海上风电设施防腐蚀技术研究进展

贾文虎，徐群杰*

（1. 上海电力大学环境与化学工程学院，上海市 杨浦区 200090；2. 上海市电力材料防护与新材料重点实验室，上海市 杨浦区 200090）

0 引言

据2021 年2 月全球风能理事会发布的数据显示，2020 年全世界海上风电新增装机容量达6 067 MW，中国新增装机容量超过3 000 MW，连续3 年位居世界首位，新增装机量占全球50%以上。截至2020年年底，全世界海上风电累计装机容量超35 000 MW，我国超9 000 MW，约占总装机容量的28%，目前我国海上风电装机总容量已超越德国，仅次于英国，位居世界第二。相较于陆上风电，海上风电有相当明显优势：一方面，海上风电能够较大程度节省对土地资源的占用；另一方面，海上风速大，且风主导方向相对稳定，从而能量产出更大，能够较大程度缓解能源紧张问题[1-3]。加上国家的政策支持，海上风电技术的发展得到了广泛关注，与此同时，海上风电设施防腐蚀问题也日益严重[4]。在严峻的环境下寻找合适的防腐技术以延长设施的使用寿命成为当下的研究热点。本文介绍了海上风电设施常用防腐技术，结合工程实例，分析了各种防腐技术的优劣，可为提高我国海上风电防腐水平提供参考。

1 海上风电设施腐蚀机理

海上风电设施大多采用钢结构，也有部分使用钢筋混凝土结构[5-6]。参照《海港工程钢结构防腐蚀技术规范》JTS 153-3-2007，钢结构设施自下而上分为海泥区、全浸区、潮差区、飞溅区、大气区55个区域(见图1)[7]，其中在飞溅区发生的腐蚀行为最为剧烈[8-9]，潮差区次之。设备腐蚀主要是电化学腐蚀，当钢制结构与海水(电解质溶液)接触时，由于金属表面粗糙，不均匀，易在其表面形成阴极区和阳极区，发生氧化还原反应，形成腐蚀微电池，导致腐蚀的发生[10]。混凝土结构设施一般自下而上分为水下区、水位变动区、浪溅区和大气区4 个区段，浪溅区腐蚀速率最高，破坏最为严重。

图1 海洋环境腐蚀倾向示意图Fig. 1 Schematic diagram of corrosion tendency in marine environment

腐蚀产生的主要原因是，氯盐侵入破坏了钝化膜，加速腐蚀反应。此外，混凝土的碳化、海水中硫酸根离子以及镁离子也起到一定程度的破坏作用[11]。一般来说，盐度、温度、氧浓度越高，pH值越低，腐蚀反应越剧烈。由于海上风电设备钢制结构比例远高于混凝土结构，因此本文以钢制结构介绍为主。

2 常用防腐技术

近年来，海上风电设施防腐保护方法主要有防腐涂层、阴极保护以及预留腐蚀裕量法等，在大气区、飞溅区、潮差区多采用涂层保护，在全浸区以及海泥区则以阴极保护为主[12]。

2.1 防腐涂层

流动状态下能在物体表面形成薄层，在干燥固化后仍能牢固附着且连续覆盖在物体表面的膜层物质称为防腐涂层[13]。防腐涂层主要有以下作用：1）屏蔽作用；2）缓蚀钝化作用；3）牺牲阳极保护作用。用作海上风电设施防腐的涂料有环氧类防腐涂料、橡胶类防腐涂料、氟树脂防腐涂料、有机硅树脂涂料以及富锌涂料等，其中环氧类防腐涂料最为常见，市场份额比也最高，另外，玻璃鳞片涂料及玻璃钢也较常使用[14]。环氧类防腐涂料施工方便、价格低廉，且具有很好的附着能力，防腐性能长效且优异，在飞溅区和潮差区这样恶劣的环境下仍能展现出较好的防腐效果，我国的东海大桥、天津港等风电场都使用了此类涂料。玻璃鳞片属于湿固化环氧重防腐涂料，其防腐机理在于能在金属表面形成大量且致密的薄片层，产生层迭迷宫效应，腐蚀液难以渗透，从而延缓腐蚀。玻璃鳞片具有优良的抗渗透性、耐蚀性和良好的阴极相容性。玻璃钢(fiber reinforced plastics，FRP)，全称纤维强化塑料，是一种无机材料，具有质轻、耐蚀、成型性好、操作简单、成本低廉等优点，其缺点在于耐磨性能不佳。目前，使用较多的涂层油漆品牌有海虹老人(赫普)、PPG Sigma等[15]。

范镇宇等[16]模拟海洋环境，在低碳钢上涂覆环氧树脂，并添加不同量的环氧化棕榈油酸(epoxidized palm olein，EPO)进行30 天检测，结果显示，添入适量的EPO对涂层影响不大，且能够降低成本，产生良好的经济效益。

Momber 等[17]对海上风电中常用的聚氧树脂、聚硅氧烷、玻璃鳞片、聚氨酯等13种常用有机涂层物质在不同法向力下进行摩擦磨损试验，结果表明，环氧树脂的耐摩擦性能突出，且成本效益最高。

相较于阴极保护及预留腐蚀裕量法，防腐涂层的最大优势在于成本低廉、经济效益高。

2.2 阴极保护技术

阴极保护的基本原理是给金属补充大量电子，使被保护金属整体处于一种电子过剩的状态，其表面各点到达同一负电位，金属原子难以失去电子，自然难以变成离子溶于溶液，从而实现腐蚀防护。阴极保护技术有牺牲阳极的阴极保护和外加电流的阴极保护2 种。牺牲阳极的阴极保护也称为保护器保护法，是将活性金属(电极电势较低的金属)与钢构本体电性连接，形成原电池，依靠活性金属不断腐蚀溶解所产生的电流，保护钢构本体。牺牲阳极法维护工作量较小，过保护可能小，相对较为安全，且常与防腐涂层配合使用，涂层作为额外的防腐补偿，可减缓牺牲阳极的消耗。外加电流法通过外加可调直流电源的方式实现，将被保护金属(钢铁)与电源负极相连作为阴极，电源正极则与废金属(一般采用高硅铸铁等)相连作阳极，充当辅助电极，使阴极金属处于保护电位，从而对阴极也即钢铁本体实施保护。

牺牲阳极法的主要优点是系统较为简单、无需外接电源，缺点在于设计安装后相关保护参数无法随意进行调整，且在使用过程中阳极金属会不断地溶解消耗[18]，所以需定期更换阳极。对于风电基桩来说，此项工作耗费巨大。外加电流保护法的突出优点是阳极使用寿命长，而且还可根据系统的运行情况实时调整相关参数，更为智能；其缺点是需外加电源，对调节、控制系统的稳定性、可靠性有着很高的要求[19]。目前国内外风电行业采用较多的仍然是牺牲阳极法，主要由于其技术含量相对低，施工质量容易保证，且施工单位对牺牲阳极的施工经验较为丰富，例如美国的Cape Wind、英国的North Hoyle 及荷兰的Q7 等海上风电场都采用牺牲阳极的保护方法[20]；但牺牲阳极法不能很好地适应不断变化的条件，并且会过早消耗，可能会导致对风力涡轮机单元支撑结构保护不足，且需要设计多余重量，使费用增加。外加电流法则更为智能，是未来风电行业防腐技术发展的一个趋势，目前德国AlpHa Ventus 海上风电场以及英国Greater Gabbard 海上风电场就采用了外加电流的阴极保护技术。

Erdogan 等[21]以美国玛莎葡萄园风电场为实例，通过大量理论分析与计算，配合涂层的协同作用，使用牺牲阳极的方法在最佳位置安放适合的阳极，以此显著降低阴极需要的电流和阳极牺牲质量，延长风电场使用年限。

Chernov 等[22]系统比较了2 种阴极保护方式的经济效益，牺牲阳极的方式因需定期更换阳极，成本较高；在电源供应较容易的区域，外加电流法成本相对低些，但在电源供应条件有限的区域，其所需成本则难以预估。

2.3 预留腐蚀裕量法

预留腐蚀裕量法是依据钢结构的腐蚀速率及使用年限计算，以此为基础增加管壁钢板厚度，从而使得风电设备符合相关规定，达到使用寿命要求。该方法会导致钢管桩厚度及重量增加，进一步可能会使施工设备结构改变，从而增加材料及施工费用，经济性较差[23]，一般多用于监测构筑物的腐蚀程度。

3 浪花飞溅区新型防腐技术

一般将在海洋环境中，海水及浪花能够飞溅、喷洒到设施表面，但在海水涨潮时又不能被海水所直接浸没的部位称为浪花飞溅区[24]，通常在海水的平均高潮位0~2.4 m处[25]，在这一区域，钢表面由于受到海水的周期性润湿，常处于干湿交替状态，充足的氧会发生去极化作用[26]，以及阳光、海水、氢渗透等多种因素作用[27]，使得浪花飞溅区成为风力发电设施腐蚀现象最为严重的区域，所以本文重点介绍此区域的新型防腐技术。

3.1 海工重防腐涂层

海工重防腐涂料联合预留腐蚀裕量以及阴极防护，是飞溅区防腐最常用的手段。厚膜化是飞溅区防腐涂料的典型特征之一，一般干膜厚度就能达到600 μm以上，通常具有较好的耐水性和低吸水性。此外，抗离子透过和抗电渗析性能佳[28]，近年来厚浆型改性环氧玻璃鳞片涂料经实践取得良好效果，有较为广泛的应用。

曾登峰等[29]对环氧富锌、环氧树脂、环氧玻璃鳞片等常用海工重防腐涂料体系的循环老化、阴极剥离、附着力等多项指标进行测试，分析各体系涂料的优、劣势，其中：环氧富锌附着力强；环氧树脂易在紫外光作用下断裂降解；玻璃鳞片在涂层中重叠排列，能有效隔绝腐蚀介质扩散，但耐温性能较差。

李旭海等[30]使用纳米改性环氧树脂、纳米二氧化硅浓缩浆与酚醛环氧树脂、碳化硅等结合，制备成纳米改性硼酚醛环氧复合防腐涂料，通过正交实验，进行耐腐蚀、耐磨、抗开裂等多项测试，结果表明，添加纳米颗粒与封闭胶能有效填补涂料固化所产生的微孔洞，具有延缓、阻碍腐蚀液扩散，提高防腐、耐磨、抗开裂等性能。

3.2 添加合金元素

经国内外研究人员研究发现，P、Si、Cr、Mo、Ni和Mn等元素可在一定程度上提高钢材在飞溅区的防腐性能[31]，但并不能从根本上解决防腐蚀问题。

3.3 金属热浸镀层

热浸镀层也是在飞溅区较常使用的一种腐蚀防护技术。热浸镀也称为浸镀，其步骤为：先将钢材制件通过酸、氯化铵等化学清洗去除表面氧化铁等物质，而后放入热熔融状态下的金属液中浸泡，一段时间后取出，使熔融金属与钢铁反应产生合金层，基体镀层二者结合，达到防腐蚀的目的[32]。热浸镀后的表面通常较为均匀且附着性能优异，当下很多潮间带海上风电场中的部分爬梯、栏杆等采用的便是热浸镀锌、环氧封闭漆以及面漆相结合的防腐蚀方案，绝大多数的法兰和钢格栅均采用110~130 μm 的热浸镀锌进行防腐[33]。

3.4 金属热喷涂

热喷涂是一种表面强化技术，指的是借助特定热喷涂装置所产生的高温高压焰流，将要制成的涂层材料迅速升温至熔融状态后，高速喷涂到已预处理过的钢铁表面形成涂层的一种表面加工方法[34]。火焰喷涂、电弧喷涂和等离子喷涂是目前常用的3 种基本热喷涂工艺，其中应用于海洋环境中钢制物防腐的主要是前2 种工艺。热喷涂沉积速度快，操作灵活，能改性被喷涂体，获得多种特殊的物理化学性能[35]。在海洋腐蚀防护方面使用较多的是喷涂后的Zn、Al 及其合金涂层，陈散兴等[36]在舟山海域的试验表明，经火焰喷涂的喷铝涂层及喷锌铝复合涂层比喷锌涂层具有更高的硬度、更好的耐久性和抗冲蚀性能。

Momber 等[37-38]在德国海戈兰岛附近试验场对6套涂层体系在海洋暴露环境下展开了长达3年的监控与检测，6 套涂层体系分别为：锌、树脂、聚氨酯(a体系)；锌、树脂(b体系)；锌铝涂层、树脂(c体系)；锌铝热喷涂树脂(d体系)；纯环氧树脂(e 体系)；铝镁热喷涂环氧树脂(f 体系)。对6套涂层体系进行了污垢强度、防腐效果、法兰腐蚀等多项检测，结果表明，f、a体系具有较好的防腐效果和良好的附着力，而又以Zn/Al热喷涂与环氧树脂结合的f体系为最佳。

Eom 等[39]在韩国附近海域开展类似试验，体系有4套，即锌铝热喷涂(MS)、锌铝热喷涂+环氧树脂(MC)、纯环氧树脂(MC)、环氧树脂+聚氨酯涂层(EP)。通过365 天海洋暴露和15 天的室内盐雾试验，得出类似的结论：MC 体系，即锌铝热喷涂与环氧树脂结合的体系防腐效果最好，最适用于海上风电钢结构防腐。

3.5 包覆覆盖层防护

与防腐涂层方法相比，包覆覆盖层保护是一种更为长期有效的防护技术，包覆防腐蚀近20年在飞溅区腐蚀防护中应用越来越广泛，且包覆材料的种类也日益繁多，有无机包覆、有机包覆以及矿脂包覆(petrolatum taped cover，PTC)等。PTC覆层防腐是指在钢制结构表面先涂覆矿脂材料(特点是黏附性、电绝缘性、防水性佳，不溶于水，无挥发性)，再在矿脂材料外部包覆防护外罩的一种防腐蚀技术，该技术自日本引入国内后使用效果良好。PTC覆层防腐蚀系统[40]如图2所示，主要由矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带、密封缓冲层(图中聚乙烯泡沫衬里)和防蚀保护罩4部分组成。

图2 PTC覆层防腐蚀系统示意图Fig. 2 Schematic diagram of PTC coating anti-corrosion system

矿脂防蚀膏呈淡褐色，是一种人造的油状、膏状缓蚀化合物，在水中不溶解，盐雾试验检测等级为A级(表面无缺陷)，其中有很多防锈成分，能够对钢制结构进行长期有效的防护[41]。矿脂防蚀带呈淡黄色，是一种由人造纤维制造而成的无纺布，其中浸透并涂满大量缓蚀剂，持久性能好。矿脂防蚀膏和矿脂防蚀带是PTC 防腐技术的核心部分，内含多种抗腐蚀材料，具有优良的黏附性，且隔绝水和空气性能优异，长期不易变质，它们牢固地黏附在钢铁设施表面，发挥良好的防护作用。密封缓冲层，起减震、隔热、防水等作用。防蚀保护罩具有机械强度高，耐冲击、抗风化性，还能防渗透，也能起到很好的保护作用[42]。PTC具有以下优点：1）防腐效果优异且长效，有效防腐时间可达30 年以上；2）施工简便，对基体表面处理要求低，能够带水作业；3）密闭性能佳，抗冲击性能优；4）质轻，几乎不会对结构产生额外载荷；5）对环境友好[43]。PTC技术主要缺点在于材料及施工费用高，不过可以预见的是，随着PTC 工艺的进一步升级优化及综合性能更卓越且成本效益高的缓蚀剂等包覆材料问世，复合包覆技术未来必将在海上风电防腐领域发挥重要作用。

曲文娟等[44]在模拟飞溅区环境下使用PTC 技术对AISI4135钢进行试验，研究PTC技术对氢渗透行为的阻隔，实验结果表明，氢进入高强钢主要是在飞溅区腐蚀条件下发生的，海水喷射频率对渗透氢总量影响不大，而PTC 技术能够有效缓解氢渗透，实现优良的防腐效果。

钱洲亥等[45]等研究表明，PTC 技术能有效解决传统喷涂工艺中螺栓法兰等关键节点难以喷砂的问题，也不会出现漏涂、流挂等现象，此技术适用于钢结构，不受应用环境和钢制结构形状限制，能解决风电设施关键复杂部位的防腐蚀难题。

经过一系列调研分析及工程运用，海上风电设施在飞溅区可考虑采用高性能海工重防腐涂层、金属热喷涂(小型构件建议使用金属热浸镀层)与环氧树脂结合以及PTC 覆层矿脂包覆等防腐技术进行防腐蚀保护。

近年来，上海市电力材料防护与新材料重点实验室对海上风电设施防腐蚀领域多有研究。徐群杰团队[46-47]重点介绍了风电塔中常用的防腐涂料及海上风电防腐蚀的研究状况，并提出未来可行性建议。同时，将超疏水技术应用于海上风电电气控制部分的材料防腐蚀技术也取得了一系列新进展，韩杰等[48]以白铜为基底，在硬脂酸乙醇溶液中加入盐酸和氯化铁，刻蚀后在350 ℃环境下加热，所得涂层接触角超150°，在质量分数3.5%的氯化钠模拟海水环境中展现出优异的电化学性能；刘伟等[49]在铜箔上用氨水刻蚀后进行灼烧，所得涂层也具有超疏水性和自清洁性能；贺子豪等[50]将六水氯化铝和十二烷基三甲基硅烷(DTMS)及乙醇配制成电解液，以5052铝合金为阳极，铂片为阴极，进行电沉积，制得膜层超疏水且具有抗黏附性、自清洁及优异的耐蚀性能。上海市电力材料防护与新材料重点实验室海上风电设施防腐蚀课题组正努力探索新型的具有优异防腐耐磨性能的涂层，以期将之应用于海上风电设施防腐蚀领域。

海上风电设施防腐蚀常用方法总结如表1所示。

表1 海上风电设施防腐蚀常用方法Tab. 1 Common anti-corrosion methods for offshore wind power facilities

4 海上风电设施防腐检查检测与检修技术

海上风电防腐检查检测主要是参照相关规范、标准，按照一定的防腐检查计划，定期完成相关检查[51]。检查包括设备健康状况检查、设备防腐情况监控，形成防腐检查台账，包括防腐检查汇报、阴极保护电位检查报告等；对检查所发现的问题进行分析、诊断、评估，区分偶然故障、系统故障，提出处理建议、措施，并进行消缺闭环，包括防腐涂层维护、牺牲阳极外焊加固，加强筒塔、机舱的严密性和防潮气、盐雾措施，同时也需要对风电场防腐系统对海洋环境造成的影响进行检测与评估[52]。对于疲劳腐蚀的检测，电子脉冲法[53]是一种无害检测方法，其主要优点是不需要破坏待检测样品表面涂层就能够清楚地观察到其表面缺陷。

防腐检修主要包括防腐涂层修补、阴极保护系统维护2 部分，在检查后制定对应的维护维修方案，从而形成闭环，完成检查检修工作。

5 工程实例

珠海桂山海上风电场是广东省首个海上风电项目，也是我国南海上第一座大型海上风电场，2018年已并网运行30台风电机组，一期后续及二期13 台风机也已于2021 年12 月实现并网发电。该风电场位于珠海市万山区东侧海域，属于亚热带海洋气候，受高湿高温、高盐雾及海洋生物腐蚀等因素影响，风电机组采用涂层保护与电化学保护联合使用的保护方法，且考虑腐蚀裕量。具体地讲，海上机组塔筒采用“环氧富锌底漆+环氧云铁漆+聚氨酯面漆及氟碳面漆”，外壁采用耐久性和防腐性优良的氟碳面漆，在电气集装箱外使用4F 氟碳涂层，这是一种新型海工重防腐涂料，具有免维护、自清洁的功能，且具有强附着力和超长的耐候性，但同时可能会产生一定量的有机挥发物，且造价成本较高。这是国内首次将氟碳涂料防腐体系应用于风电防腐领域，显示出我国防腐工程师应对海洋气候环境的技术创新能力。珠海桂山风电项目成功并网发电，预计年发电量超2亿kW∙h，对促进粤港澳大湾区节能减排、优化资源结构具有积极作用。

6 结论

海上风电设施相较于陆上风电对防腐技术有更高更新的要求，且海上风电技术能在很大程度上缓解我国的能源危机，与此同时，海上风电设施的防腐蚀面临诸多问题与挑战，因此在海上风电的开发及运行管理过程中，一定要进一步加强海上风电设施的防腐蚀研究与应用，顺应海上风电防腐绿色环保、定制型、质量型发展趋势，不断改进与创新，努力提高海上风电设施防腐蚀能力，促进我国海上风电事业不断发展。