文 | 王健，高宏飆，劉碧燕

淺談海上風(fēng)電防腐技術(shù)應(yīng)用及優(yōu)化方案

文 | 王健，高宏飆，劉碧燕

海上風(fēng)電設(shè)備處于苛刻的海洋環(huán)境中，受到海水、鹽霧的侵蝕以及海浪、潮水的沖刷，如何保證風(fēng)電設(shè)備實現(xiàn)20－25年的使用壽命，是海上風(fēng)電防腐技術(shù)研究的重要課題。

江蘇海上龍源如東風(fēng)電場始建于2009年，經(jīng)過近8年的生產(chǎn)運(yùn)行管理，積累了一定的海上風(fēng)電防腐技術(shù)應(yīng)用和缺陷整改、方案優(yōu)化的經(jīng)驗，可為海上風(fēng)電場建設(shè)中防腐設(shè)計及生產(chǎn)運(yùn)行中防腐維護(hù)提供借鑒。

目前海上風(fēng)電防腐設(shè)計及存在問題

一、海上風(fēng)電防腐設(shè)計

按國際標(biāo)準(zhǔn)組織《鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝規(guī)范》ISO 12944腐蝕環(huán)境分類、《海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》JTS153-3-2007，海上風(fēng)電機(jī)組、塔筒處于C5-M（暴露在海洋大氣部分）或C5、C4（塔筒內(nèi)設(shè)備）腐蝕環(huán)境，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)處于Im2腐蝕環(huán)境。采用的防腐設(shè)計主要有：選用耐蝕材料，腐蝕裕量設(shè)計，防腐涂層，包覆防腐，陰極保護(hù)（犧牲陽極、外加電流）。

江蘇海上龍源如東風(fēng)電場位于黃海東岸，現(xiàn)有155臺機(jī)組，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)包括三種類型：混凝土承臺、多管樁及單管樁鋼構(gòu)基礎(chǔ)。風(fēng)電場位于如東爛沙海域，海水為微混濁咸水，鹽度約26.2‰，pH8.0，懸浮物52－63 mg/L，溶解氧10.4 mg/L。海水對混凝土結(jié)構(gòu)弱腐蝕，對鋼結(jié)構(gòu)中等腐蝕，干濕交替下對鋼結(jié)構(gòu)及混凝土中鋼筋強(qiáng)腐蝕。

防腐設(shè)計方案：主要分為混凝土承臺、鋼構(gòu)基礎(chǔ)、塔筒，共3大類方案。具體如下：

混凝土承臺：海上試驗風(fēng)電場最早建設(shè)了7基鋼筋混凝土低樁承臺基礎(chǔ)，采用加大鋼筋外保護(hù)層厚度、摻入阻銹劑等防止鋼筋銹蝕，浪花飛濺區(qū)和潮差區(qū)則采用結(jié)構(gòu)表面硅烷浸漬（輥涂）防腐方案。

鋼構(gòu)基礎(chǔ)：采用“涂層+犧牲陽極陰極保護(hù)”防腐方案，涂層為“玻璃鱗片環(huán)氧漆+脂肪族聚氨酯面漆”，總干膜厚度800μm。

塔筒：涂層方案包括兩大類，（1）“環(huán)氧富鋅底漆+厚漿型環(huán)氧云鐵中間漆/高固態(tài)厚膜型聚酰胺固化環(huán)氧漆+脂肪族聚氨酯面漆”，總干膜厚度320μm；（2）對于少數(shù)塔筒，考慮到底段位置低、可能有海浪飛濺，采用“改性環(huán)氧樹脂漆+厚漿型環(huán)氧云鐵中間漆+改性環(huán)氧樹脂漆”，總干膜厚度660μm；或“聚酰胺固化環(huán)氧通用底漆+環(huán)氧玻璃鱗片漆”，總干膜厚度800μm。

二、目前存在問題

存在的主要問題表現(xiàn)在：混凝土承臺運(yùn)行3－5年后，表面陸續(xù)出現(xiàn)鋼筋銹蝕現(xiàn)象；鋼構(gòu)基礎(chǔ)潮差區(qū)海生物生長嚴(yán)重、涂層破壞大，現(xiàn)場修補(bǔ)難度大、質(zhì)量難保證；同時涂層損壞又引發(fā)犧牲陽極塊消耗大、陰極保護(hù)電位正移大，按現(xiàn)有正移速度推算，即將到達(dá)陰極保護(hù)電位臨界值-0.85mV（銅/硫酸銅參比電極），遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)25年使用壽命的要求；個別塔筒防腐涂層出現(xiàn)粉化。

（一） 混凝土承臺表面出現(xiàn)早期銹蝕

運(yùn)行三、四年后出現(xiàn)鋼筋混凝土承臺表面硅烷涂層破損，受海水的腐蝕，混凝土中的鋼筋出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，如圖1所示。

鋼筋混凝土承臺腐蝕電位檢測發(fā)現(xiàn)，自然腐蝕電位檢測結(jié)果在-0.695－-0.845 V之間（表1）。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM C-876，腐蝕電位負(fù)于-0.350V時，發(fā)生腐蝕的概率高于90%。

（二） 多管樁基礎(chǔ)潮差區(qū)涂層防腐遭遇挑戰(zhàn)、陰極保護(hù)有待完善

多管樁基礎(chǔ)設(shè)計了涂層+犧牲陽極陰極保護(hù)。鋼構(gòu)基礎(chǔ)潮差區(qū)海生物生長嚴(yán)重（圖2），海生物脫落加重涂層破壞、鋼構(gòu)腐蝕。潮水漲落使現(xiàn)場涂層修補(bǔ)難度大、質(zhì)量難保證。潮差區(qū)的涂層防腐遭遇挑戰(zhàn)。

多管樁的犧牲陽極陰極保護(hù)，則主要存在以下問題：（1）試驗風(fēng)電場存在因設(shè)計高度偏差、4臺多管樁基礎(chǔ)斜撐桿上陽極塊長時間裸露在空氣中的情況，無法起到保護(hù)作用；（2）1臺風(fēng)電機(jī)組因基礎(chǔ)周圍海床沖刷，低潮位期間犧牲陽極塊全部裸露（圖7），無法起到保護(hù)作用；（3）1臺多管樁基礎(chǔ)的1個陽極塊完全溶解、只剩下焊腳；1臺風(fēng)電機(jī)組的1個獨樁，僅設(shè)計1個犧牲陽極塊，無冗余，一旦該陽極塊掉落則失去保護(hù)。

圖1 運(yùn)行3年的#47承臺

表1 鋼筋混凝土承臺腐蝕電位

（三） 單管樁基礎(chǔ)沉樁期間涂層損壞大、維護(hù)困難

單管樁基礎(chǔ)主要存在兩大問題：一是施工沉樁期間，替打法蘭和樁頭固定位置涂層損壞大，現(xiàn)場維護(hù)困難；二是存在部分單管樁陰極保護(hù)電位正移太快的情況，如表2所示，存在即將達(dá)到保護(hù)臨界值的可能，不能滿足設(shè)計壽命的要求。

（四） 塔筒存在個別機(jī)位防腐涂層粉化

通過對運(yùn)行5年的塔筒進(jìn)行詳細(xì)涂層檢查，發(fā)現(xiàn)個別塔筒外壁出現(xiàn)防腐涂層粉化，判斷其程度為1.5－2級，不滿足20年防腐要求。

問題分析

一、海上風(fēng)電設(shè)備腐蝕原理

圖2 #39多管樁基礎(chǔ)海生物生長嚴(yán)重

圖3 潮差區(qū)附近的宏電池腐蝕

表2 部分單管樁陰極保護(hù)電位正移太快

海上風(fēng)電設(shè)備的腐蝕源：氧氣、海水、氯離子、紫外線等。腐蝕類型，多屬于金屬的電化學(xué)腐蝕。腐蝕特點：飛濺區(qū)和潮差區(qū)干濕交替、浪花沖擊，腐蝕速度最大。腐蝕原理：微電池和宏電池的共同作用，潮濕環(huán)境下的金屬表面形成無數(shù)個腐蝕微電池，陽極區(qū)金屬溶解、腐蝕；處于海水環(huán)境的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)，潮差區(qū)附近又形成一個宏電池（圖3），加速腐蝕。

二、目前所存在問題的分析

海上風(fēng)電設(shè)備的防腐設(shè)計思路：隔離腐蝕源。例如：防腐涂層、包覆防腐，加熱，防鹽霧、防潮氣；使設(shè)備成為陰極，從而不發(fā)生腐蝕，即陰極保護(hù)。

（一） 混凝土承臺需提高涂層防腐效果，同時采用陰極保護(hù)。

海洋工程環(huán)境中使用的鋼筋混凝土，受海水、鹽霧的環(huán)境影響，因碳化作用降低混凝土的pH值，破壞堿性環(huán)境；侵蝕性氯離子競爭吸附鋼筋表面的活性位，破壞表面的鈍化膜，引起鋼筋腐蝕?？梢姡摻罨炷脸信_，一旦涂層破損，易發(fā)生腐蝕，需及時采取措施進(jìn)行腐蝕防護(hù)。

措施：隔離腐蝕源，并使基礎(chǔ)陰極極化，即防腐涂層修補(bǔ)，同時采用陰極保護(hù)防腐。

（二） 多管樁基礎(chǔ)需優(yōu)化陰極保護(hù)

多管樁鋼構(gòu)基礎(chǔ)的問題，綜合成兩點：浪濺潮差區(qū)防腐涂層隔離腐蝕源失效；犧牲陽極塊掉落，或者由于設(shè)計、環(huán)境變化原因，導(dǎo)致犧牲陽極塊露出水面以上，阻礙了犧牲陽極塊陰極保護(hù)防腐作用的發(fā)揮。

對于有1個犧牲陽極塊全部溶解的情況，初步分析為潮水浸蝕、犧牲陽極塊本身有瑕疵導(dǎo)致的焊腳位置陽極塊加速溶解、陽極塊與焊腳徹底脫離而掉落，并排除涂層大面積剝落、犧牲陽極塊批量質(zhì)量問題、雜散電流等原因引起陽極塊過早消耗的可能性。

（三） 單管樁基礎(chǔ)采用浪濺區(qū)包覆防腐

主要存在犧牲陽極塊保護(hù)電位正偏移太快的情況?？刹扇≡黾影惭b犧牲陽極塊，或采用浪濺區(qū)包覆防腐作為補(bǔ)充措施。

（四） 塔筒面漆選型不低于脂肪族聚氨酯

資料顯示：少數(shù)機(jī)位的底段塔筒面漆設(shè)計，由于側(cè)重于考慮海水飛濺效應(yīng)，而忽視了紫外線對環(huán)氧樹脂油漆的加速老化、粉化作用，忽視了脂肪族聚氨酯面漆對環(huán)氧中間漆的保護(hù)作用，導(dǎo)致個別機(jī)位底段塔筒出現(xiàn)涂層粉化。

優(yōu)化方案

為保證海上風(fēng)電設(shè)備安全，需對目前存在的防腐涂層、陰極保護(hù)應(yīng)用中的問題進(jìn)行整改和優(yōu)化。具體如下：針對混凝土承臺表層生銹情況，對混凝土承臺涂層進(jìn)行整體維護(hù)，同時進(jìn)行技改，增加犧牲陽極陰極保護(hù)；針對多管樁潮差區(qū)涂層破損多、修補(bǔ)難度大的問題，采用包覆防腐方案進(jìn)行施工，并增加安裝犧牲陽極塊；對單管樁基礎(chǔ)，采用浪濺潮差區(qū)包覆防腐；增加安裝犧牲陽極塊；同時進(jìn)行陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控和外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用研究，并采用BEASY軟件模擬電位分布，優(yōu)化犧牲陽極、輔助陽極的布置，確保保護(hù)電位均勻，避免出現(xiàn)過保護(hù)或欠保護(hù)。

一、混凝土承臺

（一） 涂層整體維護(hù)

混凝土承臺涂層整體維護(hù)：進(jìn)行整體打磨（除海生物、除銹）、高壓淡水沖洗。吹干后，采用“特奈麥克/ TNEMEC Series 201+氣相二氧化硅”環(huán)氧水性改性砂漿膩子抹平小孔+環(huán)氧玻璃鱗片涂料底漆350μm+環(huán)氧玻璃鱗片涂料中間漆400μm+脂肪族聚氨酯面漆60μm的防腐涂料噴涂工藝（圖4）。

（二） 陰極保護(hù)技改

針對混凝土承臺無陰極保護(hù)設(shè)計、本體出現(xiàn)早期腐蝕的情況，進(jìn)行技改增加犧牲陽極塊。選用犧牲陽極塊型號：A21I-7（表3）。

材料要求：犧牲陽極塊符合《鋁—鋅—銦系合金犧牲陽極》（GB/T 4948-2002）要求；制作廠家資質(zhì)、犧牲陽極塊進(jìn)場驗收程序、化學(xué)組成和電化學(xué)性能符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，并確認(rèn)原材料不是回收鋁。

施工要求：應(yīng)滿足陽極塊浸沒在海水中，保證陽極塊與混凝土承臺實現(xiàn)電連接、且不破壞混凝土本體，犧牲陽極塊與混凝土承臺接觸電阻小于0.01歐姆。

安裝和運(yùn)行效果如圖5所示。

二、多管樁

（一） 浪濺潮差區(qū)技改增加包覆防腐

圖4 混凝土承臺涂層整體維護(hù)（打磨、沖洗、噴涂）

表3 犧牲陽極塊型號、規(guī)格

針對浪濺潮差區(qū)防腐涂層破損多、修補(bǔ)難度大的情況，采用包覆防腐方案施工（圖6），保證浪濺潮差區(qū)的防腐效果。

（二） 陰極保護(hù)整改優(yōu)化

多管樁基礎(chǔ)整改包括兩方面：因設(shè)計缺陷、在水面以上的犧牲陽極塊，進(jìn)行下移安裝；對于因地形、地貌變化導(dǎo)致陽極塊露出水面的，獨樁設(shè)計只有一個陽極塊，以及陽極塊掉落的，采取增加安裝犧牲陽極塊的措施進(jìn)行整改。

三、單管樁

（一） 浪濺潮差區(qū)技改增加包覆防腐

浪濺潮差區(qū)采用涂層+包覆防腐方案。包覆防腐系統(tǒng)由四層緊密相連的保護(hù)層組成，即防蝕膏、防蝕帶、聚乙烯泡沫和玻璃鋼或者增強(qiáng)玻璃鋼防蝕保護(hù)罩（圖8）。其中防蝕膏和防蝕帶添加有抗腐蝕材料，具有優(yōu)良的保護(hù)性、粘附性、與水和空氣隔絕性；加上堅硬的固體玻璃鋼保護(hù)罩，可以達(dá)到更好的保護(hù)效果（圖9）。

（二） 陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控及外加電流陰極保護(hù)應(yīng)用研究

圖5 犧牲陽極塊安裝（左）、運(yùn)行保護(hù)（右）

圖6 多管樁基礎(chǔ)包覆前后對比

圖7 犧牲陽極塊增加安裝前后

按《港工設(shè)施犧牲陽極保護(hù)設(shè)計和安裝》（GJB 156A-2008）及《海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》（JTS 153-3-2007）規(guī)定：陰極保護(hù)系統(tǒng)電位檢測應(yīng)一年一次。海上風(fēng)電通達(dá)性差，人工檢測工作量大、安全風(fēng)險大，為此進(jìn)行陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控及外加電流陰極保護(hù)應(yīng)用研究。研究后發(fā)現(xiàn)：遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工測試數(shù)據(jù)吻合性較好，可大力提高工作效率和自動化程度。

外加電流陰極保護(hù)研究，在直徑5.6m單管樁上進(jìn)行，保護(hù)面積約800m2。系統(tǒng)主要由恒電位儀、輔助陽極、參比電極、陽極屏蔽涂料、海洋工程專用電纜、監(jiān)測系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)安裝前，需確認(rèn)其認(rèn)證證書、材料質(zhì)量證明書、檢測及試驗報告。系統(tǒng)安裝后，保護(hù)電位達(dá)到規(guī)范要求范圍。

調(diào)試期間，為避免過保護(hù)，將設(shè)定值由-1.019－-0.994V（圖10）調(diào)整為-0.9538－ -0.9622 V（銅/飽和硫酸銅參比電極）。

四、塔筒

為提高塔筒防腐壽命，主要著手于底漆、中間漆、面漆的選型。

塔筒外表面防腐借鑒西門子風(fēng)電機(jī)組C5-M環(huán)境防腐方案：采用熱噴鋅取代富鋅底漆。中間漆采用環(huán)氧云鐵中間漆。面漆要求耐太陽暴曬，抗紫外線，抵御褪色、變色、龜裂、粉化和剝落的能力強(qiáng)，以維持涂層防銹性能，選用聚氨酯面漆或者4F氟碳涂料。

圖8 鋼樁包覆層修復(fù)技術(shù)示意圖

圖9 單管樁基礎(chǔ)包覆防腐效果

圖10 外加電流系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)（鋅參比電極）

優(yōu)化效果

表4 陰極保護(hù)電位

通過整改、優(yōu)化，從陰極保護(hù)電位檢測數(shù)據(jù)看，海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的保護(hù)狀態(tài)都得到明顯改善?；炷脸信_安裝犧牲陽極塊后，已處于正常陰極保護(hù)狀態(tài)（表4）；多管樁在包覆施工后，克服了涂層修補(bǔ)難度大的問題（圖6）；單管樁在包覆防腐施工后，陰極保護(hù)電位已經(jīng)基本穩(wěn)定不再正偏移（表5）。

一、混凝土承臺

通過涂層整體維護(hù)和安裝犧牲陽極塊后，混凝土承臺表面腐蝕得到有效控制，承臺也在陰極保護(hù)電位正常范圍（表4）。

由表可見，安裝犧牲陽極塊后，混凝土承臺檢測電位明顯負(fù)移，除1臺低潮位期間電位稍偏正，其余都受到良好的陰極保護(hù)。

二、多管樁基礎(chǔ)

整改后保護(hù)電位均合格。以獨樁為例，高潮位期間保護(hù)電位為-1.0097－-1.0264V。

表5 包覆前后單管樁基礎(chǔ)陰極保護(hù)電位對比

三、單管樁基礎(chǔ)

數(shù)據(jù)顯示：自從對單管樁進(jìn)行包覆防腐后，陰極保護(hù)電位已基本穩(wěn)定無正移（表5）。顯示包覆對基礎(chǔ)防腐效果良好，包覆與陰極保護(hù)相結(jié)合，能有效保證基礎(chǔ)安全。

結(jié)論

綜上所述，海上風(fēng)電防腐技術(shù)應(yīng)用及優(yōu)化方案，主要需要注意以下幾點：

（1）對于浪濺潮差區(qū)防腐涂層破損修補(bǔ)難度大的問題，包覆防腐是一個很好的解決方法。

（2）海上風(fēng)電混凝土承臺和鋼構(gòu)基礎(chǔ)，都宜在水下采取陰極保護(hù)防腐方案。有條件的，建議對浪濺潮差區(qū)采用包覆防腐。

（3）隨著海上風(fēng)電場規(guī)模的擴(kuò)大、離岸距離的增加，應(yīng)考慮遠(yuǎn)程監(jiān)控項目及外加電流陰極保護(hù)等自動化程度高的陰極保護(hù)技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用。

（作者單位：江蘇海上龍源風(fēng)力發(fā)電有限公司）