海上風電設施防腐蝕技術研究進展

賈文虎，徐群杰*

（1. 上海電力大學環境與化學工程學院，上海市 楊浦區 200090；2. 上海市電力材料防護與新材料重點實驗室，上海市 楊浦區 200090）

0 引言

據2021 年2 月全球風能理事會發布的數據顯示，2020 年全世界海上風電新增裝機容量達6 067 MW，中國新增裝機容量超過3 000 MW，連續3 年位居世界首位，新增裝機量占全球50%以上。截至2020年年底，全世界海上風電累計裝機容量超35 000 MW，我國超9 000 MW，約占總裝機容量的28%，目前我國海上風電裝機總容量已超越德國，僅次于英國，位居世界第二。相較于陸上風電，海上風電有相當明顯優勢：一方面，海上風電能夠較大程度節省對土地資源的占用；另一方面，海上風速大，且風主導方向相對穩定，從而能量產出更大，能夠較大程度緩解能源緊張問題[1-3]。加上國家的政策支持，海上風電技術的發展得到了廣泛關注，與此同時，海上風電設施防腐蝕問題也日益嚴重[4]。在嚴峻的環境下尋找合適的防腐技術以延長設施的使用壽命成為當下的研究熱點。本文介紹了海上風電設施常用防腐技術，結合工程實例，分析了各種防腐技術的優劣，可為提高我國海上風電防腐水平提供參考。

1 海上風電設施腐蝕機理

海上風電設施大多采用鋼結構，也有部分使用鋼筋混凝土結構[5-6]。參照《海港工程鋼結構防腐蝕技術規范》JTS 153-3-2007，鋼結構設施自下而上分為海泥區、全浸區、潮差區、飛濺區、大氣區55個區域(見圖1)[7]，其中在飛濺區發生的腐蝕行為最為劇烈[8-9]，潮差區次之。設備腐蝕主要是電化學腐蝕，當鋼制結構與海水(電解質溶液)接觸時，由于金屬表面粗糙，不均勻，易在其表面形成陰極區和陽極區，發生氧化還原反應，形成腐蝕微電池，導致腐蝕的發生[10]。混凝土結構設施一般自下而上分為水下區、水位變動區、浪濺區和大氣區4 個區段，浪濺區腐蝕速率最高，破壞最為嚴重。

圖1 海洋環境腐蝕傾向示意圖Fig. 1 Schematic diagram of corrosion tendency in marine environment

腐蝕產生的主要原因是，氯鹽侵入破壞了鈍化膜，加速腐蝕反應。此外，混凝土的碳化、海水中硫酸根離子以及鎂離子也起到一定程度的破壞作用[11]。一般來說，鹽度、溫度、氧濃度越高，pH值越低，腐蝕反應越劇烈。由于海上風電設備鋼制結構比例遠高于混凝土結構，因此本文以鋼制結構介紹為主。

2 常用防腐技術

近年來，海上風電設施防腐保護方法主要有防腐涂層、陰極保護以及預留腐蝕裕量法等，在大氣區、飛濺區、潮差區多采用涂層保護，在全浸區以及海泥區則以陰極保護為主[12]。

2.1 防腐涂層

流動狀態下能在物體表面形成薄層，在干燥固化后仍能牢固附著且連續覆蓋在物體表面的膜層物質稱為防腐涂層[13]。防腐涂層主要有以下作用：1）屏蔽作用；2）緩蝕鈍化作用；3）犧牲陽極保護作用。用作海上風電設施防腐的涂料有環氧類防腐涂料、橡膠類防腐涂料、氟樹脂防腐涂料、有機硅樹脂涂料以及富鋅涂料等，其中環氧類防腐涂料最為常見，市場份額比也最高，另外，玻璃鱗片涂料及玻璃鋼也較常使用[14]。環氧類防腐涂料施工方便、價格低廉，且具有很好的附著能力，防腐性能長效且優異，在飛濺區和潮差區這樣惡劣的環境下仍能展現出較好的防腐效果，我國的東海大橋、天津港等風電場都使用了此類涂料。玻璃鱗片屬于濕固化環氧重防腐涂料，其防腐機理在于能在金屬表面形成大量且致密的薄片層，產生層迭迷宮效應，腐蝕液難以滲透，從而延緩腐蝕。玻璃鱗片具有優良的抗滲透性、耐蝕性和良好的陰極相容性。玻璃鋼(fiber reinforced plastics，FRP)，全稱纖維強化塑料，是一種無機材料，具有質輕、耐蝕、成型性好、操作簡單、成本低廉等優點，其缺點在于耐磨性能不佳。目前，使用較多的涂層油漆品牌有海虹老人(赫普)、PPG Sigma等[15]。

范鎮宇等[16]模擬海洋環境，在低碳鋼上涂覆環氧樹脂，并添加不同量的環氧化棕櫚油酸(epoxidized palm olein，EPO)進行30 天檢測，結果顯示，添入適量的EPO對涂層影響不大，且能夠降低成本，產生良好的經濟效益。

Momber 等[17]對海上風電中常用的聚氧樹脂、聚硅氧烷、玻璃鱗片、聚氨酯等13種常用有機涂層物質在不同法向力下進行摩擦磨損試驗，結果表明，環氧樹脂的耐摩擦性能突出，且成本效益最高。

相較于陰極保護及預留腐蝕裕量法，防腐涂層的最大優勢在于成本低廉、經濟效益高。

2.2 陰極保護技術

陰極保護的基本原理是給金屬補充大量電子，使被保護金屬整體處于一種電子過剩的狀態，其表面各點到達同一負電位，金屬原子難以失去電子，自然難以變成離子溶于溶液，從而實現腐蝕防護。陰極保護技術有犧牲陽極的陰極保護和外加電流的陰極保護2 種。犧牲陽極的陰極保護也稱為保護器保護法，是將活性金屬(電極電勢較低的金屬)與鋼構本體電性連接，形成原電池，依靠活性金屬不斷腐蝕溶解所產生的電流，保護鋼構本體。犧牲陽極法維護工作量較小，過保護可能小，相對較為安全，且常與防腐涂層配合使用，涂層作為額外的防腐補償，可減緩犧牲陽極的消耗。外加電流法通過外加可調直流電源的方式實現，將被保護金屬(鋼鐵)與電源負極相連作為陰極，電源正極則與廢金屬(一般采用高硅鑄鐵等)相連作陽極，充當輔助電極，使陰極金屬處于保護電位，從而對陰極也即鋼鐵本體實施保護。

犧牲陽極法的主要優點是系統較為簡單、無需外接電源，缺點在于設計安裝后相關保護參數無法隨意進行調整，且在使用過程中陽極金屬會不斷地溶解消耗[18]，所以需定期更換陽極。對于風電基樁來說，此項工作耗費巨大。外加電流保護法的突出優點是陽極使用壽命長，而且還可根據系統的運行情況實時調整相關參數，更為智能；其缺點是需外加電源，對調節、控制系統的穩定性、可靠性有著很高的要求[19]。目前國內外風電行業采用較多的仍然是犧牲陽極法，主要由于其技術含量相對低，施工質量容易保證，且施工單位對犧牲陽極的施工經驗較為豐富，例如美國的Cape Wind、英國的North Hoyle 及荷蘭的Q7 等海上風電場都采用犧牲陽極的保護方法[20]；但犧牲陽極法不能很好地適應不斷變化的條件，并且會過早消耗，可能會導致對風力渦輪機單元支撐結構保護不足，且需要設計多余重量，使費用增加。外加電流法則更為智能，是未來風電行業防腐技術發展的一個趨勢，目前德國AlpHa Ventus 海上風電場以及英國Greater Gabbard 海上風電場就采用了外加電流的陰極保護技術。

Erdogan 等[21]以美國瑪莎葡萄園風電場為實例，通過大量理論分析與計算，配合涂層的協同作用，使用犧牲陽極的方法在最佳位置安放適合的陽極，以此顯著降低陰極需要的電流和陽極犧牲質量，延長風電場使用年限。

Chernov 等[22]系統比較了2 種陰極保護方式的經濟效益，犧牲陽極的方式因需定期更換陽極，成本較高；在電源供應較容易的區域，外加電流法成本相對低些，但在電源供應條件有限的區域，其所需成本則難以預估。

2.3 預留腐蝕裕量法

預留腐蝕裕量法是依據鋼結構的腐蝕速率及使用年限計算，以此為基礎增加管壁鋼板厚度，從而使得風電設備符合相關規定，達到使用壽命要求。該方法會導致鋼管樁厚度及重量增加，進一步可能會使施工設備結構改變，從而增加材料及施工費用，經濟性較差[23]，一般多用于監測構筑物的腐蝕程度。

3 浪花飛濺區新型防腐技術

一般將在海洋環境中，海水及浪花能夠飛濺、噴灑到設施表面，但在海水漲潮時又不能被海水所直接浸沒的部位稱為浪花飛濺區[24]，通常在海水的平均高潮位0~2.4 m處[25]，在這一區域，鋼表面由于受到海水的周期性潤濕，常處于干濕交替狀態，充足的氧會發生去極化作用[26]，以及陽光、海水、氫滲透等多種因素作用[27]，使得浪花飛濺區成為風力發電設施腐蝕現象最為嚴重的區域，所以本文重點介紹此區域的新型防腐技術。

3.1 海工重防腐涂層

海工重防腐涂料聯合預留腐蝕裕量以及陰極防護，是飛濺區防腐最常用的手段。厚膜化是飛濺區防腐涂料的典型特征之一，一般干膜厚度就能達到600 μm以上，通常具有較好的耐水性和低吸水性。此外，抗離子透過和抗電滲析性能佳[28]，近年來厚漿型改性環氧玻璃鱗片涂料經實踐取得良好效果，有較為廣泛的應用。

曾登峰等[29]對環氧富鋅、環氧樹脂、環氧玻璃鱗片等常用海工重防腐涂料體系的循環老化、陰極剝離、附著力等多項指標進行測試，分析各體系涂料的優、劣勢，其中：環氧富鋅附著力強；環氧樹脂易在紫外光作用下斷裂降解；玻璃鱗片在涂層中重疊排列，能有效隔絕腐蝕介質擴散，但耐溫性能較差。

李旭海等[30]使用納米改性環氧樹脂、納米二氧化硅濃縮漿與酚醛環氧樹脂、碳化硅等結合，制備成納米改性硼酚醛環氧復合防腐涂料，通過正交實驗，進行耐腐蝕、耐磨、抗開裂等多項測試，結果表明，添加納米顆粒與封閉膠能有效填補涂料固化所產生的微孔洞，具有延緩、阻礙腐蝕液擴散，提高防腐、耐磨、抗開裂等性能。

3.2 添加合金元素

經國內外研究人員研究發現，P、Si、Cr、Mo、Ni和Mn等元素可在一定程度上提高鋼材在飛濺區的防腐性能[31]，但并不能從根本上解決防腐蝕問題。

3.3 金屬熱浸鍍層

熱浸鍍層也是在飛濺區較常使用的一種腐蝕防護技術。熱浸鍍也稱為浸鍍，其步驟為：先將鋼材制件通過酸、氯化銨等化學清洗去除表面氧化鐵等物質，而后放入熱熔融狀態下的金屬液中浸泡，一段時間后取出，使熔融金屬與鋼鐵反應產生合金層，基體鍍層二者結合，達到防腐蝕的目的[32]。熱浸鍍后的表面通常較為均勻且附著性能優異，當下很多潮間帶海上風電場中的部分爬梯、欄桿等采用的便是熱浸鍍鋅、環氧封閉漆以及面漆相結合的防腐蝕方案，絕大多數的法蘭和鋼格柵均采用110~130 μm 的熱浸鍍鋅進行防腐[33]。

3.4 金屬熱噴涂

熱噴涂是一種表面強化技術，指的是借助特定熱噴涂裝置所產生的高溫高壓焰流，將要制成的涂層材料迅速升溫至熔融狀態后，高速噴涂到已預處理過的鋼鐵表面形成涂層的一種表面加工方法[34]。火焰噴涂、電弧噴涂和等離子噴涂是目前常用的3 種基本熱噴涂工藝，其中應用于海洋環境中鋼制物防腐的主要是前2 種工藝。熱噴涂沉積速度快，操作靈活，能改性被噴涂體，獲得多種特殊的物理化學性能[35]。在海洋腐蝕防護方面使用較多的是噴涂后的Zn、Al 及其合金涂層，陳散興等[36]在舟山海域的試驗表明，經火焰噴涂的噴鋁涂層及噴鋅鋁復合涂層比噴鋅涂層具有更高的硬度、更好的耐久性和抗沖蝕性能。

Momber 等[37-38]在德國海戈蘭島附近試驗場對6套涂層體系在海洋暴露環境下展開了長達3年的監控與檢測，6 套涂層體系分別為：鋅、樹脂、聚氨酯(a體系)；鋅、樹脂(b體系)；鋅鋁涂層、樹脂(c體系)；鋅鋁熱噴涂樹脂(d體系)；純環氧樹脂(e 體系)；鋁鎂熱噴涂環氧樹脂(f 體系)。對6套涂層體系進行了污垢強度、防腐效果、法蘭腐蝕等多項檢測，結果表明，f、a體系具有較好的防腐效果和良好的附著力，而又以Zn/Al熱噴涂與環氧樹脂結合的f體系為最佳。

Eom 等[39]在韓國附近海域開展類似試驗，體系有4套，即鋅鋁熱噴涂(MS)、鋅鋁熱噴涂+環氧樹脂(MC)、純環氧樹脂(MC)、環氧樹脂+聚氨酯涂層(EP)。通過365 天海洋暴露和15 天的室內鹽霧試驗，得出類似的結論：MC 體系，即鋅鋁熱噴涂與環氧樹脂結合的體系防腐效果最好，最適用于海上風電鋼結構防腐。

3.5 包覆覆蓋層防護

與防腐涂層方法相比，包覆覆蓋層保護是一種更為長期有效的防護技術，包覆防腐蝕近20年在飛濺區腐蝕防護中應用越來越廣泛，且包覆材料的種類也日益繁多，有無機包覆、有機包覆以及礦脂包覆(petrolatum taped cover，PTC)等。PTC覆層防腐是指在鋼制結構表面先涂覆礦脂材料(特點是黏附性、電絕緣性、防水性佳，不溶于水，無揮發性)，再在礦脂材料外部包覆防護外罩的一種防腐蝕技術，該技術自日本引入國內后使用效果良好。PTC覆層防腐蝕系統[40]如圖2所示，主要由礦脂防蝕膏、礦脂防蝕帶、密封緩沖層(圖中聚乙烯泡沫襯里)和防蝕保護罩4部分組成。

圖2 PTC覆層防腐蝕系統示意圖Fig. 2 Schematic diagram of PTC coating anti-corrosion system

礦脂防蝕膏呈淡褐色，是一種人造的油狀、膏狀緩蝕化合物，在水中不溶解，鹽霧試驗檢測等級為A級(表面無缺陷)，其中有很多防銹成分，能夠對鋼制結構進行長期有效的防護[41]。礦脂防蝕帶呈淡黃色，是一種由人造纖維制造而成的無紡布，其中浸透并涂滿大量緩蝕劑，持久性能好。礦脂防蝕膏和礦脂防蝕帶是PTC 防腐技術的核心部分，內含多種抗腐蝕材料，具有優良的黏附性，且隔絕水和空氣性能優異，長期不易變質，它們牢固地黏附在鋼鐵設施表面，發揮良好的防護作用。密封緩沖層，起減震、隔熱、防水等作用。防蝕保護罩具有機械強度高，耐沖擊、抗風化性，還能防滲透，也能起到很好的保護作用[42]。PTC具有以下優點：1）防腐效果優異且長效，有效防腐時間可達30 年以上；2）施工簡便，對基體表面處理要求低，能夠帶水作業；3）密閉性能佳，抗沖擊性能優；4）質輕，幾乎不會對結構產生額外載荷；5）對環境友好[43]。PTC技術主要缺點在于材料及施工費用高，不過可以預見的是，隨著PTC 工藝的進一步升級優化及綜合性能更卓越且成本效益高的緩蝕劑等包覆材料問世，復合包覆技術未來必將在海上風電防腐領域發揮重要作用。

曲文娟等[44]在模擬飛濺區環境下使用PTC 技術對AISI4135鋼進行試驗，研究PTC技術對氫滲透行為的阻隔，實驗結果表明，氫進入高強鋼主要是在飛濺區腐蝕條件下發生的，海水噴射頻率對滲透氫總量影響不大，而PTC 技術能夠有效緩解氫滲透，實現優良的防腐效果。

錢洲亥等[45]等研究表明，PTC 技術能有效解決傳統噴涂工藝中螺栓法蘭等關鍵節點難以噴砂的問題，也不會出現漏涂、流掛等現象，此技術適用于鋼結構，不受應用環境和鋼制結構形狀限制，能解決風電設施關鍵復雜部位的防腐蝕難題。

經過一系列調研分析及工程運用，海上風電設施在飛濺區可考慮采用高性能海工重防腐涂層、金屬熱噴涂(小型構件建議使用金屬熱浸鍍層)與環氧樹脂結合以及PTC 覆層礦脂包覆等防腐技術進行防腐蝕保護。

近年來，上海市電力材料防護與新材料重點實驗室對海上風電設施防腐蝕領域多有研究。徐群杰團隊[46-47]重點介紹了風電塔中常用的防腐涂料及海上風電防腐蝕的研究狀況，并提出未來可行性建議。同時，將超疏水技術應用于海上風電電氣控制部分的材料防腐蝕技術也取得了一系列新進展，韓杰等[48]以白銅為基底，在硬脂酸乙醇溶液中加入鹽酸和氯化鐵，刻蝕后在350 ℃環境下加熱，所得涂層接觸角超150°，在質量分數3.5%的氯化鈉模擬海水環境中展現出優異的電化學性能；劉偉等[49]在銅箔上用氨水刻蝕后進行灼燒，所得涂層也具有超疏水性和自清潔性能；賀子豪等[50]將六水氯化鋁和十二烷基三甲基硅烷(DTMS)及乙醇配制成電解液，以5052鋁合金為陽極，鉑片為陰極，進行電沉積，制得膜層超疏水且具有抗黏附性、自清潔及優異的耐蝕性能。上海市電力材料防護與新材料重點實驗室海上風電設施防腐蝕課題組正努力探索新型的具有優異防腐耐磨性能的涂層，以期將之應用于海上風電設施防腐蝕領域。

海上風電設施防腐蝕常用方法總結如表1所示。

表1 海上風電設施防腐蝕常用方法Tab. 1 Common anti-corrosion methods for offshore wind power facilities

4 海上風電設施防腐檢查檢測與檢修技術

海上風電防腐檢查檢測主要是參照相關規范、標準，按照一定的防腐檢查計劃，定期完成相關檢查[51]。檢查包括設備健康狀況檢查、設備防腐情況監控，形成防腐檢查臺賬，包括防腐檢查匯報、陰極保護電位檢查報告等；對檢查所發現的問題進行分析、診斷、評估，區分偶然故障、系統故障，提出處理建議、措施，并進行消缺閉環，包括防腐涂層維護、犧牲陽極外焊加固，加強筒塔、機艙的嚴密性和防潮氣、鹽霧措施，同時也需要對風電場防腐系統對海洋環境造成的影響進行檢測與評估[52]。對于疲勞腐蝕的檢測，電子脈沖法[53]是一種無害檢測方法，其主要優點是不需要破壞待檢測樣品表面涂層就能夠清楚地觀察到其表面缺陷。

防腐檢修主要包括防腐涂層修補、陰極保護系統維護2 部分，在檢查后制定對應的維護維修方案，從而形成閉環，完成檢查檢修工作。

5 工程實例

珠海桂山海上風電場是廣東省首個海上風電項目，也是我國南海上第一座大型海上風電場，2018年已并網運行30臺風電機組，一期后續及二期13 臺風機也已于2021 年12 月實現并網發電。該風電場位于珠海市萬山區東側海域，屬于亞熱帶海洋氣候，受高濕高溫、高鹽霧及海洋生物腐蝕等因素影響，風電機組采用涂層保護與電化學保護聯合使用的保護方法，且考慮腐蝕裕量。具體地講，海上機組塔筒采用“環氧富鋅底漆+環氧云鐵漆+聚氨酯面漆及氟碳面漆”，外壁采用耐久性和防腐性優良的氟碳面漆，在電氣集裝箱外使用4F 氟碳涂層，這是一種新型海工重防腐涂料，具有免維護、自清潔的功能，且具有強附著力和超長的耐候性，但同時可能會產生一定量的有機揮發物，且造價成本較高。這是國內首次將氟碳涂料防腐體系應用于風電防腐領域，顯示出我國防腐工程師應對海洋氣候環境的技術創新能力。珠海桂山風電項目成功并網發電，預計年發電量超2億kW?h，對促進粵港澳大灣區節能減排、優化資源結構具有積極作用。

6 結論

海上風電設施相較于陸上風電對防腐技術有更高更新的要求，且海上風電技術能在很大程度上緩解我國的能源危機，與此同時，海上風電設施的防腐蝕面臨諸多問題與挑戰，因此在海上風電的開發及運行管理過程中，一定要進一步加強海上風電設施的防腐蝕研究與應用，順應海上風電防腐綠色環保、定制型、質量型發展趨勢，不斷改進與創新，努力提高海上風電設施防腐蝕能力，促進我國海上風電事業不斷發展。