抵御严酷环境的海上集成变电站防腐技术研究

王洋洋，黄文君

（许昌职业技术学院，河南 许昌 461000）

我国海上风力资源储备丰富，具备较高的开发价值。我国海岸线长约18000km，可利用海域面积300多万km2，拥有岛屿6000多个。近海风力资源主要集中于东南沿海地区及其附加岛屿。根据此前风能资源普查的结果显示，我国5-25m水深、50m高度海上风电开发潜力约2亿kW；5-50m水深、70m高度海上风电开发潜力约5亿kW。预计2025年，我国电源装机容量为29.5亿kW，清洁能源装机占比将由2019年的41.9%提高到57.5%，煤电装机会下降至37.3%，基本实现从基荷型电源向调节型电源功能的转变。“十四五”期间风电规划装机达到5.4亿kW；光伏规划装机达到5.6亿kW。2015到2019年全国风电光伏新增并网容量最高值6812万kW，低于每年8000万kW的规划值。截至“十三五”末，近海海域已核准、未建成的风电场容量约2500万kW。“十四五”时期，在新的政策形势下，近海海上风电应通过项目优化布局、技术快速迭代进步、发展模式和政策创新等，加快推进布局优化与成本快速降低，力争近海海域实现新增并网容量800-1000万kW。海上风电发展潜力巨大。

相较于陆地，海上环境特殊，给风电发展带来的很大的不便，需要不断的技术突破。主要问题体现在以下几个方面：一是盐雾腐蚀现象严重；二是海上空气潮湿，绝缘故障时有发生；三是设备的日常维护量大，日常维护不便。

1 海上恶劣环境调研

海上环境相比陆地环境有更恶劣的自然条件，高湿热、高盐雾、大风浪、台风多发、地震烈度大等特点。

根据中国科学院海洋研究所资料，我国近海海上环境的气温在夏季时一般处于30℃左右，相对湿度为70%-95%，风速一般在6m/s左右，盐雾浓度在30%左右，而且海上会有强热带风暴和台风。另外，我国渤海、南海一带属于地震活动区，所以海上集成变电站要能够抵御9级以下的地震。

2 海上集成变电站防腐技术研究

2.1 海上集成变电站核心设备情况

新能源用海上集成变电站主要由外壳、低压开关设备、升压设备、高压开关设备、电缆连接、环境控制系统、保护系统、在线监测系统等组成。海上环境对集成变电站的主要影响有外壳等设备的抗腐蚀性、吊装安装困难、检修维护不便、电气设备的耐盐雾功能、电气设备智能化、核心元件的技术研究等。因此需要针对这些问题进行优化，并提出更可靠、高效的解决方案。新能源海上集成变电站由于其环境的特殊性，我们在选择设备时要从环保性、环境适应性、体积、防污能力、和抗震性等几个方面考虑，目前主流小型化开关设备绝缘介质有固体绝缘、SF6气体绝缘、N2气体绝缘等。

2.2 海上集成变电站腐蚀的原因

海上环境具有高湿热、高盐雾、大风浪、台风多发、地震烈度大等特点，相比陆地环境来说，海上集成变电站所处的环境更加恶劣。

我们可以将海上风电机组的风塔及基础结构根据所处海洋腐蚀环境和水位的变动情况，从下到上分成5个腐蚀区域：海泥区、全浸区、潮差区、浪溅区和海洋大气区。不同区域的腐蚀因素和腐蚀速率不同，其中飞溅区的腐蚀速率要远大于其他区域。在这个区域，除了受海盐含量、湿度、温度等海洋大气环境中的腐蚀影响因素外，还受到海浪飞溅的影响。

海上风电钢构设备的腐蚀形式多属于电化学腐蚀，影响电化学腐蚀的主要因素有温度、湿度、海盐含量等。温度、湿度、海盐含量越高，腐蚀性越强。

2.3 海上风电机组的防腐方法

海洋工程中，常用的防腐蚀方法主要有5种：涂层法、镀层法、阴极保护法、预留腐蚀余量法和选用耐腐蚀的材料。我们通过对海上船舶的防腐工艺研究，并结合最新防腐技术领域的最新成果，进一步提高海上集成变电站外壳的抗腐蚀能力。目前世界上船舶普遍采用的是阴极保护技术和防腐涂料技术相结合的方式。

阴极保护的方式有两种：外加电流阴极保护和牺牲阳极保护。

目前，热浸镀锌与热喷锌（铝）是常用的阴极保护技术，锌（铝）作为牺牲阳极，而使钢铁表面受到保护，即使当锌保护层有少许受损，锌层下的钢铁亦不会形成锈。但传统的镀锌技术很难现场应用，而锌加镀锌系统可以在现场或车间施工涂装。常规的富锌涂料因含锌量低阴极保护作用不强，它与普通涂料一样以屏障保护作用为主，涂料涂层可以在钢铁表面形成一道对空气中的水蒸气和氧气等的保护屏障。

锌加对钢铁保护有两种途径：

（1）主动阴极保护作用。锌加干膜含锌量高，大约含有96%以上的纯锌，足以保证为钢板提供绝好的阴极保护，其保护原理类似于热镀锌，但防腐蚀保护性却能优于热浸锌。

（2）被动屏障式保护作用

当锌加被氧化时，会在锌加表面缓慢产生一层锌盐层来提供屏障保护。接着，锌加中的黏结剂也提供一层附加的屏障保护，从而减缓了锌的氧化。所以锌加的防腐蚀性能远比由喷锌（铝）、热浸镀锌及其他富锌涂料的防腐蚀性能好很多。

因此，锌加有效地结合了热镀锌锌层的主动阴极保护和有机涂料的屏障保护，对钢铁具有长效的优异防腐保护性能。

3 结束语

对于海上风电材料的现有防腐方法，风电制造商有自己的防腐蚀解决方案。一般来说，由于缺乏数据积累和对风电运行环境的精确定义，并且缺少针对性的基础研究，尤其是对微腐蚀环境个性化解决方案基本没有。当前的防腐经验可归纳为以下三点：

一是不同的腐蚀区域采用不同的防腐方法。例如在海洋大气区，塔筒的外壁，通常使用涂料防腐；在全浸区和潮差区，海水中的钢结构主要采用电化学防腐，隔离防腐方法。对于机舱轮毂内部的零件，主要方法是采取密封措施。为了防止外部腐蚀性气体进入并直接腐蚀，叶片主要采用凝胶涂层作为保护层。

第二是进口涂料价格高昂，导致风电投资大，成本高，而国产涂料的性能有待进一步提高。有很多浪费为了提供更高的耐用性，高腐蚀性等级设计用于低腐蚀性等级。

第三，海洋大气区的保护规范比较完整。处在这个区域中的材料防腐措施可以借鉴石油平台的防腐经验，可以参考钢结构的防腐标准，但处于密封空间的叶片缺乏相应的防腐规范。

目前，我国国产海上风机的建设已进入试运行阶段，目前海上风机动力设备技术的发展相对滞后，专门为海上风机开发的动力设备将具有巨大的发展空间。市场潜力和推广空间。当前，所有海上风电场飞行员都迫切需要支持适用于海上环境且具有高可靠性的集成变电站产品。这项研究实施后，将解决海上风电场使用的电力设备采取防腐措施的迫切需求。