海洋風電導管架腐蝕防護典型案例研究

趙 帥 衛旭敏 張劍明 鄧 凱

（中海福陸重工有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

在碳中和的大背景下，如何由傳統的能源消耗型產業轉型為以風能、太陽能為主的綠色能源體系是全人類的共同難題，中國當然不能置之度外。目前來看，風力發電是僅次于水力發電的第二低成本的可再生能源。我國擁有超過1.8萬千米的海岸線，可利用的海上風力發電面積不小于350萬平方米，70m高度以下的風電可開發資源量約為5億KW，而隨著開發能力的提升，實際可開發的資源量可能更多。

1 概述

海上風力發電項目，通常由塔架，過渡段、水下樁基結構和樁基部分組成，水下樁基結構又分為導管架式、單樁式、三腳架式等類型，如如圖1所示。導管架式，一般由風機接口法蘭、外部平臺、過渡段、內部平臺、導管架主體和海底吸力桶等結構組成，導管架主體是由穩定支撐的三角框架組成的多樁結構，由于導管架拉筋和導管腿尺寸較單樁式小，因此幾乎無海水的阻力，是一種典型的風電水下基礎結構。

圖1 三種典型的海上風電樁基結構

海上風電相較于陸上風電，優點突出的同時，缺點也同樣突出，海上風電場的安裝就是一筆不小的費用，而且在海上會遇到更復雜、更難以解決的問題，海上風電場的腐蝕問題就是其中之一。海洋本身的復雜、惡劣、高鹽霧環境，因此海上風電的維護成本高出陸地許多，主要結構件的腐蝕隱患將會給海上風電設備帶來災難性的安全事故。因此非常有必要對海上風電的環境耐久性關鍵技術進行重點研究，解決關鍵技術難題，從而提升產品服役壽命，減少風力發電因停機故障而造成的間接經濟損失，節約運行過程中人力物力維護成本，增長效益。本文將對海上風電導管架不同位置分別進行腐蝕情況分析，綜合闡述海上風電導管架腐蝕防護的設計方法。

2 腐蝕環境分析及涂層體系設計

海洋環境應按照從上到下對腐蝕區域進行劃分，分為海洋大氣區、飛濺區、海水浸沒區和海底埋沒區，按照國際標準ISO 12944 2017-2018版本的規定[1]，海洋大氣區的外表面和飛濺區通常歸屬于C5/CX腐蝕環境，而海水浸沒區和埋沒區通常歸屬于Im3/Im4等腐蝕環境。隨著人類對海洋的不斷探索，要在合適的項目周期中，尋找到經濟、科學的腐蝕防護方式，是技術人員一直以來尋求的方向。而在這種高濕度、高鹽分的極端環境，需要綜合考慮經濟性、維護性，選擇最合適的腐蝕防護方式。

2.1 海洋大氣區

海上風電場典型的設計案例中，飛濺區以上的海洋大氣環境部分通常包含有風機接口法蘭和過渡段等。海洋大氣環境濕度大，水氣中鹽分含量多，極易在結構表面凝露而造成電化學腐蝕，有研究表面，海洋大氣相較于陸地大氣，對鋼結構的腐蝕程度要高4～5倍。

2.1.1 風機接口法蘭

風機接口法蘭，作為連接風機塔筒和風電導管架的部位，圖2是其典型設計圖。由于接口法蘭位置和功能的特殊性，此部位在要求特殊鋼結構的同時，在腐蝕防護方面要盡量考慮防護壽命的可靠性和防護性能的優越性。熱噴金屬是其首選處理方案，熱噴金屬能夠在結構表面形成一層致密的金屬沉積物，從而達到長效腐蝕防護的目的。

圖2 接口法蘭示意圖

比較典型的表面處理方案是采用熱噴鋅或熱噴鋅鋁的方案，再者由于接口位置尺寸要求精細，涂層厚度方面應嚴格控制上限。要求膜厚不低于80um，施工完封閉漆后，膜厚增加至不超過160um。對于特殊構件，很重要的一點是整體結構腐蝕防護的完整性，因此法蘭孔里也應有涂裝要求，典型接口法蘭涂層設計案例和膜厚要求如表1所示。

表1 接口法蘭涂層設計

2.1.2 過渡段

作為風電導管架的重要連接組成部分，過渡段（Transition Piece）的作用是連接風機塔筒和風機導管架，用于設置人員活動區域、電氣設備、布置吊機和防墜落系統等設備設施。過渡段包括一座外部平臺、支撐結構和內部平臺等。外部平臺上欄桿、門等通常由為鋁材質，經過陽極氧化的鋁材，自身即可提供設計壽命之內的耐腐蝕性；作為地板的格柵，通常為玻璃鋼格柵，具有長期耐老化的特點。其他部位，基于所處環境，典型的涂層設計方案和膜厚要求如表2所示。

表2 過渡段涂層設計

尤其需要注意的是，過渡段密封結構區域打磨焊縫的要求，需要施工臨時防護系統，以避免建造階段水氣滲入而造成的結構強度的下降。

教師引導學生基于資料中的事實，概括形成“組成不同的蛋白質的氨基酸的各類、數目、排列順序不同，肽鏈的盤曲、折疊方式及其形成的空間結構不同，蛋白質具有結構多樣性，結構不同決定了功能不同”的概念。

2.2 飛濺區

飛濺區作為海上風電導管架腐蝕最嚴峻的地方，在飛濺區，鋼表面受到海水的周期性潤濕，處于干濕交替狀態，氧供應充分，鹽分不斷濃縮，加之陽光、風吹和海水環境等協同作用導致發生最嚴重的腐蝕。因此對飛濺區涂層的選擇至關重要，目前最佳處理方案是選擇具有超強防護性能、高膜厚的玻璃鱗片環氧漆在某些特殊的受力部位采用增加腐蝕余量的方案。典型的涂層設計方案和膜厚要求如表3所示。

表3 飛濺區涂層設計

在飛濺區，除了可以使用特種涂料進行腐蝕防護外，國內外防腐蝕工作者研究了各種腐蝕防護的方法，開發了長期耐久的腐蝕防護方案，一種方案是包覆蒙乃爾合金、鈦合金、耐海水不銹鋼護套的方法，耐腐蝕效果好，但其材料價格昂貴，所以全面推廣應用仍受到一定限制。其他方案包括采用超強不銹鋼、特種犧牲鋼、混凝土、硫化橡膠及玻璃鋼技術等。

研究員姜秀杰[2]等研發出一種適用于浪花飛濺區鋼結構的超厚防護環氧涂料。此種涂料一道涂料施工干膜厚度高達1000um，不僅縮短了建造工程時間，且不存在多次噴涂的層間附著力不佳問題，且具備很強的耐沖擊性。此涂層和標準要求的最低漆膜層數不符，但具備一定借鑒意義。

另外，還有一種PTC復層礦脂包覆防腐方案[3]，PTC復層礦脂包覆防腐系統由四層緊密相連的保護層組成，包括礦脂防腐膏、礦脂防蝕帶、密封膠層和玻璃纖維保護罩。PTC技術中礦脂防腐膏和礦脂防蝕帶是該技術的核心部分，添加有抗腐蝕材料，具有優良的保護性、粘附性、與水和空氣隔絕性，長期不會變質，強有力地粘附在鋼鐵設施表面以達到長效的腐蝕防護效果，而外部堅固的玻璃纖維保護罩能夠有效的緩解外界機械撞擊的破壞。

2.3 海洋浸沒區

海洋浸沒區全浸于海水中，鋼結構的腐蝕會受到海水溫度、鹽分含量、氧溶解濃度、海水流速和海洋生物的影響，不可控因素有很多，因此選擇涂層和陰極保護相結合的腐蝕防護方案更為保險，涂層應選擇具備抗陰極剝離性能的材料，典型的涂層設計方案和膜厚要求如表4所示。

表4 飛濺區涂層設計

實施陰極保護可以通過外加電流和犧牲陽極兩種方式。犧牲陽極保護[4]是在被保護的金屬上連接一種電極電位更負的金屬或合金稱為犧牲陽極，海上風電項目一般采用的是鋁鋅合金，通過犧牲陽極不斷的自我溶解和消耗，使被保護金屬得到陰極電流而不發生腐蝕。犧牲陽極法的優點是系統簡單，需要在設計階段計算后，確定陽極的大小和安裝位置，安裝后不需要進行日常維護。缺點是，鋼結構海底不確定性大，而陽極安裝后不能隨意調整位置和參數，隨著陽極的不斷消耗，可能造成過保護或保護不足的缺點，也有陽極提前消耗的風險，這也導致了后續的維護成本很大。

在以上條件的基礎上，導管架的水下節點可以采用預留不涂裝的方案，水下節點腐蝕防護可由腐蝕余量和陰極保護系統來提供，此方案會大大降低現場焊接時的油漆破壞，更方便現場焊縫檢驗等優點。

2.4 附屬結構

2.4.1 硫化橡膠

導管架靠船件和電纜護管會持續受到洋流沖擊的影響，需要在管夾等使用硫化橡膠進行耐沖擊防護。

2.4.2 電子元器件

目前風電行業往往關注海上風電中結構的腐蝕防護方案，對于電氣設備腐蝕問題缺乏系統性認識和解決方案。海洋氣候環境下，高溫、高濕的空氣中存在各種類型的腐蝕性物質，這會對設備產生極大的破壞性，更會導致電器設備故障率會明顯上升，考慮海上風電電器設備種類繁多，重點應從改善電器設備服役環境條件著手，進行改變。

未來海上風電對高科技電氣元件的要求肯定會逐步提高，向綜合化、智能化的方向發展，通常要求可以在海上惡劣環境上，實現全天候工作，因此研制可以在海洋環境中防潮濕、抗鹽霧，是電氣設備研發的重要挑戰和方向。對于此類型的腐蝕防護，選擇可以滿足功能需求腐蝕防護性能優越的特種合金材料是首選。可選的優化措施是在塔筒內、過渡段內增加空氣凈化系統，去除密封艙內堆積的鹽霧和水汽，降低空氣的濕度。應依據封閉區域內實際空間大小，確定所需要的空氣凈化設備，此外鹽霧凈化處理應去除90%以上海洋環境中獨有的腐蝕性鹽分顆粒。

3 結語

為促進我國未來風電行業的良性發展，隨著我國海上風電技術的不斷探索和積累，未來海上風電行業必然會向大規模化、集中化和深海化的方向發展，腐蝕防護技術水平可能是未來影響發展的關鍵瓶頸問題，應予以重視。

（1）必須圍繞降低開發成本、降低運行維護風險等方向大力創新，加大對海上風電長效防腐技術研究，確保海上風電防腐壽命能夠滿足25年以上要求；

（2）其次，為更好利用我國海洋風資源，未來海上風電將從淺海逐步往深海方向發展，海上風電走入深海后將面臨更加復雜的海洋環境，而目前我國在深海腐蝕防護的積累不多，適用于深海條件的海上風電工程化技術有待探索、完善；

（3）相對于歐洲環境，我國海洋環境更加復雜、嚴酷，目前我國初步建立針對我國特殊環境海上風電基本性技術要求標準，但長壽命海上風電技術標準體系尚未建立，今后需要加強產業上下游的通力合作，建設符合我國特殊環境要求的海上風電標準體系。而在碳中和的大背景下，大容量海上風電機組群、漂浮式結構、柔性直流電技術、更經濟綠色的腐蝕防護技術將快速進步，是中國實現“雙碳”目標的重要力量！