海上風電防腐蝕研究現狀與前景

任 偉，陳有登，謝志猛，安吉祥

(1.中廣核新能源控股有限公司，深圳 518000；2.中廣核研究院有限公司，深圳 518000)

0 引 言

風能作為一種可再生的清潔能源，正日益得到世界各國政府的重視并得到了快速的發展。目前，全球海上風電總量超過35GW，2020年全球海上風電新增裝機容量超過6GW，中國新增超3GW，占全球新增的50.45%[1]。盡管海上風電發展前景良好，但在開發和利用過程中，需要攻克和解決高溫、高濕、高鹽霧海洋環境條件下風電機組的腐蝕與防護相關的技術難點和問題，從基礎結構到塔架，從機艙到葉片，從各類機械部件到電器部件，均面臨著海洋腐蝕性環境的考驗。

1 海上風電機組腐蝕情況

1.1 腐蝕環境分類

海水是一種腐蝕性很強的電解質溶液，主要由溶解質液體、氣體和固體物質三部分組成，其中96%～97%由水組成，3%～4%由溶解于水中的各種元素和其他物質組成。海洋腐蝕問題相當的復雜，因為各海區環境因素不同，所以其腐蝕規律也不同，從海上風電場設施腐蝕的角度以及與海水的接觸情況來看，可將海洋環境分為海洋大氣區、浪濺區、潮汐區、全浸區和海泥區五個不同的腐蝕區帶[2]。其中海洋大氣區日照長、濕度大、鹽霧濃度高，金屬表面易形成電解液薄膜層，鹽霧中的Cl-容易穿過薄膜到達金屬表面，進而發生電化學腐蝕；浪濺區干濕交替，供氧量充足，在太陽輻射、海鹽、氧氣等因素的綜合作用下，腐蝕速率比其他區域高3～10倍，約為0.3～0.5 mm/a；潮差區處于平均高潮位和低潮位之間，作為氧濃差電池的陰極而受到保護，腐蝕速率相對較低，但鋼材表面易附著生物，從而誘發局部腐蝕；全浸區海水流速大，生物活躍，主要以電化學腐蝕為主，其腐蝕速率與含氧量(即海水深度)相關；海泥區既有土壤腐蝕特性，又存在海水腐蝕行為，但因其含氧量很低，一般受腐蝕程度相對較低。

1.2 防腐機理

目前針對海上風電腐蝕情況，一般采用的防腐蝕措施有：涂層防護、復層包覆技術(PTC)、陰極保護、預留腐蝕余量等[3-4]。

(1)涂層防腐機理

涂料是一種表面處理的方法，可有效將鋼材與腐蝕環境物理隔離，從而防止鋼表面發生腐蝕，是目前應用最廣泛、最實用的海洋防腐方法。在防腐涂料設計中需要遵循的一個基本原則就是：基層材料底漆需要擁有較強的附著能力以及防腐能力，中間漆需與面漆及底漆結合牢固，屏蔽效果好，防止水汽、氧等腐蝕性介質滲透，面漆則需要良好的耐候性、耐腐蝕、耐老化性能等[5]。但該方法的缺點是在受到外力碰撞作用下，涂層容易破損，且海上維修難度較大，修補效果不佳。

(2)復層包覆防腐機理

包覆防腐體系主要由礦脂防蝕膏、礦脂防蝕帶、密封緩沖層和增強玻璃鋼保護罩組成。其中，防蝕膏、防蝕帶之中含有能夠對腐蝕介質侵蝕的緩釋成分；密封緩沖層和防蝕保護罩主要起隔絕海水、耐沖擊、抵御機械損傷的作用。該方法對于外附件或異型節點較多的部位存在一定的施工難度，施工工序較多，費用較高。

(3)陰極保護防腐機理

陰極保護主要是針對處于海面以下的海上風電基礎，可分為外加電流的陰極保護(即通過給風電基礎強制外加電流，使之陰極極化)和犧牲陽極的陰極保護(即使鋼管樁與電位更負的活潑金屬進行電連接)兩種。目前，國內應用更多的是犧牲陽極的陰極保護法，該方法無需外加輔助電源，雜電流干擾小，使用范圍較廣。國外有較多風場采用了外加電流的陰極保護法，該方法相比于前者能夠實現電流的可調可控可監測。

(4)預留腐蝕裕量

預留腐蝕裕量即根據年平均腐蝕速率以及風機設計壽命年限來適當增加鋼板材料的厚度，這種方法簡單實用，但是會增加風機重量，且鋼材浪費嚴重，經濟性較差，一般僅作為輔助手段。

2 海上風電機組防腐蝕研究

2.1 葉片的防腐蝕研究

海上風電機組的風機葉片運行于大氣區，大多數為玻璃纖維增強復合材料，其材料的基本組成有環氧樹脂，聚酯樹脂等，其本身即具有耐腐蝕性[6]。為了減少海洋大氣中鹽分在葉片表面聚集產生腐蝕作用，影響發電轉化效率，可在表面采用聚氨酯面漆或聚硅氧烷面漆進行保護。目前，市場上的溶劑型涂料具有良好的耐溶劑性和耐老化性，但同時涂層的硬度較大，在受到外力沖擊時容易脫落暴露基材，對葉片失去保護作用[7]。李儒劍[8]等通過調配丙烯酸和聚酯多元醇的質量比制備出了一種高耐磨性、耐候性的聚氨酯風機葉片涂料，克服了上述缺陷。目前，隨著環保觀念的加深，水性聚氨酯防腐涂料、無溶劑型聚氨酯涂料以及各種改性的樹脂涂料已經成為研究熱點，傳統的溶劑型涂料將會逐漸退出主體市場。

2.2 塔筒的防腐蝕研究

塔筒鋼結構多處于大氣區和浪濺區，均以防腐涂料聯合預留腐蝕裕量為主要保護手段。在GB/T 33423-2016《沿海及海上風電機組防腐技術規范》[9]中列出了不同海洋工況條件下推薦的涂層防護體系。在大氣區，防腐涂料體系推薦為環氧富鋅底漆+環氧云鐵中間漆+脂肪族聚氨酯面漆；在飛濺區，由于會受到海浪沖刷，防腐涂料體系多采用環氧玻璃鱗片或無溶劑環氧漆等。張斌[10]等通過對廣東省珠海市桂山海域上處于不同區域的破損風機塔架的形貌、涂膜厚度、附著力、電化學性能等進行測試分析，發現海泥區涂層阻抗、附著力、涂層完整性最高，大氣區次之，而飛濺區的涂層阻抗極低，附著力基本喪失，破壞最嚴重。江海濤[11]等對如東海上風電機組浪花飛濺區的鋼管樁進行附著力測試、表面粉化測試、保護電位測試和犧牲陽極使用情況檢測來研究了陰極保護和涂層聯合防護方法的有效性，結果表明該方法能夠有效減少腐蝕發生，滿足海上風機鋼管樁的防腐要求。劉晨[12]通過鹽霧腐蝕試驗、應力腐蝕慢拉伸試驗、力學性能測試、電化學測試、掃描電鏡微觀結構分析等方法和手段，對不同海洋腐蝕環境下塔筒的常用材料Q345鋼應力腐蝕行為展開了研究，研究了氯鹽腐蝕和拉伸應力對鋼腐蝕的耦合交互作用，揭示了材料的應力腐蝕失效機制，并提出可進一步開展腐蝕-彎扭疲勞的交互作用影響機制研究。

2.3 水下基礎的防腐蝕研究

海上風電水下基礎是風機塔筒的重要支撐結構，常見的基礎形式包括多樁基礎、單樁基礎和導管架基礎，基礎采用的鋼管樁長期受到海水侵蝕，主要發生電化學腐蝕，主要原因是海水中的氯離子穿透并破壞鋼筋表面的堿性保護膜，導致鋼筋處于陽極活化狀態，進而產生電化學腐蝕[13-14]。目前對其防腐手段主要為陰極保護+防腐涂料+預留腐蝕裕量，其中陰極保護多采用犧牲陽極方法，常選用鋁—鋅—銦合金材料，國際上也廣泛采用外加電流陰極保護技術。王靜[15]等在綜合比較目前陰極保護技術后，提出了一種新型陰極保護技術——串式陽極及其安裝方式，結果表明其陰極保護效果良好，且大大降低了現場安裝施工難度。玄曉陽[16]等通過實例應用，對比了人工巡檢和陰極保護遠程監檢測系統。結果表明，陰極保護遠程監檢測系統通過對鋼管樁在海水環境中的全尺度電位測量和犧牲陽極輸出電流的測量，能夠分析出陰極保護效果、犧牲陽極工作狀態、陽極壽命等，實現了監檢測系統的智能化，明顯優于人工巡檢。黃延琦[17]等開發了一套遠程監測系統，通過自動采集和記錄被保護鋼管樁的陰極保護電位和犧牲陽極發射電流、繪制保護電位-時間曲線、犧牲陽極發射電流-時間曲線、評估陰極保護狀態、超限自動報警等功能，實現了實時在線監測，大大提高了監測工作的效率和安全。

2.4 電氣設備的防腐蝕研究

電氣設備主要包含變壓器、發電機、控制柜及驅動電機等，通常布置于塔筒和機艙這類封閉的空間中，為減小其腐蝕程度，塔筒、機艙內部采用鹽霧過濾器和除濕機設備來過濾鹽霧、除濕和通風散熱，并形成微正壓，使得內部空氣往外流，從而控制內部環境[18]。不僅要控制環境中的溫濕度、鹽霧濃度等，設備自身也需要做一定的防腐處理，如變壓器表面的防腐涂層應具有良好的耐高溫性能，以及油箱內壁的涂層需要有良好的耐油浸特性。李穎[19]等對福建沿海地區某海上風電機組進行了為期一年的環境適應性測試，采用電器設備腐蝕環境表征測試片對變流器、控制系統等關鍵電器設備服役環境進行量化表征分析，通過監測電器設備表面Cu2O、CuO、Cu2S的薄膜厚度以及腐蝕膜厚(?)，表明該機組的電器設備所處腐蝕環境為G1等級，屬于受控環境，幾乎不會發生腐蝕。

2.5 海底電纜的防腐蝕研究

3 結束語

在海上風電開發、運行和維護過程中，腐蝕問題一直是一項極其重要的挑戰，做好防腐蝕工作，有利于降低全生命周期度電成本，并且提高機組的可靠性與安全性。目前，行業內已充分認識到海洋防腐的重要性，大量學者對海上風電防腐進行了不同方面的研究，綜合考慮提出以下兩點建議：

(1)在未來的海上風電開發過程中，需要針對不同海洋區帶及機組部位，有針對性的制定詳細防腐蝕策略，并制定出相應標準，保障機組各環節及部件正常運行；

(2)同時，有必要進一步研究海上風電機組腐蝕的全方位在線監測技術，基于在線獲取的風電機組保護電位、環境腐蝕數據、設備腐蝕狀態等，建立壽命評估模型，實現預防性維修，降低海上風電的運維成本。