抵御嚴酷環境的海上集成變電站防腐技術研究

王洋洋，黃文君

（許昌職業技術學院，河南 許昌 461000）

我國海上風力資源儲備豐富，具備較高的開發價值。我國海岸線長約18000km，可利用海域面積300多萬km2，擁有島嶼6000多個。近海風力資源主要集中于東南沿海地區及其附加島嶼。根據此前風能資源普查的結果顯示，我國5-25m水深、50m高度海上風電開發潛力約2億kW；5-50m水深、70m高度海上風電開發潛力約5億kW。預計2025年，我國電源裝機容量為29.5億kW，清潔能源裝機占比將由2019年的41.9%提高到57.5%，煤電裝機會下降至37.3%，基本實現從基荷型電源向調節型電源功能的轉變。“十四五”期間風電規劃裝機達到5.4億kW；光伏規劃裝機達到5.6億kW。2015到2019年全國風電光伏新增并網容量最高值6812萬kW，低于每年8000萬kW的規劃值。截至“十三五”末，近海海域已核準、未建成的風電場容量約2500萬kW。“十四五”時期，在新的政策形勢下，近海海上風電應通過項目優化布局、技術快速迭代進步、發展模式和政策創新等，加快推進布局優化與成本快速降低，力爭近海海域實現新增并網容量800-1000萬kW。海上風電發展潛力巨大。

相較于陸地，海上環境特殊，給風電發展帶來的很大的不便，需要不斷的技術突破。主要問題體現在以下幾個方面：一是鹽霧腐蝕現象嚴重；二是海上空氣潮濕，絕緣故障時有發生；三是設備的日常維護量大，日常維護不便。

1 海上惡劣環境調研

海上環境相比陸地環境有更惡劣的自然條件，高濕熱、高鹽霧、大風浪、臺風多發、地震烈度大等特點。

根據中國科學院海洋研究所資料，我國近海海上環境的氣溫在夏季時一般處于30℃左右，相對濕度為70%-95%，風速一般在6m/s左右，鹽霧濃度在30%左右，而且海上會有強熱帶風暴和臺風。另外，我國渤海、南海一帶屬于地震活動區，所以海上集成變電站要能夠抵御9級以下的地震。

2 海上集成變電站防腐技術研究

2.1 海上集成變電站核心設備情況

新能源用海上集成變電站主要由外殼、低壓開關設備、升壓設備、高壓開關設備、電纜連接、環境控制系統、保護系統、在線監測系統等組成。海上環境對集成變電站的主要影響有外殼等設備的抗腐蝕性、吊裝安裝困難、檢修維護不便、電氣設備的耐鹽霧功能、電氣設備智能化、核心元件的技術研究等。因此需要針對這些問題進行優化，并提出更可靠、高效的解決方案。新能源海上集成變電站由于其環境的特殊性，我們在選擇設備時要從環保性、環境適應性、體積、防污能力、和抗震性等幾個方面考慮，目前主流小型化開關設備絕緣介質有固體絕緣、SF6氣體絕緣、N2氣體絕緣等。

2.2 海上集成變電站腐蝕的原因

海上環境具有高濕熱、高鹽霧、大風浪、臺風多發、地震烈度大等特點，相比陸地環境來說，海上集成變電站所處的環境更加惡劣。

我們可以將海上風電機組的風塔及基礎結構根據所處海洋腐蝕環境和水位的變動情況，從下到上分成5個腐蝕區域：海泥區、全浸區、潮差區、浪濺區和海洋大氣區。不同區域的腐蝕因素和腐蝕速率不同，其中飛濺區的腐蝕速率要遠大于其他區域。在這個區域，除了受海鹽含量、濕度、溫度等海洋大氣環境中的腐蝕影響因素外，還受到海浪飛濺的影響。

海上風電鋼構設備的腐蝕形式多屬于電化學腐蝕，影響電化學腐蝕的主要因素有溫度、濕度、海鹽含量等。溫度、濕度、海鹽含量越高，腐蝕性越強。

2.3 海上風電機組的防腐方法

海洋工程中，常用的防腐蝕方法主要有5種：涂層法、鍍層法、陰極保護法、預留腐蝕余量法和選用耐腐蝕的材料。我們通過對海上船舶的防腐工藝研究，并結合最新防腐技術領域的最新成果，進一步提高海上集成變電站外殼的抗腐蝕能力。目前世界上船舶普遍采用的是陰極保護技術和防腐涂料技術相結合的方式。

陰極保護的方式有兩種：外加電流陰極保護和犧牲陽極保護。

目前，熱浸鍍鋅與熱噴鋅（鋁）是常用的陰極保護技術，鋅（鋁）作為犧牲陽極，而使鋼鐵表面受到保護，即使當鋅保護層有少許受損，鋅層下的鋼鐵亦不會形成銹。但傳統的鍍鋅技術很難現場應用，而鋅加鍍鋅系統可以在現場或車間施工涂裝。常規的富鋅涂料因含鋅量低陰極保護作用不強，它與普通涂料一樣以屏障保護作用為主，涂料涂層可以在鋼鐵表面形成一道對空氣中的水蒸氣和氧氣等的保護屏障。

鋅加對鋼鐵保護有兩種途徑：

（1）主動陰極保護作用。鋅加干膜含鋅量高，大約含有96%以上的純鋅，足以保證為鋼板提供絕好的陰極保護，其保護原理類似于熱鍍鋅，但防腐蝕保護性卻能優于熱浸鋅。

（2）被動屏障式保護作用

當鋅加被氧化時，會在鋅加表面緩慢產生一層鋅鹽層來提供屏障保護。接著，鋅加中的黏結劑也提供一層附加的屏障保護，從而減緩了鋅的氧化。所以鋅加的防腐蝕性能遠比由噴鋅（鋁）、熱浸鍍鋅及其他富鋅涂料的防腐蝕性能好很多。

因此，鋅加有效地結合了熱鍍鋅鋅層的主動陰極保護和有機涂料的屏障保護，對鋼鐵具有長效的優異防腐保護性能。

3 結束語

對于海上風電材料的現有防腐方法，風電制造商有自己的防腐蝕解決方案。一般來說，由于缺乏數據積累和對風電運行環境的精確定義，并且缺少針對性的基礎研究，尤其是對微腐蝕環境個性化解決方案基本沒有。當前的防腐經驗可歸納為以下三點：

一是不同的腐蝕區域采用不同的防腐方法。例如在海洋大氣區，塔筒的外壁，通常使用涂料防腐；在全浸區和潮差區，海水中的鋼結構主要采用電化學防腐，隔離防腐方法。對于機艙輪轂內部的零件，主要方法是采取密封措施。為了防止外部腐蝕性氣體進入并直接腐蝕，葉片主要采用凝膠涂層作為保護層。

第二是進口涂料價格高昂，導致風電投資大，成本高，而國產涂料的性能有待進一步提高。有很多浪費為了提供更高的耐用性，高腐蝕性等級設計用于低腐蝕性等級。

第三，海洋大氣區的保護規范比較完整。處在這個區域中的材料防腐措施可以借鑒石油平臺的防腐經驗，可以參考鋼結構的防腐標準，但處于密封空間的葉片缺乏相應的防腐規范。

目前，我國國產海上風機的建設已進入試運行階段，目前海上風機動力設備技術的發展相對滯后，專門為海上風機開發的動力設備將具有巨大的發展空間。市場潛力和推廣空間。當前，所有海上風電場飛行員都迫切需要支持適用于海上環境且具有高可靠性的集成變電站產品。這項研究實施后，將解決海上風電場使用的電力設備采取防腐措施的迫切需求。