王玉飛,苗順超,潘天國,行九暉,胡穗興,賴俊榮,楊嘉然,趙 琳,賀建超,董寶軍,武俊偉,冷雪松
(1. 深圳國能宸泰科技有限公司,廣東 深圳 518000;2. 中廣核新能源投資深圳有限公司華南分公司,廣東 深圳 518000;3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)特殊環(huán)境物質(zhì)科學(xué)研究院,廣東 深圳 518055)
截至2019年底,全球已投運(yùn)海上風(fēng)電場共有146個,累計裝機(jī)容量達(dá)到27.2 GW,同比增長23.4%[1, 2];并且截至2019年底,全球共有23個在建海上風(fēng)電項(xiàng)目,共7 GW,其中中國在建海上風(fēng)電項(xiàng)目達(dá)到13個,占全球56.5%。同時,從裝機(jī)容量分布來看,中國在建海上風(fēng)電項(xiàng)目的裝機(jī)容量高達(dá)3.7 GW,占全球在建海上風(fēng)電項(xiàng)目容量的52.9%。可以看出,中國在海上風(fēng)電市場的布局快速擴(kuò)張。同時,中國在2021年風(fēng)電累計裝機(jī)達(dá)32 848萬千瓦,已成為規(guī)模最大的國家[3, 4]。
與國外主要發(fā)展近海風(fēng)電不同,我國海上風(fēng)電發(fā)展主要集中在潮間帶風(fēng)電。潮間帶風(fēng)電具有離用電負(fù)荷中心較近、開發(fā)成本較低等優(yōu)點(diǎn),符合我國的基本國情[5]。
與陸地風(fēng)電相比,在海洋風(fēng)能的開發(fā)和利用過程中會遇到許多不同的更加復(fù)雜的技術(shù)難題。海上風(fēng)電機(jī)組的腐蝕與防護(hù)問題就是其中的難點(diǎn)之一。海上風(fēng)電處于惡劣的海洋環(huán)境,不僅存在高濕度、高鹽霧等腐蝕環(huán)境,還存在物理性的碰撞損傷,如漂浮物、浮冰的撞擊,船舶的???。從腐蝕角度考慮,海上風(fēng)電場從基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)到塔筒,機(jī)艙,各類機(jī)械零部件和風(fēng)機(jī)的葉片等都要面臨嚴(yán)重的海洋腐蝕問題[1]。
海上風(fēng)電機(jī)組組成及服役狀態(tài)如圖1所示,涉及的部件主要有:冷卻控制單元和風(fēng)電系統(tǒng)、主軸承和齒輪箱部件、塔筒和爬梯部件、立柱內(nèi)壁和支撐連接部件以及船舶??刻幍取D壳?,海上風(fēng)電機(jī)組各部件除葉片是以復(fù)合纖維材料為主,其余各部件主要使用鋼材制造。
圖1 海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)組成
圖2為風(fēng)電結(jié)構(gòu)海洋腐蝕傾向示意圖[6],將海洋環(huán)境分為5個區(qū),包括海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、海水潮差區(qū)、海水全浸區(qū)、海底泥土區(qū)(海泥區(qū))。海洋大氣區(qū)的濕度大,鹽分高,容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕。一般情況下,海洋大氣環(huán)境比內(nèi)陸大氣環(huán)境對鋼鐵構(gòu)件的腐蝕程度要高4~5倍[6]。浪花飛濺區(qū)的腐蝕速度要明顯高于其他區(qū)域,主要是由于該區(qū)域的含鹽量充分,含氧量最高,干濕交替,陽光照射,且氧元素的去極化作用會促進(jìn)鋼鐵的腐蝕。與此同時飛濺的浪花沖擊強(qiáng)度最大,也會嚴(yán)重地破壞鋼鐵表面的保護(hù)膜,造成嚴(yán)重的局部腐蝕[7]。海水潮差區(qū)的鋼鐵表面經(jīng)常與飽和了空氣的海水接觸,由于潮流的作用,鋼鐵表面的腐蝕會加劇。由于海水全浸區(qū)中鋼鐵的腐蝕反應(yīng)受氧的還原反應(yīng)控制,所以溶解氧對鋼構(gòu)件的腐蝕起到主導(dǎo)作用[8]。海底泥土區(qū)的含鹽量高,電導(dǎo)率低,含氧量低,同時具有土壤腐蝕和海水腐蝕的特點(diǎn)。處于海底泥土區(qū)的金屬鈍化膜會不穩(wěn)定[9]。另外,在無氧條件下,硫酸鹽還原菌會大量繁殖,其所產(chǎn)生的氫化酶能夠移去陰極區(qū)的氫原子,促進(jìn)腐蝕過程中陰極區(qū)的去極化反應(yīng)加速,使泥土中的鋼鐵產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕。風(fēng)機(jī)主要分為葉片、機(jī)艙、塔筒、基礎(chǔ)等部分[8],其中風(fēng)機(jī)葉片、機(jī)艙處于海洋大氣環(huán)境,塔筒一般處在大氣區(qū),風(fēng)電基礎(chǔ)包括混凝土結(jié)構(gòu)和鋼管樁所處環(huán)境復(fù)雜,包括海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、海水潮差區(qū)、海水全浸區(qū)以及海泥區(qū)。
圖2 單樁式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)海洋腐蝕傾向與示意圖[6]
目前我國海上風(fēng)電機(jī)組一旦開始運(yùn)行,機(jī)組局部很快就會出現(xiàn)腐蝕,如圖3所示,某風(fēng)電場運(yùn)行2年后,海上風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)了典型的局部腐蝕現(xiàn)象。
圖3 某風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行2年后的腐蝕穿孔
風(fēng)電結(jié)構(gòu)的特殊性和海洋腐蝕環(huán)境的復(fù)雜性,導(dǎo)致風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)不同類型的腐蝕,其中位于海洋大氣區(qū)的塔筒和同時處于多種海洋環(huán)境的風(fēng)電基礎(chǔ)應(yīng)用了大量鋼制材料,其結(jié)構(gòu)中存在眾多焊接、栓接位置,因此在服役過程中腐蝕現(xiàn)象最為顯著,腐蝕失效所導(dǎo)致的結(jié)果也最為嚴(yán)重。根據(jù)腐蝕形貌特征,海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)存在均勻腐蝕和局部腐蝕2種類型。均勻腐蝕主要發(fā)生在風(fēng)電基礎(chǔ)鋼管樁部分,這是由于富含電解質(zhì)的海水壞境與鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)電基礎(chǔ)形成了腐蝕宏電池效應(yīng),電池陰陽極交替變化,造成風(fēng)電基礎(chǔ)表面整體近于均勻的腐蝕現(xiàn)象。局部腐蝕則同時發(fā)生在塔筒與基礎(chǔ)部分,圖4中列舉了風(fēng)電塔筒與基礎(chǔ)中常見的典型局部腐蝕類型,包含了焊縫腐蝕、點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕、涂層下的皮下腐蝕以及海生物污損等。
圖4 海上風(fēng)電機(jī)組典型腐蝕類型
鋼材焊接位置的微觀組織、各元素分布、應(yīng)力狀態(tài)與母材存在差別,屬于結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié),加上焊縫表面凹凸不平導(dǎo)致防腐涂料涂抹不均勻產(chǎn)生漏點(diǎn),導(dǎo)致熱影響區(qū)或焊道部分優(yōu)先發(fā)生腐蝕現(xiàn)象,除此之外螺栓連接以及結(jié)構(gòu)縫隙處均是海洋大氣環(huán)境下電化學(xué)腐蝕的高危位置。根據(jù)以往的研究結(jié)果,風(fēng)電基礎(chǔ)的點(diǎn)蝕現(xiàn)象應(yīng)與防腐涂層涂覆過程中產(chǎn)生的缺陷以及涂層自身存在的微孔有關(guān)。在服役過程中,涂層的上述缺陷使得水分子能夠滲透涂層與基礎(chǔ)本體鋼結(jié)構(gòu)接觸,進(jìn)而導(dǎo)致涂層與金屬界面剝離,最終形成風(fēng)電基礎(chǔ)表面局部腐蝕以及產(chǎn)生與涂層陰極脫落現(xiàn)象[10]。
海上風(fēng)電腐蝕控制設(shè)計及標(biāo)準(zhǔn)要求主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
(1)設(shè)計過程中考慮腐蝕裕量;
(2)設(shè)計制造過程中選用耐蝕材料(非高強(qiáng)螺栓采用不銹鋼);
(3)對風(fēng)機(jī)各系統(tǒng)設(shè)備采用適宜的涂層系統(tǒng)進(jìn)行涂層防護(hù);
(4)結(jié)合陰極保護(hù)技術(shù)進(jìn)行腐蝕控制(針對海水中基礎(chǔ)金屬或混凝土部分);
(5)針對封閉內(nèi)部空間,通過控制濕度、減少溶解氧含量來控制腐蝕速率;
(6)腐蝕防護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的腐蝕檢查與維護(hù)(各零部件、焊縫、涂層、陰極保護(hù)系統(tǒng)等)。
該方法是一種根據(jù)金屬材料的年腐蝕速率及構(gòu)件的預(yù)期壽命年限要求,在保證安全性的基礎(chǔ)上增加金屬材料的厚度,以保證風(fēng)電基礎(chǔ)達(dá)到預(yù)期壽命年限的防腐蝕方法[11]。但在計算腐蝕余量時,引用均勻腐蝕速率則解決不了因局部腐蝕所帶來的危害,引用局部腐蝕不經(jīng)濟(jì)且部件重量增大較多。因此,此方法一般不單獨(dú)作為防腐手段使用,主要用于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)鋼管樁在浪花飛濺區(qū)部位的腐蝕裕量設(shè)計。
目前風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)主要采用陰極保護(hù)設(shè)計,如圖5所示。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)水下區(qū)、海泥區(qū),采用外加電流法比犧牲陽極的陰極保護(hù)更具有優(yōu)勢,主要是因?yàn)闋奚枠O保護(hù)對鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)不完全;從環(huán)保角度看,犧牲陽極在漫長的保護(hù)周期內(nèi),其腐蝕產(chǎn)物的影響,要遠(yuǎn)大于外加電流方式[12]。另外,外加電流的陰極保護(hù),安裝相對容易,更重要的是可實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控。
圖5 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的陰極保護(hù)設(shè)計
涂料在風(fēng)機(jī)鋼構(gòu)表面形成致密的膜,可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)鋼構(gòu)與腐蝕環(huán)境的隔離,保護(hù)鋼構(gòu)表面免受環(huán)境影響,從而防止腐蝕[12]。熱噴涂金屬可選用鋁、鋁合金和鋅、鋅合金材料。熱噴涂涂層表面應(yīng)均勻一致,無氣孔或基體裸露的斑點(diǎn),否則附著不牢的金屬熔融顆粒會影響涂層使用壽命。噴涂材料的力學(xué)性能、表面性能和可使用性應(yīng)滿足GB/T 12608的要求[13,14]。根據(jù)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)和海洋腐蝕環(huán)境的特點(diǎn),海上風(fēng)電需要分析風(fēng)機(jī)不同部位腐蝕特點(diǎn)及其腐蝕風(fēng)險,結(jié)合耐久性設(shè)計要求,選擇防護(hù)涂層體系和涂層參數(shù),同時在裝機(jī)之前采用實(shí)驗(yàn)室結(jié)合海洋掛片以及在線監(jiān)測的方法對涂層性能進(jìn)行評價。
復(fù)層包覆防腐體系由防蝕膏、防蝕帶、密封緩沖層和防蝕保護(hù)罩4層組成。其中防蝕膏、防蝕帶主要包含可有效阻止腐蝕介質(zhì)侵蝕的緩蝕成分;密封緩沖層和防蝕保護(hù)罩主要起 隔絕海水、耐沖擊、抵御船舶等帶來的機(jī)械損傷的作用[13]。
目前,針對海洋環(huán)境下的構(gòu)筑物所處環(huán)境區(qū)域不同,除常規(guī)的腐蝕裕量、優(yōu)選鋼材等基本措施外,還要采用以下附加配套技術(shù)手段,對風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行防腐蝕保護(hù)[14]:
海洋大氣區(qū):涂層保護(hù)、噴涂金屬保護(hù)、纖維增強(qiáng)復(fù)合包覆層保護(hù)。
浪花飛濺區(qū):涂層保護(hù)、噴涂金屬保護(hù)、纖維增強(qiáng)復(fù)合包覆層保護(hù)。
海水潮差區(qū):涂層保護(hù)、噴涂金屬保護(hù)、纖維增強(qiáng)復(fù)合包覆層保護(hù)。
海水全浸區(qū):陰極保護(hù)與涂層聯(lián)合保護(hù)或單獨(dú)采用陰極保護(hù)。
海底泥土區(qū):陰極保護(hù)與涂層聯(lián)合保護(hù)或單獨(dú)采用陰極保護(hù)。
王健等[15]發(fā)現(xiàn)使用陰極保護(hù)法的單管鋼管樁結(jié)構(gòu)保護(hù)點(diǎn)位存在電位正移的情況,且部分正移速率很快。潮水沖刷、犧牲陽極塊本身質(zhì)量瑕疵以及涂層質(zhì)量等導(dǎo)致陽極塊加速溶解,以及雜散電流的因素導(dǎo)致了犧牲陽極塊過早消耗。通過對比研究認(rèn)為,在浪濺區(qū)加裝包覆材料作為補(bǔ)充措施,與陰極保護(hù)共同作用能夠延長犧牲陽極的保護(hù)時間。
為了保證海上風(fēng)電的全壽命安全運(yùn)行,腐蝕的安全監(jiān)測、檢測技術(shù)是不可或缺的。由于海上風(fēng)電場總是遠(yuǎn)離大陸,針對海上風(fēng)電機(jī)組易腐蝕失效問題,如果僅僅只靠人工勘測維護(hù),不僅耗費(fèi)大量人力物力,成本高,而且人力勘察只能定期監(jiān)測,不利于及時發(fā)現(xiàn)問題。因此需要將腐蝕的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)和無損檢測技術(shù)應(yīng)用到海上風(fēng)電機(jī)組服役過程中。國內(nèi)近年來在腐蝕監(jiān)/檢測技術(shù)研究方面取得了較大進(jìn)展?;谖锫?lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,腐蝕監(jiān)測/檢測、故障診斷與腐蝕控制也在逐步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化,形成了一些自動化的腐蝕監(jiān)測與檢測的工具,開發(fā)了海上風(fēng)電腐蝕監(jiān)測儀和腐蝕檢測儀。同時大數(shù)據(jù)和人工智能的應(yīng)用,也初步提高了我國腐蝕監(jiān)測/檢測的信息化水平和腐蝕管理的技術(shù)水平。
海上風(fēng)電設(shè)施運(yùn)行期間,根據(jù)挪威船級社標(biāo)準(zhǔn)DNV - OS - J101的海上風(fēng)電運(yùn)行設(shè)備防腐檢查要求,每5 a應(yīng)安排1次無損檢測。海上風(fēng)電鋼構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)施,尤其是多管鋼管樁受力復(fù)雜,運(yùn)行中極易產(chǎn)生危險性缺陷。特別是運(yùn)行中受應(yīng)力大的構(gòu)件,如導(dǎo)管架的斜撐桿上端相貫線位置,應(yīng)按規(guī)范要求進(jìn)行焊縫無損檢測以掌握鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的健康狀況。
常規(guī)無損監(jiān)測方法包括超聲檢測、磁粉檢測、渦流檢測、滲透檢測和射線檢測,非常規(guī)無損檢測方法包括聲發(fā)射檢測、衍射波時差法超聲檢測、泄漏檢測、導(dǎo)波檢測、熱像/紅外、交流場測量、漏磁檢驗(yàn)、遠(yuǎn)場測試檢測方法等。近年來發(fā)展的脈沖電磁法非常適合用于海上風(fēng)機(jī)的無損檢測。超聲檢測、磁粉檢測等傳統(tǒng)方法都需要打磨涂層才能保證檢測的靈敏度,而脈沖電磁法不需要打磨掉鋼構(gòu)表面的油漆涂層就能對缺陷有明確直觀的檢測指示結(jié)果,是一種不需要破壞油漆涂層的無損檢測方法,其工作原理是,采用磁化裝置對被檢構(gòu)件表層進(jìn)行磁化,當(dāng)傳感器掃查至表面裂紋處,即產(chǎn)生漏磁場,檢測線圈對漏磁場感應(yīng)并轉(zhuǎn)變成電信號,電信號送至信號整形和處理單元,加以分選、整流和放大,超越給定“閾”值部分的數(shù)據(jù)信號,并通過聲光顯示。其優(yōu)點(diǎn)主要有:對表面、近表面裂紋進(jìn)行探測,不要求清理被檢構(gòu)件表面,不需要進(jìn)行人工磁化和施加磁粉或磁懸液;可查找疲勞、腐蝕和工藝性表面裂紋;缺陷指示明確直觀。因此,該方法可用于海上風(fēng)電場運(yùn)行機(jī)組的無損檢測,并可以發(fā)現(xiàn)腐蝕疲勞的早期裂紋,具有較大的市場需求。
海上風(fēng)電的健康監(jiān)測是為了降低故障風(fēng)險,識別故障發(fā)生,并通過對風(fēng)電結(jié)構(gòu)實(shí)測數(shù)據(jù)的分析來改善風(fēng)機(jī)的工作性能,主要采用遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)。監(jiān)督控制、數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)和狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)(CMS)被認(rèn)為是2個最常見的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測手段。早在1994年,就有研究者采用了2種無損檢測方法:聲發(fā)射、相干光學(xué)用于監(jiān)測典型的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片和靜態(tài)試驗(yàn)中的損傷檢測。后來,開發(fā)了一個新的結(jié)構(gòu)神經(jīng)系統(tǒng),用于風(fēng)電的大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測[16]。
腐蝕環(huán)境中設(shè)備服役狀況的監(jiān)測主要采用陰極保護(hù)監(jiān)測和大氣腐蝕監(jiān)測手段。目前比較成熟的腐蝕監(jiān)測儀產(chǎn)品有空氣腐蝕監(jiān)測儀、電阻探針腐蝕監(jiān)測儀、涂層阻抗在線監(jiān)測儀、陰極保護(hù)監(jiān)測儀等[17]。高寶元等[18]針對長慶油條輸油管線腐蝕監(jiān)測問題開發(fā)了陰極保護(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),使用智能電流、電壓以及電位表實(shí)時采集陰極保護(hù)數(shù)據(jù)并經(jīng)由遠(yuǎn)程終端單元(RTU)模塊上傳至無線網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控;吳雨等[19]基于數(shù)值模擬對浮式生產(chǎn)儲油卸油船的整體陰極保護(hù)狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測評估,通過將采集到的電位數(shù)據(jù)以保護(hù)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫形式儲存,并調(diào)用至數(shù)值模型進(jìn)行分析的方式,預(yù)測評估了陰極未來保護(hù)狀態(tài),為實(shí)現(xiàn)更優(yōu)陰極保護(hù)提供了參考數(shù)據(jù)。大氣腐蝕監(jiān)測技術(shù)基于電偶腐蝕原理設(shè)計,通過監(jiān)測液膜產(chǎn)生后腐蝕原電池中的電偶腐蝕電流來監(jiān)測材料在環(huán)境中的腐蝕狀態(tài)。腐蝕在線監(jiān)測已經(jīng)廣泛應(yīng)用油氣采輸領(lǐng)域,能夠提供連續(xù)、實(shí)時的腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)。目前在數(shù)據(jù)處理技術(shù)方面還需進(jìn)一步探究,以推動在線監(jiān)測系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展。
在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有以下功能:
(1)自動智能診斷 結(jié)合長期積累的腐蝕數(shù)據(jù),建立腐蝕大數(shù)據(jù)庫,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動智能診斷功能。
(2)極高的可靠性 產(chǎn)品通過工業(yè)四級電磁兼容性檢測,可以在-20~100 ℃工作,能夠在嚴(yán)酷的環(huán)境中可靠、穩(wěn)定地工作。
(3)較強(qiáng)的兼容性 本系統(tǒng)可以兼容油液及其他傳感器的數(shù)據(jù)分析,與相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析互相支撐、互相補(bǔ)充;同時系統(tǒng)軟件可以與用戶的設(shè)備管理系統(tǒng)兼容,可以實(shí)時顯示裝備/設(shè)施主要部件的運(yùn)行狀態(tài),以便于管理人員對整個裝備/設(shè)施的有效管理與控制。
(4)準(zhǔn)確的報警設(shè)置 通過分析不同工況下的腐蝕特性與腐蝕數(shù)據(jù),自動設(shè)置報警值,為現(xiàn)場維護(hù)提供更為可靠的建議。
我國的海上風(fēng)電裝機(jī)容量大,分布的海域?qū)?,典型的海上風(fēng)電機(jī)組的防腐蝕設(shè)計壽命達(dá)到25 a免維護(hù),需要有針對性的采取手段進(jìn)行腐蝕防護(hù)。針對螺栓、法蘭、塔筒飛濺區(qū)、海上升壓站的腐蝕控制技術(shù)的改進(jìn)與新技術(shù)的應(yīng)用,是未來海上風(fēng)電防腐領(lǐng)域的重點(diǎn)。
目前腐蝕試驗(yàn)方法及腐蝕情況檢測技術(shù)手段多樣,在測試過程中應(yīng)采取多種手段結(jié)合的方式,對防腐蝕性能及腐蝕狀態(tài)進(jìn)行全面的測試與表征。
在線監(jiān)測技術(shù)是未來海上風(fēng)電設(shè)備防腐蝕技術(shù)的一大發(fā)展方向,然而目前國內(nèi)針對風(fēng)電行業(yè)腐蝕情況的在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展不多。
總體來講,我國針對海上風(fēng)電設(shè)備的腐蝕與防護(hù)研究仍然較少,尚不能較好解決海洋環(huán)境對海上風(fēng)電設(shè)備的嚴(yán)重腐蝕問題,需要深入開展這方面的研究來獲得突破以解決實(shí)際問題。