浅谈海上风电防腐技术应用及优化方案

浙江华东工程咨询有限公司 洛 成

目前国家大力提倡发展新能源产业，根据规划内容，我国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。为实现“碳达峰”“碳中和”目标，新能源发电做出了积极贡献，其中风力发电、水力发电、太阳能发电、潮汐发电都是常用的发电方式。近年来许多国家开始致力于海上风电的研究，同时取得了一定的应用成果，相较于传统陆地上的风力发电，海上风电所面临的最大问题是腐蚀问题，这也是影响海上风电项目综合效益的重要因素。

1 海上风电腐蚀相关内容

1.1 腐蚀环境分析

海上风电设备遭受的强腐蚀主要来自于海洋腐蚀环境下海水、盐雾中的氯离子（渗透性强，腐蚀破坏性大）。海上风电基础所处的海水、海泥，塔筒及机舱所处的盐雾环境中氯离子含量富足，因而腐蚀活性较高，风电设备很难处于钝态。而且海水与空气接触面积大、对流充分，在海浪不断搅拌作用下氧气饱和、湿度极大，加快了海上风电设备的腐蚀速率。加上风电机组有风发电、无风停机、超风速急停的不均匀运转模式，以及腐蚀环境下高频交变应力的疲劳荷载作用，风电机组运行寿命面临严峻考验。

1.2 腐蚀机理分析

海上风电钢构设备的腐蚀形式多属于电化学腐蚀，其两极反应为：阳极反应Fe－2e→Fe2+；阴极反应：O2＋2H2O＋4e→4OH-。靠近阳极溶液 中 的 反 应 为：Fe2+＋2OH-→Fe(OH)2；O2＋4Fe(OH)2＋2H2O=4Fe(OH)3。由反应式可知，钢构基础金属发生阳极反应失电子，被氧化腐蚀。影响电化学腐蚀的主要因素有温度、湿度、含盐量、pH值。其内在关系为温度、湿度、含盐量越高腐蚀性越强，pH值越低腐蚀性越强。

1.3 腐蚀规律分析

腐蚀速率曲线。在海洋竖向方向上共存在着五个腐蚀区域，分别是海洋大气区、浪溅区、潮差区、全浸区和海泥区。其中浪溅区和全浸区属于钢结构腐蚀速度最快的区域：浪溅区的钢结构有时被海水淹没、有时会暴露在大气区中，在干湿交替的过程中盐分会逐渐富集在钢结构表面，在阳光照射下也会加快盐类侵蚀速度，影响到钢结构稳固性；全浸区虽然钢结构完全浸没在海水中，但不同深度的氧气饱和度、海洋生物密集度、海水温度、含盐量均存在一定差异，因此在差异化影响下也会对钢结构形成较严重腐蚀，从而影响到结构稳固性。

腐蚀形态分析。在结构腐蚀的过程中经常出现的腐蚀形态包括：沉积物腐蚀，海水流动会使一些杂物附着在结构表面，这样也会在表面形成阴阳极电池，从而加快电腐蚀速度；接触腐蚀。在海洋运动过程中也会带来许多金属颗粒，这些金属颗粒附着在结构表面后会成为阳极结构，这也会加剧腐蚀速度，影响结构完整性；缝隙腐蚀。在风电设备连接处容易受到海水侵蚀，从而出现腐蚀的情况；海洋生物腐蚀，如藤壶科植物附着在钢结构表面会释放一些腐蚀性物质，从而加快腐蚀速度。

图1 海洋钢结构设施在不同环境下的腐蚀速度图

腐蚀疲劳分析。海上风电设备在应用中会承受许多的外部作用，如海风侵蚀、海浪拍打、腐蚀作用等，一般情况下，在生产海上风电设备时其预期寿命在25年左右，但在多项作用力影响下所产生的腐蚀疲劳也会缩减设备寿命，即实际寿命会缩短到10～15年，这样也会影响到系统带来的综合效益，而且也会影响到风电系统应用过程的安全性，影响到系统的安全运行。

腐蚀危害分析。腐蚀坑深度较大。在腐蚀作用下会在结构内壁上形成腐蚀瘤，即使清理掉腐蚀瘤也会在结构表面出现腐蚀坑，影响到结构整体的稳固性；设备故障发生率较高，在风电设备运行过程中，所带来的腐蚀作用会影响到设备内部零件连接的通畅性，从而加快零件磨损速度，增加设备运行故障的发生几率；综合效益较低。如上文提到的腐蚀疲劳会影响到设备使用寿命，这也使设备稳定性下降，无法达到预期的效益目标。

2 海上风电防腐技术应用要点

风电塔筒。目前在风电塔筒的使用过程中结构腐蚀最为严重的区域是在浪溅区，这也是防腐处理的重点环节。在风电塔筒的防腐处理中常用防腐处理方法为涂层防腐处理，目前所使用的防腐干膜厚度会控制在320～500μm，这样可确保15年以上的无维修期，而使用到的涂料需对腐蚀因素进行细致分析，同时根据涂料要求来完成材料选择，从而提升结构的应用强度。

风电叶片。相较于其他的风电设备零件叶片所能够接触的腐蚀环境较少，但也存在慢性腐蚀，而所制作的防腐层在被破坏后很难再进行重做，因此也要求在前期做好防腐处理，降低慢性腐蚀所带来的影响性，从而提升结构的稳定性。在实际应用中，需根据腐蚀环境特点去选择合适的材料来制作风叶，如目前使用较多的风叶材料以复合材料为主，同时也会在叶片表层涂抹胶衣来进行防腐，对于一些无法附着到的结构，也需采用抗腐蚀材料进行制作，从而提升结构的防腐性能[1]。

风电设备其他部件。在风电设备其他部件的防腐设计中，也需对部件工作环境进行分析，根据分析结果来选择恰当的防腐措施。如风电设备中的变压器多采用落地箱式进行安装，很容易受到紫外线、海风的侵蚀，基于此，除在外层涂抹防护涂料外也会利用绝缘树脂来包裹铁芯，借此来提升变压器结构的防腐性。又如在钣金结构的防腐处理中也会使用粉末涂料来进行防腐处理，其作用也是将钣金结构和外界环境隔绝开，借此来提升结构的整体防腐性能，满足防腐要求[2]。

钢结构基础。在海洋环境中对于钢结构的腐蚀性较强，为满足耐久性要求，在实际处理中，多采用海工重防腐涂层+牺牲阳极系统或海工重防腐涂层+外加电流保护系统的联合防腐蚀方案进行处理。以前者为例，该方式是在满足结构质量、安全性要求的基础上，选择电容量大、极化率小、溶解均匀的材料作为阳极，以此来延缓阴极损耗速度。即使在使用中出现腐蚀，但不会影响到结构强度和安全性，从而起到延长结构使用寿命的作用。同时也会在钢结构基础表层上涂抹上高分子材料，如聚乙烯材料、环氧树脂玻璃钢等，这样也可将钢结构基础和外部环境隔离开，从而提升结构的抗腐蚀性能。

3 海上风电防腐优化方案

做好涂层整体维护。在涂层整体维护过程中首要任务便是对结构进行整体打磨，将结构表面附着的海洋生物、锈迹清理干净，随后利用高压淡水进行冲洗，在清理干净后也会利用改性砂浆将表面进行涂抹，将缝隙完全覆盖，同时也会在表面涂抹底漆、中间漆、面漆，厚度分别是350μm、400μm和60μm，使其重新形成稳定的防腐层，提高结构整体的防腐性能，延长结构的使用寿命[3]。

阴极保护优化处理。在既定要求下也需做好阴极保护优化处理，在实际处理中，所使用的材料需要满足阳极牺牲要求，而且也需对材料耐腐蚀性能进行检查，确定没有问题后再进行使用。严禁使用回收铝作为阳极牺牲材料，以满足相应的应用需求。同时在对其进行安装时，也需确保阳极块能与混凝土承台稳定连接在一起，但是不能破坏混凝土结构的完整性，而接触电阻也不能超过0.1Ω，以起到良好的保护作用[4]。

增加包覆防腐。除上述提到的应用内容外，在技术优化处理中也可增加包覆防腐技术，以提升结构整体的防腐性能。结合以往经验可了解到，浪溅区是结构腐蚀最为严重的区域，且该区域的修复难度较大、破损频率较高，对此也需在原有基础上提高防腐层的应用厚度，同时也需做好加工处理工作，适当提高防腐层厚度，从而延长结构的使用寿命[5]。