海上风机单桩基础的腐蚀与防护

兰志刚

（中海油研究总院有限责任公司，北京 100028）

0 引言

单桩基础是浅至中等水深海上风电场中最常用的风机基础类型。在全球应对气候变化的政策背景下，随着海上风电技术日益成熟、海上风电度电成本大幅下降，特别是“碳达峰”、“碳中和”双碳目标计划的提出，预计会有越来越多的海上风电场建设项目付诸实施，单桩基础的应用场景也将越来越多。

然而海上风电机组所处的环境远比陆上风电复杂和严酷[1]。海面大气区的高湿度、高盐度，飞溅区、潮差区的干湿交替、浸没区的海水浸泡和海生物附着等严苛的腐蚀环境均会对海上风机的单桩基础造成严重的腐蚀危害，单桩基础承受的环境荷载也远高于陆地，另外风机高耸结构引起的倾覆弯矩对单桩基础也施加了巨大的交变拉应力，腐蚀、应力、疲劳相互影响，使单桩基础面临着严峻的安全风险，如何选择合理的防腐措施，有效应对和缓解这一风险，对于海上风电机组的运行安全至关重要。单桩基础防腐蚀风险分析和缓解措施的制定也成为了海上风电机组防腐设计中的重要内容。

1 海上风电单桩基础及腐蚀环境

单桩基础是风机的支撑结构，由一根打入海底的钢桩构成，其顶部位于水线以上1～2m的位置。在风机塔筒和基础之间存在一个过渡段，过渡段安装在单桩顶部，与单桩之间存在约6m的重叠区，内有许多支架结构，用于安装位置的调整。安装调整完成后，单桩和过渡段之间的环形空间用高强度灌浆进行填充，以便将两根管道完全粘结固定在一起。图1是一种常见的单桩基础设计的示意图，它带有一个过渡件和一个内部的J形管，用于保护风机的电气连接电缆。

图1 单桩基础设计的示意图

海洋环境的恶劣复杂，导致了海上风电单桩基础腐蚀类型呈现多样新特点。从形态上看单桩基础腐蚀类型可分为均匀腐蚀和局部腐蚀。其中，均匀腐蚀是微电池效应引起的，腐蚀速率是均匀分布的，腐蚀过程中金属表面的阴极部分和阳极部分交替变化，没有固定的阴极和阳极。局部腐蚀包括点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、冲击腐蚀、电偶腐蚀以及生物腐蚀等。局部腐蚀具有隐蔽性，难以察觉，往往会造成灾难性事故，危害性很大。产生上述腐蚀的条件与单桩基础的材质、结构有关，与其所处环境更是密不可分。

在桩基内舱里还存在着微生物腐蚀的风险（MIC），它是一种由微生物繁衍和新陈代谢而改变界面的理化性质，所引发的电化学腐蚀加剧过程。不同的微生物对腐蚀具有不同的影响效果，如微生物腐蚀抑制、微生物腐蚀或局部腐蚀。因此，发生MIC的风险取决于细菌种类和环境条件。在浸没表面和埋在沉积物上部区域的单桩基础会发生局部腐蚀，交替的好氧和厌氧条件也会有利于细菌生长。若存在硫酸盐还原菌（SRB），且生长条件适宜，则还可能产生硫化物，进一步加重MIC腐蚀[10]。J管密封处的漏逢、灌浆连接的恶化或J形管的开裂穿孔均会导致海水渗入，致使桩基内舱氧含量发生改变，当含溶解氧（DO）的海水进入后，内舱表面的腐蚀会增加。然而，在缺少空气的海泥区，由于氧浓差的作用，腐蚀加速的风险会更高。此外，海水的更新也会影响舱内的微生物和化学过程。如果侵入的海水量很大（例如J管密封完全失效的情况下），桩基内舱的水位会受潮汐影响发生变化，基础内舱的腐蚀将与空气通路受限的压载舱所遭受的腐蚀相类似。目前海上风电单桩基础内腐蚀防护常采用涂料和/或CP技术，特别是利用CP开展桩基内部防腐已经成为很多新建项目中防腐设计的一部分。另外，在桩基内舱安装阴极保护监测系统，可用于评估桩基内部的实际腐蚀情况，检查当前缓解措施的效果，制定合理可行的防腐蚀策略，也成为很多项目腐蚀防护措施的重要选项。监测可采用累计法（如挂片腐蚀试验），也可利用探针通过手动或自动方式进行实时测量，测量参数可以包括溶解氧、温度、盐度、pH值和电位等。桩基内舱实施阴极保护会面临一些挑战，如pH值降低、钙化层形成不完全、氢气形成或硫化氢（H2S）积聚，这些不利因素均会影响阴极保护效果[11]。以往曾认为桩基内表面的锈蚀率很低，因此大多风力发电机单桩内表面是不做涂层防腐处理的，但目前已认识到海水和空气可能会进入基础，由此引发的内表面腐蚀比预期要严重得多，为此业界开始重视桩基内舱的涂层防护。如：在过渡段内侧水线上下3至4m范围内，通常会做涂覆处理。单桩内舱可涂两层200-至250-µm的环氧涂层，也可用基于环氧锌粉底漆的涂层[11]。

另外，单桩风机基础局部腐蚀如点蚀的影响也有待进一步研究。海水中侵蚀性阴离子、特别是氯离子的存在，会使金属的腐蚀电位达到或超过点蚀电位，导致点蚀的发生。由于点蚀可能引发应力和疲劳裂纹，应从结构完整性的角度评估单桩基础的点蚀程度。除此之外，泥线处的腐蚀防护对长寿命结构的设计非常重要，应进一步检查单桩基础在海泥区的局部腐蚀风险。当桩基内舱实施阴极保护时，还应考虑疲劳寿命和应力定向氢致裂纹（SOHIC）引发的风险 ，尤其要关注SOHIC对关键部位的损害，特别是当这些部件处于死水、有机活性泥浆（细菌）和H2S的厌氧环境时。必要时应安装阴极保护监测系统来监测阴极保护状态。

3 结语

与陆地相比，海洋环境要恶劣复杂得多，海洋腐蚀机理和过程也远比陆地环境复杂。单桩基础产生腐蚀的条件与单桩基础的材质、结构、及其所处环境均有着密切的关系，位于不同海洋腐蚀环境区带中的海上风电单桩基础，其不同部位表现出不同的腐蚀行为，这既是不同腐蚀因素影响的结果，也是多种腐蚀因素的共同作用的结果。影响单桩基础的既有外腐蚀也有内腐蚀。外腐蚀的机理与形态与其他常规海洋工程结构物的腐蚀相类似，外腐蚀防护设计可参照海上油气工业的经验做法，在不同的腐蚀区带，分别采取涂层、包覆、阴极保护等防腐措施，或采取联合防护措施。海上风机单桩基础的内防腐也必须予以关注，特别应关注可能发生的微生物腐蚀和应力定向氢致裂纹风险。虽然目前行业标准中尚无针对海上风机单桩基础内防腐的详细指南，但根据实际需要，选择增加壁厚、涂层或阴极保护措施来实施腐蚀防护。另外，必要时应安装阴极保护监测系统来监测阴极保护状态。上述结论，可为单桩基础防腐蚀风险分析和缓解措施的制定提供有益的技术参考。