(fā)電機、驅(qū)動電機、控制柜等。發(fā)電機所使用的常規(guī)密閉冷卻的散熱系統(tǒng)，其內(nèi)部不需要進行防腐，僅需要同結(jié)構(gòu)部件相同措施即可。海上風機箱式的變壓器主要是通過直接的空氣冷卻的方式進行散熱，利用澆注絕緣樹脂對變壓器的鐵心起到防腐蝕的作用。控制柜以及各類的驅(qū)動電機散熱量較小，所以可以利用空氣隔絕的方式實現(xiàn)整體防腐蝕效果。

4 海上風電設(shè)備腐蝕防護對策

4.1 風機水下基礎(chǔ)的腐蝕防護

海上風電的水下基礎(chǔ)多是鋼結(jié)構(gòu)，海上的風電設(shè)備需做好良好的腐蝕防護。

近年來，由于高樁承臺混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)腐蝕事故的增長，其受到了業(yè)內(nèi)廣泛的關(guān)注及重視。主要危險因素是，一方面有明顯的破壞性腫脹出現(xiàn)，鋼筋混凝土當中有Cl-的侵入，產(chǎn)生含鐵氯鹽，致使鋼筋混凝土中生成不穩(wěn)定的產(chǎn)物——水化氯鋁酸鈣（3CaO·Al2O3·CaCl2·H2O），導致混凝土增加超過兩倍的體積。另一方面有明顯的電化學腐蝕產(chǎn)生，在鋼筋表面發(fā)生Cl-滲透的情況下，其局部堿性保護膜遭到了破壞，鋼筋呈現(xiàn)一種活化態(tài)[4]。在充分的氧氣及水的作用條件下，鋼筋活化表面呈陽極，未活化表面呈陰極，電化學腐蝕產(chǎn)生，致使鋼筋的表現(xiàn)出現(xiàn)腐蝕坑。

當前，較為常見的防腐蝕措施是使用涂料，或是增添緩蝕劑、陰極保護技術(shù)等。利用高性能緩蝕劑的添加，能夠改善混凝土抵抗海水當中Cl-滲透性能以及抗碳化性、抗裂性等功能。

4.2 塔筒鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕防護

在海洋大氣區(qū)，塔筒鋼結(jié)構(gòu)的防腐措施采用涂料防護，并且是具備良好耐候性的面漆。依據(jù)海上風電鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕標準，海洋大氣區(qū)的涂層干膜整體厚度≥320μm，底層是有機富鋅漆或是無機富鋅漆，干膜的厚度≥60μm；中間層屬于環(huán)氧類，干膜的厚度≥160μm；面層可以選擇丙烯酸樹脂類、氟樹脂類、聚氨酯類，干膜的厚度≥100μm。

利用掃描鏡、電化學抗阻儀、光澤度儀、表面接觸角測量儀等，在海浪飛濺區(qū)及大氣區(qū)環(huán)境中對納米改性聚氨酯涂料耐腐蝕性及抗老化性進行研究，針對納米氧化鋅漿改進聚氨酯涂料性能的作用進行了分析，采用適量納米漿可以將聚氨酯涂料綜合使防腐蝕及抗老化性能提升。

4.3 風機機艙的腐蝕防護

風機機艙以及輪轂的內(nèi)部為風機關(guān)鍵部件，主要包含機械部件、結(jié)構(gòu)件、電氣部件等多種專業(yè)部件，主要通過整體防護措施以及重點防護關(guān)鍵零部件的方式。

將風機基層以及輪轂同外界相隔離，外殼主要利用玻璃鋼的材料，進而實現(xiàn)防腐蝕的目的。外殼設(shè)計為一個較大限度的密閉空間，同時電機風冷設(shè)備給發(fā)電機、變壓器等設(shè)備油溫降溫，將風機的機艙以及輪轂中的不同零部件的防腐蝕要求降低，進而實現(xiàn)整體防腐蝕的目的。

4.4 風機葉片的腐蝕防護

風機的葉片大部分是聚酯樹脂，基體材料為環(huán)氧樹脂以及玻璃纖維增強復(fù)合材料，具備較強的耐腐蝕性。

在海上環(huán)境潮濕的空氣中，風機葉片的表面比較容易聚集鹽分，這會對風機轉(zhuǎn)化能量的效率造成較大的影響，并且還會出現(xiàn)腐蝕問題[5]。現(xiàn)階段，海上風機葉片進行防腐蝕的主要措施是利用涂層技術(shù)，涂層干膜的厚度要求達到335μm。

風機的葉片還面臨防污、防覆冰等問題。所以，需要開發(fā)具備綜合性的、多功能的防腐蝕技術(shù)。超疏水涂層技術(shù)就是依據(jù)在超疏水的表面上水滴可以自由滾動的現(xiàn)象，提出的一種處理金屬表面的方法。超疏水涂層具備良好的自清潔性，即便是角度較小水滴也可輕易地從表面滾下，且將污染物帶走，進而實現(xiàn)良好的抗污性及自潔性。

超疏水涂層具備良好的防冰霧性，因為超疏水集體空隙與水滴間會有空氣夾雜，水滴在其表面附著力非常小，水滴不易直流，并且具備顯著的延緩結(jié)冰的作用，在低溫條件下其會表現(xiàn)出良好的除冰防霧性能。所以，作為新的防腐蝕技術(shù)，超疏水涂層技術(shù)可以同時具有防污染、防覆冰等性能，可以更加全面地對風機葉片起到防腐蝕的作用[6]。

5 結(jié)語

目前，大部分海洋工程會處于暴露的狀態(tài)或是缺乏防護的狀態(tài)，這對海洋工程發(fā)展的威脅極大，并且腐蝕造成的損失非常大。提升海洋工程設(shè)備的安全性和耐久性，是減少災(zāi)難性事件發(fā)生以及提升設(shè)備使用壽命的關(guān)鍵點，也是海洋經(jīng)濟及工程發(fā)展的重點。因此，本文主要圍繞海上風電設(shè)備防腐蝕措施展開研究，針對其中的關(guān)鍵點提出相應(yīng)的建議，以期通過本研究的開展，為海洋工程的發(fā)展起到積極的推動作用，也希望為相關(guān)理論的補充起到重要作用。