淺談海上風電防腐技術應用及優化方案

2017-09-07 05:29:46王健高宏飆劉碧燕

風能 2017年6期

關鍵詞：陰極保護混凝土

文 | 王健，高宏飆，劉碧燕

淺談海上風電防腐技術應用及優化方案

文 | 王健，高宏飆，劉碧燕

海上風電設備處于苛刻的海洋環境中，受到海水、鹽霧的侵蝕以及海浪、潮水的沖刷，如何保證風電設備實現20－25年的使用壽命，是海上風電防腐技術研究的重要課題。

江蘇海上龍源如東風電場始建于2009年，經過近8年的生產運行管理，積累了一定的海上風電防腐技術應用和缺陷整改、方案優化的經驗，可為海上風電場建設中防腐設計及生產運行中防腐維護提供借鑒。

目前海上風電防腐設計及存在問題

一、海上風電防腐設計

按國際標準組織《鋼結構防腐涂裝規范》ISO 12944腐蝕環境分類、《海港工程鋼結構防腐蝕技術規范》JTS153-3-2007，海上風電機組、塔筒處于C5-M（暴露在海洋大氣部分）或C5、C4（塔筒內設備）腐蝕環境，風電機組基礎處于Im2腐蝕環境。采用的防腐設計主要有：選用耐蝕材料，腐蝕裕量設計，防腐涂層，包覆防腐，陰極保護（犧牲陽極、外加電流）。

江蘇海上龍源如東風電場位于黃海東岸，現有155臺機組，風電機組基礎包括三種類型：混凝土承臺、多管樁及單管樁鋼構基礎。風電場位于如東爛沙海域，海水為微混濁咸水，鹽度約26.2‰，pH8.0，懸浮物52－63 mg/L，溶解氧10.4 mg/L。海水對混凝土結構弱腐蝕，對鋼結構中等腐蝕，干濕交替下對鋼結構及混凝土中鋼筋強腐蝕。

防腐設計方案：主要分為混凝土承臺、鋼構基礎、塔筒，共3大類方案。具體如下：

混凝土承臺：海上試驗風電場最早建設了7基鋼筋混凝土低樁承臺基礎，采用加大鋼筋外保護層厚度、摻入阻銹劑等防止鋼筋銹蝕，浪花飛濺區和潮差區則采用結構表面硅烷浸漬（輥涂）防腐方案。

鋼構基礎：采用“涂層+犧牲陽極陰極保護”防腐方案，涂層為“玻璃鱗片環氧漆+脂肪族聚氨酯面漆”，總干膜厚度800μm。

塔筒：涂層方案包括兩大類，（1）“環氧富鋅底漆+厚漿型環氧云鐵中間漆/高固態厚膜型聚酰胺固化環氧漆+脂肪族聚氨酯面漆”，總干膜厚度320μm；（2）對于少數塔筒，考慮到底段位置低、可能有海浪飛濺，采用“改性環氧樹脂漆+厚漿型環氧云鐵中間漆+改性環氧樹脂漆”，總干膜厚度660μm；或“聚酰胺固化環氧通用底漆+環氧玻璃鱗片漆”，總干膜厚度800μm。

二、目前存在問題

存在的主要問題表現在：混凝土承臺運行3－5年后，表面陸續出現鋼筋銹蝕現象；鋼構基礎潮差區海生物生長嚴重、涂層破壞大，現場修補難度大、質量難保證；同時涂層損壞又引發犧牲陽極塊消耗大、陰極保護電位正移大，按現有正移速度推算，即將到達陰極保護電位臨界值-0.85mV（銅/硫酸銅參比電極），遠遠滿足不了海上風電機組基礎25年使用壽命的要求；個別塔筒防腐涂層出現粉化。

（一）混凝土承臺表面出現早期銹蝕

運行三、四年后出現鋼筋混凝土承臺表面硅烷涂層破損，受海水的腐蝕，混凝土中的鋼筋出現銹蝕現象，如圖1所示。

鋼筋混凝土承臺腐蝕電位檢測發現，自然腐蝕電位檢測結果在-0.695－-0.845 V之間（表1）。根據標準ASTM C-876，腐蝕電位負于-0.350V時，發生腐蝕的概率高于90%。

（二）多管樁基礎潮差區涂層防腐遭遇挑戰、陰極保護有待完善

多管樁基礎設計了涂層+犧牲陽極陰極保護。鋼構基礎潮差區海生物生長嚴重（圖2），海生物脫落加重涂層破壞、鋼構腐蝕。潮水漲落使現場涂層修補難度大、質量難保證。潮差區的涂層防腐遭遇挑戰。

多管樁的犧牲陽極陰極保護，則主要存在以下問題：（1）試驗風電場存在因設計高度偏差、4臺多管樁基礎斜撐桿上陽極塊長時間裸露在空氣中的情況，無法起到保護作用；（2）1臺風電機組因基礎周圍海床沖刷，低潮位期間犧牲陽極塊全部裸露（圖7），無法起到保護作用；（3）1臺多管樁基礎的1個陽極塊完全溶解、只剩下焊腳；1臺風電機組的1個獨樁，僅設計1個犧牲陽極塊，無冗余，一旦該陽極塊掉落則失去保護。

圖1 運行3年的#47承臺

表1 鋼筋混凝土承臺腐蝕電位

（三）單管樁基礎沉樁期間涂層損壞大、維護困難

單管樁基礎主要存在兩大問題：一是施工沉樁期間，替打法蘭和樁頭固定位置涂層損壞大，現場維護困難；二是存在部分單管樁陰極保護電位正移太快的情況，如表2所示，存在即將達到保護臨界值的可能，不能滿足設計壽命的要求。

（四）塔筒存在個別機位防腐涂層粉化

通過對運行5年的塔筒進行詳細涂層檢查，發現個別塔筒外壁出現防腐涂層粉化，判斷其程度為1.5－2級，不滿足20年防腐要求。

問題分析

一、海上風電設備腐蝕原理

圖2 #39多管樁基礎海生物生長嚴重

圖3 潮差區附近的宏電池腐蝕

表2 部分單管樁陰極保護電位正移太快

海上風電設備的腐蝕源：氧氣、海水、氯離子、紫外線等。腐蝕類型，多屬于金屬的電化學腐蝕。腐蝕特點：飛濺區和潮差區干濕交替、浪花沖擊，腐蝕速度最大。腐蝕原理：微電池和宏電池的共同作用，潮濕環境下的金屬表面形成無數個腐蝕微電池，陽極區金屬溶解、腐蝕；處于海水環境的風電機組基礎，潮差區附近又形成一個宏電池（圖3），加速腐蝕。

二、目前所存在問題的分析

海上風電設備的防腐設計思路：隔離腐蝕源。例如：防腐涂層、包覆防腐，加熱，防鹽霧、防潮氣；使設備成為陰極，從而不發生腐蝕，即陰極保護。

（一）混凝土承臺需提高涂層防腐效果，同時采用陰極保護。

海洋工程環境中使用的鋼筋混凝土，受海水、鹽霧的環境影響，因碳化作用降低混凝土的pH值，破壞堿性環境；侵蝕性氯離子競爭吸附鋼筋表面的活性位，破壞表面的鈍化膜，引起鋼筋腐蝕?？梢?，鋼筋混凝土承臺，一旦涂層破損，易發生腐蝕，需及時采取措施進行腐蝕防護。

措施：隔離腐蝕源，并使基礎陰極極化，即防腐涂層修補，同時采用陰極保護防腐。

（二）多管樁基礎需優化陰極保護

多管樁鋼構基礎的問題，綜合成兩點：浪濺潮差區防腐涂層隔離腐蝕源失效；犧牲陽極塊掉落，或者由于設計、環境變化原因，導致犧牲陽極塊露出水面以上，阻礙了犧牲陽極塊陰極保護防腐作用的發揮。

對于有1個犧牲陽極塊全部溶解的情況，初步分析為潮水浸蝕、犧牲陽極塊本身有瑕疵導致的焊腳位置陽極塊加速溶解、陽極塊與焊腳徹底脫離而掉落，并排除涂層大面積剝落、犧牲陽極塊批量質量問題、雜散電流等原因引起陽極塊過早消耗的可能性。

（三）單管樁基礎采用浪濺區包覆防腐

主要存在犧牲陽極塊保護電位正偏移太快的情況。可采取增加安裝犧牲陽極塊，或采用浪濺區包覆防腐作為補充措施。

（四）塔筒面漆選型不低于脂肪族聚氨酯

資料顯示：少數機位的底段塔筒面漆設計，由于側重于考慮海水飛濺效應，而忽視了紫外線對環氧樹脂油漆的加速老化、粉化作用，忽視了脂肪族聚氨酯面漆對環氧中間漆的保護作用，導致個別機位底段塔筒出現涂層粉化。

優化方案

為保證海上風電設備安全，需對目前存在的防腐涂層、陰極保護應用中的問題進行整改和優化。具體如下：針對混凝土承臺表層生銹情況，對混凝土承臺涂層進行整體維護，同時進行技改，增加犧牲陽極陰極保護；針對多管樁潮差區涂層破損多、修補難度大的問題，采用包覆防腐方案進行施工，并增加安裝犧牲陽極塊；對單管樁基礎，采用浪濺潮差區包覆防腐；增加安裝犧牲陽極塊；同時進行陰極保護遠程監控和外加電流陰極保護系統應用研究，并采用BEASY軟件模擬電位分布，優化犧牲陽極、輔助陽極的布置，確保保護電位均勻，避免出現過保護或欠保護。

一、混凝土承臺

（一）涂層整體維護

混凝土承臺涂層整體維護：進行整體打磨（除海生物、除銹）、高壓淡水沖洗。吹干后，采用“特奈麥克/ TNEMEC Series 201+氣相二氧化硅”環氧水性改性砂漿膩子抹平小孔+環氧玻璃鱗片涂料底漆350μm+環氧玻璃鱗片涂料中間漆400μm+脂肪族聚氨酯面漆60μm的防腐涂料噴涂工藝（圖4）。

（二）陰極保護技改

針對混凝土承臺無陰極保護設計、本體出現早期腐蝕的情況，進行技改增加犧牲陽極塊。選用犧牲陽極塊型號：A21I-7（表3）。

材料要求：犧牲陽極塊符合《鋁—鋅—銦系合金犧牲陽極》（GB/T 4948-2002）要求；制作廠家資質、犧牲陽極塊進場驗收程序、化學組成和電化學性能符合規范標準要求，并確認原材料不是回收鋁。

施工要求：應滿足陽極塊浸沒在海水中，保證陽極塊與混凝土承臺實現電連接、且不破壞混凝土本體，犧牲陽極塊與混凝土承臺接觸電阻小于0.01歐姆。

安裝和運行效果如圖5所示。

二、多管樁

（一）浪濺潮差區技改增加包覆防腐

圖4 混凝土承臺涂層整體維護（打磨、沖洗、噴涂）

表3 犧牲陽極塊型號、規格

針對浪濺潮差區防腐涂層破損多、修補難度大的情況，采用包覆防腐方案施工（圖6），保證浪濺潮差區的防腐效果。

（二）陰極保護整改優化

多管樁基礎整改包括兩方面：因設計缺陷、在水面以上的犧牲陽極塊，進行下移安裝；對于因地形、地貌變化導致陽極塊露出水面的，獨樁設計只有一個陽極塊，以及陽極塊掉落的，采取增加安裝犧牲陽極塊的措施進行整改。

三、單管樁

（一）浪濺潮差區技改增加包覆防腐

浪濺潮差區采用涂層+包覆防腐方案。包覆防腐系統由四層緊密相連的保護層組成，即防蝕膏、防蝕帶、聚乙烯泡沫和玻璃鋼或者增強玻璃鋼防蝕保護罩（圖8）。其中防蝕膏和防蝕帶添加有抗腐蝕材料，具有優良的保護性、粘附性、與水和空氣隔絕性；加上堅硬的固體玻璃鋼保護罩，可以達到更好的保護效果（圖9）。

（二）陰極保護遠程監控及外加電流陰極保護應用研究

圖5 犧牲陽極塊安裝（左）、運行保護（右）

圖6 多管樁基礎包覆前后對比

圖7 犧牲陽極塊增加安裝前后

按《港工設施犧牲陽極保護設計和安裝》（GJB 156A-2008）及《海港工程鋼結構防腐蝕技術規范》（JTS 153-3-2007）規定：陰極保護系統電位檢測應一年一次。海上風電通達性差，人工檢測工作量大、安全風險大，為此進行陰極保護遠程監控及外加電流陰極保護應用研究。研究后發現：遠程監測數據與人工測試數據吻合性較好，可大力提高工作效率和自動化程度。

外加電流陰極保護研究，在直徑5.6m單管樁上進行，保護面積約800m2。系統主要由恒電位儀、輔助陽極、參比電極、陽極屏蔽涂料、海洋工程專用電纜、監測系統等組成。系統安裝前，需確認其認證證書、材料質量證明書、檢測及試驗報告。系統安裝后，保護電位達到規范要求范圍。

調試期間，為避免過保護，將設定值由-1.019－-0.994V（圖10）調整為-0.9538－ -0.9622 V（銅/飽和硫酸銅參比電極）。

四、塔筒

為提高塔筒防腐壽命，主要著手于底漆、中間漆、面漆的選型。

塔筒外表面防腐借鑒西門子風電機組C5-M環境防腐方案：采用熱噴鋅取代富鋅底漆。中間漆采用環氧云鐵中間漆。面漆要求耐太陽暴曬，抗紫外線，抵御褪色、變色、龜裂、粉化和剝落的能力強，以維持涂層防銹性能，選用聚氨酯面漆或者4F氟碳涂料。