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        海洋風(fēng)電導(dǎo)管架腐蝕防護(hù)典型案例研究

        2022-04-27 03:28:20衛(wèi)旭敏張劍明
        全面腐蝕控制 2022年3期
        關(guān)鍵詞:法蘭陽極風(fēng)電

        趙 帥 衛(wèi)旭敏 張劍明 鄧 凱

        (中海福陸重工有限公司,廣東 珠海 519000)

        0 引言

        在碳中和的大背景下,如何由傳統(tǒng)的能源消耗型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型為以風(fēng)能、太陽能為主的綠色能源體系是全人類的共同難題,中國當(dāng)然不能置之度外。目前來看,風(fēng)力發(fā)電是僅次于水力發(fā)電的第二低成本的可再生能源。我國擁有超過1.8萬千米的海岸線,可利用的海上風(fēng)力發(fā)電面積不小于350萬平方米,70m高度以下的風(fēng)電可開發(fā)資源量約為5億KW,而隨著開發(fā)能力的提升,實(shí)際可開發(fā)的資源量可能更多。

        1 概述

        海上風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目,通常由塔架,過渡段、水下樁基結(jié)構(gòu)和樁基部分組成,水下樁基結(jié)構(gòu)又分為導(dǎo)管架式、單樁式、三腳架式等類型,如如圖1所示。導(dǎo)管架式,一般由風(fēng)機(jī)接口法蘭、外部平臺(tái)、過渡段、內(nèi)部平臺(tái)、導(dǎo)管架主體和海底吸力桶等結(jié)構(gòu)組成,導(dǎo)管架主體是由穩(wěn)定支撐的三角框架組成的多樁結(jié)構(gòu),由于導(dǎo)管架拉筋和導(dǎo)管腿尺寸較單樁式小,因此幾乎無海水的阻力,是一種典型的風(fēng)電水下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

        圖1 三種典型的海上風(fēng)電樁基結(jié)構(gòu)

        海上風(fēng)電相較于陸上風(fēng)電,優(yōu)點(diǎn)突出的同時(shí),缺點(diǎn)也同樣突出,海上風(fēng)電場的安裝就是一筆不小的費(fèi)用,而且在海上會(huì)遇到更復(fù)雜、更難以解決的問題,海上風(fēng)電場的腐蝕問題就是其中之一。海洋本身的復(fù)雜、惡劣、高鹽霧環(huán)境,因此海上風(fēng)電的維護(hù)成本高出陸地許多,主要結(jié)構(gòu)件的腐蝕隱患將會(huì)給海上風(fēng)電設(shè)備帶來災(zāi)難性的安全事故。因此非常有必要對海上風(fēng)電的環(huán)境耐久性關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研究,解決關(guān)鍵技術(shù)難題,從而提升產(chǎn)品服役壽命,減少風(fēng)力發(fā)電因停機(jī)故障而造成的間接經(jīng)濟(jì)損失,節(jié)約運(yùn)行過程中人力物力維護(hù)成本,增長效益。本文將對海上風(fēng)電導(dǎo)管架不同位置分別進(jìn)行腐蝕情況分析,綜合闡述海上風(fēng)電導(dǎo)管架腐蝕防護(hù)的設(shè)計(jì)方法。

        2 腐蝕環(huán)境分析及涂層體系設(shè)計(jì)

        海洋環(huán)境應(yīng)按照從上到下對腐蝕區(qū)域進(jìn)行劃分,分為海洋大氣區(qū)、飛濺區(qū)、海水浸沒區(qū)和海底埋沒區(qū),按照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 12944 2017-2018版本的規(guī)定[1],海洋大氣區(qū)的外表面和飛濺區(qū)通常歸屬于C5/CX腐蝕環(huán)境,而海水浸沒區(qū)和埋沒區(qū)通常歸屬于Im3/Im4等腐蝕環(huán)境。隨著人類對海洋的不斷探索,要在合適的項(xiàng)目周期中,尋找到經(jīng)濟(jì)、科學(xué)的腐蝕防護(hù)方式,是技術(shù)人員一直以來尋求的方向。而在這種高濕度、高鹽分的極端環(huán)境,需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)性,選擇最合適的腐蝕防護(hù)方式。

        2.1 海洋大氣區(qū)

        海上風(fēng)電場典型的設(shè)計(jì)案例中,飛濺區(qū)以上的海洋大氣環(huán)境部分通常包含有風(fēng)機(jī)接口法蘭和過渡段等。海洋大氣環(huán)境濕度大,水氣中鹽分含量多,極易在結(jié)構(gòu)表面凝露而造成電化學(xué)腐蝕,有研究表面,海洋大氣相較于陸地大氣,對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕程度要高4~5倍。

        2.1.1 風(fēng)機(jī)接口法蘭

        風(fēng)機(jī)接口法蘭,作為連接風(fēng)機(jī)塔筒和風(fēng)電導(dǎo)管架的部位,圖2是其典型設(shè)計(jì)圖。由于接口法蘭位置和功能的特殊性,此部位在要求特殊鋼結(jié)構(gòu)的同時(shí),在腐蝕防護(hù)方面要盡量考慮防護(hù)壽命的可靠性和防護(hù)性能的優(yōu)越性。熱噴金屬是其首選處理方案,熱噴金屬能夠在結(jié)構(gòu)表面形成一層致密的金屬沉積物,從而達(dá)到長效腐蝕防護(hù)的目的。

        圖2 接口法蘭示意圖

        比較典型的表面處理方案是采用熱噴鋅或熱噴鋅鋁的方案,再者由于接口位置尺寸要求精細(xì),涂層厚度方面應(yīng)嚴(yán)格控制上限。要求膜厚不低于80um,施工完封閉漆后,膜厚增加至不超過160um。對于特殊構(gòu)件,很重要的一點(diǎn)是整體結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)的完整性,因此法蘭孔里也應(yīng)有涂裝要求,典型接口法蘭涂層設(shè)計(jì)案例和膜厚要求如表1所示。

        表1 接口法蘭涂層設(shè)計(jì)

        2.1.2 過渡段

        作為風(fēng)電導(dǎo)管架的重要連接組成部分,過渡段(Transition Piece)的作用是連接風(fēng)機(jī)塔筒和風(fēng)機(jī)導(dǎo)管架,用于設(shè)置人員活動(dòng)區(qū)域、電氣設(shè)備、布置吊機(jī)和防墜落系統(tǒng)等設(shè)備設(shè)施。過渡段包括一座外部平臺(tái)、支撐結(jié)構(gòu)和內(nèi)部平臺(tái)等。外部平臺(tái)上欄桿、門等通常由為鋁材質(zhì),經(jīng)過陽極氧化的鋁材,自身即可提供設(shè)計(jì)壽命之內(nèi)的耐腐蝕性;作為地板的格柵,通常為玻璃鋼格柵,具有長期耐老化的特點(diǎn)。其他部位,基于所處環(huán)境,典型的涂層設(shè)計(jì)方案和膜厚要求如表2所示。

        表2 過渡段涂層設(shè)計(jì)

        尤其需要注意的是,過渡段密封結(jié)構(gòu)區(qū)域打磨焊縫的要求,需要施工臨時(shí)防護(hù)系統(tǒng),以避免建造階段水氣滲入而造成的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的下降。

        教師引導(dǎo)學(xué)生基于資料中的事實(shí),概括形成“組成不同的蛋白質(zhì)的氨基酸的各類、數(shù)目、排列順序不同,肽鏈的盤曲、折疊方式及其形成的空間結(jié)構(gòu)不同,蛋白質(zhì)具有結(jié)構(gòu)多樣性,結(jié)構(gòu)不同決定了功能不同”的概念。

        2.2 飛濺區(qū)

        飛濺區(qū)作為海上風(fēng)電導(dǎo)管架腐蝕最嚴(yán)峻的地方,在飛濺區(qū),鋼表面受到海水的周期性潤濕,處于干濕交替狀態(tài),氧供應(yīng)充分,鹽分不斷濃縮,加之陽光、風(fēng)吹和海水環(huán)境等協(xié)同作用導(dǎo)致發(fā)生最嚴(yán)重的腐蝕。因此對飛濺區(qū)涂層的選擇至關(guān)重要,目前最佳處理方案是選擇具有超強(qiáng)防護(hù)性能、高膜厚的玻璃鱗片環(huán)氧漆在某些特殊的受力部位采用增加腐蝕余量的方案。典型的涂層設(shè)計(jì)方案和膜厚要求如表3所示。

        表3 飛濺區(qū)涂層設(shè)計(jì)

        在飛濺區(qū),除了可以使用特種涂料進(jìn)行腐蝕防護(hù)外,國內(nèi)外防腐蝕工作者研究了各種腐蝕防護(hù)的方法,開發(fā)了長期耐久的腐蝕防護(hù)方案,一種方案是包覆蒙乃爾合金、鈦合金、耐海水不銹鋼護(hù)套的方法,耐腐蝕效果好,但其材料價(jià)格昂貴,所以全面推廣應(yīng)用仍受到一定限制。其他方案包括采用超強(qiáng)不銹鋼、特種犧牲鋼、混凝土、硫化橡膠及玻璃鋼技術(shù)等。

        研究員姜秀杰[2]等研發(fā)出一種適用于浪花飛濺區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的超厚防護(hù)環(huán)氧涂料。此種涂料一道涂料施工干膜厚度高達(dá)1000um,不僅縮短了建造工程時(shí)間,且不存在多次噴涂的層間附著力不佳問題,且具備很強(qiáng)的耐沖擊性。此涂層和標(biāo)準(zhǔn)要求的最低漆膜層數(shù)不符,但具備一定借鑒意義。

        另外,還有一種PTC復(fù)層礦脂包覆防腐方案[3],PTC復(fù)層礦脂包覆防腐系統(tǒng)由四層緊密相連的保護(hù)層組成,包括礦脂防腐膏、礦脂防蝕帶、密封膠層和玻璃纖維保護(hù)罩。PTC技術(shù)中礦脂防腐膏和礦脂防蝕帶是該技術(shù)的核心部分,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,長期不會(huì)變質(zhì),強(qiáng)有力地粘附在鋼鐵設(shè)施表面以達(dá)到長效的腐蝕防護(hù)效果,而外部堅(jiān)固的玻璃纖維保護(hù)罩能夠有效的緩解外界機(jī)械撞擊的破壞。

        2.3 海洋浸沒區(qū)

        海洋浸沒區(qū)全浸于海水中,鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕會(huì)受到海水溫度、鹽分含量、氧溶解濃度、海水流速和海洋生物的影響,不可控因素有很多,因此選擇涂層和陰極保護(hù)相結(jié)合的腐蝕防護(hù)方案更為保險(xiǎn),涂層應(yīng)選擇具備抗陰極剝離性能的材料,典型的涂層設(shè)計(jì)方案和膜厚要求如表4所示。

        表4 飛濺區(qū)涂層設(shè)計(jì)

        實(shí)施陰極保護(hù)可以通過外加電流和犧牲陽極兩種方式。犧牲陽極保護(hù)[4]是在被保護(hù)的金屬上連接一種電極電位更負(fù)的金屬或合金稱為犧牲陽極,海上風(fēng)電項(xiàng)目一般采用的是鋁鋅合金,通過犧牲陽極不斷的自我溶解和消耗,使被保護(hù)金屬得到陰極電流而不發(fā)生腐蝕。犧牲陽極法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡單,需要在設(shè)計(jì)階段計(jì)算后,確定陽極的大小和安裝位置,安裝后不需要進(jìn)行日常維護(hù)。缺點(diǎn)是,鋼結(jié)構(gòu)海底不確定性大,而陽極安裝后不能隨意調(diào)整位置和參數(shù),隨著陽極的不斷消耗,可能造成過保護(hù)或保護(hù)不足的缺點(diǎn),也有陽極提前消耗的風(fēng)險(xiǎn),這也導(dǎo)致了后續(xù)的維護(hù)成本很大。

        在以上條件的基礎(chǔ)上,導(dǎo)管架的水下節(jié)點(diǎn)可以采用預(yù)留不涂裝的方案,水下節(jié)點(diǎn)腐蝕防護(hù)可由腐蝕余量和陰極保護(hù)系統(tǒng)來提供,此方案會(huì)大大降低現(xiàn)場焊接時(shí)的油漆破壞,更方便現(xiàn)場焊縫檢驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)。

        2.4 附屬結(jié)構(gòu)

        2.4.1 硫化橡膠

        導(dǎo)管架靠船件和電纜護(hù)管會(huì)持續(xù)受到洋流沖擊的影響,需要在管夾等使用硫化橡膠進(jìn)行耐沖擊防護(hù)。

        2.4.2 電子元器件

        目前風(fēng)電行業(yè)往往關(guān)注海上風(fēng)電中結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)方案,對于電氣設(shè)備腐蝕問題缺乏系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)和解決方案。海洋氣候環(huán)境下,高溫、高濕的空氣中存在各種類型的腐蝕性物質(zhì),這會(huì)對設(shè)備產(chǎn)生極大的破壞性,更會(huì)導(dǎo)致電器設(shè)備故障率會(huì)明顯上升,考慮海上風(fēng)電電器設(shè)備種類繁多,重點(diǎn)應(yīng)從改善電器設(shè)備服役環(huán)境條件著手,進(jìn)行改變。

        未來海上風(fēng)電對高科技電氣元件的要求肯定會(huì)逐步提高,向綜合化、智能化的方向發(fā)展,通常要求可以在海上惡劣環(huán)境上,實(shí)現(xiàn)全天候工作,因此研制可以在海洋環(huán)境中防潮濕、抗鹽霧,是電氣設(shè)備研發(fā)的重要挑戰(zhàn)和方向。對于此類型的腐蝕防護(hù),選擇可以滿足功能需求腐蝕防護(hù)性能優(yōu)越的特種合金材料是首選??蛇x的優(yōu)化措施是在塔筒內(nèi)、過渡段內(nèi)增加空氣凈化系統(tǒng),去除密封艙內(nèi)堆積的鹽霧和水汽,降低空氣的濕度。應(yīng)依據(jù)封閉區(qū)域內(nèi)實(shí)際空間大小,確定所需要的空氣凈化設(shè)備,此外鹽霧凈化處理應(yīng)去除90%以上海洋環(huán)境中獨(dú)有的腐蝕性鹽分顆粒。

        3 結(jié)語

        為促進(jìn)我國未來風(fēng)電行業(yè)的良性發(fā)展,隨著我國海上風(fēng)電技術(shù)的不斷探索和積累,未來海上風(fēng)電行業(yè)必然會(huì)向大規(guī)?;⒓谢蜕詈;姆较虬l(fā)展,腐蝕防護(hù)技術(shù)水平可能是未來影響發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸問題,應(yīng)予以重視。

        (1)必須圍繞降低開發(fā)成本、降低運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)等方向大力創(chuàng)新,加大對海上風(fēng)電長效防腐技術(shù)研究,確保海上風(fēng)電防腐壽命能夠滿足25年以上要求;

        (2)其次,為更好利用我國海洋風(fēng)資源,未來海上風(fēng)電將從淺海逐步往深海方向發(fā)展,海上風(fēng)電走入深海后將面臨更加復(fù)雜的海洋環(huán)境,而目前我國在深海腐蝕防護(hù)的積累不多,適用于深海條件的海上風(fēng)電工程化技術(shù)有待探索、完善;

        (3)相對于歐洲環(huán)境,我國海洋環(huán)境更加復(fù)雜、嚴(yán)酷,目前我國初步建立針對我國特殊環(huán)境海上風(fēng)電基本性技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn),但長壽命海上風(fēng)電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系尚未建立,今后需要加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)上下游的通力合作,建設(shè)符合我國特殊環(huán)境要求的海上風(fēng)電標(biāo)準(zhǔn)體系。而在碳中和的大背景下,大容量海上風(fēng)電機(jī)組群、漂浮式結(jié)構(gòu)、柔性直流電技術(shù)、更經(jīng)濟(jì)綠色的腐蝕防護(hù)技術(shù)將快速進(jìn)步,是中國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要力量!

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