海洋能發(fā)電裝置的防腐技術(shù)概述

李揚(yáng)眉，楊 立，楊東菊，王海峰

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

海洋能發(fā)電裝置的防腐技術(shù)概述

李揚(yáng)眉，楊 立，楊東菊，王海峰

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

防腐蝕是海洋能開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中急需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。文中分析研究了海洋能發(fā)電裝置的腐蝕因素、腐蝕環(huán)境以及存在的腐蝕類型，總結(jié)了提高防腐蝕的措施，提出了規(guī)范化海洋能發(fā)電裝置防腐蝕的建議。

海洋能；發(fā)電；防腐蝕；規(guī)范化

能源短缺是當(dāng)今世界面臨的共同問(wèn)題。在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中，化石燃料占總能源供給量的比例過(guò)高，沿海地區(qū)化石燃料的生產(chǎn)已不能滿足目前的需要，嚴(yán)重制約了沿海和海島地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，開(kāi)發(fā)利用可再生能源特別是海洋能是促進(jìn)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)改善和解決沿海及海島地區(qū)能源短缺問(wèn)題的重要途徑之一。

近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外廣泛開(kāi)展了海洋能發(fā)電技術(shù)的研究，但海水是一種含有多種鹽類的電解質(zhì)溶液，并溶有一定量的氧，這就決定了海水具有強(qiáng)烈的腐蝕性。海洋能發(fā)電裝置安裝運(yùn)行后，受海水侵蝕、波浪沖擊、日照、海風(fēng)、季節(jié)溫度變化以及海生物侵蝕等多種因素的影響，加速了腐蝕，使材料的性能降低，造成結(jié)構(gòu)損壞，從而導(dǎo)致發(fā)電裝置不能正常工作，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也嚴(yán)重制約了海洋能發(fā)電裝置技術(shù)的發(fā)展。海洋能發(fā)電裝置的防腐蝕研究也是我國(guó)海洋能開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中急需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 腐蝕

海洋中的材料和環(huán)境之間發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)相互作用就會(huì)引起材料的破壞或變質(zhì)，發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。腐蝕具有普遍性、隱蔽性、漸進(jìn)性和突發(fā)性的特點(diǎn)。海洋能發(fā)電裝置主體結(jié)構(gòu)多為金屬材料，較易發(fā)生腐蝕。

1.1 海水腐蝕因素

造成金屬材料在海水、海洋大氣及海底泥土中發(fā)生腐蝕現(xiàn)象的因素主要有化學(xué)、物理、生物等因素。

（1）化學(xué)因素的作用主要體現(xiàn)在海水中的溶解氧含量，含鹽量及電導(dǎo)率等方面。溶解氧含量是影響海水腐蝕速率的重要因素。

（2）影響腐蝕的物理因素有海水流速、波浪、潮汐、溫度等，它們影響到溶解氧的供給，從而加劇腐蝕的速度。

（3）在海洋金屬上還附著有一些海洋生物，包括海洋動(dòng)物、植物和微生物，它們會(huì)在金屬表面生長(zhǎng)繁殖，產(chǎn)生腐蝕性物質(zhì)或促進(jìn)電化學(xué)腐蝕，造成點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕等局部腐蝕。

1.2 海洋發(fā)電裝置腐蝕環(huán)境區(qū)域

海洋發(fā)電裝置腐蝕環(huán)境按照腐蝕規(guī)律可大致分為海洋大氣區(qū)、潮差飛濺區(qū)、海水全浸區(qū)、海底泥土區(qū)。

1.2.1 海洋大氣區(qū)

海洋發(fā)電裝置在海面飛濺帶以上的部分為海洋大氣區(qū)。受日光、風(fēng)雨、冰雪和高濃度鹽霧等作用，腐蝕速率較快，一般陰面比陽(yáng)面腐蝕嚴(yán)重，距海水近的下部比上部腐蝕嚴(yán)重。在海洋大氣區(qū)的腐蝕速率一般可達(dá)到0.1 mm／a。

1.2.2 潮差飛濺區(qū)

海洋能發(fā)電裝置處于漲潮和落潮及海水飛濺達(dá)到的部分為潮差飛濺區(qū)。受陽(yáng)光照射、浪花飛濺和沖擊、漲潮和落潮時(shí)干濕交替、海面漂浮物的撞擊和侵蝕、海水電解質(zhì)腐蝕等多種因素影響，是腐蝕最嚴(yán)重的部分。在潮差飛濺區(qū)的腐蝕速率一般為 0.3～0.5 mm／a，最高可達(dá)到 1 mm／a，蝕坑的深度可達(dá)到2 mm以上。

1.2.3 海水全浸區(qū)

海洋發(fā)電裝置處于低潮水位下的部分為海水全浸區(qū)。表層海水的水溫高、氧氣近于飽和、生物活性強(qiáng)是水下區(qū)腐蝕最強(qiáng)的部分。表層以下部分氧氣含量較少，植物性和動(dòng)物性污染較少，但水溫低，壓力大，由海水電解質(zhì)造成的腐蝕相對(duì)較輕。在海水全浸區(qū)的腐蝕速率一般為0.1～0.2 mm／a，而且容易發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕和疲勞腐蝕。

1.2.4 海底泥土區(qū)

在海底泥土區(qū)中，粘土和細(xì)粉沙軟泥會(huì)含有厭氧硫酸菌而加速腐蝕；海砂中微生物含量較少，腐蝕速率相對(duì)低。對(duì)于淺海區(qū)域，由于陸地污染物的排入，使腐蝕變得復(fù)雜，一般會(huì)加速腐蝕。對(duì)于淺海中埋在海底部分的樁腿，由于氧濃差電池作用，將加快腐蝕。

1.3 海洋能發(fā)電裝置存在的腐蝕類型

海洋能發(fā)電裝置腐蝕類型主要有均勻腐蝕、點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、沖擊腐蝕、空泡腐蝕、生物腐蝕、電偶腐蝕、疲勞腐蝕等，這些腐蝕類型往往與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和冶金因素有關(guān)。

2 海洋能發(fā)電裝置防腐蝕措施

海洋能發(fā)電是新型能源的重要方式，海洋能發(fā)電裝置造價(jià)昂貴，日常維護(hù)困難，為保證海洋能的安全，采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，加強(qiáng)海洋能發(fā)電裝置的防腐蝕能力，可以有效地防止和抑制海洋腐蝕的發(fā)生，避免減輕海洋腐蝕造成的危害。海洋能發(fā)電裝置可以從以下幾方面提高防腐蝕能力。

2.1 選用耐蝕材料并注重設(shè)計(jì)和加工

2.1.1 材料選取

材料本身的耐腐蝕性能對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物的壽命和耐久性起著非常重要的作用，采用耐腐蝕材料可以取得更好的防護(hù)效果或更好的經(jīng)濟(jì)性。海洋環(huán)境耐腐蝕材料包括：不銹鋼、銅合金、鎳基合金、鈦及鈦合金以及非金屬材料如工程塑料、樹(shù)脂基復(fù)合材料等。海洋能發(fā)電裝置材料的選用不僅應(yīng)考慮材料的海洋環(huán)境耐蝕性能與耐蝕機(jī)理，還要考慮不同材料之間的相容性等。

2.1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

合理的設(shè)計(jì)可以減少腐蝕的發(fā)生。例如，潮差飛濺區(qū)易遭受?chē)?yán)重腐蝕，而又不能進(jìn)行噴砂處理和涂敷，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避開(kāi)類似T、K、Y形狀的節(jié)點(diǎn)；可以通過(guò)減少潮差飛濺區(qū)中金屬構(gòu)件的密集度來(lái)減少腐蝕的蔓延；通過(guò)減少異種金屬部件的直接連接，減少水下全浸區(qū)的腐蝕。

2.1.3 加工工藝

很多事故表明，裂縫往往是發(fā)生在結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中嚴(yán)重部位以及焊縫切割部分，因此要盡量避免不同金屬的搭接和鉚接，焊縫不宜太多，各部分受力要均勻。對(duì)于重要節(jié)點(diǎn)，隨著鋼板厚度的增加，焊接量大、應(yīng)力集中更為明顯，因此往往除了要求完全焊透以外，并打磨焊縫表面，使光滑過(guò)度，疲勞強(qiáng)度可以提高一倍以上。

2.2 采用涂層保護(hù)技術(shù)

涂層是海洋環(huán)境腐蝕保護(hù)的主要手段之一，防護(hù)涂層包括有機(jī)涂層和金屬涂層，按功能可劃分為防腐涂層和防污涂層。海洋能發(fā)電裝置涂層應(yīng)選用高性能海洋防腐涂料、環(huán)境友好涂料、長(zhǎng)壽命綠色防污涂料；還應(yīng)考慮金屬涂層、復(fù)合涂層等技術(shù)的采用。此外對(duì)涂層制備工藝技術(shù)、涂層體系性能評(píng)價(jià)與試驗(yàn)方法、涂層防護(hù)機(jī)理等作充分的考慮。

2.2.1 涂料的選取

防護(hù)涂料的品種很多，性能各異，被保護(hù)的對(duì)象多種多樣，使用條件各不相同。總之沒(méi)有“萬(wàn)能涂料”可以適應(yīng)各種用途。因此，選擇涂料是十分重要的。選取具備以下特征的防腐蝕涂料：

（1）耐腐蝕性能好；

（2）透氣性和滲水性要小；

（3）要有良好的附著力和一定的機(jī)械強(qiáng)度。

總之，實(shí)際中往往會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，某一涂料品種耐腐蝕性能很好，但對(duì)基材附著力和機(jī)械性能不佳而無(wú)法使用。為了解決耐腐蝕性能和機(jī)械性能之間的矛盾，海洋能發(fā)電裝置的防腐蝕涂層可采用幾種涂料復(fù)配的方法。

2.2.2 涂裝

防腐層對(duì)噴涂表面也有一定的要求，被涂材料表面在涂裝前必須進(jìn)行必要的表面處理，使其達(dá)到表面平整光潔，無(wú)焊渣、銹蝕、酸堿、水分、油污等污物，是保證涂裝的關(guān)鍵。因此，在涂裝前進(jìn)行完善的表面處理，對(duì)增強(qiáng)涂膜的附著力，更大地發(fā)揮涂料的保護(hù)和裝飾作用，延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命，起著極為重要的作用。防腐效果的好壞，60%～70%在于表面處理和施工。

2.3 采用電化學(xué)保護(hù)技術(shù)

電化學(xué)保護(hù)是防止海水腐蝕的重要方法，主要采用陰極保護(hù)法。陰極保護(hù)法和有機(jī)涂層相結(jié)合是防止金屬結(jié)構(gòu)物海水腐蝕的有效措施，可取得協(xié)同的優(yōu)化防腐蝕效果。

陰極保護(hù)法將處于電解質(zhì)溶液中的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行陰極極化，使其電位向負(fù)的方向移動(dòng)，從而使金屬腐蝕得到抑制。根據(jù)提供陰極保護(hù)電流途徑的不同，有分為犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)兩種方法。前者是通過(guò)電負(fù)性金屬作為陽(yáng)極（例如特制的鋅合金和鋁合金）與被保護(hù)的金屬相連接，通過(guò)陽(yáng)極材料的溶解消耗來(lái)提供保護(hù)電流。后者是利用外部電源如整流器等來(lái)提供陰極保護(hù)所需的電流。

海洋能發(fā)電裝置既可以采用外加電流裝置，也可以采用犧牲陽(yáng)極裝置，甚至可以兩種類型聯(lián)合使用。

3 不同腐蝕環(huán)境區(qū)域防腐蝕分析

不同的腐蝕環(huán)境區(qū)域具有不同的腐蝕特征，不同材料在不同海洋環(huán)境中的腐蝕規(guī)律不同，即使同一種材料在海洋不同區(qū)域的腐蝕也存在著較大差異。因此，海洋能發(fā)電裝置各部分根據(jù)不同的腐蝕規(guī)律和防腐要求，采取不同的防腐蝕方案。

3.1 海洋大氣區(qū)的防腐蝕

海洋大氣區(qū)多發(fā)生點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕，因此應(yīng)選用無(wú)縫、光滑的管件。選用耐蝕材料加防腐涂層的方法防腐蝕，涂層要求具有優(yōu)異的耐大氣老化和鹽沉積性能。

3.2 潮差飛濺區(qū)的防腐蝕

潮差飛濺區(qū)是腐蝕最嚴(yán)重的部分，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使結(jié)構(gòu)件在該區(qū)的表面積盡量小，一般采用防腐涂層和電化學(xué)保護(hù)相結(jié)合的方法進(jìn)行防腐蝕保護(hù)。使用的防腐涂料應(yīng)具有良好的耐海水性、耐候性、耐磨損、耐沖擊、耐化學(xué)腐蝕、耐干濕交替性能，在海水長(zhǎng)期浸泡下，不會(huì)起泡和脫落。此外，增加結(jié)構(gòu)壁厚或附加“防腐蝕鋼板”是也潮差飛濺區(qū)有效的防護(hù)措施，有關(guān)的規(guī)范仍然要求潮差飛濺區(qū)防腐蝕鋼板厚度應(yīng)達(dá)13～19 mm。

對(duì)潮差飛濺區(qū)進(jìn)行腐蝕保護(hù)時(shí)，必須清楚地了解海洋能發(fā)電裝置使用環(huán)境的風(fēng)浪情況，準(zhǔn)確確定范圍。由于潮差飛濺區(qū)防護(hù)對(duì)發(fā)電裝置的安全是極為重要的，所以在確定其范圍時(shí)寧可擴(kuò)大一些，有一定的安全系數(shù)。

3.3 海水全浸區(qū)的防腐蝕

在海洋全浸區(qū)的腐蝕程度比大氣區(qū)嚴(yán)重，但比潮差飛濺區(qū)要輕。當(dāng)水深較淺時(shí)，可采用涂層聯(lián)合陰極保護(hù)進(jìn)行防腐蝕，水較深時(shí)，可以單獨(dú)采用陰極保護(hù)，因?yàn)槟壳胺冷P、污涂料使用期限很難達(dá)到永久性的保護(hù)，并且水下施工較困難。

對(duì)子半潛式發(fā)電裝置，對(duì)負(fù)重有一定要求，最好使用涂層和電化學(xué)保護(hù)相結(jié)合的方法，能夠在正常使用情況下減輕犧牲陽(yáng)極的重量。要求涂層具有良好的耐海水性和耐電位性能。

3.4 海底泥土區(qū)的防腐蝕

根據(jù)海洋能發(fā)電裝置使用環(huán)境的海底沉積物的腐蝕性來(lái)采取防腐蝕措施，可采用防腐涂層聯(lián)合陰極保護(hù)進(jìn)行防腐蝕，或者單獨(dú)采用陰極保護(hù)。

4 規(guī)范化海洋能發(fā)電裝置的防腐蝕

除海洋能發(fā)電裝置采取必要的防腐蝕措施外，建議建立完善的防腐蝕規(guī)章制度，在海洋能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)、制造以及使用時(shí)涉及防腐蝕時(shí)必須按相應(yīng)的規(guī)定執(zhí)行，做到規(guī)范化防腐，使防腐蝕措施行之有效。

4.1 建立腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

建立腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解海洋能發(fā)電裝置的腐蝕與防腐蝕，對(duì)腐蝕保護(hù)狀況和結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為合理的維護(hù)維修以及改進(jìn)防腐蝕措施提供科學(xué)依據(jù)。

4.2 制定防腐蝕設(shè)計(jì)制造和使用的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)海洋能發(fā)電裝置各部件各腐蝕區(qū)域的防腐蝕措施，例如材料選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、涂層設(shè)計(jì)、施工工藝、陰極保護(hù)等均制定相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，在海洋能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)制造和使用中必須遵守，規(guī)范海洋能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)制造。

4.3 建立檢測(cè)制度，定期檢測(cè)

編寫(xiě)全面完善的檢測(cè)規(guī)程，對(duì)海洋能發(fā)電裝置使用前、使用中定期開(kāi)展檢測(cè)，客觀地評(píng)估海洋能發(fā)電裝置的防腐蝕能力及腐蝕狀況，為有效利用海洋能發(fā)電裝置提供科學(xué)依據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

眾所周知，金屬腐蝕會(huì)造成巨大的損失，如果采取恰當(dāng)?shù)姆栏g措施，許多腐蝕事故可以避免。全面做好海洋能發(fā)電裝置的防腐工作，形成完善的防腐蝕裝置，提高海洋能發(fā)電裝置的環(huán)境適應(yīng)性，使海洋能發(fā)電裝置的運(yùn)行可靠性和長(zhǎng)效性得到最大程度的提高，可促進(jìn)海洋能開(kāi)發(fā)利用的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展。

[1]侯保榮,等.鋼材在海水-海氣交換界面區(qū)的腐蝕行為[J].海洋與潮沼,1995，26（5）：514-519.

[2]夏蘭庭,等.金屬材料的海洋腐蝕與防護(hù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社.2003：1-13.

[3]魏寶明.金屬腐蝕理論及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1997.

[4]李愛(ài)貴,等.海洋平臺(tái)涂層防腐蝕系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2009，26（1）：48-51.

[5]任強(qiáng),王成良,張劍波.談海上平臺(tái)的腐蝕與防護(hù)[J].中國(guó)海洋平臺(tái),2002,17(3)：44-45.

[6]王亦工,等.水性無(wú)機(jī)硅酸鋅防腐涂料的研究進(jìn)展[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2006,18(1)：41-45.

Study on Anti-corrosion of Ocean Energy Conversion Device

LI Yang-mei,YANG Li,YANG Dong-ju,WANG Hai-feng
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

Anti-corrosion is one of the key technologies in the process of exploitation and utilization of ocean energy.An analysis on the corrosion factors,corrosion environment and the types of corrosion of ocean energy conversion device is made.The approach of improving anti-corrosion and standardization of anti-corrosion is summarized finally.

ocean energy;generating electricity;anti-corrosion;standardization

P74，TG17

B

1003-2029（2011）03-0108-03

2011-04-08

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃《海洋能開(kāi)發(fā)利用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范》的子項(xiàng)目，海洋能發(fā)電系統(tǒng)綜合測(cè)試研究（2008BAA15B06）