海上风机单桩基础浪溅区腐蚀及复层包覆防护技术的应用

高宏飙，诸浩君，钱正宏，王毅，刘碧燕，王彦民

（1.江苏海上龙源风力发电有限公司，江苏 南通 226007；2.上海东海风力发电有限公司，上海 200433；3.中央制塑（天津）有限公司，天津 300384）

0 引言

风力发电作为清洁能源的一种方式受到人们的青睐。2011年初，中国以4×107kW风电装机总量超过美国跃居世界第一[1]。与陆上风电相比，海上风电因功率密度大、湍流小、距离负荷中心近、可利用小时数高等独特优点，在我国沿海地区的可再生能源建设中占有的比重逐步增加。近年来，国内已经相继完成渤海绥中近海试验项目、江苏响水近海试验项目、中闽湘电5MW海上样机工程等多个试验风场以及上海东海大桥100MW海上风电示范项目的建设工作[2]。按照国家发改委《可再生能源发展“十二五”规划》要求，到2015年，累计并网风电装机达到1亿kW，年发电量超过1900亿kW·h，其中海上风电装机达到500万kW；到2020年，累计并网风电装机达到2亿kW，年发电量超过3900亿kW·h，其中海上风电装机达到3000万kW；届时风电将成为我国电力系统的主要电力来源。

海上风电机组建设技术难度大，且施工和维护成本高，与陆上风电机组的主要差别就在于风机基础结构的不同。海上风机基础除了受到海上强风载荷、海上浮冰撞击荷载以及波浪冲击等海洋环境载荷作用外，还要承受风机运行过程中产生的动力荷载作用，更为重要的是风机基础还应考虑风机构件所受到的应力与腐蚀以及疲劳与腐蚀的共同作用[2-3]。因此，海上风电机组的基础结构与陆上风机相比，不仅在结构荷载能力上要有所加强，而且还需要对基础结构进行可靠的防腐保护，以避免因基础腐蚀所导致的结构破坏。

常见的海上风机基础有单桩基础、导管架基础、高桩承台基础和重力式基础等，其中绝大多数桩基采用钢结构，因此海上风电建设不可避免的问题就是钢材的海洋腐蚀。经现场调查发现，2010年9月竣工投产的南通如东风电项目中，风机单桩式钢管桩基础已出现海生物附着和涂层大面积脱落的现象，且部分钢桩已发生腐蚀，大多数集中发生在潮差区和浪溅区。

1 海上风机基础浪溅区的腐蚀与防护

海水中富含有大量的氯化物和硫酸盐，具有较高的导电性，且表层海水被溶解氧所饱和，使得绝大多数结构金属材料在海水中都会发生氧去极化腐蚀[4]。

海上风机常年耸立于海洋环境中，由于桩基基础材料成分的不均匀性、表面应力应变的不均匀性以及表面存在的晶格缺陷等原因，加之环境介质中溶解氧、盐离子含量及温度等参数的不均匀性，导致金属/海水界面上电极电位的不均匀分布，为金属的腐蚀提供了热力学上的必要条件[5]。

钢结构在海水中的腐蚀可分为大气区、浪溅区、水位变动区、水下区和泥下区5个不同的腐蚀区域[6]。其中，位于平均海潮位以上的浪花飞溅区是海洋环境中钢铁腐蚀最严重的部位，单面平均腐蚀速度一般为0.3～0.5mm/a，远高于其他区域，局部腐蚀更为严重。这是由于处于该区域的钢材长期处于干湿交替状态，不断经受海浪及浪花飞沫的冲击和湿润，海水及溶解氧的供给充足，盐分不断在金属表面浓缩，导致其发生严重腐蚀。该区域也是海上风机钢结构基础发生腐蚀的主要区域。

我国对于海上风机基础浪溅区钢结构的防腐主要采用增加腐蚀裕量、重装防腐涂料与阴极保护联合以及复层包覆防腐技术3种手段。

1）增加腐蚀裕量法对均匀腐蚀的预防效果明显，但对局部腐蚀作用相对较小。另外，该方法大大增加了材料成本和施工难度。在发达国家已逐渐不再作为防腐对策，但在我国海工钢结构的防腐领域仍是广泛使用的手段。

2）重装防腐涂料加阴极保护联合保护法一直作为海港工程钢结构防腐的传统方法，在港口码头钢管桩的防腐领域已有将近20 a的应用，但该手段对于浪溅区的防腐效果有限，特别是在涂层发生损坏之后。这是由于海水飞沫、海浪冲击、干湿交替以及冰凌冲击等因素易对钢结构表面涂层造成破坏，涂层一旦发生破坏便难以获得长久的修复效果。潮汐作用导致的水位变动，使得电化学保护在该区域无法长期形成有效电流回路，电化学保护效率低。在平均中潮位和平均低潮位之间，电化学保护约有70%的保护效率，在中潮位附近，约有50%的保护效率，而在平均中潮位和平均高潮位之间，电化学保护则因海水浸泡率太低，而无法发挥阴极保护的作用[7]。

3）复层包覆防腐技术主要用于解决海洋钢结构浪溅区及潮差区的防腐修复问题。应用较为广泛的主要有STAC复层包覆防护技术、PTC矿脂防腐带冷包缠技术以及Denso新型包覆防蚀技术。

2 海上风机单桩基础浪溅区包覆防腐的特殊性

海上风机单桩基础是采用单根大直径钢管桩作为风机的支撑基础，以承受风载荷、风机载荷、波浪载荷及载荷组合方式相互作用的多方面载荷[8]。海上风机单桩式大直径钢管桩的特征会为钢管桩防腐包覆海上施工带来巨大的难度，为了避免大面积外包覆层自重过大而难以安装，需要对钢桩的外包覆层进行量体裁衣式的裁剪设计，即将大面积的外包覆层裁剪成便于施工的小面积包覆层。这不仅要求设计环节具有极高的准确度，而且还要求施工环节严格按照设计要求进行安装，确保小面积包覆层的各连接部位具有良好的密闭性，以保证复合包覆层的耐蚀效果。此外，由于在海上施工，对于大直径钢管桩的包覆还需特别制作吊篮、脚手架等施工保障设备，一方面可以提高施工效率，另一方面能够在海洋复杂施工环境下确保施工人员的生命安全。

海上风机钢管桩基础经常停靠工作船舶，还会受海上浮冰和波浪冲击等外力作用，因此要求钢管桩的防腐层具有抗冲击性、耐磨性以及良好的韧性。而常规的有机防腐涂层在固化之后，即具有很高的脆性，当受到较大的外力冲击时，便会导致钢管桩表面涂层的开裂、脱落。一旦位于浪溅区和潮差区的防腐涂层出现破损，采用传统的涂料进行修复，不仅施工难度大，而且很难获得长效的修复效果。因此，复层包覆防腐系统的外层材料应具有拉伸强度高、韧性好、抗冲击强度高的特点。

3 STAC复层包覆防护技术

STAC复层包覆防腐系统主要由STAC底漆、STAC腻子、STAC矿脂油带以及STAC夹克组成。其中，STAC矿脂油带是由憎水的矿脂和纤维组成，能在金属表面形成一层厚厚的油膜，完全隔离腐蚀介质，使回路电阻趋于无穷大，从而起到抑制金属腐蚀的作用。STAC新型复合包覆防护技术不仅可用在海洋环境中的各种钢铁和钢筋混凝土设施，如跨海大桥、钻井平台和港口码头，而且也可用于各种腐蚀环境下的管线保护。该项技术在美国、英国、土耳其、马来西亚、印尼、日本、新加坡等沿海国家已有广泛应用，部分工程的服役年限已超过30 a。

STAC底漆以惰性矿脂、缓蚀剂和填料等成分组成，具有憎水的性能，能够去除金属表面的水汽，钝化金属表面氧化物，保证STAC油带与底材之间的良好粘合。

STAC腻子以惰性矿脂、填料、增强短纤维组成的混合物，填充在钢桩表面的凹陷部位，便于缠绕油带隔绝水汽，防止腐蚀介质在该部位积聚而导致基体腐蚀。

STAC矿脂油带以饱和的惰性矿脂为主要成分，具有长期耐酸、耐碱、耐各类盐的防腐性能，适用于各类腐蚀环境，具有不固化、不硬化、不开裂的特点，使STAC系统能适应工件的热胀冷缩，杜绝了有机涂层老化后易发生脱落的现象，能长久的为金属提供防腐密封保护。可直接在水中施工，操作简单、方便、安全、可靠、经久耐用。

STAC夹克是由经过特殊加工的抗紫外线高密度聚乙烯（简称HDPE，下同）材料制成，具有抗紫外线、拉伸强度高、韧性好、抗冲击机械强度高的特点，能抵抗如船舶、浮冰等外力冲击。夹克紧固件采用海洋船舶专用的SS316L不锈钢螺丝、螺母及垫片，用力箍紧后，STAC夹克可使矿脂油带紧密地粘附于管桩基础表面，在外保护层、矿脂油带及风机管桩基础之间形成良好的密闭性，以防止在海水压力、海浪和潮汐涨退冲击下的海水渗入。

4 STAC包覆技术海上风机单桩基础浪溅区的包覆应用实践

4.1 工程概况

江苏如东150 MW海上风电场示范工程于2012年11月23日竣工投产，增容50MW项目也于2013年3月提前竣工投产，加上2010年9月底投产的江苏如东32MW（潮间带）试验风电场，龙源电力总装机容量达到232MW，已成为全国规模最大的海上风电场。

本次STAC复层包覆技术应用实践中的包覆试验对象是如东龙源启东海上风机电场的1根单桩式钢管桩基础。如东所处海域海水盐度在3.06%～3.20%之间，海水流速约1.95m/s，极端高水位5.13m，极端低水位-4.12m，设计高水位3.02m，设计低水位-3.06m，海泥面标高+0.3～-3.1m。本次试验的包覆范围为风机管桩基础标高0～+8.2m段，属浪溅区和部分潮差区，包覆面积约为114.29 m2。钢管桩上部直径为4.34 m，下部直径为4.7m；钢管桩标高-2.0～+6.0m段呈1∶44.4的斜度，意味着STAC包覆范围的钢管桩为锥塔形结构，并且钢管桩表面还集成了防撞管、爬梯、外平台等异形构件，均为现场的包覆试验增添了难度。

4.2 施工工艺

STAC复层包覆防腐技术的施工流程如图1所示。

图1 STAC复层包覆技术施工工艺流程图Fig.1 Construction process of STAC multi-layer covering technology

表面处理：对管桩基础进行表面预处理时，需去除表面的泥沙、污物、海洋生物及其他尖角异物，用铲刀铲掉凸起部位，用布擦净即可，对管桩基础表面处理要求低，除锈等级满足ISO St2标准即可。

涂刷底漆（图2（a））：用手、毛刷或滚子在管桩基础表面均匀涂刷1层STAC油性底漆，以形成连续完整的防腐保护膜，涂刷时应将孔洞、肩角、缝隙及管螺纹等处填满，如果管桩基础表面有较大的凹坑，应采用STAC腻子填充找平。

图2 STAC复层包覆现场施工照片Fig.2 STAC multi-layer covering construction site pictures

缠绕矿脂油带（图2（b））：涂抹防腐腻子后应立即缠绕STAC矿脂油带，以免防腐腻子被海水冲刷掉。对于大直径钢管桩，从底部开始向上进行缠绕，这样搭接处可以形成类似“檐板”的防护效果。缠绕时，应紧紧地按住缠绕起始端，使其紧贴于工件表面，应避免将胶带放得太长，那样极易发生褶皱和产生空隙。因此要求在缠绕的过程中应始终保持一定的拉力，包裹时可以采用55%宽度的搭边，以达到双层防护的效果。油带接头之间应保证有至少100mm的搭接，每缠绕1圈，应用手沿螺旋缠绕方向压平搭接处。对于异形构件，应多次反复缠绕以确保不规则形状的连接部位有良好的密闭性。

安装STAC夹克（图2（c））：STAC夹克的尺寸是根据甲方提供的风机钢管桩基础外形数据设计而得。夹克应完全覆盖STAC矿脂油带，不得有褶皱。STAC夹克由底向上安装，有夹克搭接边的一方向上，第2片护甲将重叠在突出的搭接边上。夹克两边固定板条接口处内覆PE垫片，垫片与夹克固定杆条四周保证5 cm搭接，通过STAC专用液压固定装置固定夹克位置。紧固前检查夹克表面有无褶皱，上紧螺栓至夹克两边固定板条合拢压紧。

对于异形部位的形状和尺寸进行现场实际测量，厂家根据测量结果设计和制备异形构件护甲，包覆时现场加工、安装，典型异形部位的包覆效果如图3（a）所示。HDPE异形护甲的制作和包覆加工方法主要是以异形构件实物或模型为坯模，采用焊接的方式连接，制成所需形状的护甲。

图3 STAC包覆效果照片Fig.3 STAC covering effect pictures

经验收检测，STAC复层包覆防腐技术在对单桩式锥塔形大直径钢管桩进行的防腐修复中取得了良好的修复效果（包覆后的风机基础照片如图3（b）所示），并顺利通过项目竣工验收。

5 结语

海上风机基础形式多样，且在荷载和腐蚀的综合作用下容易导致原有防腐系统的损坏，严重时将导致风机基础发生不可逆的腐蚀破损，因此，寻求海上风机基础防腐及其修复的有效方法意义重大。

实践证明，STAC复层包覆防腐技术在对单桩式锥塔形大直径钢管桩风机基础的防腐修复中，对风机管桩基础异形部分和锥塔形桩身实现了无间隙密封保护，表现出可量身定制、对表面处理要求低以及可带水作业等良好的施工性能，特别适用于含有复杂异形构件的大直径钢管桩基的防腐修复，值得类似工程借鉴。

[1] 冯宝平，刘碧燕，陈昌坤.浅谈国内外海上、陆上风电场防腐设计现状[J].腐蚀科学与防护技术，2013，25（4）：343-346.FENG Bao-ping，LIU Bi-yan，CHEN Chang-kun.Design status of domestic and overseas offshore and onshore wind power plants[J].Corrosion Science and Protection Technology，2013，25（4）：343-346.

[2] 乐治济，林毅峰.海上风机基础钢结构防腐蚀设计[J].中国港湾建设，2013（4）：18-22.LE Zhi-ji，LIN Yi-feng.Anti-corrosion design of steel structure foundations of offshore wind turbines[J].China Harbour Engineering，2013（4）：18-22.

[3] 张宪平.海上风电发展现状及发展趋势[J].电气时代，2011（3）：46-48.ZHANG Xian-ping.Development status and trends of offshore wind generation[J].Electric Age，2011（3）：46-48.

[4] 魏宝明.金属腐蚀理论及应用[M].北京：化学工业出版社，1984.WEI Bao-ming.Metal corrosion theory and applications[M].Beijing：Chemical Industry Press，1984.

[5] 赵麦群，雷阿丽.金属的腐蚀与防护[M].北京：国防工业出版社，2013.ZHAO Mai-qun，LEI A-li.Metal corrosion and protection[M].Beijing：National Defence Industry Press，2013.

[6] JTS153-3—2007.海港工程钢结构防腐蚀技术规范[S].JTS 153-3—2007，Technical specification for corrosion protective of steel structure for sea port construction[S].

[7] 李蕊.外包覆防腐系统在天津港水位变动区钢管桩防腐修复中的应用[J].中国港湾建设，2012（2）：103-105.LIRui.Application of outer wrapping anticorrosive system during anticorrosive reparation of steel pipe piles in tidal zone of Tianjin Port[J].China Harbour Engineering，2012（2）：103-105.

[8] 杨超.海上风机桩基础设计研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.YANG Chao.Research on basic design of offshore wind tuibine[D].Harbin：Harbin Engineering University，2008.