文／崔立川 吳云青 蘇萌 姚亮

海上風(fēng)電鋼制基礎(chǔ)的防腐質(zhì)量控制分析

文／崔立川 吳云青 蘇萌 姚亮

與陸上風(fēng)電場相比,海上風(fēng)電場具有風(fēng)能資源儲量大、開發(fā)效率高、環(huán)境污染小、不占用耕地等優(yōu)點。然而海上風(fēng)電運行環(huán)境十分復(fù)雜：高溫、高濕、高鹽霧和長日照等眾多影響因素對海上風(fēng)電設(shè)備的腐蝕防護提出了嚴峻挑戰(zhàn)。防腐蝕設(shè)計已成為海上風(fēng)電場設(shè)計的重要環(huán)節(jié)之一。

目前海上風(fēng)電鋼制基礎(chǔ)的防腐系統(tǒng)，雖可參考海洋石油平臺、船舶、跨海大橋以及海底管線等的防腐經(jīng)驗，但海上風(fēng)電鋼制基礎(chǔ)在運行要求及防腐處理上區(qū)別也很大，直接借鑒上述設(shè)施的防腐方案無法滿足海上風(fēng)電基礎(chǔ)防腐質(zhì)量要求。

海上風(fēng)電基礎(chǔ)的腐蝕環(huán)境特點

海上風(fēng)電基礎(chǔ)因各部位所處海洋環(huán)境可劃分為五個區(qū)域：大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)，圖1是鋼樁在美國KURE BEACH（基爾海濱）中暴露5年后的腐蝕示意圖。

一、海洋大氣腐蝕

海洋大氣具有濕度大、鹽分多、干濕循環(huán)效應(yīng)強等特點，鋼結(jié)構(gòu)表面形成無數(shù)的原電池，從而引起鋼結(jié)構(gòu)的電化學(xué)腐蝕。

二、飛濺區(qū)的腐蝕

飛濺區(qū)是指平均高潮線以上海浪飛濺所能濕潤的區(qū)段。在此區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)表面的腐蝕不但海洋大氣中腐蝕因素的影響，還要受到海浪的有力沖擊，此外，該區(qū)域氧的去極化作用很強。由圖1可以看出，飛濺區(qū)是五個區(qū)域中腐蝕最嚴重的部位。

三、潮差區(qū)的腐蝕

在潮差區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)表面長期與飽和空氣的海水相接觸。潮流會加劇鋼鐵的腐蝕。在冬季有浮冰的海域，潮差區(qū)的鋼制基礎(chǔ)還會受浮冰的撞擊。

由圖1可見，鋼樁在潮差帶出現(xiàn)腐蝕最低值。

四、全浸區(qū)的腐蝕

單樁和導(dǎo)管架的中下部位全浸于海水中，遭受腐蝕影響因素較多，其中溶解氧的存在對該區(qū)域腐蝕影響較大。

五、海泥區(qū)腐蝕

鋼制基礎(chǔ)在海泥區(qū)部分的腐蝕，該區(qū)域主要受沉積物的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、生物性質(zhì)和細菌的影響。

防腐系統(tǒng)設(shè)計

針對使用海洋腐蝕環(huán)境的不同應(yīng)選擇不同的防腐方案。

根據(jù)ISO 12944－2要求，海上風(fēng)電基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)表面屬于C5－M或Im2腐蝕環(huán)境類別。其中鋼管樁外表面、防撞構(gòu)件、電纜管表面及外平臺以下區(qū)域的螺栓螺母為Im2環(huán)境，其余均為C5－M環(huán)境。涂料的類型主要是富鋅涂料、環(huán)氧漆和聚氨酯涂料,它們具有較高的品質(zhì)和耐久性。

目前，國內(nèi)在建海上風(fēng)電場主要位于潮間帶和淺海區(qū)，如何有效防范電化學(xué)和生物腐蝕，是需要著重解決的問題。應(yīng)選取海工重防腐涂層加犧牲陽極的陰極保護系統(tǒng)的聯(lián)合防腐方案，或是海工重防腐涂層結(jié)合外加電流的陰極保護系統(tǒng)。

圖1 鋼樁在海濱試驗5年后的腐蝕示意圖

一、預(yù)防結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷

防腐系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要多個專業(yè)協(xié)同設(shè)計才能滿足飛濺區(qū)最好的防腐效果。

首先，結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該考慮到易于進行表面處理、油漆涂裝、涂層檢測和防腐維修。因此應(yīng)在設(shè)計過程的早期就咨詢腐蝕防護專家。

其次，就涂層系統(tǒng)而言，應(yīng)根據(jù)基樁實際所處的實際環(huán)境，在實驗室中精確的模擬現(xiàn)場情況，以便更好的評估油漆系統(tǒng)服務(wù)壽命，避免后期因修補造成的損失。

二、海工重防腐涂層系統(tǒng)設(shè)計

（一）大氣區(qū)的防腐設(shè)計

海上風(fēng)電基礎(chǔ)的鋼樁頂端內(nèi)表面、爬梯、欄桿、樁內(nèi)平臺、外平臺等處在海洋大氣腐蝕區(qū)，鋼樁頂端內(nèi)表面可選用改性環(huán)氧封閉漆加改性環(huán)氧耐磨漆的防腐涂層系統(tǒng)，爬梯、欄桿、外平臺等選用熱浸鍍鋅外加環(huán)氧封閉漆及聚氨酯面漆覆蓋的防護涂層。

（二）飛濺區(qū)和潮差區(qū)的防腐設(shè)計

頂端鋼樁的外表面、防撞構(gòu)件、電纜管的表面和外平臺以下區(qū)域的螺栓、螺母位于飛濺區(qū)/潮差區(qū)，鋼制基礎(chǔ)處在該區(qū)的部位是防腐的重點區(qū)域。一旦在這個區(qū)域發(fā)生嚴重的局部腐蝕破壞，會使整座鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施大大降低承載力，縮短使用壽命，影響安全生產(chǎn)，甚至導(dǎo)致設(shè)施提前報廢。

針對該區(qū)鋼構(gòu)件腐蝕加劇的特點，鋼樁外表面可采用環(huán)氧富鋅底漆作為底涂層，環(huán)氧玻璃鱗片涂料為中間涂層，最外加脂肪族聚氨酯面漆，干膜厚度在750μm 左右。防撞構(gòu)件、電纜管的表面，可采用熱浸鍍鋅，再用環(huán)氧封閉漆、環(huán)氧玻璃鱗片、脂肪族聚氨酯面漆依次覆蓋的方案，干膜厚度在650μm左右。

借鑒海上石油平臺在此區(qū)域的防腐經(jīng)驗，還可在增加鋼結(jié)構(gòu)壁厚或附加10mm－13mm厚防腐蝕鋼板來緩沖浪濺腐蝕。

（三）防腐涂層系統(tǒng)的推薦方案

根據(jù)實驗室涂層測試，海上掛片試驗，借鑒國內(nèi)海上風(fēng)電基礎(chǔ)的防腐方案，對于處在潮間帶等近海區(qū)域海上風(fēng)電鋼制基礎(chǔ)，推薦的防腐涂層體系如表1所示。

三、涂層系統(tǒng)的質(zhì)量檢驗

涂裝完成后應(yīng)按《漆膜厚度測定方法》（GB/ T13452.2）規(guī)定的辦法測定涂層干膜厚度，干膜厚度應(yīng)大于或等于設(shè)計厚度值者應(yīng)占監(jiān)測點總數(shù)的90%以上，其余測點的干膜厚度也不應(yīng)低于90%的設(shè)計厚度值。電火花檢漏按NACE SP0188執(zhí)行；針孔數(shù)不應(yīng)超過檢驗點總數(shù)的20%。

防腐涂料性能應(yīng)按《船舶漆 耐鹽水性的測定 鹽水和熱鹽水浸泡法》（GB/T10834）、《色漆和清漆拉開法附著力試驗》（GB/T5210）等進行檢驗，涂料性能要求應(yīng)符合表2的規(guī)定。

四、陰極保護系統(tǒng)

處在海水區(qū)、海泥區(qū)的鋼制基礎(chǔ)，可選用陰極保護方法作為防腐方案，該方案為電化學(xué)防腐。

（一）犧牲陽極的陰極保護

采用陰極保護的鋼結(jié)構(gòu)必須確保每一設(shè)計單元或整體具有良好的通電連續(xù)性，連接點面積應(yīng)大于連接用鋼筋或電纜的截面積，連接電阻不應(yīng)大于0.01Ω,以保證總保護電流?？偙Ｗo電流可按如下公式計算：

I=∑In+If（ 1）

∑In=∑insn（2）

式中， I—總保護電流（A）；

In—被保護鋼結(jié)構(gòu)各分部位的保護電流（A）；

If—其他附加保護電流（A）；

in—被保護鋼結(jié)構(gòu)各分部位的初期保護電流密度（A/ m2）；

sn—被保護鋼結(jié)構(gòu)各分部位的保護面積（m2）

（二）外加電流的陰極保護系統(tǒng)

外加電流陰極保護系統(tǒng)工程包括：鋼樁電性連接、陽極（參比電極）安裝、負極連接施工、電纜敷設(shè)、變壓整流器安裝調(diào)試、系統(tǒng)試運行等工序。

外加電流陰極保護系統(tǒng)使防腐工作從過去的粗放型管理一躍成為可視化、數(shù)字化、遠程化、專業(yè)化的先進管理模式。

表1 防腐涂層配套體系表

表2 防腐涂層性能要求

施工與維護中的質(zhì)量控制

一、涂層系統(tǒng)施工

（一）涂料質(zhì)量控制

通過對國外海上風(fēng)電風(fēng)電防腐失效案例進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)：油漆的質(zhì)量問題是造成海上防腐涂層系統(tǒng)的過早失效的主要原因之一。正因此，在選擇油漆供應(yīng)商時應(yīng)要求其具有海上工程使用10年以上的良好業(yè)績，采用的防腐涂層配套體系必須在海上工程有實際使用業(yè)績。此外，油漆采購方還應(yīng)加強油漆質(zhì)量管理控制，嚴格落實油漆進廠復(fù)驗。

（二）施工環(huán)境的要求

防腐涂層施工對環(huán)境針對性要求很高，因此必須嚴格控制涂層施工環(huán)境。海上風(fēng)電基礎(chǔ)的防腐施工環(huán)境應(yīng)滿足下列要求：

（1）表面處理和防腐涂層施工應(yīng)在通風(fēng)和照明良好的室內(nèi)進行；

（2）常溫型防腐涂層施工環(huán)境溫度范圍為5℃－40℃；當環(huán)境溫度低于-5℃時嚴禁進行防腐涂層施工；

（3）當風(fēng)速大于6.7m/s,嚴禁進行防腐涂層施工；

（4）當鋼材底層表面未干、被污染或表面溫度大于45℃時，嚴禁進行防腐涂層施工。

（三）表面處理

據(jù)統(tǒng)計，高達75%的早期涂料缺陷是完全或部分由表面處理不充分或不正確而引起的?？梢?，表面處理是影響涂層壽命的第一要素。

處在飛濺區(qū)及全浸區(qū)的鋼樁表面處理等級要求達到Sa2.5級，平均粗糙度要達到50μm－80μm，符合《涂裝前鋼材表面腐蝕等級和防腐等級》（GB8923）要求；第一道涂層為熱鍍鋅時，鋼材表面除銹等級要達到Sa3級，平均粗糙度要達到50μm－100μm。表面粗糙度除滿足涂層系統(tǒng)的技術(shù)要求外，還應(yīng)根據(jù)ISO8502－6和8502－9進行可溶性鹽檢驗，控制表面鹽度在25μg/m2以下。進行表面處理或防腐涂層施工時，鋼結(jié)構(gòu)表面溫度應(yīng)至少高于露點3℃以上，空氣相對濕度要低于80%。不能噴砂的部位，應(yīng)按照SSPC－SP 11使用動力工具處理至裸鋼。

（四）油漆涂層施工

噴涂底漆應(yīng)在噴砂除銹后4h內(nèi)進行，防止因久置引起表面生銹或污物附著，進而影響底漆質(zhì)量。為了避免漏點和薄點，通常至少需要2道以上的涂層系統(tǒng)。

中間漆和面漆就是在底漆的基礎(chǔ)上刷涂2道或2道以上的厚膜型環(huán)氧耐磨漆或環(huán)氧玻璃鱗片涂料，外加1道聚氨酯面漆，以提高涂料在特殊腐蝕環(huán)境的防腐性能。

二、熱浸鍍鋅

防撞構(gòu)件、電纜管、爬梯、圍欄、平臺等內(nèi)附件完成后宜整體進行熱浸鍍鋅，當不具備整體熱浸鍍鋅條件時，可按部件熱浸鍍鋅后再進行焊接，焊后應(yīng)對節(jié)點處的遭損傷的熱浸鍍鋅層進行表面處理。通過國內(nèi)外海上使用經(jīng)驗來看，熱浸鍍鋅層暴露在飛濺區(qū)和全浸區(qū)時會作為陽極犧牲自己，很快破壞或失效，因此在這些區(qū)域不宜獨立使用熱浸鍍鋅，應(yīng)在鍍鋅處理后預(yù)涂環(huán)氧封閉漆，最終用防腐涂層來覆蓋。

三、陰極保護系統(tǒng)的安裝

犧牲陽極一般采用鋁合金系列材料，犧牲陽極安裝需嚴格按照施工圖進行，竣工后，投入正常使用前，檢測其保護電位并滿足設(shè)計要求。

四、設(shè)計及使用維護中需注意的問題

（一）機械損傷的防治

海上風(fēng)電鋼制基礎(chǔ)在運輸及吊裝過程中，由于使用支撐、鋼絲繩等與鋼制基礎(chǔ)表面接觸易引起的涂層磨損。此外，漁民海上養(yǎng)殖及捕魚作業(yè)中易發(fā)生對風(fēng)機基礎(chǔ)的碰撞而造成的涂層損傷，再就是潮差區(qū)冬季浮冰的沖撞造成涂層的破壞。

針對機械損傷問題的控制措施：（1）在防腐系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)將機械損傷預(yù)防考慮進去，比如選取玻璃鱗片防腐涂層系統(tǒng)設(shè)計厚度應(yīng)至少在0.5mm以上，鋼制基礎(chǔ)周圍加防撞設(shè)施；（2）應(yīng)制定專門的運輸及吊裝方案，最大可能地減低人為破壞，比如運輸支撐與鋼制基礎(chǔ)之間加墊子，在吊裝鋼絲繩與鋼制基礎(chǔ)之間加橡膠墊。（3）當發(fā)現(xiàn)機械損傷時及時修補，防止腐蝕加劇。

（二）治理海洋生物附著

海洋環(huán)境中的苔蘚蟲、石灰蟲等海生物附著對于飛防腐涂層系統(tǒng)的腐蝕破壞現(xiàn)象很明顯。因此，防腐系統(tǒng)設(shè)計與維護中需采取控制措施，控制措施主要有：（1）設(shè)計防腐系統(tǒng)是應(yīng)將如何海生物附著考慮在內(nèi)，如在涂層系統(tǒng)中使用辣椒素，防止藻類、貝類、軟體動物等海生物的附著；（2）定期對附著在鋼制基礎(chǔ)上的海生物進行清除。

結(jié)語

本文是在對數(shù)十個海上風(fēng)電鋼樁追蹤研究后，對防腐系統(tǒng)從設(shè)計、檢驗到使用維護整個過程進行總結(jié)分析，歸納出保證防腐系統(tǒng)使用壽命的方法。海上風(fēng)電鋼樁基礎(chǔ)防腐應(yīng)以前期設(shè)計為主，采取海工重防腐涂層加陰極保護系統(tǒng)的聯(lián)合防腐方案，并在施工與維護中加強控制。

（作者單位：崔立川、蘇萌、姚亮：中能電力科技開發(fā)有限公司；吳云青：國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司）