任 偉，陳有登，謝志猛，安吉祥

(1.中廣核新能源控股有限公司，深圳 518000；2.中廣核研究院有限公司，深圳 518000)

0 引 言

風能作為一種可再生的清潔能源，正日益得到世界各國政府的重視并得到了快速的發(fā)展。目前，全球海上風電總量超過35GW，2020年全球海上風電新增裝機容量超過6GW，中國新增超3GW，占全球新增的50.45%[1]。盡管海上風電發(fā)展前景良好，但在開發(fā)和利用過程中，需要攻克和解決高溫、高濕、高鹽霧海洋環(huán)境條件下風電機組的腐蝕與防護相關(guān)的技術(shù)難點和問題，從基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)到塔架，從機艙到葉片，從各類機械部件到電器部件，均面臨著海洋腐蝕性環(huán)境的考驗。

1 海上風電機組腐蝕情況

1.1 腐蝕環(huán)境分類

海水是一種腐蝕性很強的電解質(zhì)溶液，主要由溶解質(zhì)液體、氣體和固體物質(zhì)三部分組成，其中96%～97%由水組成，3%～4%由溶解于水中的各種元素和其他物質(zhì)組成。海洋腐蝕問題相當?shù)膹?fù)雜，因為各海區(qū)環(huán)境因素不同，所以其腐蝕規(guī)律也不同，從海上風電場設(shè)施腐蝕的角度以及與海水的接觸情況來看，可將海洋環(huán)境分為海洋大氣區(qū)、浪濺區(qū)、潮汐區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)五個不同的腐蝕區(qū)帶[2]。其中海洋大氣區(qū)日照長、濕度大、鹽霧濃度高，金屬表面易形成電解液薄膜層，鹽霧中的Cl-容易穿過薄膜到達金屬表面，進而發(fā)生電化學腐蝕；浪濺區(qū)干濕交替，供氧量充足，在太陽輻射、海鹽、氧氣等因素的綜合作用下，腐蝕速率比其他區(qū)域高3～10倍，約為0.3～0.5 mm/a；潮差區(qū)處于平均高潮位和低潮位之間，作為氧濃差電池的陰極而受到保護，腐蝕速率相對較低，但鋼材表面易附著生物，從而誘發(fā)局部腐蝕；全浸區(qū)海水流速大，生物活躍，主要以電化學腐蝕為主，其腐蝕速率與含氧量(即海水深度)相關(guān)；海泥區(qū)既有土壤腐蝕特性，又存在海水腐蝕行為，但因其含氧量很低，一般受腐蝕程度相對較低。

1.2 防腐機理

目前針對海上風電腐蝕情況，一般采用的防腐蝕措施有：涂層防護、復(fù)層包覆技術(shù)(PTC)、陰極保護、預(yù)留腐蝕余量等[3-4]。

(1)涂層防腐機理

涂料是一種表面處理的方法，可有效將鋼材與腐蝕環(huán)境物理隔離，從而防止鋼表面發(fā)生腐蝕，是目前應(yīng)用最廣泛、最實用的海洋防腐方法。在防腐涂料設(shè)計中需要遵循的一個基本原則就是：基層材料底漆需要擁有較強的附著能力以及防腐能力，中間漆需與面漆及底漆結(jié)合牢固，屏蔽效果好，防止水汽、氧等腐蝕性介質(zhì)滲透，面漆則需要良好的耐候性、耐腐蝕、耐老化性能等[5]。但該方法的缺點是在受到外力碰撞作用下，涂層容易破損，且海上維修難度較大，修補效果不佳。

(2)復(fù)層包覆防腐機理

包覆防腐體系主要由礦脂防蝕膏、礦脂防蝕帶、密封緩沖層和增強玻璃鋼保護罩組成。其中，防蝕膏、防蝕帶之中含有能夠?qū)Ωg介質(zhì)侵蝕的緩釋成分；密封緩沖層和防蝕保護罩主要起隔絕海水、耐沖擊、抵御機械損傷的作用。該方法對于外附件或異型節(jié)點較多的部位存在一定的施工難度，施工工序較多，費用較高。

(3)陰極保護防腐機理

陰極保護主要是針對處于海面以下的海上風電基礎(chǔ)，可分為外加電流的陰極保護(即通過給風電基礎(chǔ)強制外加電流，使之陰極極化)和犧牲陽極的陰極保護(即使鋼管樁與電位更負的活潑金屬進行電連接)兩種。目前，國內(nèi)應(yīng)用更多的是犧牲陽極的陰極保護法，該方法無需外加輔助電源，雜電流干擾小，使用范圍較廣。國外有較多風場采用了外加電流的陰極保護法，該方法相比于前者能夠?qū)崿F(xiàn)電流的可調(diào)可控可監(jiān)測。

(4)預(yù)留腐蝕裕量

預(yù)留腐蝕裕量即根據(jù)年平均腐蝕速率以及風機設(shè)計壽命年限來適當增加鋼板材料的厚度，這種方法簡單實用，但是會增加風機重量，且鋼材浪費嚴重，經(jīng)濟性較差，一般僅作為輔助手段。

2 海上風電機組防腐蝕研究

2.1 葉片的防腐蝕研究

海上風電機組的風機葉片運行于大氣區(qū)，大多數(shù)為玻璃纖維增強復(fù)合材料，其材料的基本組成有環(huán)氧樹脂，聚酯樹脂等，其本身即具有耐腐蝕性[6]。為了減少海洋大氣中鹽分在葉片表面聚集產(chǎn)生腐蝕作用，影響發(fā)電轉(zhuǎn)化效率，可在表面采用聚氨酯面漆或聚硅氧烷面漆進行保護。目前，市場上的溶劑型涂料具有良好的耐溶劑性和耐老化性，但同時涂層的硬度較大，在受到外力沖擊時容易脫落暴露基材，對葉片失去保護作用[7]。李儒劍[8]等通過調(diào)配丙烯酸和聚酯多元醇的質(zhì)量比制備出了一種高耐磨性、耐候性的聚氨酯風機葉片涂料，克服了上述缺陷。目前，隨著環(huán)保觀念的加深，水性聚氨酯防腐涂料、無溶劑型聚氨酯涂料以及各種改性的樹脂涂料已經(jīng)成為研究熱點，傳統(tǒng)的溶劑型涂料將會逐漸退出主體市場。

2.2 塔筒的防腐蝕研究

塔筒鋼結(jié)構(gòu)多處于大氣區(qū)和浪濺區(qū)，均以防腐涂料聯(lián)合預(yù)留腐蝕裕量為主要保護手段。在GB/T 33423-2016《沿海及海上風電機組防腐技術(shù)規(guī)范》[9]中列出了不同海洋工況條件下推薦的涂層防護體系。在大氣區(qū)，防腐涂料體系推薦為環(huán)氧富鋅底漆+環(huán)氧云鐵中間漆+脂肪族聚氨酯面漆；在飛濺區(qū)，由于會受到海浪沖刷，防腐涂料體系多采用環(huán)氧玻璃鱗片或無溶劑環(huán)氧漆等。張斌[10]等通過對廣東省珠海市桂山海域上處于不同區(qū)域的破損風機塔架的形貌、涂膜厚度、附著力、電化學性能等進行測試分析，發(fā)現(xiàn)海泥區(qū)涂層阻抗、附著力、涂層完整性最高，大氣區(qū)次之，而飛濺區(qū)的涂層阻抗極低，附著力基本喪失，破壞最嚴重。江海濤[11]等對如東海上風電機組浪花飛濺區(qū)的鋼管樁進行附著力測試、表面粉化測試、保護電位測試和犧牲陽極使用情況檢測來研究了陰極保護和涂層聯(lián)合防護方法的有效性，結(jié)果表明該方法能夠有效減少腐蝕發(fā)生，滿足海上風機鋼管樁的防腐要求。劉晨[12]通過鹽霧腐蝕試驗、應(yīng)力腐蝕慢拉伸試驗、力學性能測試、電化學測試、掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)分析等方法和手段，對不同海洋腐蝕環(huán)境下塔筒的常用材料Q345鋼應(yīng)力腐蝕行為展開了研究，研究了氯鹽腐蝕和拉伸應(yīng)力對鋼腐蝕的耦合交互作用，揭示了材料的應(yīng)力腐蝕失效機制，并提出可進一步開展腐蝕-彎扭疲勞的交互作用影響機制研究。

2.3 水下基礎(chǔ)的防腐蝕研究

海上風電水下基礎(chǔ)是風機塔筒的重要支撐結(jié)構(gòu)，常見的基礎(chǔ)形式包括多樁基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)和導(dǎo)管架基礎(chǔ)，基礎(chǔ)采用的鋼管樁長期受到海水侵蝕，主要發(fā)生電化學腐蝕，主要原因是海水中的氯離子穿透并破壞鋼筋表面的堿性保護膜，導(dǎo)致鋼筋處于陽極活化狀態(tài)，進而產(chǎn)生電化學腐蝕[13-14]。目前對其防腐手段主要為陰極保護+防腐涂料+預(yù)留腐蝕裕量，其中陰極保護多采用犧牲陽極方法，常選用鋁—鋅—銦合金材料，國際上也廣泛采用外加電流陰極保護技術(shù)。王靜[15]等在綜合比較目前陰極保護技術(shù)后，提出了一種新型陰極保護技術(shù)——串式陽極及其安裝方式，結(jié)果表明其陰極保護效果良好，且大大降低了現(xiàn)場安裝施工難度。玄曉陽[16]等通過實例應(yīng)用，對比了人工巡檢和陰極保護遠程監(jiān)檢測系統(tǒng)。結(jié)果表明，陰極保護遠程監(jiān)檢測系統(tǒng)通過對鋼管樁在海水環(huán)境中的全尺度電位測量和犧牲陽極輸出電流的測量，能夠分析出陰極保護效果、犧牲陽極工作狀態(tài)、陽極壽命等，實現(xiàn)了監(jiān)檢測系統(tǒng)的智能化，明顯優(yōu)于人工巡檢。黃延琦[17]等開發(fā)了一套遠程監(jiān)測系統(tǒng)，通過自動采集和記錄被保護鋼管樁的陰極保護電位和犧牲陽極發(fā)射電流、繪制保護電位-時間曲線、犧牲陽極發(fā)射電流-時間曲線、評估陰極保護狀態(tài)、超限自動報警等功能，實現(xiàn)了實時在線監(jiān)測，大大提高了監(jiān)測工作的效率和安全。

2.4 電氣設(shè)備的防腐蝕研究

電氣設(shè)備主要包含變壓器、發(fā)電機、控制柜及驅(qū)動電機等，通常布置于塔筒和機艙這類封閉的空間中，為減小其腐蝕程度，塔筒、機艙內(nèi)部采用鹽霧過濾器和除濕機設(shè)備來過濾鹽霧、除濕和通風散熱，并形成微正壓，使得內(nèi)部空氣往外流，從而控制內(nèi)部環(huán)境[18]。不僅要控制環(huán)境中的溫濕度、鹽霧濃度等，設(shè)備自身也需要做一定的防腐處理，如變壓器表面的防腐涂層應(yīng)具有良好的耐高溫性能，以及油箱內(nèi)壁的涂層需要有良好的耐油浸特性。李穎[19]等對福建沿海地區(qū)某海上風電機組進行了為期一年的環(huán)境適應(yīng)性測試，采用電器設(shè)備腐蝕環(huán)境表征測試片對變流器、控制系統(tǒng)等關(guān)鍵電器設(shè)備服役環(huán)境進行量化表征分析，通過監(jiān)測電器設(shè)備表面Cu2O、CuO、Cu2S的薄膜厚度以及腐蝕膜厚(?)，表明該機組的電器設(shè)備所處腐蝕環(huán)境為G1等級，屬于受控環(huán)境，幾乎不會發(fā)生腐蝕。

2.5 海底電纜的防腐蝕研究

3 結(jié)束語

在海上風電開發(fā)、運行和維護過程中，腐蝕問題一直是一項極其重要的挑戰(zhàn)，做好防腐蝕工作，有利于降低全生命周期度電成本，并且提高機組的可靠性與安全性。目前，行業(yè)內(nèi)已充分認識到海洋防腐的重要性，大量學者對海上風電防腐進行了不同方面的研究，綜合考慮提出以下兩點建議：

(1)在未來的海上風電開發(fā)過程中，需要針對不同海洋區(qū)帶及機組部位，有針對性的制定詳細防腐蝕策略，并制定出相應(yīng)標準，保障機組各環(huán)節(jié)及部件正常運行；

(2)同時，有必要進一步研究海上風電機組腐蝕的全方位在線監(jiān)測技術(shù)，基于在線獲取的風電機組保護電位、環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)、設(shè)備腐蝕狀態(tài)等，建立壽命評估模型，實現(xiàn)預(yù)防性維修，降低海上風電的運維成本。