海上風(fēng)塔的防腐涂裝系統(tǒng)的選擇與評(píng)價(jià)

李陽(yáng)

摘要：2016年是中國(guó)“十三五”規(guī)劃的開(kāi)局之年，也是國(guó)家繼續(xù)支持海洋規(guī)劃的第三個(gè)五年計(jì)劃。近年來(lái)，隨著資源、環(huán)境、氣候問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，國(guó)家對(duì)于清潔能源的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用日益受到各方的關(guān)注。我國(guó)的海上風(fēng)能儲(chǔ)量豐富，海上風(fēng)塔市場(chǎng)前景可觀，推進(jìn)海上風(fēng)塔建設(shè)是企業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要戰(zhàn)略舉措，而海上風(fēng)電設(shè)備所需的防腐技術(shù)比較復(fù)雜，需要結(jié)合產(chǎn)品的服役環(huán)境、結(jié)構(gòu)、材料、裝配工藝、運(yùn)輸環(huán)境等分部分、針對(duì)性的進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)。本文通過(guò)電化學(xué)原理、熱力學(xué)理論，將海上風(fēng)電塔筒所處腐蝕環(huán)境進(jìn)行細(xì)化分析，針對(duì)各個(gè)環(huán)境狀態(tài)下的腐蝕機(jī)理，采取不同的腐蝕防護(hù)措施。

1.概述

風(fēng)電作為快速發(fā)展的綠色可再生能源，成為許多國(guó)家關(guān)注的焦點(diǎn)，成為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。風(fēng)電設(shè)備主要由葉片、機(jī)艙及塔筒組成，其中塔筒是風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)，是海上風(fēng)電場(chǎng)的重要組成部分。我國(guó)的海上風(fēng)能儲(chǔ)量豐富，海上風(fēng)塔市場(chǎng)前景可觀，推進(jìn)海上風(fēng)塔建設(shè)是企業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要戰(zhàn)略舉措，而海上風(fēng)電設(shè)備所需的防腐技術(shù)比較復(fù)雜，需要結(jié)合產(chǎn)品的服役環(huán)境、結(jié)構(gòu)、材料、裝配工藝、運(yùn)輸環(huán)境等分部分、針對(duì)性的進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)。

海上風(fēng)塔防腐設(shè)計(jì)要根據(jù)海洋環(huán)境進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)。海洋環(huán)境是指從海洋大氣到海底泥漿這一范圍內(nèi)的任何一種物理狀態(tài)，諸如溫度、風(fēng)速、日照、含氧量、鹽度、PH值以及流速等，一般可分成性質(zhì)不同的幾種類型：海洋大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)、全浸區(qū)以及泥下區(qū)（見(jiàn)圖1），各種環(huán)境因素變化很大，對(duì)塔筒的腐蝕作用也有所不同，危害也不同，主要的影響因素有：陰、陽(yáng)離子組成及含量、充氣種類及其飽和度、生物活性影響、溫度變化、海水流速、海域環(huán)境污染、PH值的大小、海域的天然環(huán)境和變化等。因此，只有對(duì)海上風(fēng)電塔筒采取有針對(duì)性的腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)才能保證海上風(fēng)電場(chǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.海洋環(huán)境中塔筒的腐蝕機(jī)理和對(duì)應(yīng)的防護(hù)措施

海上風(fēng)電塔筒的腐蝕防護(hù)措施主要有：增加腐蝕允量、電極防護(hù)、鍍層、噴涂防腐蝕涂料等方法。海上風(fēng)電塔筒與陸上風(fēng)電最大的不同是海上風(fēng)電塔筒所處的“腐蝕環(huán)境”不同，需要從實(shí)際出發(fā)，深入了解海洋腐蝕的特殊性后，將海上風(fēng)電塔筒所處腐蝕環(huán)境細(xì)化，并通過(guò)電化學(xué)原理、熱力學(xué)理論，對(duì)應(yīng)分析各個(gè)環(huán)境狀態(tài)下的腐蝕機(jī)理，從而有針對(duì)性地選擇腐蝕防護(hù)措施。

（1）海洋大氣區(qū)：涂料防腐

海洋大氣是指海面飛濺區(qū)以上的大氣區(qū)和沿岸大氣區(qū)，在此區(qū)域中主要含有水蒸氣、氧氣、氮?dú)?、二氧化碳、二氧化硫以及懸浮于其中的氯化鹽、硫酸鹽等，具有比普通大氣濕度大、鹽分高、溫度高及干、濕循環(huán)效應(yīng)明顯等特點(diǎn)。由于海洋大氣濕度很大，水蒸氣在毛細(xì)管作用、吸附作用、化學(xué)凝結(jié)作用的影響下，附著在鋼材表面形成一層肉眼看不見(jiàn)的水膜，二氧化碳、二氧化硫和一些鹽分溶解在水膜中，使之成為導(dǎo)電性很強(qiáng)的電解質(zhì)溶液。此外，氯離子有穿透作用，它能加速鋼材的點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕和縫隙腐蝕等局部腐蝕。此區(qū)域都是ISO12944-2-1988界定的C5-M海洋大氣環(huán)境

一般采用涂料防腐涂層系統(tǒng)，涂料的類型主要是富鋅涂料和聚氨酯涂料，具有較高的品質(zhì)和耐久性，但海上風(fēng)電苛刻的腐蝕環(huán)境，要求不斷提高其綜合性能以更好的滿足海上風(fēng)電防腐蝕的需要。在設(shè)計(jì)涂層方案時(shí)，需要綜合考慮環(huán)境、施工和性能，優(yōu)先選擇施工方便，盡量選用可以使用普通涂裝設(shè)備進(jìn)行施工、耐海水性能優(yōu)異、耐紫外線、抗粉化性能好、耐老化的涂層體系。以ALSTOM的海上風(fēng)塔為例，IP、Hempel對(duì)于海洋大氣區(qū)的涂裝體系設(shè)計(jì)如表1、表2：

（2）浪花飛濺區(qū)、海水潮差區(qū)：包覆防腐系統(tǒng)

浪花飛濺區(qū)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施腐蝕最為嚴(yán)重的區(qū)域，也是最嚴(yán)峻的海洋腐蝕環(huán)境。主要的原因是，在浪花飛濺區(qū)，鋼表面受到海水的周期性潤(rùn)濕，處于干濕交替狀態(tài)，氧供應(yīng)充分，鹽分不斷濃縮； 加之陽(yáng)光、風(fēng)吹和海水環(huán)境等協(xié)同作用導(dǎo)致發(fā)生最嚴(yán)重的腐蝕。

一般情況下，鋼在海洋大氣中的平均腐蝕速度約為0.03～0.08mm/a；而浪花飛濺區(qū)為0.3～0.5mm/a。同一種鋼，在浪花飛濺區(qū)的腐蝕速度可比海水全浸區(qū)中高出3～10倍。有關(guān)實(shí)驗(yàn)和調(diào)查結(jié)果表明，長(zhǎng)期在外海暴露的長(zhǎng)尺試件，浪花飛濺區(qū)的腐蝕速度最高可達(dá)1mm/a以上，而在低潮位以下全浸區(qū)的腐蝕速度僅為0.1～0.3mm/a。一旦在這個(gè)區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕破壞，會(huì)使整座結(jié)構(gòu)設(shè)施大大降低承載力，縮短使用壽命，影響安全生產(chǎn)，甚至導(dǎo)致設(shè)施提前報(bào)廢。在浪花飛濺區(qū)，如果采用通常使用的涂料防腐，在海水沖擊下容易發(fā)生鼓泡和剝落，局部腐蝕十分嚴(yán)重。普通的陰極保護(hù)由于不能形成電流回路，在這個(gè)部位也不能發(fā)揮作用。

PTC復(fù)層礦脂包覆防腐系統(tǒng)由4層緊密相連的保護(hù)層組成，即礦脂防蝕膏、礦脂防蝕帶、密封緩沖層和增強(qiáng)玻璃鋼保護(hù)罩。復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)具有更好的抗腐蝕性、更持久的抗疲勞強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度，包覆范圍一般在最低潮位以下1m到浪花飛濺區(qū)，可以給暴露在該區(qū)帶的鋼結(jié)構(gòu)提供長(zhǎng)壽命半永久性的保護(hù)。針對(duì)海洋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施浪花飛濺區(qū)保護(hù)，從防腐蝕全壽命周期維護(hù)的觀點(diǎn)來(lái)看，復(fù)層礦脂包覆技術(shù)無(wú)疑是最為成熟和最具優(yōu)勢(shì)的保護(hù)技術(shù)。

（3）海水全浸區(qū)：犧牲陽(yáng)極防腐

全浸區(qū)是指常年低潮線以下直至海底的區(qū)域，根據(jù)海水深度不同分為淺海區(qū)（低潮線以下20m～30m以內(nèi)）、大陸架全浸區(qū)（在30m～200m 水深區(qū)）、深海區(qū)（>200m水深區(qū)）。三個(gè)區(qū)影響鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的因素因水深影響而不同，在淺海區(qū)海水流速較大，存在近?；瘜W(xué)和泥沙污染，氧氣、二氧化碳處于飽和狀態(tài)，生物活躍、水溫較高，因而該區(qū)腐蝕以電化學(xué)和生物腐蝕為主，物理化學(xué)作用為次，在該區(qū)鋼的腐蝕比大氣區(qū)和潮差區(qū)的腐蝕要嚴(yán)重；在大陸架全浸區(qū)隨著水的深度加深，含氣量、水溫及水流速度均下降，生物亦減少，鋼腐蝕以電化學(xué)腐蝕為主，物理與化學(xué)作用為輔，次區(qū)域的腐蝕較淺海區(qū)輕；在深海區(qū)PH<8.2，壓力隨水的深度增加，礦物鹽溶解量下降，水流、溫度充氣均低，鋼腐蝕以電化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕為主，化學(xué)腐蝕為次。

電化學(xué)腐蝕最主要的特點(diǎn)是伴隨有腐蝕電流的產(chǎn)生，使陽(yáng)極遭到腐蝕。在一般情況下，腐蝕電池很容易形成。例如，當(dāng)含有雜質(zhì)的鋼板，或成分不均勻的鋼板在電解質(zhì)溶液中時(shí)，就會(huì)形成腐蝕微電池。因此.利用電化學(xué)腐蝕機(jī)理，通常會(huì)在研制腐蝕涂料過(guò)程中通過(guò)添加一些比被保護(hù)金屬電位更低的金屬填料，當(dāng)電解質(zhì)滲透到防護(hù)金屬表面發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí)，涂料中金屬填料就作為陽(yáng)極犧牲而被溶解，從而對(duì)母材金屬起到了保護(hù)作用。

犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)作用原理如下：

Zn-2e-→Zn2+

O2+2H2O+4e-→4OH-

在全浸區(qū)鋼除了產(chǎn)生均勻腐蝕外還會(huì)產(chǎn)生局部腐蝕如孔蝕。目前國(guó)內(nèi)的海上風(fēng)電場(chǎng)主要位于淺海區(qū)，如何有效防范電化學(xué)和生物腐蝕，是近期需要著重解決的問(wèn)題。通常可以采用陰極保護(hù)方式防腐保護(hù)，并依據(jù)《海上風(fēng)電場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（NB/T 31006-2011），對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕狀況及防腐蝕效果的定期巡視檢查和定期檢測(cè)加以解決。除此之外，還可以通過(guò)在塔筒內(nèi)配備鹽霧過(guò)濾/除濕系統(tǒng)，提升塔筒防腐能力。

3.海上風(fēng)塔防腐涂層系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際防腐評(píng)價(jià)依據(jù)

國(guó)際上常用的海上防腐涂料的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有三個(gè)，分別為：

（1）ISO 12944-6色漆與清漆——鋼結(jié)構(gòu)的防護(hù)涂料系統(tǒng)的腐蝕保護(hù)（1998），是通用的防腐評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，特別是在大氣腐蝕環(huán)境下的防腐蝕涂料系統(tǒng)的重要標(biāo)準(zhǔn)。

（2）NORSOKM-501表面處理和防護(hù)涂料（修訂第6版，2012），主要用于海上平臺(tái)防腐評(píng)價(jià)，為基體鹽分等接受標(biāo)準(zhǔn)和高溫抗老化、陰極剝離試驗(yàn)等補(bǔ)充要求的指導(dǎo)準(zhǔn)則。

（3）ISO20340色漆和清漆——近海工程及相關(guān)結(jié)構(gòu)防護(hù)涂料系統(tǒng)的性能要求（2009），是ISO 12944針對(duì)海上鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕涂料的補(bǔ)充性重要參考標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中列出的三項(xiàng)性能測(cè)試如下：①ISO 11507紫外線/冷凝循環(huán)條件下的防老化測(cè)試，ISO 9227標(biāo)準(zhǔn)中的鹽霧試驗(yàn)，以及暴露在-20℃的低溫性能；②陰極剝離性是根據(jù)ISO15711中的方法A來(lái)規(guī)定；③根據(jù)ISO 2812-2中所述的海水浸沒(méi)試驗(yàn)。

4.海上風(fēng)塔防腐涂料的性能評(píng)價(jià)方法

（1）物理性能檢測(cè)

（2）環(huán)境適應(yīng)性檢測(cè)

（3）有害物質(zhì)限量

揮發(fā)性有機(jī)化合物：僅針對(duì)溶劑型涂料，參考船舶涂料有害物質(zhì)限量。

重金屬及其元素：僅測(cè)鉛、鉻（六價(jià)鉻）、鎘等，參考ROHS指令限量值。

有機(jī)溶劑：甲苯、乙苯和二甲苯的總量≤500mg/kg。

5.結(jié)論

本文從實(shí)際出發(fā)，在充分分析海洋腐蝕環(huán)境的特殊性后，將海上風(fēng)電塔筒所處腐蝕環(huán)境細(xì)化，并通過(guò)電化學(xué)原理、熱力學(xué)理論，對(duì)應(yīng)分析各個(gè)環(huán)境狀態(tài)下的腐蝕機(jī)理，從而有針對(duì)性地選擇腐蝕防護(hù)措施，并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為涂裝系統(tǒng)性能設(shè)定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)方法，為海上風(fēng)塔的防腐系統(tǒng)選擇提供了更為科學(xué)的理論判斷依據(jù)。