文 | 曹廣啟 劉禹洋

海上風電鋼結構基礎防腐層提前失效的應對措施

文 | 曹廣啟 劉禹洋

海上風電具有資源豐富、可發(fā)電利用小時數(shù)高、對周圍環(huán)境影響較小、適宜大規(guī)模開發(fā)且海上風電靠近經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)、距離電力負荷中心近、風電并網(wǎng)和消納容易等特點，近幾年許多國家均把風電開發(fā)的重點轉向海上。我國海上風電所使用的基礎形式從材料角度分為鋼結構基礎和鋼筋混凝土基礎兩種形式，其中使用較廣泛的為鋼結構基礎。由于鋼結構基礎所處的工況條件比較惡劣，且現(xiàn)場維護比較困難，一般按不低于15年的防腐壽命進行設計。國內某海上風電場運行時間遠未達到15年，但有些鋼結構基礎防腐層卻已經(jīng)出現(xiàn)大面積損壞的現(xiàn)象，嚴重影響了風電機組的安全穩(wěn)定運行，本文將對這一情況進行詳細分析，找出原因并提出相應解決措施，為后續(xù)海上風電項目鋼結構基礎的防腐積累經(jīng)驗。

風場情況

出現(xiàn)鋼結構基礎防腐層大面積損壞的風場屬于潮間帶風場，采用的是油漆防腐，防腐方案是綜合ISO 12944 《鋼結構防腐涂裝規(guī)范》、ISO 20340∶2009 《近岸和相關結構防護涂料系統(tǒng)的性能要求》以及我國能源局編制的NB/T 31006：2011《海上風電場鋼結構防腐蝕技術標準》進行設計的，防腐方案設計合理，油漆施工是按照油漆供應商提供的施工工藝執(zhí)行，關鍵工序有相應的記錄，并且油漆干膜厚度符合設計要求，從而排除了防腐的設計及施工缺陷。

為了了解防腐層損壞的具體情況，在退潮以后我們對現(xiàn)場情況進行了實地調查，發(fā)現(xiàn)鋼結構基礎內部防腐層完好，外部區(qū)域出現(xiàn)了不同程度的損壞，有些區(qū)域有遭受撞擊的跡象，且外部表面有大量海洋生物（主要是海蠣子）附著。圖1中鋼結構基礎外表面黑色的物體即為附著的海洋生物，圖2為海洋生物對鋼結構基礎防腐層的破壞情況。

原因分析

通過對現(xiàn)場的情況進行調查，我們認為外力撞擊及海洋生物的附著是造成海上風電鋼結構基礎防腐層損壞的主要原因。

一、外力撞擊

圖1 鋼結構基礎海洋生物附著情況

圖2 海洋生物對鋼結構基礎防腐層的破壞情況

我們發(fā)現(xiàn)有防腐層損壞的鋼結構基礎設計的船舶?？垦b置不合理，在船舶靠泊的時候受海水流動的影響，船舶容易撞擊到鋼結構基礎上，另外，風場所處海域漂浮物比較多，也會對鋼結構基礎產(chǎn)生撞擊。而本項目在進行鋼結構基礎防腐方案設計時沒有考慮外力撞擊對油漆的影響，因而許多區(qū)域在遭受外力撞擊時出現(xiàn)油漆層被撞壞并脫落的現(xiàn)象，從而影響了防腐涂層的使用壽命。

二、海洋生物的附著

由于風電機組所處海域生長著大量的海蠣子（也叫牡蠣），其具有許多獨特的生活習性，剛出世的幼蠣，可以在水中自由游泳，但當它們遇到合適的環(huán)境，就開始寄生在巖石或其他堅硬的海中物體上，終生過著固著式的生活，難以被清除，從而在鋼結構基礎上形成外污損層。海蠣子附著在鋼結構基礎上以后，雖然能夠阻礙碳鋼表面的氧分子向腐蝕表面擴散，能對碳鋼的腐蝕有一定的保護作用，但是由于附著層的不滲透性和外污損層中嗜氧菌的呼吸作用，使碳鋼表面形成缺氧環(huán)境，有利于硫酸鹽還原菌（SRB）的生長，從而加速碳鋼的厭氧腐蝕。

根據(jù)電化學腐蝕原理和實驗事實，硫酸鹽還原菌（SRB）誘導碳鋼腐蝕的機理如下：

Fe－2e→Fe2+(陽極反應) 2H++2e→H2(陰極反應)

SO42-+8H → S2-+H2O (SRB陰極去極化)

S2-+2H+→H2S（陰極去極化） Fe2++S2-→FeS(陽極去極化)

Fe2++H2S→FeS+2H+

上述反應所需H+來源于SRB代謝出有機酸的電離以及水的電離，從上述機理可以看出在整個電化學腐蝕過程中，硫化物（S2-），特別是H2S既有陰極去極化作用，又具有陽極去極化作用，從而加速了碳鋼的腐蝕,嚴重的影響了海上風電機組鋼結構基礎的使用壽命。

解決措施

為了保證風電機組的安全穩(wěn)定運行，在找出造成鋼結構基礎防腐層損壞的原因以后，我們必須采取針對性的措施進行解決。

一、應對外力撞擊的措施

（一）根據(jù)該風場的水流特性優(yōu)化原船舶?？垦b置的設計，并在船舶?？刻幵黾酉鄳谋Ｗo舷，保護舷可以吸收船舶?？繒r的沖擊能量，從而減輕對鋼結構基礎的破壞作用；

（二）考慮船舶停靠時對于鋼結構基礎的撞擊作用，在船舶停靠處需要選擇耐撞擊強度高的油漆；

（三）鑒于該風場所處海域漂浮物較多，因此需要在鋼結構基礎外圍設置隔離設施，從而減少漂浮物與鋼結構基礎接觸的可能性。

二、應對海洋生物附著的措施

海洋生物的附著不僅會破壞鋼結構基礎防腐層并加速碳鋼的腐蝕，而且難以解決，由于我國海上風電起步比較晚，相關規(guī)范不夠健全，考慮到海上石油鉆井平臺所處環(huán)境與海上風電機組比較相似，為了更好的解決該問題，我們查閱了大量海上石油鉆井平臺防海洋生物附著的措施。目前我國石油鉆井平臺常用的防海洋生物附著的措施主要有以下三種：使用海洋動力防海生物裝置（MGP）、使用防污漆防海生物及電解防海生物。

（一）海洋動力防海生物裝置（MGP）

海洋動力防海生物裝置（MGP）采用具有高彈性、高耐久性、優(yōu)越的抗紫外線性能和抗疲勞性能良好的工程塑料做成。該裝置的主體環(huán)抱于導管架構件的周圍，即海生物易于附著、生長的部位。利用海水的浮力，海流、波浪等自然力為動力，使裝置在導管架構件的外圍作垂向、橫向、旋轉運動。通過這一復合運動，使設置在裝置上的撞擊輪不斷地碰撞、接觸導管架構件的表面，從而使海生物無法附著，這種方法還可以逐漸清除已附著的海生物。該裝置的最大優(yōu)點是，以海水的自然能力為動力，不需人為地施加外力，簡易、有效、無污染、成本低。不足之處是在長期使用中，如遇到大風、臺風天氣，在波浪、海流的共同作用下，該裝置與導管架構件將發(fā)生劇烈碰撞，如果出現(xiàn)破損，維修、更換將非常困難。

（二） 防污漆防海生物

防污漆是涂裝于導管架構件的一種特殊涂料，它的主要作用是通過漆膜中毒料的滲出、擴散或水解等方式逐步釋放毒料，達到防止海洋生物附著于鋼結構基礎的目的。防污漆雖然具有很多優(yōu)點，如滿足環(huán)保性能要求；漆膜具有一定的透水性，可保證毒性連續(xù)滲出；漆膜具有良好的耐海水沖擊性，在長期浸沒于水中時不起泡、不脫落。但是防污漆的缺點也是十分致命的，它只能在一定時間內防止海洋生物附著在導管架構件上，一般3年－5年后需要重新進行涂刷。

（三）電解防海生物

電解防海生物是通過電解的方法，產(chǎn)生有毒的物質，從而形成一種不適合海洋生物附著生長的環(huán)境。目前最常用的方法有兩種，即：電解海水產(chǎn)生次氯酸殺滅海洋生物；電解銅、鋁電極以海水為導體通過外加電流的方式電解出金屬離子，使海水中的金屬離子達到一定濃度從而殺死海洋生物。該技術具有安全可靠、使用方便、運行費用低等優(yōu)點，但是會殺死周圍海域的海洋生物。

由于本風場夏季臺風較多，在大風的作用下，存在海洋動力防海生物裝置撞壞鋼結構基礎防腐層的可能，另外本風場周圍有大量的養(yǎng)殖區(qū)，也不適宜采用電解防海生物的方法，如果直接在鋼結構基礎上涂刷防污漆，由于防污漆的使用壽命只有3年－5年，在防污漆達到使用年限時必須現(xiàn)場重新涂刷，考慮到現(xiàn)場工作環(huán)境比較惡劣，難以保證施工質量，因此直接在鋼結構基礎上涂刷防污漆也不是一個理想的解決措施。針對本風場，我們的解決方案是制作玻璃鋼保護管用于包裹在鋼結構基礎外面，并在玻璃鋼保護管的外表面涂刷低表面能防污漆來防止海洋生物的附著，將來防污漆失效以后，可以將玻璃鋼保護管拆下運回工廠重新涂刷防污漆，并再次用于鋼結構基礎防止海洋生物附著。該方案避免了現(xiàn)場涂刷防污漆的工作，可以有效的保證施工質量，但是成本會比較高。

結語

海上風電有著廣闊的發(fā)展前景，但是目前鋼結構基礎的防腐仍然面臨著許多問題，尤其是海洋生物的附著問題至今未能有很好的解決辦法，雖然我國在船舶、石油鉆井平臺等行業(yè)有著大量的防海洋生物附著的措施，但是大部分的措施并不能滿足海上風電的使用要求。由于目前我國開發(fā)的海上風場主要是近海風場，在進行海上風電鋼結構基礎防腐設計時我們既要采取措施避免海洋生物對防腐層的損壞，又要兼顧對海洋生物及周圍環(huán)境的保護。為了避免海上風電鋼結構基礎防腐層的提前失效，我們在進行防腐設計時必須綜合考慮各方因素的影響，并在施工過程中嚴格按照相應規(guī)范執(zhí)行。

（作者單位：上海電氣風能有限公司）

攝影：胡健