淺談海上風電防腐技術應用及優化方案

浙江華東工程咨詢有限公司 洛 成

目前國家大力提倡發展新能源產業，根據規劃內容，我國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。為實現“碳達峰”“碳中和”目標，新能源發電做出了積極貢獻，其中風力發電、水力發電、太陽能發電、潮汐發電都是常用的發電方式。近年來許多國家開始致力于海上風電的研究，同時取得了一定的應用成果，相較于傳統陸地上的風力發電，海上風電所面臨的最大問題是腐蝕問題，這也是影響海上風電項目綜合效益的重要因素。

1 海上風電腐蝕相關內容

1.1 腐蝕環境分析

海上風電設備遭受的強腐蝕主要來自于海洋腐蝕環境下海水、鹽霧中的氯離子（滲透性強，腐蝕破壞性大）。海上風電基礎所處的海水、海泥，塔筒及機艙所處的鹽霧環境中氯離子含量富足，因而腐蝕活性較高，風電設備很難處于鈍態。而且海水與空氣接觸面積大、對流充分，在海浪不斷攪拌作用下氧氣飽和、濕度極大，加快了海上風電設備的腐蝕速率。加上風電機組有風發電、無風停機、超風速急停的不均勻運轉模式，以及腐蝕環境下高頻交變應力的疲勞荷載作用，風電機組運行壽命面臨嚴峻考驗。

1.2 腐蝕機理分析

海上風電鋼構設備的腐蝕形式多屬于電化學腐蝕，其兩極反應為：陽極反應Fe－2e→Fe2+；陰極反應：O2＋2H2O＋4e→4OH-。靠近陽極溶液 中 的 反 應 為：Fe2+＋2OH-→Fe(OH)2；O2＋4Fe(OH)2＋2H2O=4Fe(OH)3。由反應式可知，鋼構基礎金屬發生陽極反應失電子，被氧化腐蝕。影響電化學腐蝕的主要因素有溫度、濕度、含鹽量、pH值。其內在關系為溫度、濕度、含鹽量越高腐蝕性越強，pH值越低腐蝕性越強。

1.3 腐蝕規律分析

腐蝕速率曲線。在海洋豎向方向上共存在著五個腐蝕區域，分別是海洋大氣區、浪濺區、潮差區、全浸區和海泥區。其中浪濺區和全浸區屬于鋼結構腐蝕速度最快的區域：浪濺區的鋼結構有時被海水淹沒、有時會暴露在大氣區中，在干濕交替的過程中鹽分會逐漸富集在鋼結構表面，在陽光照射下也會加快鹽類侵蝕速度，影響到鋼結構穩固性；全浸區雖然鋼結構完全浸沒在海水中，但不同深度的氧氣飽和度、海洋生物密集度、海水溫度、含鹽量均存在一定差異，因此在差異化影響下也會對鋼結構形成較嚴重腐蝕，從而影響到結構穩固性。

腐蝕形態分析。在結構腐蝕的過程中經常出現的腐蝕形態包括：沉積物腐蝕，海水流動會使一些雜物附著在結構表面，這樣也會在表面形成陰陽極電池，從而加快電腐蝕速度；接觸腐蝕。在海洋運動過程中也會帶來許多金屬顆粒，這些金屬顆粒附著在結構表面后會成為陽極結構，這也會加劇腐蝕速度，影響結構完整性；縫隙腐蝕。在風電設備連接處容易受到海水侵蝕，從而出現腐蝕的情況；海洋生物腐蝕，如藤壺科植物附著在鋼結構表面會釋放一些腐蝕性物質，從而加快腐蝕速度。

圖1 海洋鋼結構設施在不同環境下的腐蝕速度圖

腐蝕疲勞分析。海上風電設備在應用中會承受許多的外部作用，如海風侵蝕、海浪拍打、腐蝕作用等，一般情況下，在生產海上風電設備時其預期壽命在25年左右，但在多項作用力影響下所產生的腐蝕疲勞也會縮減設備壽命，即實際壽命會縮短到10～15年，這樣也會影響到系統帶來的綜合效益，而且也會影響到風電系統應用過程的安全性，影響到系統的安全運行。

腐蝕危害分析。腐蝕坑深度較大。在腐蝕作用下會在結構內壁上形成腐蝕瘤，即使清理掉腐蝕瘤也會在結構表面出現腐蝕坑，影響到結構整體的穩固性；設備故障發生率較高，在風電設備運行過程中，所帶來的腐蝕作用會影響到設備內部零件連接的通暢性，從而加快零件磨損速度，增加設備運行故障的發生幾率；綜合效益較低。如上文提到的腐蝕疲勞會影響到設備使用壽命，這也使設備穩定性下降，無法達到預期的效益目標。

2 海上風電防腐技術應用要點

風電塔筒。目前在風電塔筒的使用過程中結構腐蝕最為嚴重的區域是在浪濺區，這也是防腐處理的重點環節。在風電塔筒的防腐處理中常用防腐處理方法為涂層防腐處理，目前所使用的防腐干膜厚度會控制在320～500μm，這樣可確保15年以上的無維修期，而使用到的涂料需對腐蝕因素進行細致分析，同時根據涂料要求來完成材料選擇，從而提升結構的應用強度。

風電葉片。相較于其他的風電設備零件葉片所能夠接觸的腐蝕環境較少，但也存在慢性腐蝕，而所制作的防腐層在被破壞后很難再進行重做，因此也要求在前期做好防腐處理，降低慢性腐蝕所帶來的影響性，從而提升結構的穩定性。在實際應用中，需根據腐蝕環境特點去選擇合適的材料來制作風葉，如目前使用較多的風葉材料以復合材料為主，同時也會在葉片表層涂抹膠衣來進行防腐，對于一些無法附著到的結構，也需采用抗腐蝕材料進行制作，從而提升結構的防腐性能[1]。

風電設備其他部件。在風電設備其他部件的防腐設計中，也需對部件工作環境進行分析，根據分析結果來選擇恰當的防腐措施。如風電設備中的變壓器多采用落地箱式進行安裝，很容易受到紫外線、海風的侵蝕，基于此，除在外層涂抹防護涂料外也會利用絕緣樹脂來包裹鐵芯，借此來提升變壓器結構的防腐性。又如在鈑金結構的防腐處理中也會使用粉末涂料來進行防腐處理，其作用也是將鈑金結構和外界環境隔絕開，借此來提升結構的整體防腐性能，滿足防腐要求[2]。

鋼結構基礎。在海洋環境中對于鋼結構的腐蝕性較強，為滿足耐久性要求，在實際處理中，多采用海工重防腐涂層+犧牲陽極系統或海工重防腐涂層+外加電流保護系統的聯合防腐蝕方案進行處理。以前者為例，該方式是在滿足結構質量、安全性要求的基礎上，選擇電容量大、極化率小、溶解均勻的材料作為陽極，以此來延緩陰極損耗速度。即使在使用中出現腐蝕，但不會影響到結構強度和安全性，從而起到延長結構使用壽命的作用。同時也會在鋼結構基礎表層上涂抹上高分子材料，如聚乙烯材料、環氧樹脂玻璃鋼等，這樣也可將鋼結構基礎和外部環境隔離開，從而提升結構的抗腐蝕性能。

3 海上風電防腐優化方案

做好涂層整體維護。在涂層整體維護過程中首要任務便是對結構進行整體打磨，將結構表面附著的海洋生物、銹跡清理干凈，隨后利用高壓淡水進行沖洗，在清理干凈后也會利用改性砂漿將表面進行涂抹，將縫隙完全覆蓋，同時也會在表面涂抹底漆、中間漆、面漆，厚度分別是350μm、400μm和60μm，使其重新形成穩定的防腐層，提高結構整體的防腐性能，延長結構的使用壽命[3]。

陰極保護優化處理。在既定要求下也需做好陰極保護優化處理，在實際處理中，所使用的材料需要滿足陽極犧牲要求，而且也需對材料耐腐蝕性能進行檢查，確定沒有問題后再進行使用。嚴禁使用回收鋁作為陽極犧牲材料，以滿足相應的應用需求。同時在對其進行安裝時，也需確保陽極塊能與混凝土承臺穩定連接在一起，但是不能破壞混凝土結構的完整性，而接觸電阻也不能超過0.1Ω，以起到良好的保護作用[4]。

增加包覆防腐。除上述提到的應用內容外，在技術優化處理中也可增加包覆防腐技術，以提升結構整體的防腐性能。結合以往經驗可了解到，浪濺區是結構腐蝕最為嚴重的區域，且該區域的修復難度較大、破損頻率較高，對此也需在原有基礎上提高防腐層的應用厚度，同時也需做好加工處理工作，適當提高防腐層厚度，從而延長結構的使用壽命[5]。