回世翔 張 冉 徐亞茜 李 瑩

（1. 萊州藍(lán)色海洋新能源有限公司，山東 萊州 261413；2. 青島迪恩特尚核新材料科技有限公司，山東 青島 266000）

0 引言

作為一種清潔和可再生能源，風(fēng)能具有相當(dāng)大的潛力。目前，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是最成熟的可再生能源技術(shù)之一[1]。目前，全球海上風(fēng)電容量超過56GW，2021年全球新增海上風(fēng)電并網(wǎng)容量為21.1GW，中國新增占全球新增海上風(fēng)電新裝機(jī)容量的80%[2]。海上風(fēng)電經(jīng)過20多年的發(fā)展，技術(shù)日趨成熟，已進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)階段，《2022全球海上風(fēng)電報告》預(yù)計2031年全球海上風(fēng)電裝機(jī)容量將達(dá)到370GW。我國的海岸線長，可開發(fā)和利用的海上風(fēng)能資源豐富，據(jù)統(tǒng)計，我國近?？砷_發(fā)和利用的風(fēng)能儲量就有7.5億千瓦[3]，遠(yuǎn)海風(fēng)能儲量就更加龐大，因此海上風(fēng)電資源在我國有著廣闊的發(fā)展空間。

海洋環(huán)境的高濕度、高鹽度、浪花飛濺區(qū)和潮差區(qū)的干濕交替、浸沒區(qū)的海水浸泡和海生物附著等嚴(yán)苛的腐蝕環(huán)境對海上風(fēng)電造成嚴(yán)重的腐蝕危害，另外加上應(yīng)力、腐蝕、疲勞的相互影響，使得海上風(fēng)電面臨著更加嚴(yán)峻的安全風(fēng)險。如何選擇合適的、針對性強(qiáng)的防腐措施，有效應(yīng)對和緩解腐蝕造成的風(fēng)險，是我國利用海洋資源和發(fā)展海上風(fēng)電過程中亟需解決的關(guān)鍵性問題。

1 海上風(fēng)電機(jī)組腐蝕環(huán)境

1.1 海上風(fēng)電機(jī)組腐蝕環(huán)境劃分

海上風(fēng)力發(fā)電裝置各功能區(qū)域所使用的防腐蝕涂層體系是根據(jù)其所處的腐蝕環(huán)境條件而制定的；如位于大氣暴露區(qū)的發(fā)電機(jī)組、葉片、平臺等結(jié)構(gòu)的防腐體系應(yīng)充分考慮涂層的耐候性以及溫度、濕度、鹽霧等腐蝕因素；對于潮差區(qū)和浪花飛濺區(qū)的風(fēng)電樁基礎(chǔ)的防腐體系，需要考慮潮汐變化引起的外力、溫度和海水浸沒的綜合影響[4]；在海水浸沒區(qū)以及海泥區(qū)風(fēng)電樁基礎(chǔ)，其防腐體系則主要考慮海生物附著以及海水的電化學(xué)腐蝕環(huán)境。海洋環(huán)境可分為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)[5]。按照ISO12944-2相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)劃分[6]，大氣區(qū)處于C5-M的海洋大氣腐蝕環(huán)境，浪花飛濺區(qū)、海水潮差區(qū)和海水全浸區(qū)處于lm2的海水腐蝕環(huán)境。

1.1.1 海洋大氣區(qū)腐蝕特點(diǎn)

海洋環(huán)境中大氣區(qū)指的是海浪高潮線以上區(qū)域，特點(diǎn)為高濕度、高鹽霧、紫外線輻射強(qiáng)，與內(nèi)陸大氣區(qū)相比，海洋大氣的濕度大，且海洋大氣中富含多種鹽粒，對金屬有較強(qiáng)腐蝕性[7]。海洋大氣區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的表面容易產(chǎn)生薄液膜，海洋大氣中的硫酸鹽、氯化鹽和CO2會部分溶于薄液膜中，形成導(dǎo)電性強(qiáng)的電解質(zhì)溶液。由于金屬成分微觀的不均勻性和不同金屬材料在同種電解質(zhì)中的標(biāo)準(zhǔn)電極電位不同，金屬與電解質(zhì)接觸會形成大量的微觀原電池，使得金屬腐蝕速率大大增加。大氣區(qū)污染性氣體及大氣中的懸浮粒子會沉降在金屬表面的薄液中，并影響和參與材料的大氣腐蝕過程。

1.1.2 浪花飛濺區(qū)腐蝕特點(diǎn)

在海洋環(huán)境中，由于海浪的作用，在平均高潮線以上能夠被海浪飛沫潤濕的區(qū)域為浪花飛濺區(qū)。在浪花飛濺區(qū)，材料長期處于干濕交替的環(huán)境中，加上供氧量充足，且由于海水的外力作用，在此區(qū)域氧去極化反應(yīng)較強(qiáng)，Cl-的穿透作用加速金屬腐蝕，在腐蝕應(yīng)力和海浪沖擊造成的機(jī)械應(yīng)力雙重作用下，飛濺區(qū)成為海洋環(huán)境中腐蝕速率最快的區(qū)域[8]，一般為海水全浸區(qū)的5～10倍，是海洋環(huán)境中典型的強(qiáng)腐蝕區(qū)域，平均腐蝕速率可達(dá)到0.3～0.5mm/y[7]。

1.1.3 海水潮差區(qū)腐蝕特點(diǎn)

平均高潮位和平均低潮位之間的區(qū)域成為潮差區(qū)，這一區(qū)域氧氣擴(kuò)散相對飛濺區(qū)較慢，金屬表面的溫度既受氣溫也受水溫的影響，這一區(qū)域反復(fù)產(chǎn)生海水腐蝕和類似大氣區(qū)的腐蝕。在漲潮和退潮的過程中，潮流運(yùn)動對鋼結(jié)構(gòu)的沖刷腐蝕以及水流形成的空泡腐蝕會加速鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕。除了潮流外，鋼結(jié)構(gòu)表面還會附著海洋生物，海洋生物產(chǎn)生的分泌物會破壞金屬結(jié)構(gòu)保護(hù)層，引起嚴(yán)重的局部腐蝕，且非均勻分布的污損生物粘液會在鋼結(jié)構(gòu)表面形成氧濃差電池造成局部腐蝕[9,10]。

1.1.4 海水全浸區(qū)腐蝕特點(diǎn)

海水全浸區(qū)指的是在常年低潮線以下直至海底的區(qū)域，根據(jù)海水深度的不同分為淺海區(qū)（低潮線以下20～30m以內(nèi)）、大陸架全浸區(qū)（在30～200m水深區(qū)）、深海區(qū)（＞200m水深區(qū)）。近海區(qū)域海水流速較大，存在近海化學(xué)和泥沙污染，O2、CO2處于飽和狀態(tài)，生物活躍、水溫較高，因此該區(qū)腐蝕以電化學(xué)和生物腐蝕為主，在該區(qū)域鋼的腐蝕要比大氣區(qū)和潮差區(qū)的腐蝕更嚴(yán)重；在大陸架全浸區(qū)隨著水的深度加深，含氣量、水溫及水流速度均下降，生物也減少，鋼結(jié)構(gòu)腐蝕以電化學(xué)腐蝕為主，較淺海區(qū)腐蝕輕；在深海區(qū)pH＜8-8.2，壓力隨著水的深度增加，礦物鹽溶解量下降，水流、溫度、充氣量均低，鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕以電化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕為主[11]。

1.1.5 海底泥土腐蝕特點(diǎn)

海底泥土區(qū)指的是海水全浸區(qū)以下部分，主要由海底沉積物構(gòu)成，腐蝕環(huán)境十分復(fù)雜，其物理、化學(xué)和生物性質(zhì)是影響腐蝕環(huán)境的三大因素，隨著海域和海水深度不同而異，與固、液、氣三相的陸地土壤不同,海底沉積物可視為固、液兩相的土壤，具有鹽度高、低電阻率特點(diǎn)[12]。此外由于海泥區(qū)細(xì)菌的作用，會產(chǎn)生H2S和NH3等氣體，對金屬的腐蝕有加速作用，如果海泥區(qū)含有大量的硫酸鹽還原菌，則會生成大量腐蝕性硫化物，從而大大加速金屬的腐蝕，其腐蝕速率可增加6～7倍，甚至15倍以上[13]。

1.2 海上風(fēng)電機(jī)組腐蝕類型

海上風(fēng)力發(fā)電項目，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)又分為單樁基礎(chǔ)式、群樁承臺基礎(chǔ)、三腳架基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、漂浮式基礎(chǔ)等類型[14]，以上結(jié)構(gòu)按順序適用水深海域范圍依次增大，其中單樁基礎(chǔ)適用于水深小于25m的海域。海上風(fēng)電機(jī)組一般位于離岸70km以內(nèi)的近海，風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)則同時涉及了海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)以及海泥區(qū)等5個不同的腐蝕環(huán)境區(qū)域[15]，面臨著不同的腐蝕環(huán)境，腐蝕類型各有不同。不同類型的腐蝕會引發(fā)不同的腐蝕結(jié)果，必須區(qū)分無機(jī)械載荷的腐蝕和由機(jī)械載荷引發(fā)的腐蝕[16]。

1.2.1 無機(jī)械載荷腐蝕

無機(jī)械載荷腐蝕包含均勻腐蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕、點(diǎn)蝕、沉積物腐蝕、選擇性腐蝕（晶間腐蝕、穿晶腐蝕）、微生物腐蝕、結(jié)垢。

1.2.2 機(jī)械載荷腐蝕

機(jī)械載荷腐蝕類型包含：應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞、應(yīng)變腐蝕、侵蝕腐蝕、空泡腐蝕、微動腐蝕、磨損腐蝕。

2 海上風(fēng)電機(jī)組腐蝕防護(hù)方法

相較陸上風(fēng)電場，海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在載荷條件、地質(zhì)條件以及運(yùn)輸安裝等方面更加復(fù)雜，除滿足自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等力學(xué)性能要求外，還要滿足海洋環(huán)境中對安全性、可靠性的要求[17]。針對海上風(fēng)電樁基的腐蝕問題，目前主要從兩個方面進(jìn)行腐蝕防護(hù)，一是進(jìn)行主動腐蝕防護(hù)，主要包括：（1）設(shè)計腐蝕裕量；（2）適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計；（3）陰極腐蝕防護(hù)。二是進(jìn)行被動腐蝕防護(hù)，主要包括：（1）防腐涂層；（2）復(fù)層礦脂包覆防腐（PTC）。為了達(dá)到海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限，可以采用不同的保護(hù)系統(tǒng)來延遲和減輕腐蝕的發(fā)生，將兩種或多種腐蝕防護(hù)方法結(jié)合起來，可以為惡劣海洋環(huán)境中的金屬結(jié)構(gòu)提供可靠的防腐保護(hù)[18]。

2.1 主動腐蝕防護(hù)

2.1.1 腐蝕裕量

腐蝕裕量是指允許在不影響結(jié)構(gòu)功能（安全、穩(wěn)定性、強(qiáng)度）的情況下腐蝕的材料部分[19]。對于預(yù)計會發(fā)生均勻腐蝕的區(qū)域，可以將它們考慮在內(nèi)，預(yù)留腐蝕裕量，即根據(jù)年平均腐蝕速率以及風(fēng)機(jī)設(shè)計壽命年限來適當(dāng)增加鋼板材料的厚度。腐蝕裕量的精確值取決于材料、預(yù)期機(jī)械負(fù)荷以及腐蝕類別和腐蝕區(qū)域。對于海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)，建議對飛濺區(qū)和潮差區(qū)等腐蝕嚴(yán)重的位置根據(jù)預(yù)期耐久性和結(jié)構(gòu)重要程度進(jìn)行腐蝕裕量設(shè)計。結(jié)構(gòu)腐蝕裕量應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限，鋼材年平均腐蝕量以及防腐系統(tǒng)的保護(hù)效率來確定。對于使用年限為n年的風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，建議其全浸區(qū)結(jié)構(gòu)的腐蝕裕量不小于n/15（mm），飛濺區(qū)結(jié)構(gòu)的腐蝕裕量不小于n/3（mm）[20]；但目前由于局部腐蝕風(fēng)險的存在，僅靠腐蝕裕量是完全不夠的。

2.1.2 適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計

海上風(fēng)電裝置可采用合理、適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計來避免介質(zhì)腐蝕，降低腐蝕風(fēng)險，如海上風(fēng)電的渦輪機(jī)，配備了一個單獨(dú)的通風(fēng)系統(tǒng)，避免內(nèi)置部件與腐蝕性的含鹽空氣之間的接觸[4]來減輕腐蝕。常見的防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計有：（1）適當(dāng)設(shè)計缺口、浮雕、開口和加強(qiáng)筋；（2）避免縫隙、接頭重疊連接；（3）防止電解液沉積和積聚；（4）邊緣處理；（5）焊縫和表面缺陷的處理；（6）防止電偶腐蝕。

2.1.3 陰極保護(hù)防護(hù)

海下防腐層修復(fù)難、易腐化，全浸區(qū)普遍采用陰極保護(hù)防腐。目前常用的陰極保護(hù)方法包含：熱噴涂金屬、犧牲陽極的陰極保護(hù)、外加電流的陰極保護(hù)。其中熱噴涂金屬采用噴涂金屬鋅、鋁、鋅鋁合金等陽極涂層，可以隔離水和腐蝕介質(zhì)，使之無法與基體反應(yīng)，同時也作為一種犧牲陽極材料，具有陰極保護(hù)作用[21]。

目前常用的陰極保護(hù)方法為犧牲陽極法和外加電流法[22]。犧牲陽極法主要采用鋁、鋅、鎂等合金材料與鋼管樁連接在一起，依靠陽極消耗溶解產(chǎn)生的電流使鋼管樁表面產(chǎn)生極化，陰極極化電位低于自然腐蝕電位，減緩陰極腐蝕進(jìn)程[23]；不同的海域環(huán)境使用的陽極材料有所區(qū)別，在飛濺區(qū)、潮差區(qū)等干濕交替的區(qū)域，采用AI-Zn-Mg-Ga-Mn的高活性陽極材料，在全浸區(qū)，則采用Al-Zn-In、Al-Zn-In-Sn等有均勻溶解性和較高電流效率的陽極材料。犧牲陽極法受電解質(zhì)電阻率的影響大、保護(hù)電流小、易于消耗、持續(xù)能力低[24]。

外加電流法（ICCP）需要使用外部直流電源，將電源負(fù)極與被保護(hù)結(jié)構(gòu)物相連，電源正極與輔助陽極相連，該方法受電解質(zhì)電阻率限制影響較小，電流可控且電流輸出大[25]。外加電流系統(tǒng)主要包括套籠上輔助陽極和參比電極安裝、塔筒內(nèi)平臺上輔助陽極和參比電極安裝、恒電位儀安裝、介電屏蔽、海洋或船舶工程專用電纜、檢測系統(tǒng)等[26]。針對海上風(fēng)電基礎(chǔ)的外加電流陰極保護(hù)法，是使鋼管樁基礎(chǔ)連接到電位更負(fù)金屬材料，或通過從海洋環(huán)境、海底淤泥到鋼管樁基礎(chǔ)的電流，使其陰極極化，從而消除電化學(xué)腐蝕。鋼管樁材料在海洋環(huán)境中的保護(hù)電位為一般介于-0.85～1.05V之間，當(dāng)電位高于-0.85V時，鋼管樁容易發(fā)生腐蝕[27]。

2.2 被動腐蝕防護(hù)

2.2.1 涂層防腐

根據(jù)《海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》，一般海上風(fēng)電的樁基基礎(chǔ)設(shè)計使用年限在20～25年左右，防腐體系需要根據(jù)服役壽命確定涂層厚度，水下區(qū)采用防腐涂料和犧牲陽極結(jié)合的陰極保護(hù)措施，樁基大氣區(qū)、浪濺區(qū)、潮差區(qū)一般采用重防腐系統(tǒng)。在國外海上風(fēng)電機(jī)組的防腐應(yīng)用一般干膜厚度達(dá)到800μm左右；根據(jù)國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[28]，海洋環(huán)境環(huán)境中，防腐涂層系統(tǒng)干膜厚度一般為320～560μm，表1為海上風(fēng)電塔筒防腐涂裝方案，大部分采用的防腐涂料體系是：環(huán)氧富鋅底漆+環(huán)氧云鐵漆+脂肪族聚氨酯面漆三層復(fù)合防腐涂層系統(tǒng)；中間漆也可采用耐久性更好的聚硅氧烷涂料，若底漆采用金屬熱噴涂體系，可以得到更佳的防腐效果[29]。

表1 海上風(fēng)電塔筒防腐涂裝方案[30, 31]

近些年楊小剛等[32]研究了磷酸鋅協(xié)同云母氧化鐵灰制備無溶劑型環(huán)氧防腐涂料，發(fā)現(xiàn)涂層的防腐性能與PVC（顏料體積濃度）的添加量相關(guān)，當(dāng)PVC添加量為8%時，活性稀釋劑加入量為2%，云鐵灰與磷酸鋅質(zhì)量比為1:4時，涂層的防腐效果最好。姜秀杰等[33]合成了一種適用于海洋浪濺區(qū)鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)的超厚膜環(huán)氧涂料，膜厚達(dá)1000μm，通過合成EPU聚氨酯改性環(huán)氧樹脂，有效提高涂層抗沖擊性、柔韌性、施工效率，適用于浪濺區(qū)鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)。吳競等[34]采用環(huán)氧改性濕固化聚氨酯樹脂為基體樹脂，采用鱗片狀鋅粉、有機(jī)膨潤土等材料研制了一種單組分濕固化富鋅底漆，解決了傳統(tǒng)環(huán)氧富鋅底漆易沉淀、在冬季低溫固化難的問題，具有優(yōu)異的防腐性能，適用于高防腐要求的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒。

2.2.2 包覆防腐

包覆材料主要針對浪濺區(qū)和潮差區(qū)的腐蝕防護(hù)，主要有復(fù)層礦脂包覆防腐、礦脂防腐帶冷纏兩種包覆技術(shù)[35]。

復(fù)層礦脂包覆防腐系統(tǒng)（PTC）由4層緊密相連的保護(hù)層組成，即礦脂防蝕膏、礦脂防蝕帶、密封緩沖層和防蝕保護(hù)罩。PTC技術(shù)中礦脂防蝕膏和礦脂防蝕帶是復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)的核心部分，能夠有效阻止腐蝕性介質(zhì)對鋼結(jié)構(gòu)的侵蝕。其中密封緩沖層和防蝕保護(hù)罩具有良好的整體性能，不但能夠隔絕海水，還能夠抵制機(jī)械損傷對鋼結(jié)構(gòu)的破壞，防蝕罩是由玻璃鋼或增強(qiáng)玻璃鋼制成。復(fù)層礦脂包覆技術(shù)在江蘇龍源海上風(fēng)電場潮間帶[36]、華能大連市莊河海上風(fēng)電場浪濺區(qū)[37]、江蘇啟東H1號海上風(fēng)電場項目[38,39]、江蘇竹根沙海上升壓站高樁承臺[40,41]等海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)項目浪濺區(qū)、潮差區(qū)獲得成功應(yīng)用。

礦脂防腐帶冷纏技術(shù)由礦脂帶底漆、冷纏防腐帶和高密度乙烯護(hù)甲組成。礦脂防腐帶冷纏技術(shù)與PTC技術(shù)不同點(diǎn)在于護(hù)甲采用材料不同、防蝕膏不同、對抗沖擊力特點(diǎn)不同，該項技術(shù)目前在深圳港、寧波港、營口港[42]等港口應(yīng)用較多。

目前海上風(fēng)電直徑鋼管樁基礎(chǔ)防腐中，經(jīng)常采用犧牲陽極+礦脂包覆防腐或外加電流聯(lián)合復(fù)層礦脂包覆的施工技術(shù)進(jìn)行防護(hù)，其中陰極保護(hù)區(qū)域為海水全浸區(qū)及海泥區(qū)，礦脂包覆技術(shù)應(yīng)用在潮差區(qū)、浪濺區(qū)[39]。

3 結(jié)論及展望

海上風(fēng)電建設(shè)在世界范圍內(nèi)已進(jìn)入大規(guī)模發(fā)展階段，但惡劣的腐蝕環(huán)境對海上風(fēng)電設(shè)備腐蝕防護(hù)提出了更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，海上風(fēng)電的發(fā)展面臨著一些問題和需要采取的措施：

（1）由于海上風(fēng)電機(jī)組投資昂貴，設(shè)計使用年限在25年左右，且維護(hù)、維修成本很高，因此在海上風(fēng)電基礎(chǔ)開發(fā)過程中，對不同海洋區(qū)帶部位制定針對性的防腐蝕措施非常必要；在不同的腐蝕區(qū)域，可分別或聯(lián)合采用噴涂金屬、涂層、包覆、陰極保護(hù)等防腐措施；

（2）基于海上風(fēng)電防腐維修成本及難度高，人力定期巡檢成本高、數(shù)據(jù)實(shí)時性可靠性差、人員危險性大，在線腐蝕檢測技術(shù)的進(jìn)一步研究顯得尤為重要，遠(yuǎn)程在線檢測技術(shù)可遠(yuǎn)程獲取風(fēng)電機(jī)組的氣溫濕度、氯離子濃度、腐蝕速率、設(shè)備腐蝕狀態(tài)等，實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電機(jī)組智能化管理，減少人員投入、降低運(yùn)維風(fēng)險；

（3）相比其他國家，我國關(guān)于海上風(fēng)電防腐蝕的可執(zhí)行參考標(biāo)準(zhǔn)較少，相關(guān)部門應(yīng)建立健全腐蝕防護(hù)制度標(biāo)準(zhǔn)，在海上風(fēng)電設(shè)備防腐工作前期提供更多可靠、有力的參考。