海上風電鋼制基礎的防腐質量控制分析

文／崔立川 吳云青 蘇萌 姚亮

海上風電鋼制基礎的防腐質量控制分析

文／崔立川 吳云青 蘇萌 姚亮

與陸上風電場相比,海上風電場具有風能資源儲量大、開發(fā)效率高、環(huán)境污染小、不占用耕地等優(yōu)點。然而海上風電運行環(huán)境十分復雜：高溫、高濕、高鹽霧和長日照等眾多影響因素對海上風電設備的腐蝕防護提出了嚴峻挑戰(zhàn)。防腐蝕設計已成為海上風電場設計的重要環(huán)節(jié)之一。

目前海上風電鋼制基礎的防腐系統(tǒng)，雖可參考海洋石油平臺、船舶、跨海大橋以及海底管線等的防腐經(jīng)驗，但海上風電鋼制基礎在運行要求及防腐處理上區(qū)別也很大，直接借鑒上述設施的防腐方案無法滿足海上風電基礎防腐質量要求。

海上風電基礎的腐蝕環(huán)境特點

海上風電基礎因各部位所處海洋環(huán)境可劃分為五個區(qū)域：大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)，圖1是鋼樁在美國KURE BEACH（基爾海濱）中暴露5年后的腐蝕示意圖。

一、海洋大氣腐蝕

海洋大氣具有濕度大、鹽分多、干濕循環(huán)效應強等特點，鋼結構表面形成無數(shù)的原電池，從而引起鋼結構的電化學腐蝕。

二、飛濺區(qū)的腐蝕

飛濺區(qū)是指平均高潮線以上海浪飛濺所能濕潤的區(qū)段。在此區(qū)域鋼結構表面的腐蝕不但海洋大氣中腐蝕因素的影響，還要受到海浪的有力沖擊，此外，該區(qū)域氧的去極化作用很強。由圖1可以看出，飛濺區(qū)是五個區(qū)域中腐蝕最嚴重的部位。

三、潮差區(qū)的腐蝕

在潮差區(qū)的鋼結構表面長期與飽和空氣的海水相接觸。潮流會加劇鋼鐵的腐蝕。在冬季有浮冰的海域，潮差區(qū)的鋼制基礎還會受浮冰的撞擊。

由圖1可見，鋼樁在潮差帶出現(xiàn)腐蝕最低值。

四、全浸區(qū)的腐蝕

單樁和導管架的中下部位全浸于海水中，遭受腐蝕影響因素較多，其中溶解氧的存在對該區(qū)域腐蝕影響較大。

五、海泥區(qū)腐蝕

鋼制基礎在海泥區(qū)部分的腐蝕，該區(qū)域主要受沉積物的物理性質、化學性質、生物性質和細菌的影響。

防腐系統(tǒng)設計

針對使用海洋腐蝕環(huán)境的不同應選擇不同的防腐方案。

根據(jù)ISO 12944－2要求，海上風電基礎鋼結構表面屬于C5－M或Im2腐蝕環(huán)境類別。其中鋼管樁外表面、防撞構件、電纜管表面及外平臺以下區(qū)域的螺栓螺母為Im2環(huán)境，其余均為C5－M環(huán)境。涂料的類型主要是富鋅涂料、環(huán)氧漆和聚氨酯涂料,它們具有較高的品質和耐久性。

目前，國內在建海上風電場主要位于潮間帶和淺海區(qū)，如何有效防范電化學和生物腐蝕，是需要著重解決的問題。應選取海工重防腐涂層加犧牲陽極的陰極保護系統(tǒng)的聯(lián)合防腐方案，或是海工重防腐涂層結合外加電流的陰極保護系統(tǒng)。

圖1 鋼樁在海濱試驗5年后的腐蝕示意圖

一、預防結構設計缺陷

防腐系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)工程，需要多個專業(yè)協(xié)同設計才能滿足飛濺區(qū)最好的防腐效果。

首先，結構設計應該考慮到易于進行表面處理、油漆涂裝、涂層檢測和防腐維修。因此應在設計過程的早期就咨詢腐蝕防護專家。

其次，就涂層系統(tǒng)而言，應根據(jù)基樁實際所處的實際環(huán)境，在實驗室中精確的模擬現(xiàn)場情況，以便更好的評估油漆系統(tǒng)服務壽命，避免后期因修補造成的損失。

二、海工重防腐涂層系統(tǒng)設計

（一）大氣區(qū)的防腐設計

海上風電基礎的鋼樁頂端內表面、爬梯、欄桿、樁內平臺、外平臺等處在海洋大氣腐蝕區(qū)，鋼樁頂端內表面可選用改性環(huán)氧封閉漆加改性環(huán)氧耐磨漆的防腐涂層系統(tǒng)，爬梯、欄桿、外平臺等選用熱浸鍍鋅外加環(huán)氧封閉漆及聚氨酯面漆覆蓋的防護涂層。

（二）飛濺區(qū)和潮差區(qū)的防腐設計

頂端鋼樁的外表面、防撞構件、電纜管的表面和外平臺以下區(qū)域的螺栓、螺母位于飛濺區(qū)/潮差區(qū)，鋼制基礎處在該區(qū)的部位是防腐的重點區(qū)域。一旦在這個區(qū)域發(fā)生嚴重的局部腐蝕破壞，會使整座鋼結構設施大大降低承載力，縮短使用壽命，影響安全生產(chǎn)，甚至導致設施提前報廢。

針對該區(qū)鋼構件腐蝕加劇的特點，鋼樁外表面可采用環(huán)氧富鋅底漆作為底涂層，環(huán)氧玻璃鱗片涂料為中間涂層，最外加脂肪族聚氨酯面漆，干膜厚度在750μm 左右。防撞構件、電纜管的表面，可采用熱浸鍍鋅，再用環(huán)氧封閉漆、環(huán)氧玻璃鱗片、脂肪族聚氨酯面漆依次覆蓋的方案，干膜厚度在650μm左右。

借鑒海上石油平臺在此區(qū)域的防腐經(jīng)驗，還可在增加鋼結構壁厚或附加10mm－13mm厚防腐蝕鋼板來緩沖浪濺腐蝕。

（三）防腐涂層系統(tǒng)的推薦方案

根據(jù)實驗室涂層測試，海上掛片試驗，借鑒國內海上風電基礎的防腐方案，對于處在潮間帶等近海區(qū)域海上風電鋼制基礎，推薦的防腐涂層體系如表1所示。

三、涂層系統(tǒng)的質量檢驗

涂裝完成后應按《漆膜厚度測定方法》（GB/ T13452.2）規(guī)定的辦法測定涂層干膜厚度，干膜厚度應大于或等于設計厚度值者應占監(jiān)測點總數(shù)的90%以上，其余測點的干膜厚度也不應低于90%的設計厚度值。電火花檢漏按NACE SP0188執(zhí)行；針孔數(shù)不應超過檢驗點總數(shù)的20%。

防腐涂料性能應按《船舶漆 耐鹽水性的測定 鹽水和熱鹽水浸泡法》（GB/T10834）、《色漆和清漆拉開法附著力試驗》（GB/T5210）等進行檢驗，涂料性能要求應符合表2的規(guī)定。

四、陰極保護系統(tǒng)

處在海水區(qū)、海泥區(qū)的鋼制基礎，可選用陰極保護方法作為防腐方案，該方案為電化學防腐。

（一）犧牲陽極的陰極保護

采用陰極保護的鋼結構必須確保每一設計單元或整體具有良好的通電連續(xù)性，連接點面積應大于連接用鋼筋或電纜的截面積，連接電阻不應大于0.01Ω,以保證總保護電流。總保護電流可按如下公式計算：

I=∑In+If（ 1）

∑In=∑insn（2）

式中， I—總保護電流（A）；

In—被保護鋼結構各分部位的保護電流（A）；

If—其他附加保護電流（A）；

in—被保護鋼結構各分部位的初期保護電流密度（A/ m2）；

sn—被保護鋼結構各分部位的保護面積（m2）

（二）外加電流的陰極保護系統(tǒng)

外加電流陰極保護系統(tǒng)工程包括：鋼樁電性連接、陽極（參比電極）安裝、負極連接施工、電纜敷設、變壓整流器安裝調試、系統(tǒng)試運行等工序。

外加電流陰極保護系統(tǒng)使防腐工作從過去的粗放型管理一躍成為可視化、數(shù)字化、遠程化、專業(yè)化的先進管理模式。

表1 防腐涂層配套體系表

表2 防腐涂層性能要求

施工與維護中的質量控制

一、涂層系統(tǒng)施工

（一）涂料質量控制

通過對國外海上風電風電防腐失效案例進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：油漆的質量問題是造成海上防腐涂層系統(tǒng)的過早失效的主要原因之一。正因此，在選擇油漆供應商時應要求其具有海上工程使用10年以上的良好業(yè)績，采用的防腐涂層配套體系必須在海上工程有實際使用業(yè)績。此外，油漆采購方還應加強油漆質量管理控制，嚴格落實油漆進廠復驗。

（二）施工環(huán)境的要求

防腐涂層施工對環(huán)境針對性要求很高，因此必須嚴格控制涂層施工環(huán)境。海上風電基礎的防腐施工環(huán)境應滿足下列要求：

（1）表面處理和防腐涂層施工應在通風和照明良好的室內進行；

（2）常溫型防腐涂層施工環(huán)境溫度范圍為5℃－40℃；當環(huán)境溫度低于-5℃時嚴禁進行防腐涂層施工；

（3）當風速大于6.7m/s,嚴禁進行防腐涂層施工；

（4）當鋼材底層表面未干、被污染或表面溫度大于45℃時，嚴禁進行防腐涂層施工。

（三）表面處理

據(jù)統(tǒng)計，高達75%的早期涂料缺陷是完全或部分由表面處理不充分或不正確而引起的。可見，表面處理是影響涂層壽命的第一要素。

處在飛濺區(qū)及全浸區(qū)的鋼樁表面處理等級要求達到Sa2.5級，平均粗糙度要達到50μm－80μm，符合《涂裝前鋼材表面腐蝕等級和防腐等級》（GB8923）要求；第一道涂層為熱鍍鋅時，鋼材表面除銹等級要達到Sa3級，平均粗糙度要達到50μm－100μm。表面粗糙度除滿足涂層系統(tǒng)的技術要求外，還應根據(jù)ISO8502－6和8502－9進行可溶性鹽檢驗，控制表面鹽度在25μg/m2以下。進行表面處理或防腐涂層施工時，鋼結構表面溫度應至少高于露點3℃以上，空氣相對濕度要低于80%。不能噴砂的部位，應按照SSPC－SP 11使用動力工具處理至裸鋼。

（四）油漆涂層施工

噴涂底漆應在噴砂除銹后4h內進行，防止因久置引起表面生銹或污物附著，進而影響底漆質量。為了避免漏點和薄點，通常至少需要2道以上的涂層系統(tǒng)。

中間漆和面漆就是在底漆的基礎上刷涂2道或2道以上的厚膜型環(huán)氧耐磨漆或環(huán)氧玻璃鱗片涂料，外加1道聚氨酯面漆，以提高涂料在特殊腐蝕環(huán)境的防腐性能。

二、熱浸鍍鋅

防撞構件、電纜管、爬梯、圍欄、平臺等內附件完成后宜整體進行熱浸鍍鋅，當不具備整體熱浸鍍鋅條件時，可按部件熱浸鍍鋅后再進行焊接，焊后應對節(jié)點處的遭損傷的熱浸鍍鋅層進行表面處理。通過國內外海上使用經(jīng)驗來看，熱浸鍍鋅層暴露在飛濺區(qū)和全浸區(qū)時會作為陽極犧牲自己，很快破壞或失效，因此在這些區(qū)域不宜獨立使用熱浸鍍鋅，應在鍍鋅處理后預涂環(huán)氧封閉漆，最終用防腐涂層來覆蓋。

三、陰極保護系統(tǒng)的安裝

犧牲陽極一般采用鋁合金系列材料，犧牲陽極安裝需嚴格按照施工圖進行，竣工后，投入正常使用前，檢測其保護電位并滿足設計要求。

四、設計及使用維護中需注意的問題

（一）機械損傷的防治

海上風電鋼制基礎在運輸及吊裝過程中，由于使用支撐、鋼絲繩等與鋼制基礎表面接觸易引起的涂層磨損。此外，漁民海上養(yǎng)殖及捕魚作業(yè)中易發(fā)生對風機基礎的碰撞而造成的涂層損傷，再就是潮差區(qū)冬季浮冰的沖撞造成涂層的破壞。

針對機械損傷問題的控制措施：（1）在防腐系統(tǒng)設計中應將機械損傷預防考慮進去，比如選取玻璃鱗片防腐涂層系統(tǒng)設計厚度應至少在0.5mm以上，鋼制基礎周圍加防撞設施；（2）應制定專門的運輸及吊裝方案，最大可能地減低人為破壞，比如運輸支撐與鋼制基礎之間加墊子，在吊裝鋼絲繩與鋼制基礎之間加橡膠墊。（3）當發(fā)現(xiàn)機械損傷時及時修補，防止腐蝕加劇。

（二）治理海洋生物附著

海洋環(huán)境中的苔蘚蟲、石灰蟲等海生物附著對于飛防腐涂層系統(tǒng)的腐蝕破壞現(xiàn)象很明顯。因此，防腐系統(tǒng)設計與維護中需采取控制措施，控制措施主要有：（1）設計防腐系統(tǒng)是應將如何海生物附著考慮在內，如在涂層系統(tǒng)中使用辣椒素，防止藻類、貝類、軟體動物等海生物的附著；（2）定期對附著在鋼制基礎上的海生物進行清除。

結語

本文是在對數(shù)十個海上風電鋼樁追蹤研究后，對防腐系統(tǒng)從設計、檢驗到使用維護整個過程進行總結分析，歸納出保證防腐系統(tǒng)使用壽命的方法。海上風電鋼樁基礎防腐應以前期設計為主，采取海工重防腐涂層加陰極保護系統(tǒng)的聯(lián)合防腐方案，并在施工與維護中加強控制。

（作者單位：崔立川、蘇萌、姚亮：中能電力科技開發(fā)有限公司；吳云青：國電聯(lián)合動力技術有限公司）