海上风电防腐蚀研究现状与前景

2022-03-23陈有登谢志猛安吉祥

应用能源技术 2022年2期

任伟，陈有登，谢志猛，安吉祥

(1.中广核新能源控股有限公司，深圳 518000；2.中广核研究院有限公司，深圳 518000)

0 引言

风能作为一种可再生的清洁能源，正日益得到世界各国政府的重视并得到了快速的发展。目前，全球海上风电总量超过35GW，2020年全球海上风电新增装机容量超过6GW，中国新增超3GW，占全球新增的50.45%[1]。尽管海上风电发展前景良好，但在开发和利用过程中，需要攻克和解决高温、高湿、高盐雾海洋环境条件下风电机组的腐蚀与防护相关的技术难点和问题，从基础结构到塔架，从机舱到叶片，从各类机械部件到电器部件，均面临着海洋腐蚀性环境的考验。

1 海上风电机组腐蚀情况

1.1 腐蚀环境分类

海水是一种腐蚀性很强的电解质溶液，主要由溶解质液体、气体和固体物质三部分组成，其中96%～97%由水组成，3%～4%由溶解于水中的各种元素和其他物质组成。海洋腐蚀问题相当的复杂，因为各海区环境因素不同，所以其腐蚀规律也不同，从海上风电场设施腐蚀的角度以及与海水的接触情况来看，可将海洋环境分为海洋大气区、浪溅区、潮汐区、全浸区和海泥区五个不同的腐蚀区带[2]。其中海洋大气区日照长、湿度大、盐雾浓度高，金属表面易形成电解液薄膜层，盐雾中的Cl-容易穿过薄膜到达金属表面，进而发生电化学腐蚀；浪溅区干湿交替，供氧量充足，在太阳辐射、海盐、氧气等因素的综合作用下，腐蚀速率比其他区域高3～10倍，约为0.3～0.5 mm/a；潮差区处于平均高潮位和低潮位之间，作为氧浓差电池的阴极而受到保护，腐蚀速率相对较低，但钢材表面易附着生物，从而诱发局部腐蚀；全浸区海水流速大，生物活跃，主要以电化学腐蚀为主，其腐蚀速率与含氧量(即海水深度)相关；海泥区既有土壤腐蚀特性，又存在海水腐蚀行为，但因其含氧量很低，一般受腐蚀程度相对较低。

1.2 防腐机理

目前针对海上风电腐蚀情况，一般采用的防腐蚀措施有：涂层防护、复层包覆技术(PTC)、阴极保护、预留腐蚀余量等[3-4]。

(1)涂层防腐机理

涂料是一种表面处理的方法，可有效将钢材与腐蚀环境物理隔离，从而防止钢表面发生腐蚀，是目前应用最广泛、最实用的海洋防腐方法。在防腐涂料设计中需要遵循的一个基本原则就是：基层材料底漆需要拥有较强的附着能力以及防腐能力，中间漆需与面漆及底漆结合牢固，屏蔽效果好，防止水汽、氧等腐蚀性介质渗透，面漆则需要良好的耐候性、耐腐蚀、耐老化性能等[5]。但该方法的缺点是在受到外力碰撞作用下，涂层容易破损，且海上维修难度较大，修补效果不佳。

(2)复层包覆防腐机理

包覆防腐体系主要由矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带、密封缓冲层和增强玻璃钢保护罩组成。其中，防蚀膏、防蚀带之中含有能够对腐蚀介质侵蚀的缓释成分；密封缓冲层和防蚀保护罩主要起隔绝海水、耐冲击、抵御机械损伤的作用。该方法对于外附件或异型节点较多的部位存在一定的施工难度，施工工序较多，费用较高。

(3)阴极保护防腐机理

阴极保护主要是针对处于海面以下的海上风电基础，可分为外加电流的阴极保护(即通过给风电基础强制外加电流，使之阴极极化)和牺牲阳极的阴极保护(即使钢管桩与电位更负的活泼金属进行电连接)两种。目前，国内应用更多的是牺牲阳极的阴极保护法，该方法无需外加辅助电源，杂电流干扰小，使用范围较广。国外有较多风场采用了外加电流的阴极保护法，该方法相比于前者能够实现电流的可调可控可监测。

(4)预留腐蚀裕量

预留腐蚀裕量即根据年平均腐蚀速率以及风机设计寿命年限来适当增加钢板材料的厚度，这种方法简单实用，但是会增加风机重量，且钢材浪费严重，经济性较差，一般仅作为辅助手段。

2 海上风电机组防腐蚀研究

2.1 叶片的防腐蚀研究

海上风电机组的风机叶片运行于大气区，大多数为玻璃纤维增强复合材料，其材料的基本组成有环氧树脂，聚酯树脂等，其本身即具有耐腐蚀性[6]。为了减少海洋大气中盐分在叶片表面聚集产生腐蚀作用，影响发电转化效率，可在表面采用聚氨酯面漆或聚硅氧烷面漆进行保护。目前，市场上的溶剂型涂料具有良好的耐溶剂性和耐老化性，但同时涂层的硬度较大，在受到外力冲击时容易脱落暴露基材，对叶片失去保护作用[7]。李儒剑[8]等通过调配丙烯酸和聚酯多元醇的质量比制备出了一种高耐磨性、耐候性的聚氨酯风机叶片涂料，克服了上述缺陷。目前，随着环保观念的加深，水性聚氨酯防腐涂料、无溶剂型聚氨酯涂料以及各种改性的树脂涂料已经成为研究热点，传统的溶剂型涂料将会逐渐退出主体市场。

2.2 塔筒的防腐蚀研究

塔筒钢结构多处于大气区和浪溅区，均以防腐涂料联合预留腐蚀裕量为主要保护手段。在GB/T 33423-2016《沿海及海上风电机组防腐技术规范》[9]中列出了不同海洋工况条件下推荐的涂层防护体系。在大气区，防腐涂料体系推荐为环氧富锌底漆+环氧云铁中间漆+脂肪族聚氨酯面漆；在飞溅区，由于会受到海浪冲刷，防腐涂料体系多采用环氧玻璃鳞片或无溶剂环氧漆等。张斌[10]等通过对广东省珠海市桂山海域上处于不同区域的破损风机塔架的形貌、涂膜厚度、附着力、电化学性能等进行测试分析，发现海泥区涂层阻抗、附着力、涂层完整性最高，大气区次之，而飞溅区的涂层阻抗极低，附着力基本丧失，破坏最严重。江海涛[11]等对如东海上风电机组浪花飞溅区的钢管桩进行附着力测试、表面粉化测试、保护电位测试和牺牲阳极使用情况检测来研究了阴极保护和涂层联合防护方法的有效性，结果表明该方法能够有效减少腐蚀发生，满足海上风机钢管桩的防腐要求。刘晨[12]通过盐雾腐蚀试验、应力腐蚀慢拉伸试验、力学性能测试、电化学测试、扫描电镜微观结构分析等方法和手段，对不同海洋腐蚀环境下塔筒的常用材料Q345钢应力腐蚀行为展开了研究，研究了氯盐腐蚀和拉伸应力对钢腐蚀的耦合交互作用，揭示了材料的应力腐蚀失效机制，并提出可进一步开展腐蚀-弯扭疲劳的交互作用影响机制研究。

2.3 水下基础的防腐蚀研究

海上风电水下基础是风机塔筒的重要支撑结构，常见的基础形式包括多桩基础、单桩基础和导管架基础，基础采用的钢管桩长期受到海水侵蚀，主要发生电化学腐蚀，主要原因是海水中的氯离子穿透并破坏钢筋表面的碱性保护膜，导致钢筋处于阳极活化状态，进而产生电化学腐蚀[13-14]。目前对其防腐手段主要为阴极保护+防腐涂料+预留腐蚀裕量，其中阴极保护多采用牺牲阳极方法，常选用铝—锌—铟合金材料，国际上也广泛采用外加电流阴极保护技术。王静[15]等在综合比较目前阴极保护技术后，提出了一种新型阴极保护技术——串式阳极及其安装方式，结果表明其阴极保护效果良好，且大大降低了现场安装施工难度。玄晓阳[16]等通过实例应用，对比了人工巡检和阴极保护远程监检测系统。结果表明，阴极保护远程监检测系统通过对钢管桩在海水环境中的全尺度电位测量和牺牲阳极输出电流的测量，能够分析出阴极保护效果、牺牲阳极工作状态、阳极寿命等，实现了监检测系统的智能化，明显优于人工巡检。黄延琦[17]等开发了一套远程监测系统，通过自动采集和记录被保护钢管桩的阴极保护电位和牺牲阳极发射电流、绘制保护电位-时间曲线、牺牲阳极发射电流-时间曲线、评估阴极保护状态、超限自动报警等功能，实现了实时在线监测，大大提高了监测工作的效率和安全。

2.4 电气设备的防腐蚀研究

电气设备主要包含变压器、发电机、控制柜及驱动电机等，通常布置于塔筒和机舱这类封闭的空间中，为减小其腐蚀程度，塔筒、机舱内部采用盐雾过滤器和除湿机设备来过滤盐雾、除湿和通风散热，并形成微正压，使得内部空气往外流，从而控制内部环境[18]。不仅要控制环境中的温湿度、盐雾浓度等，设备自身也需要做一定的防腐处理，如变压器表面的防腐涂层应具有良好的耐高温性能，以及油箱内壁的涂层需要有良好的耐油浸特性。李颖[19]等对福建沿海地区某海上风电机组进行了为期一年的环境适应性测试，采用电器设备腐蚀环境表征测试片对变流器、控制系统等关键电器设备服役环境进行量化表征分析，通过监测电器设备表面Cu2O、CuO、Cu2S的薄膜厚度以及腐蚀膜厚(Å)，表明该机组的电器设备所处腐蚀环境为G1等级，属于受控环境，几乎不会发生腐蚀。