大氣環境對風電機組腐蝕的影響

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(北京金風科創風電設備有限公司，北京 100176)

風電機組的服役環境隨安裝地區而發生變化，由于各地區的氣候環境不同，因此各機組的腐蝕情況也不一。研究風電機組所服役大氣腐蝕環境，能夠為機組的環境適應性防腐蝕設計提供依據。美國ASTM早在1916年便開始系統研究碳鋼的大氣腐蝕[1]。LARRABEE等[2]對美國3個試驗點270種鋼進行了15.5 a的大氣暴露試驗。我國的大氣腐蝕研究起于19世紀60年代。其中，我國環境腐蝕試驗研究網站自1983年就開始了20 a大氣腐蝕數據積累研究計劃[3]。目前，國家材料環境腐蝕平臺已經建立了包括萬寧、西沙、拉薩、青島在內的15個大氣腐蝕監測站點[4]。海南峨蔓風電場地處沿海，山西平陸風電場地處內陸，在這兩地風電機組腐蝕情況均較為嚴重。在目前已公開的大氣腐蝕監測報道中，均未涉及海南峨蔓及山西平陸兩地大氣腐蝕監測數據[4-13]。

為了更好地對風電機組腐蝕原因進行合理分析，本工作在海南峨蔓及山西平陸風電場對碳鋼進行為期1 a的大氣暴露試驗，同時持續監測各暴露點大氣中氯離子及硫酸根離子含量。

1 試驗

大氣暴露試樣采用尺寸為100 mm×150 mm×2 mm的碳鋼鋼板，其化學成分見表1。 試驗開始前對試樣進行除油、去離子水清洗、干燥、稱量。除油工藝配方為40 g/L NaOH、30 g/L Na2CO3、40～50 g/L Na3PO4·12H2O，溫度為80～90 ℃，時間5 min。將兩組試樣分別投放于海南峨蔓和山西平陸兩個暴露點，每組投放9個平行試樣。采用濕燭法對海南峨蔓和山西平陸大氣中氯離子和硫酸根離子進行采集，用賽默飛ICS 2100型離子色譜儀檢測沉降收集液中的離子含量，并計算離子沉降率(用于表征大氣中的離子含量)。兩暴露點的大氣環境參數見表2。

表1 試驗用碳鋼的化學成分(質量分數)Tab. 1 Chemical composition of the carbon steel (mass) %

表2 兩暴露點大氣環境參數Tab. 2 The atmospheric parameters of two test sites

試樣回收后，在室溫下對其進行除銹處理，除銹液由50%(體積分數)鹽酸(密度1.19 g/mL)、3.5 g/L六次甲基四胺配制而成。采用ZEISS EVO-18型掃描電鏡(SEM)觀察碳鋼表面腐蝕形貌；采用Rigaku D/max型X射線衍射儀(XRD)檢測腐蝕產物的成分。

2 結果與討論

2.1 腐蝕形貌與腐蝕產物成分

由圖1可見：在海南峨蔓及山西平陸兩風電場暴露1 a后，碳鋼表面均被銹層覆蓋，銹層較厚且存在若干裂紋。其中，在海南峨蔓風電場進行大氣暴露試驗后，碳鋼表面的顆粒狀腐蝕產物相互連接、堆積形成平整、致密的銹層，局部存在針狀并連接成片的腐蝕產物；在山西平陸風電場進行大氣暴露試驗后，銹層凹凸不平，腐蝕產物較為疏松。

對腐蝕產物進行XRD分析，結果見圖2。由圖2可見：衍射譜中均未發現Fe的衍射峰，主要為γ-FeOOH的衍射峰及少量的α-FeOOH和γ-Fe2O3的衍射峰，γ-FeOOH呈顆粒狀，這與掃描電鏡分析結果基本吻合，說明碳鋼暴露表面已完全被腐蝕產物覆蓋。研究表明，氯離子在γ-FeOOH中滲透能力較強[14]，在α-FeOOH中次之，較強的氯離子滲透能力在一定程度上加速了碳鋼的腐蝕。

2.2 腐蝕速率

采用失重法按式(1)計算腐蝕速率，結果見表3。

(1)

(a) 海南峨蔓

(b) 山西平陸圖1 在海南峨蔓及山西平陸大氣中暴露1 a后碳鋼的腐蝕形貌Fig. 1 Corrosion morphology of carbon steel exposed to the atmospheres of Eman in Hainan province (a) and Pinglu in Shanxi province (b) for one year

(a) 海南峨蔓

(b) 山西平陸圖2 在海南峨蔓及山西平陸大氣中暴露1 a后碳鋼腐蝕產物的XRD譜Fig. 2 XRD patterns of carbon steel exposed to the atmospheres of Eman in Hainan province (a) and Pinglu in Shanxi province (b) for one year

表3 碳鋼在海南峨蔓及山西平陸大氣中的腐蝕速率及腐蝕等級Tab. 3 Corrosion rates and grades of the carbon steel exposed to the atmospheres of Eman in Hainan province and Pinglu in Shanxi province

式中:vcorr為腐蝕速率,μm/a；Δm為暴露前后碳鋼腐蝕質量損失,g；A為試樣暴露面積,m2；ρ為碳鋼密度,7.68 g/cm3；t為暴露時間,a。

由表3可見：碳鋼在兩暴露點的腐蝕速率均較高，其中，在海南峨蔓地區碳鋼腐蝕已經達到C5級(根據ISO 9223-2012標準)。研究表明，影響大氣腐蝕的主要因素在于大氣中二氧化硫的含量及鹽離子含量[15]。氯離子溶解會使材料表面薄液層導電性增強，電化學腐蝕加快。硫酸根溶解于材料表面液膜中成為電解質，可誘發和加速材料腐蝕[16-17]。海南峨蔓地處沿海，海洋大氣中存在各種類型的含氯鹽，山西平陸鄰近運城鹽湖，湖水屬于硫酸鹽型的硫酸鈉亞型,鹽湖是典型的Na+，Mg2+，Cl-，SO42-四元水鹽體系[18]，兩地區高氯、高硫酸鹽的大氣環境對碳鋼的腐蝕起到誘導和加速的作用。

2.3 離子沉降率

按式(2)計算海南峨蔓及山西平陸大氣中氯離子和硫酸根離子的沉降率，結果見圖3。

(2)

式中：S為濕燭離子沉降率,mg·m-2·d-1；mi為該濕燭沉降收集液中離子的總質量,mg；m0為同體積空白溶液中離子的總質量,mg；A為濕燭紗布暴露的表面積,m2；t為暴露時間,d。

由圖3可見：在一年中的不同季節、不同氣候濕燭采樣離子沉降率變化很大。在海南峨蔓大氣中，氯離子和硫酸根離子沉降率的變化趨勢幾乎相同，根據ISO 9223-2012標準，峨蔓大氣中氯離子污染等級為S1級，硫酸根污染等級為P1級。這主要和海南峨蔓地處沿海的特殊地理位置有關。在山西平陸大氣中，氯離子沉降率都較低，與采樣時間無明顯關系；硫酸根離子沉降率隨采樣時間波動大，且整體高于該地區氯離子沉降率。山西平陸大氣中氯離子污染等級為S0級，硫酸根污染等級為P1級。

表4為海南峨蔓和山西平陸兩地大氣中的平均離子沉降率。對比可知：海南峨蔓大氣中氯離子的平均沉降率遠高于山西平陸大氣中的；兩地區硫酸根離子平均沉降率均較高，且山西平陸大氣中硫酸根離子平均沉降率高于海南峨蔓大氣中的。綜上所述，碳鋼在海南峨蔓地區高的腐蝕速率是大氣中高含量的氯離子和硫酸根離子共同作用的結果，高含量的硫酸根是碳鋼在山西平陸地區高腐蝕速率的主要原因。

(a) 海南峨蔓

(b) 山西平陸圖3 海南峨蔓和山西平陸大氣中的離子沉降率Fig. 3 The sedimentation rates of ions in the atmospheres of Eman in Hainan province and Pinglu in Shanxi province

Tab. 4 The average sedimentation rate of ions in the atmospheres of Eman in Hainan province and Pinglu in Shanxi province mg/(m2·d)

3 結論

(1) 碳鋼在海南峨蔓和山西平陸兩地大氣中暴露1 a后，表面顆粒狀的腐蝕產物連接堆積成層狀，且表面完全被銹層覆蓋，腐蝕產物主要為γ-FeOOH及少量的α-FeOOH和γ-Fe2O3。

(2) 碳鋼在兩地區大氣中的腐蝕速率均較高，在海南峨蔓地區大氣中其腐蝕等級為C5級，在山西平陸地區大氣中其腐蝕等級為C4級，高的腐蝕速率與兩地區所處地理位置存在必然聯系。

(3) 海南峨蔓地處沿海，氯離子污染等級為S1級，氯離子和硫酸根離子的平均沉降率均較高，其共同作用導致碳鋼在該地區大氣中的腐蝕速率高。山西平陸臨近鹽湖，大氣主要污染物為硫酸根，高含量的硫酸根是山西平陸地區碳鋼腐蝕速率高的主要原因。

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