波浪能發電裝置的防腐蝕措施

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(1. 福州市規劃設計研究院，福州 350000; 2. 廣州船舶及海洋工程設計研究院,廣州 510250;3. 集美大學 機械與能源工程學院,廈門 361021)

波浪能資源具有清潔、環保、可再生等優點，合理利用波浪能發電經濟效益高、發展前景大。然而海上環境惡劣，海況變化無常，波浪能發電裝置在運行過程中除了受到風、浪、流及極端載荷作用外，還受到海水和海上鹽霧氣的腐蝕作用，這會嚴重破壞波浪能發電裝置，影響波浪能發電的經濟性和安全性。為此，開發波浪能必須解決波浪能發電裝置的防腐蝕問題。

隨著波浪能開發與利用技術的快速發展，相關試驗、測試、標準化體系建設及裝備定型等都在不斷完善，世界各國也紛紛設立波浪能方面的專門服務機構。比如，國際性標準化組織、我國海洋能源部門都已經發布了海洋能源轉換裝置配套標準和技術文件。IEC/TC114目前已發布的標準有6項，國家海洋局目前也已制定、出臺了3項海洋可再生能源開發利用行業標準[1]，然而與波浪能發電裝置相關的防腐蝕規范和標準還未頒布。本工作結合船舶防腐蝕設計和海洋工程防腐蝕技術，就波浪能發電裝置的防腐蝕方法及技術要求進行論述和探討。

1 海洋腐蝕環境

海水的含鹽量約為3%(質量分數)，是天然的強電解質[2]。海水還是一種電導性很強的電解液，在海水中可離解鹽類。海水中的氯離子含量很高，這使海水對大多數材料具有很高的腐蝕性，如鑄鐵、低合金鋼以及中合金鋼在海水中都會出現點蝕[3]，這是因為氯離子使它們在海水環境中無法鈍化。對于混凝土結構，氯離子會滲透進入內部，在鋼筋鈍化膜表面取代鈍化膜中的氧離子，破壞原有的鈍化膜，使表面活化，從而大大降低鋼筋的強度。

海上空氣中含有大量的鹽分，這些鹽分溶解在小水滴中，形成了濃度很高的鹽霧。波浪能發電裝置處在海洋環境中，高濕熱氣候以及劇烈的海風和海浪加劇了鹽霧的擴散。在含鹽量很高的海邊，高濃度鹽霧便成了氯離子溶液的載體。陸上鹽霧沉降量一般小于0.8 mg/(m2·d)，海上的則高達12.3～60.0 mg/(m2·d)，是陸上的20～80倍[4-5]，金屬在高鹽霧環境中的腐蝕速率相當高。

海洋腐蝕環境可分為海洋大氣區、浪濺區、潮差區、全浸區和泥下區五類。在不同的區域，金屬材料的腐蝕速率是不同的，見圖1。金屬結構在海洋大氣區的平均腐蝕速率為0.05～0.15 mm/a，是在陸地大氣環境中的5～6倍[2,4,6]；浪濺區氧供應充分、日照充足、含鹽粒子量大，在浪花沖擊下處于干濕交替狀態，金屬材料在此環境中的平均腐蝕速率高達0.3～0.5 mm/a[6-8]，在某些部位腐蝕更加嚴重，可以說是腐蝕最嚴重的區域；金屬材料在全浸區的平均腐蝕速率為0.1～0.2 mm/a[4-5]。

圖1 不同區域金屬材料的腐蝕速率Fig. 1 Corrosion rates of metal materials in different regions

2 波浪能發電裝置的腐蝕特點

波浪能發電裝置主要有鴨式、振蕩水柱式、振蕩浮子式、擺式等幾種[9]，這些裝置基本由采能系統和轉換系統組成，有的還需要配備安裝平臺，安裝平臺大多采用半潛式的浮體，如船體，或固定式的樁基[10]。采能系統通過波浪直接作用于采能裝置，將波浪能轉換成裝置的動能、液壓油的壓力能、或水的勢能等；轉換系統把采集的波浪能轉換為某種特定形式(水力透平、空氣透平或液壓馬達等)的機械能，或直接轉換為電能，圖2所示的鷹式裝置“萬山號”就是將波浪能轉換成液壓能[11]；安裝平臺主要用于多套采能系統和轉換系統的安裝，它們僅需一套系泊系統，就能形成一個波浪能裝置群。

圖2 鷹式裝置“萬山號”造型圖Fig. 2 Outline of “Wanshan” eagle type wave power generating device

采能系統、轉換系統和安裝平臺基本都由鋼結構構成，可以說鋼材是波浪能發電裝置最主要的建造材料。波浪能發電裝置與其他海洋結構物一樣，基本都是鋼材承受著惡劣的海洋環境腐蝕，故其在海洋環境中所受腐蝕極強，且服役環境不同，鋼材的腐蝕程度也不相同。

采能系統一般以浮子或者擺板作為載體吸收波浪能，長期服役于干濕交替的浪濺區，海鹽粒子量多，浸潤時間長。采能裝置被連續不斷的海水濕潤，海水的飛濺與空氣接觸充分，使得海水含氧量高，是波浪能發電裝置中腐蝕最嚴重的部分。轉換系統一般不直接與海水接觸，常安裝于平臺上，亦或通過防護罩將其安裝在一個密閉空間內。其主要承受海上鹽霧的腐蝕，所處環境為海洋大氣區腐蝕環境。因其臨近海面，相對于高空大氣而言濕度更大，容易在零部件表面形成水膜，從而形成導電良好的液膜電解質，此外水膜中溶解的CO2和SO2使水膜呈酸性，鋼材的腐蝕加劇。鹽霧還可通過微小間隙侵入到轉換系統零部件的內部，腐蝕軸承、齒輪等重要零件。波浪能發電裝置中的安裝平臺服役于海洋腐蝕環境的多個區域，一般由鋼筋混凝土結構或者鋼結構組成，其在大氣區和全浸區的面積較大，故相應的防腐蝕措施應根據設計水深、設計波高、設計壽命及海洋環境分區分別對待。

3 波浪能發電裝置的防腐蝕方法與技術要求

波浪能發電裝置的防腐蝕方法有選用耐蝕材料、涂層保護、金屬熱噴涂保護、陰極保護及包覆等[12]。為了更加有效地抑制波浪能發電裝置發生腐蝕，應聯合采用多種防腐蝕方法，以確保結構安全。

3.1 采能系統

鋼制采能系統是波浪能發電裝置中腐蝕最嚴重的部位，一般采用重防腐蝕涂層或噴涂金屬層加封閉層進行保護[13]。比如擺式采能裝置中的擺板，涂層采用熱噴涂加封閉層，涂層設計使用年限為20 a，無需進行維護，底漆采用熱噴涂鋅(厚度不小于120 μm)，中間漆用聚酰胺環氧漆(厚度不小于200 μm)，面漆為聚氨酯面漆(厚度為60 μm)。關于涂層中底漆、中間漆和面漆的配套使用，應在設計時結合油漆廠商提供的產品特性，設計出最適宜的匹配方案。熱噴涂加封閉層的防護方法一次性投入較高，耐沖擊性能不高。因擺板連續受到波浪的沖擊作用，也可采用熱噴涂金屬加重防腐蝕涂裝的方法，該方法具有更好的屏障保護功能、良好的耐沖擊性和耐磨性，其使用壽命可達30 a以上。

我國海工鋼結構在浪濺區會采用增加腐蝕裕量的方法，但若采能裝置也使用該方法將增加裝置的重力和成本，對流體阻力也會產生影響，從而導致裝置的采能效率降低，因此通常不建議采用該方法。根據采能裝置的疲勞壽命和波浪載荷的要求，選用近年來發展迅速的纖維增強復合材料是非常可行的。

復合材料具有比強度和比剛度高、耐蝕性好、抗疲勞性好、維護費用低、安裝便利和易成型等優點。目前，發達國家在復合材料研究開發和應用方面最為成熟，其在波浪能發電領域的應用已有許多案例。如愛爾蘭Cork公司開發的振蕩水柱式波浪能發電裝置具有一個HydroAir雙向渦輪機，該渦輪機結合使用了復合材料、不銹鋼和海洋級鋁合金；澳大利亞Oceanlinx公司開發的一種振蕩水柱式預商業化平臺Mk3PC，包括一個由玻璃纖維增強復合材料制成的擴散器和機艙罩[14]；AW-能源公司開發的WaveRoller通過固定在海床上的擺板來采集能量[15]，據報道該擺板由鋼筋混凝土基礎及玻璃鋼機翼組成，AW能源公司首席執行官John Liljelund證實該系統樣機已使用了E-玻璃纖維增強材料；Aquamarine電力公司開發的Oyster裝置是用鋼材制造的，目前該公司已在探索使用其他材料，如復合材料和工程木材[16]。因此，在設計開發波浪能發電裝置時可以考慮應用復合材料以達到防腐蝕的目的。

3.2 轉換系統

波浪能發電裝置中的轉換系統涉及到許多的機械設備和電氣設備，包括許多精加工的零件，如軸承、齒輪箱、液壓元件、螺栓及密封件等。這些零部件大多使用低合金鋼和不銹鋼制成，也有些使用雙相不銹鋼或超級雙相不銹鋼制成，轉換系統內的零件也可使用復合材料。

對于采用普通鋼制成的零部件，其防腐蝕方法是在非工作面和非配合面處采用噴涂金屬加封閉層進行保護，在工作面或配合面處采用潤滑脂進行保護，如齒輪的嚙合面，潤滑脂盡量選擇與軸承潤滑脂相同的牌號。最好選用適宜海上環境且具備卓越防腐蝕性能的產品，如殼牌新近研發的軸承高性能合成潤滑脂——殼牌佳度S5V110KP1.5。此外，采用國外海洋工程用的自潤滑軸承也是非常可行的，這不僅可以減少潤滑脂的維護，還能有效抑制腐蝕。

高強度螺栓、墊圈、螺母等聯接件直接影響著整機的安全性，國內普遍使用防銹漆，但需經常維護，并不適用于海上環境，不能從根本上解決腐蝕問題。另外，國內也使用不銹鋼螺栓，或鎳基合金高強度螺栓，如Inconel 718、Inconel 725，這對防腐是非常有效的,但價格比較昂貴。國外使用一種高效的螺栓防護蓋。對于波浪能發電裝置中使用的普通螺栓建議使用不銹鋼制品(如高鉬不銹鋼)，高強度螺栓建議采用的防腐蝕方案是：達克羅涂層加杜拉力防護蓋。

為了更好地保護轉換裝置，防止海水鹽霧的腐蝕，對于機艙罩、導流罩等主機罩體及軸承、齒輪箱、發電機等旋轉運動的零部件，必須設計相應的密封措施。發電裝置的電氣控制柜也必須加強密封防護，如果密封效果不好使鹽霧侵入，將會導致設備內濕度過大，絕緣電阻降低、電接觸不良、電性能變化、出現漏電和飛弧現象等[17]。此處，除了防止可能飛濺的大浪花，還需特別防止海上鹽霧氣的侵入，密封形式不是簡單的液封，而是要求非常嚴格的氣封。并且密封件的材料除了防止海水、鹽霧腐蝕，還要防止海洋微生物的腐蝕等，可選擇聚氨酯材料或聚四氟乙烯材料，具體的密封結構視具體情況而定。對于螺栓、安裝面等連接處宜采用涂密封膠密封。許多波浪能發電裝置的轉換系統采用液壓缸將波浪能轉換為液壓油的壓力能，其液壓系統也必須進行嚴格密封。其密封系統可參考美國OSEL公司生產的AME-TEK2006作業型遙控潛水器[18]。

3.3 安裝平臺

波浪能發電的趨勢必然是從淺海走向深海，為了盡量避免后期維護，減少維護費用，安裝平臺若采用鋼結構建造，應盡量選用耐海水鋼，建議使用船舶用高強度鋼，如DH36、EH36等。為了避免海水“見縫插針”帶來腐蝕隱患，各部件間的連接應盡量采用鉚接或者焊接。安裝平臺的防腐蝕措施應采用一次涂覆，保證其在設計壽命內發揮有效作用。

對于鋼結構安裝平臺，應根據其處于不同的腐蝕區域采用不同的防腐蝕方法，如表1所示。

表1 不同腐蝕分區下的防腐蝕方法Tab. 1 Anticorrosion methods in different corrosion zones

鋼結構海洋平臺采取的防腐蝕措施主要有防腐蝕涂層和陰極保護兩種。由于海洋平臺服役時維修護理等困難，最有效的防腐蝕辦法就是使用高性能的防腐蝕涂料，且一般采用多層涂料防護，各層涂料的特性和作用都不同。在不同的腐蝕區域(見表1)，防腐蝕涂層的使用稍有不同。如中科院寧波材料所承擔了“萬山號”波浪能海洋發電平臺石墨烯基重防腐蝕與防污工程，針對“萬山號”波浪能發電平臺的不同區域，開發了石墨烯基長效海洋防腐耐候涂料、石墨烯基耐海水防腐涂料、石墨烯基無溶劑高固含防腐涂料等，滿足了“萬山號”海洋發電平臺不同功能區域的涂裝工藝和綜合防護要求[10,19]。瑞典清潔能源企業Waves4Power于2017年推出的 250 kW新型波浪能裝置也大量采用了環氧系統油漆和高級自拋光防污漆，如Marathon 500超強耐磨環氧底漆、Safeguard Universal防腐底漆以及SeaMate高級自拋光防污漆可用于各區域的防腐蝕，保證了裝置25 a 的使用壽命。在海洋平臺防腐涂層方面，開發新型無害并且較低成本的防銹顏料、應用于重防腐蝕涂料的無毒緩蝕劑，是研究環境友好防腐涂料的重點[20-21]。此外，陰極保護和防腐涂料聯合使用在海洋平臺防腐蝕上也開始得到應用[22]。對于波浪能發電平臺及其他海洋平臺的活動部件，通過表面涂覆、表面改性或多種表面技術復合處理的耐磨與防腐蝕一體化技術是今后發展的一個重要方向。

如果波浪能發電裝置采用樁基式的安裝平臺，混凝土結構防腐蝕可采用以下方法：選擇合理的混凝土結構和施工工藝，避免結構形成銹蝕通道；可適當增大混凝土保護層厚度；改善混凝土自身的性能，采用抗滲性及抗腐蝕性良好的高性能混凝土，以改善混凝土工作性能；混凝土表面硅烷浸漬、采用混凝土表面涂層、鋼筋阻銹劑及環氧涂層鋼筋等特殊防腐蝕方法[23-25]。

鋼制安裝平臺的防腐蝕也可采用增加腐蝕裕量的方法，該方法主要是針對均勻腐蝕，其預防效果明顯，但對于局部腐蝕的防護作用較小，如點蝕和坑蝕，尤其是鋼結構節點等敏感部位。腐蝕裕量法同時增加了材料成本以及施工難度，降低了材料性能，在發達國家已逐漸不再采用。在不斷探索波浪能發電技術的同時，建議放棄增加腐蝕裕量的方法，而是研發新型工程材料。

在設計波浪能發電裝置防腐蝕方案的過程中，可借助目前最先進的CAE技術，比如涂裝仿真工藝軟件、陰極保護仿真軟件和腐蝕仿真軟件等[26-27]。

4 結束語

波浪能發電裝置防腐蝕是波浪能設計研究的重要內容之一，關系到裝置的經濟效益和安全運行。根據復雜的海洋環境及波浪能發電裝置的腐蝕特點，從采能系統、轉換系統和安裝平臺三部分闡述了裝置防腐蝕的方法和要求。有關波浪能發電裝置防腐蝕的具體措施應結合裝置的設計壽命、結構形式、施工工藝、經濟性、安全性及維護管理等因素綜合分析。