海上升壓站平臺的腐蝕與防護

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(蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004)

根據國家能源局印發的《風電發展“十三五”規劃》 ，到2020年,海上風電裝機500萬千瓦，在建1 000萬千瓦，2016年底投產的海上風電僅163萬千瓦，海上風電發展前景廣闊。然而在開發和利用海上風電的過程中，會遇到許多與陸上風電不同的技術難題。海上風電機組必須承受高濕、高鹽霧、長日照等海洋環境[1]，此外還受到不同季節高溫、大風等的影響，如果不進行腐蝕防護處理，海上風電設備腐蝕必定非常嚴重。

海上升壓站平臺承載著變壓器、地學信息系統(GIS)以及其他配套的電氣設備，作為海上風電的“心臟”，匯合風電場各風機發電機輸送的電流，對整個風電場起著電力傳輸、中轉的重要作用，海上升壓站平臺的防腐蝕性能對海上升壓站的可靠運行具有重要的影響。目前，國際上海上風電鋼結構涂層系統主要參考國外海洋油氣平臺方面的經驗[2]。我國海上風電還處于起步階段，針對海上風電設備腐蝕與防護的研究較少，設備的防腐蝕經驗也多來自于國內外海上石油平臺、破冰船以及海底管線等[3]。海上升壓站平臺的防腐蝕盡管在很大程度上可以參考海洋平臺等現有的防腐蝕經驗，但是兩者之間也有不同。海上升壓站一般無人值守，并且嚴格限制人員接近，難以如海洋平臺一樣定期對防腐蝕涂層進行檢查和維修[4]。國外研究表明，在海上對海上風電防腐蝕系統進行維修的成本是制造成本的50倍。本工作對海上升壓站平臺的防腐蝕體系進行了分析,同時結合工程實踐應用，旨在促進我國海上風電防腐蝕技術的研究，從而推動我國海上風電的發展與利用。

1 海上升壓站平臺的腐蝕特征

海上升壓站平臺一般由多層鋼結構平臺組成，包含甲板、立柱、欄桿、爬梯護籠、梁、斜撐管等部件，以及配合設備安裝的管件、緊固件、支架。主要由低合金鋼或者碳鋼焊接而成，重要附件采用不銹鋼制成，爬梯及欄桿等會選擇熱浸鍍鋅鋼。

海上升壓站平臺外部直接暴露在海上大氣環境中，根據ISO 12944-2標準中的腐蝕環境分類，海上升壓站平臺外表面處于C5-M腐蝕環境，即非常高的海洋腐蝕環境。

根據海上環境腐蝕特點，海上升壓站平臺處于海洋大氣區，海洋大氣區具有濕度高、鹽分高、干、濕循環效應明顯等特點。由于海洋大氣濕度大，水蒸氣在毛細管作用、吸附作用、化學凝結作用的影響下，會附著在鋼材表面上形成一層水膜，CO2、SO2和一些鹽分溶解在水膜中，使之成為導電性很強的電解質溶液，鐵作為陽極在電解質溶液中被氧化而失去電子，變成鐵銹[5]。另外，Cl-有穿透作用，能加速普通鋼材的點蝕、不銹鋼的應力腐蝕和縫隙腐蝕等局部腐蝕 ，低碳鋼暴露1 a后的腐蝕大于80～200 μm，鍍鋅層的年腐蝕速率為4.2～ -8.4 μm/a。腐蝕嚴重影響了海洋平臺結構材料的力學性能，從而影響到海洋平臺的使用安全[6]，海洋大氣區的防腐蝕主要是采用涂層或金屬鍍層[7-10]。

2 海上升壓站平臺的防腐蝕體系建設

2.1 防腐蝕設計標準

海洋工程經過多年的發展，已有了較為完善的標準體系和有效的防腐蝕設計。目前國外使用廣泛的標準有：ISO 12944-2007《色漆和清漆-防護漆體系對鋼結構的腐蝕防護》；NORSOK M-501 《表面處理和防護涂料》；NACE SP 0180《使用防護涂層對海上平臺結構進行腐蝕控制》。國內使用較多的海洋鋼結構平臺防腐標準有：JTS 153-2003《海港工程鋼結構防腐蝕技術規范》和SY/T 4094-2012《淺海鋼質固定平臺結構設計與建造技術規范》等。

上述標準在使用范圍、涂層體系、表面處理、涂層材料和施工、質量保證和控制方面存在差別，有些內容甚至完全相反。例如,對于不銹鋼的防腐蝕，NORSOK M-501建議對于不保溫的不銹鋼無須進行防腐蝕處理，而NACE SP 0180則規定應對其進行防腐蝕處理。

2.2 涂料性能測試方法

在選擇涂層體系前，應先在實驗室對涂料性能進行測試。ISO 12944-2007標準規定實驗室鹽霧性能檢測為靜態試驗，只能定性給出試樣在連續鹽霧條件下的腐蝕速率，沒有考慮到涂料暴露于實際工況環境中的紫外線照射、干濕交替、溫度變化等多種情況。NORSOK M-501要求按照ISO 20340-2009標準進行動態循環試驗，根據BEMARD R.博士和阿克蘇諾貝爾國際油漆英國中心實驗室的研究結果，動態循環試驗與室外暴露試驗具有較好的相關性，能更好地模擬了室外環境[11-12]。

2.3 防腐蝕涂層體系

為了保證海上升壓站平臺服役25 a免維護，需要選擇合適的防腐蝕涂層體系，不同涂層體系的標準不盡相同。

2.3.1 C5-M環境中的碳鋼/低合金鋼防護涂層體系

各標準都給出了大氣區碳鋼/低合金鋼的涂層體系，由于在設計年限、使用環境、設備特征等方面的考慮不同，對于涂料類型和干膜厚度的要求也有較大差別，典型的涂層體系如下[13-14]：底漆為環氧/富鋅/金屬熱噴涂，中間漆為環氧、環氧云鐵、環氧玻璃鱗片，面漆為聚氨脂、氟碳、水性丙烯酸、聚硅氧烷和環氧丙烯酸。

JTS 153-3-2007《海港工程鋼結構防腐蝕技術規范》標準對涂層干膜厚度的要求最高(標準要求干膜厚度達到575 μm)，但此要求也是基于結構材料的防腐蝕壽命為20 a設置的，若結構材料的防腐蝕壽命要達到25 a以上，就需要更厚的漆膜厚度。國外對海上風電機組防腐蝕涂層的干膜厚度要求為達到800 μm。

2.3.2 浸鍍鋅鋼防護涂層體系

ISO12944、NORSOK M-501及NACE SP 0180標準對浸鍍鋅鋼防腐蝕涂層體系的要求見表1。

表1 浸鍍鋅鋼表面涂層體系Tab.1 Dip galvanized steel surface coating system

2.3.3 不銹鋼防護涂層體系

NORSOK M-501及NACE SP 0108標準對不銹鋼防腐蝕涂層體系的要求見表2。

表2 不銹鋼表面涂層體系Tab.2 Stainless steel surface coating system

2.3.4 緊固件及管架涂層體系

NACE SP 0108標準詳細描述了緊固件及管架的涂層體系，緊固件應采用可達到與鋼結構相同耐久性的防腐蝕措施。

2.4 涂料選用原則

海上環境極其復雜，鹽霧、大風以及紫外線等對海上風電場的防護涂料構成了嚴重的威脅，綜合考慮了環境、施工和性能，海上升壓站平臺涂料的一般選用原則如下[15]：

(1) 底漆應能在很長的施工期間保護底材，同時能經得住搬運和建造期間的磨損，優先選擇容易修補和維修的涂料體系；

(2) 優先選擇施工方便，能用普通涂裝設備進行施工的涂料體系；

(3) 結構長期處于雨水沖刷環境，宜采用耐海水、耐水性能優異的涂料體系；

(4) 平臺裸露于陽光中的構件，宜采用耐紫外線、抗粉化性能好、耐老化的涂層體系；

(5) 海上風電設備晝夜溫差明顯，選用的涂料應具有良好的耐冷熱交替性；

(6) 宜采用同一制造商的底漆、中間漆和面漆。

3 海上升壓站平臺防腐蝕技術的應用

3.1 防腐蝕設計標準選擇

國外海上風電鋼結構防腐設計標準主要有ISO 12944、NORSOK M-501、NACE SP 0108等，ISO 12944是國際上應用最廣泛的鋼結構防腐涂裝標準。國內某海上風電防腐蝕設度依據ISO 129944，出于免維護和耐久性方面的考慮，還參考了NORSOK M-501、NACE SP 0108中的部分條款。

3.2 涂料性能試驗

海上升壓站無人值守、海洋環境條件惡劣，海上升壓站平臺所有構建表面(包括無涂層表面、浸鋅鋼表面及車間底漆表面)的實驗室測試應盡可能地模擬實際工況。國內某海上升壓站的碳鋼表面、浸鋅鋼表面及車間底漆表面性能根據NORSOK M-501進行測試，按照ISO20340程序A進行老化試驗進行驗收(試驗時間為4 200 h)。要求如下：粉化不超過2級；附著力不低于5 MPa,老化試驗后附著力下降不超過原值的50%；未經機械處理后覆涂，層間附著力不低于5 MPa。不銹鋼表面的涂層體系已在碳鋼上應用并通過涂料性能測試，經業主認可，不再單獨進行涂料性能測試。

3.3 涂層體系

根據海上升壓站平臺所處環境的特點，對國內某海上升壓站平臺防腐蝕涂層體系進行如下設計,見表3。底漆選用已在防腐設計系統使用多年的富鋅涂料[16]，中間漆選用在海洋工程上廣泛使用的玻璃鱗片漆和環氧云鐵漆，面漆選用耐候性突出、保色保光優良的聚氨脂面漆[17-18]。

表3 國內某海上升壓站平臺防腐涂層體系Tab.3 Anti-corrosion coating system for a offshore substation platform in China

高強度螺栓連接面的表面防腐蝕工藝如下：沖砂至Sa2.5級后涂裝無機鋅底漆，干膜厚度50 μm，聚氨脂硅膠封閉連接面縫隙。

4 我國電海上升壓站平臺防腐蝕涂料的開發

海洋防腐蝕涂料的開發具有研制周期長、投資大、技術難度高且風險大的特點。國外大型涂料公司，如HEMPEL、NOBEL、PPG等，均有上百年的涂料開發歷史，是國外海上風電用涂料的供應商，同時也是全球主要的海洋工程涂料供應商。

我國海洋防腐蝕涂料的發展較晚，在海上風電的腐蝕機理和涂料開發應用上都處于起步階段，整體技術水平落后于先進國家。過去我國涂料防腐蝕主要是以防銹、耐溫為主，國際上，防腐蝕涂料的研究重點是開發適應性強的新型環保涂料[19]、具有自修復能力的涂料以及由不同功能涂層構成的組合系統[20-21]。國內海上風電發展之初，防腐蝕涂料主要為國外或合資公司生產的涂料，例如我國在渤海灣建立的第一座深海海上示范性風電機組、江蘇如東150 MW潮間帶示范風電場使用的都是國外涂料。國內某海上風電海上升壓站平臺采用了PPG Sigma Coatings，在國內海上風電防腐蝕領域具有成功應用經驗。

5 結束語

目前，此座海上升壓站已投入運行，防腐蝕效果較好，這表明采用海工平臺標準設計海上升壓站平臺防腐蝕體系是可行的。根據近幾年東海大橋海上風電場、江蘇如東海上風場的服役經驗反饋，鋼結構的腐蝕問題呈普遍增多趨勢，主要體現在防腐蝕方案不合理、涂層失效、防腐蝕材料及施工質量不過關等方面。綜上所述，我國海上風電防腐蝕方面存在以下問題：

(1) 我國海上風電技術不成熟，缺少一套關于海上風電的技術標準。一方面，國外很多技術都嚴格保密，無法直接獲得國外的核心技術；另一方面，各家企業的產品設計具有特殊性，不同地區的海洋環境又存在差異，現有的國際標準也無法完全適用于我國的海上風電防腐蝕。

(2) 我國海上風電腐蝕防護基礎薄，涂料發展較慢，特別是有關高性能涂料及先進涂料的研究明顯比不上國外公司，導致重要部位的涂料基本為國外品牌，使得海上風電投入大、成本高。

(3) 海上風電防腐蝕是一個系統工程，從涂層體系配套、涂料選用、表面處理、涂裝施工到安裝運行階段，都需要進行嚴格控制。現階段，國內海上風電配套體系方案少，國內設備供應商對海上風電設備涂裝工藝的積累不足，安裝、運營單位對設備的維護和保養的經驗欠缺等，這些因素都會影響到海上風電設備的防腐蝕性能。

隨著我國開發和利用海上風電的速度加快，應結合我國的實際情況深入開展海上風電機組的腐蝕防護等關鍵性技術的研究，更好地促進海上風電機組腐蝕與防護技術的應用和發展，從而大力推動海上風電的建設。