海上风电腐蚀监测技术研究现状

张 真殷爱鸣金绪良王海刚聂晋峰

(中国大唐集团科学技术研究总院有限公司华北电力试验研究院,北京市 石景山区 100040)

0 引言

在双碳目标的背景下,我国清洁能源装机总量不断提升,投入运营的海上风电机组数量逐年增加[1-5]。然而,与陆上风电相比,海上风电面临愈加严峻的腐蚀问题。海上风电终年处于高湿度、高盐雾的海洋环境,并且还可能受到海中风浪、漂浮物的撞击,因此,海上风电的基础装置、塔筒、机舱、叶片及零部件等,都极易出现腐蚀情况[6-7]。当海上风电设备处于腐蚀状态时,轻则引起设备失效,造成经济财产损失,重则引发人身安全事故。

海上风电由于所处环境较为复杂,同时受到海水、大气腐蚀、土壤等恶劣环境的腐蚀影响,因此腐蚀情况多变,更加需要进行腐蚀情况监测。具体腐蚀分为:(1)海水腐蚀,海水属于电解质环境,含盐量较高,还有大量繁殖的微生物,都可腐蚀金属设备;(2)大气腐蚀,分为气候及污染物2种影响因素,主要是大气中的水分、氧化物等与设备发生反应,属于自发的薄液膜环境中的电化学反应,会导致腐蚀情况加剧;(3)土壤腐蚀,由于土壤是由气液固三相构成的体系,以及存在微生物、杂散电流等多种原因,导致其腐蚀情况更为复杂。

海上风电的特点是大型化、连续化,应该尽量减少停运检修的频次和时间,延长正常使用周期。为确保海上风电设备的安全平稳运行,在进行防腐的基础上,需要采取相应的腐蚀监测技术。腐蚀监测技术是通过监测方法或分析仪器,针对设备腐蚀速率、状态及相关参数进行实时、连续化的监测,确保在不影响设备系统安全平稳运行的前提下,监测设备的腐蚀情况[8]。此外,腐蚀监测还能明晰腐蚀的形成过程并了解控制成效,评估设备的腐蚀情况及运行寿命,并快速准确地判断腐蚀位置及情况,有针对性地采取防腐措施,起到适时维护、提高生产力、延长使用寿命等诸多作用[9-10]。在海上风电运行过程中,可选用1种或多种腐蚀监测技术,以便准确全面地进行设备腐蚀在线监测,形成监测网络,获得设备腐蚀情况。

海上风电监测技术需要具备监测精度高、寿命长、响应时间短、稳定性高、对环境适应性强等优点,以精准判断设备腐蚀情况及速率,使系统能平稳运行。

本文分析海上风电腐蚀监测技术的现状,并探讨每种技术的原理、适用情况及优缺点,以期对设备腐蚀情况进行监测预警及寿命评估。

1 探针技术

探针技术是通过采集腐蚀信号,并传送至腐蚀监测系统中,进而转换成相应的腐蚀速率,从而得到设备的腐蚀情况。探针是腐蚀监测系统中最核心的部件,其材质一般与所监测设备保持一致,确保能直观、精确地反映设备腐蚀情况。

1.1 电阻探针

电阻探针是通过规定长度的金属介质受腐蚀影响而厚度减薄、电阻值升高,并利用电阻值的变化转换成对应腐蚀速率的技术[11]。由于金属材质的探针容易受到温度干扰,影响测量的准确度,因此通常需要加装温度补偿探头。温度补偿探头位于壳体里,隔绝腐蚀环境,其电阻变化只与温度有关,起到温度补偿的作用,进而起到减弱或消除温度对探针带来误差的作用[12]。

电阻探针可按照插入性、伸缩性及安装位置分类,也可按照形状分为带、管、环、线及薄膜片等。该监测系统包括中心工作站、数据采集转换及探针。目前国内研究机构及院校主要有中国石油天然气集团、西南石油大学、中科院金属研究所,生产厂商主要有武汉科斯特、沈阳中科韦尔、深圳格鲁森及广州易安达;国外生产厂商主要有美国的Teledyne Cormon、Metal Sample、GE 及COSA SCO Corrosion Management等公司。

该技术的优点是可适于大部分环境,其信号不会受到导电性高低的影响,并且结构简单、成本低廉,可用于在线监测设备腐蚀率,也可用于高温高压环境。但其缺点是对于设备的局部腐蚀敏感度较低、准确度较差,以及测量元件较薄、使用寿命较短导致的更换频次较高。未来的研究方向应以突破形状限制、测定瞬时腐蚀速率为主。

1.2 电位探针

电位探针技术通常是采用高阻直流电压表测定金属设备的电位值,得到腐蚀电位-pH 图或极化曲线,进而得到设备腐蚀状态。由于设备的电化学状态随所处形态变化,其电位也会产生波动,当设备处于钝化状态时,其腐蚀电位值较高;而转为活化态时,腐蚀电位较低。在钝化区和活化区间产生“电偶”电流和电场,利用参比电极在设备表面测定各处的电位,得到等电位线的测定结果,可以大致判断其腐蚀情况[13]。

由于海上风电水下部分的设备目前一般采用牺牲阳极的阴极保护法来保护易腐蚀部位,因而可直接测定牺牲阳极相对于保护设备的电位。电位腐蚀监测系统包括电位腐蚀自动监测仪、监测探头、数据采集器及计算软件等,实现实时自动监测设备的电位腐蚀情况。

该技术的优点是在对设备表面无干扰的基础上可快速得到其腐蚀情况,缺点只适用于电解质环境,并且容易受到设备的金属特性、孔隙液电导率、杂散电流、温度等的干扰,无法得到具体的腐蚀速率,只能用于定性判断腐蚀阶段,一般用于初期、局部的腐蚀监测等相对局限的场景,在生产中可联合其他技术使用[14]。

1.3 电偶探针

电偶腐蚀由于不同金属处于同一导电介质内,出现自腐蚀电位形成电位差,在此情况下,处于低电位的金属极化反应加剧,处于高电位的金属极化反应减慢,导致腐蚀电位差值增大,电偶腐蚀的倾向也随之增大[15-18]。电偶探针技术正是基于测定电偶腐蚀的差值来得到设备的腐蚀情况。

国内主要研究院校和机构是华中科技大学和武汉科斯特,其中华中科技大学的郭兴蓬等发明了一种电偶电化学噪声腐蚀监测探针,可对多相腐蚀介质中的局部腐蚀进行监测;武汉科斯特研发了电偶型大气腐蚀监测仪、CST500电偶腐蚀/电化学噪声监测仪。

该技术的优点是能测定瞬时腐蚀率;缺点是当电偶体系的阳极是钝性材料时,易发生点蚀,导致测得电偶电流密度偏小,使其测得的平均电偶电流密度不宜作为评判设备腐蚀性的依据。

1.4 电感探针

电感探针是利用腐蚀环境引起设备的电磁阻发生变化来测定腐蚀速率的技术。其过程是探针内部缠绕腐蚀测量元件的线圈磁阻变化产生腐蚀电流,腐蚀电流大小可根据极化电阻值、塔菲尔常数计算得到,进而由设备材质的电化学当量、比重得到其腐蚀速率[19],其中管状和片状的监测原理一致[20]。

该技术的优点是响应迅速、分辨率高、对腐蚀介质无要求、抗干扰力强;缺点是该探针大多为插入式,是借助探头金属腐蚀减少量来判断实时腐蚀速率,因此只对均匀腐蚀监测有效,而对局部腐蚀的测定结果不太准确,所以要加装其他监测手段来弥补不足,或额外安装旁路[21]。

目前国内主要研究机构是沈阳中科韦尔,其开发研究了一种精度达10 nm 的电感探针腐蚀监测仪。

1.5 氢探针

氢探针是通过测定氢的压力或渗透电流来监测腐蚀率。当酸性环境中发生腐蚀反应产生氢及阴极产物为氢时,呈原子态或离子态进入设备里层,在夹杂处或空穴中生成氢,进而降低设备的金属延展性,使其脆性增加,出现氢脆、开裂、鼓泡现象。而氢探针可测定氢扩撒倾向,从而判定其腐蚀发展趋势[22]。

氢探针按原理分为电化学型、压力型、真空型。电化学型氢探针是在探针内部装满电解质溶液,控制电压处在氢易离子化的电位,设备腐蚀产生的氢原子可进入探针并被氧化成离子态,通过测量原电池电流,即可计算出渗氢量,得到设备腐蚀情况。压力型氢探针是三者中最简单的类型,其利用压力的变化来计算渗氢量,外界的氢渗入内部合成氢分子,使测压器的压力发生变化,通过计算压力增加的速率可计算腐蚀速率,通常用于低位溶液中。真空型氢探针是利用探针外壁析氢产生的氢原子扩散入内部后,在真空环境发生离子化反应产生电流,其速率可反映设备腐蚀速率,通常用于酸性油质环境腐蚀监测[23]。

该技术的优点是构件简单,可做到无损监测;缺点是适用范围较窄,只适用于析氢腐蚀,并且只能反映总体的渗氢速度,不能测量局部腐蚀。

1.6 电化学探针

电化学探针又称线性极化探针,是利用腐蚀设备的极化电位和电流呈线性关系,电流和腐蚀速率呈正比关系,进而测定电极的极化电阻值,并通过Stern-Geary方程得到设备腐蚀速率[24]。目前生产厂商主要是美国Magan公司和英国Waverley公司。

该技术的优点是反应迅速、可监测瞬时速率;缺点是容易受环境干扰导致测量结果准确度降低,需要增加与探针中测试电极的形状、材料、尺寸相同的参比电极和辅助电极来减弱干扰,且限制于常温常压电化学体系,因此常用于海水全浸区的设备腐蚀监测。

2 电化学技术

电化学腐蚀监测技术,是无需破坏设备表层且响应迅速的监测手段,也可以利用监测器快速判断设备的腐蚀情况,接下来要研究电化学技术在海上风电设备腐蚀监测中适用的技术。

2.1 电化学阻抗谱

电化学阻抗谱是对电化学系统施加固定频率的小幅正弦电位扰动,通过测定响应信号值得到阻抗谱,在等效电路模型或数学模型的基础上,可反复测量、分析、计算,得到设备的腐蚀状态[25]。

电化学阻抗谱技术在用于海水环境在线监测时,需要获取较好的阻抗数据,系统需要满足稳定性、因果性及线性等要求。但是腐蚀环境的复杂性造成系统稳定性难度增加,所以一般系统变化较慢则近似认为稳定、阻抗数据可用,而产生的无效数据可通过一定转换来检测数据的有效性。阻抗谱数据的解析包括2种:(1)是拟合等效电路图,得到电化学特征参数;(2)是采用转移函数,根据电化学腐蚀微分方程,得到阻抗表达式,这种方法过程较为繁琐,使用较少。

文献[26]研究了一处长期处于海洋环境中的钢筋混凝土梁结构,利用交流阻抗来消除电流、电阻所引起的偏差(IR 降),计算出极化阻力进而得到其腐蚀情况;文献[27]研究了一种基于交流阻抗技术的腐蚀监测探头,并用于青岛地区海洋环境中碳钢设备的腐蚀监测,可得到相应腐蚀情况及温、湿度对腐蚀速率的影响。

该技术的优点是:(1)监测频率范围大,可原位监测电化学腐蚀情况;(2)测定结果准确,可显示防腐涂层界面下层的腐蚀过程,适于分析动力学进程;(3)对设备扰动小,不会对设备的结果产生影响。缺点是:(1)目前频率范围多用于试验室阶段,阻碍了该技术在海上风电现场的应用;(2)若腐蚀环境不稳定,则大多得到的是无效数据,因此对系统稳定性要求较高;(3)图谱复杂性高,需要专业人员进行数据解析,限制了大规模应用。

2.2 电化学噪声

电化学噪声腐蚀监测是在系统非扰动基础上,通过测定电极表面电势及电流波动信号的变化,来表明设备的腐蚀状态[28]。

电化学噪声包括电流、电压噪声,又可分为闪烁、散粒效应和热噪声[29]。电化学噪声的测量系统包括异种电极、全同电极和工作电极等3种类型。

文献[30]利用电化学噪声技术研究了加州失落山卡恩3号水处理厂的腐蚀情况,并进行了现场试验,同期测定线性极化电阻和电位学噪声来计算平均及瞬时腐蚀速率,结果表明腐蚀监测数据可信;文献[31]研究了电化学噪声技术对5083 和6061这2种铝合金的缝隙腐蚀情况,并且探究了材料显微情况与缝隙腐蚀之间的关联性,结果表明:成分改变和IR 降分别是5083、6061铝合金产生缝隙腐蚀的重要因素。

该技术的优点是:(1)不用额外建立测量系统的电极过程模型,属于原位腐蚀监测技术;(2)设施简单,可远距离在线监测、分析设备的应力腐蚀、局部腐蚀及系统的腐蚀速率等。缺点是:腐蚀进程中电化学状态会发生变化,欠缺腐蚀监测系统,加大了监测难度。

2.3 光电化学

光电化学技术属于原位监测,该技术是利用电极和电解质溶液产生的光电效应来进行腐蚀监测,通过测定光电效应可得到相关电极表面的结构信息,可监测设备的光学、电子性质及金属相表层的组成和相应的腐蚀情况[32]。

文献[33]研究了电解质材料光电化学过程的蚀刻腐蚀过程,结果表明:腐蚀过程发生在横向n型层中,在结构中形成空隙和空腔,进而加剧腐蚀情况。文献[34]研究了影响金属光电化学防腐的因素,即通过测定光强、溶液组成、半导体种类和性质等,得到了利用复合、改性电导体来提高光电转换效率的方法。

该技术的优点是可在微观环境下监测金属设备表面钝化膜的孔蚀情况,缺点是光电转换效率较低且对材料要求较高,未来研究方向应以扩展催化剂的光谱利用范围、提高光电转换效率为重点[35]。

2.4 腐蚀电位

腐蚀电位是在未外加电流时,金属达到腐蚀的稳定状态时表现出的电位,是阳极和阴极的极化反应产生的混合电位,本质是结合极化数据来判断设备腐蚀及阴极保护系统情况。

该技术的优点是可方便快捷地监测腐蚀状态的变化情况,缺点是参比电极可能发生反应而受到污染,并且高温环境需使用特制的参比电极。

2.5 线性极化阻力

极化阻力Rp是对试样施加小的极化电流后其极化电位ΔE和极化电流ΔI的比值,线性极化方程式将表征腐蚀速度的自腐蚀电流与极化阻力联合,经测定极化阻力可计算腐蚀电流,并利用法拉第定律计算腐蚀速率[36]。我国南海油田采油系统的腐蚀监测采用美国Amoco东方石油公司的线性极化技术。

该技术的优点是反应迅速、灵敏度高、可监测瞬时腐蚀速率且对电极系统影响弱;缺点是限制于导电性高的体系,无法监测局部腐蚀。

3 其他技术

3.1 失重技术

失重技术是利用处于腐蚀环境中挂片的重量改变来计算平均失重量,评价其腐蚀状态[37]。

该技术的优点是经济、简单、使用广泛,可利用试片分析表面腐蚀产物、速率、类型;缺点是挂片期间不能判断腐蚀程度,若时间过短则准确性大大降低。

3.2 超声波

超声波技术是在超声波脉冲反射基础上,测定回声返回需要的时间并记录共鸣时的声波振幅,来检测腐蚀情况[38]。日本某公司研发了干耦合超声波检测器;英国Sonatest机构研发了自动调节方向的超声检测器;我国中海油公司研发了一种超声波腐蚀监测系统。

该技术的优点是精度高、不受设备形状限制;缺点是只能检测整体腐蚀情况。

3.3 电偶腐蚀

电偶腐蚀监测系统的电流表能监测金属对间的电偶电流,该电流和设备腐蚀情况相关,可通过电偶电流转变成相应设备的腐蚀速率,做到腐蚀情况的实时监测[39]。武汉科斯特公司研发了CST516八通道电偶腐蚀监测仪。

该工艺的优点是工艺简便;缺点是我国在该领域的核心技术受制于国外,且缺乏相关技术标准。

3.4 声发射

声发射技术是基于材料变形断裂时产生应变能并释放声能,通过监测声波可分析腐蚀情况[40]。

该技术优点是灵敏度高、可用于高温环境并且能得到腐蚀过程的动态参数;缺点是只能用于拉应力腐蚀,且有效区分腐蚀信号和噪声是最大的难点。

3.5 薄层活化

薄层活化技术是一种用于测量材料腐蚀和侵蚀的核技术,该技术需要用高能离子束照射材料,并在材料经受腐蚀性环境后测量放射性损失[41]。英国哈威尔原子核研究机构、西德卡尔斯鲁埃核研究机构及奔驰、通用、丰田等车企均采用该技术精确监测设备及零件磨损情况。

该技术的优点是可无损远程监测、节省时间、灵敏度高,缺点是存在辐射。

3.6 场图像

场图像技术是通过监测电位差得到电场分布的变化情况,来监测设备腐蚀情况[42]。目前英国、美国的某个公司生产的便携系统,可用于内腐蚀外监测。

该技术优点是可监测点蚀、裂纹;缺点是灵敏度低,信号数据难处理。

3.7 恒电量

恒电量技术是将己知电荷作为激励信号快速施加到电极上,记录电位随时间变化曲线来得到腐蚀情况[43]。湖南大学赵常就等研发出了一种恒电量智能腐蚀监测仪。

该技术优点是无损检测、结果定量,可监测瞬时和平均腐蚀速率;缺点是设备自动化程度低、数据处理难度大。

4 总结

本文探讨了多种腐蚀监测技术,用以监测海上风电设备的腐蚀情况,但是每种技术都存在优缺点,需要结合实际情况,寻找具有实时监测、灵敏度高、数据精确度高等特点的监测方法和技术,将设备的腐蚀情况真实准确地进行反馈,来有效防范腐蚀风险,保证设备平稳运行及机组安全生产,以期对海上风电设备的腐蚀监测提供参考。