浅析海上风电防腐技术应用及优化

 

　　关键词：海上风电；防腐技术应用；优化方案

 

　　对于风力发电来说，风电场选址永远都是建设风电场的首要步骤。通过新能源行业的不断发展和不断摸索，发现在海上建设风电场比在陆地建设风电场更具优势，其优势直接表现在能量效益上。海上风电具有风能资源的能量效益比陆地风电场高，平均空气密度较高，发电效率好。并且，海上风受地形和气候的影响要小，湍流强度小。将风电场建设在海上，避免了对居民带来的不必要的麻烦，减少了受噪音等限制。而且减少了对陆地的使用，在沿海地区的供电量十分巨大，可缓解沿海地区的用电压力。目前我国出台了很多有关海上风力发展的政策，鼓励海上风力的建设，大大促进了海上风力的发展。

 

 

　　在西北地区，风电设备主要面临的腐蚀是大气磨蚀，风挟带的颗粒摩擦钢结构、叶片表面而产生破坏，另外是水滴、冰雹、沙尘暴甚至飞鸟等较大物的撞击破坏。而海上风电运行环境则复杂、恶劣的多:高温、高湿、高盐雾和长日照等。海洋性大气环流运动的特点就是空气中含有大量的氯化钠等盐组分，这是由于海水蒸发所造成的。通常在高盐度的海边，盐度的浓度均值可达12．4mg/m3到60mg/m3。而在陆地上大气中氯化钠含量均值在0．8mg/m3。在如此高浓度的盐雾环境下，金属被腐蚀的速度由于电化学的作用也将大幅提高(约为内陆大气环境的4——5倍)，暴露在外的海上风电设备各组件聚会遭到不同程度的腐蚀损坏:氯离子会与空气中的其他颗粒物在设备金属外壳静电作用下，在其表面形成覆盖层，与设备电器元件的金属物发生一系列的化学反应后使原有的载流面积减小，生成氧化合物使电气触点接触不良，导致电气设备故障或毁坏;而且对海上风电设施的螺栓固定结合部件，钢体结构部件都会有损坏。海上风电机组不同于海上钻井平台，受到腐蚀时可以随时修补，海上风电机组由于其特殊的地理环境和技术要求，维修费用极高。由于上述原因，很容易使海上风电电力传输设施发生短路故障，甚至酿成火灾等安全重大事故。因此，海上风机的防护，需要进行系统化的设计、规划、实施。

 

 

　　存在的主要问题表现在：混凝土承台运行3——5年后，表面陆续出现钢筋锈蚀现象；钢构基础潮差区海生物生长严重、涂层破坏大，现场修补难度大、质量难保证；同时涂层损坏又引发牺牲阳极块消耗大、阴极保护电位正移大，按现有正移速度推算，即将到达阴极保护电位临界值-0.85mV（铜/硫酸铜参比电极），远远满足不了海上风电机组基础25年使用寿命的要求；个别塔筒防腐涂层出现粉化。

 

 

　　运行三、四年后出现钢筋混凝土承台表面硅烷涂层破损，受海水的腐蚀，混凝土中的钢筋出现锈蚀现象。钢筋混凝土承台腐蚀电位检测发现，自然腐蚀电位检测结果在-0.695——-0.845V之间 。根据标准ASTMC-876，腐蚀电位负于-0.350V时，发生腐蚀的概率高于90%。

 

　　多管桩基础设计了涂层+牺牲阳极阴极保护。钢构基础潮差区海生物生长严重（图2），海生物脱落加重涂层破坏、钢构腐蚀。潮水涨落使现场涂层修补难度大、质量难保证。潮差区的涂层防腐遭遇挑战。多管桩的牺牲阳极阴极保护，则主要存在以下问题：（1）试验风电场存在因设计高度偏差、4台多管桩基础斜撑杆上阳极块长时间裸露在空气中的情况，无法起到保护作用；（2）1台风电机组因基础周围海床冲刷，低潮位期间牺牲阳极块全部裸露（图7），无法起到保护作用；（3）1台多管桩基础的1个阳极块完全溶解、只剩下焊脚；1台风电机组的1个独桩，仅设计1个牺牲阳极块，无冗余，一旦该阳极块掉落则失去保护。

 

 

　　单管桩基础主要存在两大问题：一是施工沉桩期间，替打法兰和桩头固定位置涂层损坏大，现场维护困难；二是存在部分单管桩阴极保护电位正移太快的情况，存在即将达到保护临界值的可能，不能满足设计寿命的要求。

 

 

　　海上风机塔架按照机型可分为近海和沿海滩涂的底座式和近海和深海的浮体式两种。风电塔架的腐蚀保护主要是基于其腐蚀环境ISO12944C5——M，对于浸水区域按Im2。推荐的干膜厚度为320——500μm(大气腐蚀环境C5——M)和400——1000μm(海水浸泡环境Im2)，可以达到15年以上的无需维修使用寿命周期。对于近海的钢结构还有2003年发布的ISO20340标准《色漆和清漆用于近海建筑及相关结构的保护性涂料体系的性能要求》，这个标准是通用型的，对不同的腐蚀环境都适用，而实际的腐蚀环境更为复杂，涂装时更要注重微观腐蚀环境和腐蚀因素。另外NOＲSOK——M501在海洋石油平台成功应用十多年，说明通过了NOＲSOKM——501测试认证的产品，性能更加卓越，对于海上风电设备的防腐更加有保证，其为海上风电设备的防腐系统选择提供了更为科学的理论判断依据。

 

 

　　JB/T10194——2000中指出，设计和制造叶片时要考虑环境因素的影响，应进行耐环境设计，采取相应措施，使其具有较高的环境适应性。叶片在一定程度上暴露在腐蚀性环境条件下并且不容易接近。由于运行条件的原因，在许多情况下不可能重做防腐层，因此重视设计、材料选择和防腐保护措施特别重要，防腐和减轻腐蚀的结构设计对防腐的实施、效果和可修理性具有重大的影响。对于不能通过涂层或镀层来防腐的部位，可以选用适当的材料。复合材料叶片应采用胶衣保护层，但没有相应的指标规定。标准认定的环境条件包括温度、湿度、盐雾、雷电、沙尘、辐射六项。在“MW级风力发电机组风轮叶片原材料国产化”的“863”计划中，要求叶片表面保护涂料能提高叶片耐紫外线老化、耐风沙侵蚀以及耐湿热、盐雾腐蚀能力，适应我国南

 

　　北方不同极端气候条件下风电场的使用需求，保证风轮叶片20a的设计使用寿命。

 

　　（1）底座、轮毂、轴承的防腐设计一般采用与塔架内壁相同的防腐涂料体系。(2)塔架基础的防腐设计塔架基础埋地钢筋同样面临腐蚀，但一般被忽视而未采取防腐措施，一旦出现问题则难以处置。其防腐方法可采用一般建筑用钢筋防腐涂料，或者针对性设计和选择涂料品种，在基础浇注前进行防腐涂装。(3)机舱罩、整流罩的防腐设计一般采用风机叶片涂料体系。(4)变压器的防腐设计一般为落地箱式，北方寒旱环境下沙尘、冰冻、紫外线腐蚀比较严重，南方盐雾湿润腐蚀严重，要采用塔架外防护涂料体系。海上风机的箱式变压器采用绝缘树脂浇注实现变压器铁芯防腐蚀。(5)控制柜、开关柜的防腐设计配电箱/电器柜等钣金结构件目前一般使用粉末涂料，主要是采用提高防护等级隔绝空气来实现整体防腐蚀。(6)发电机、齿轮箱的防腐设计双馈型风机，因其转速较高，因此发电机采用常规的密闭冷却散热系统，内部构造无需考虑防腐，只需利用结构件防腐方法解决外表防腐问题。永磁直驱型风机，将铁芯设计为防腐蚀材料，而转子线包则采用真空浸漆工艺配合氟硅橡胶材料加强防腐，确保散热和防腐达到一种平衡。

 

 

　　所有产品的防腐设计，都应当依据产品自身服役环境的特点来制定对应的产品防腐方案。海上风电设备的防腐设计的重点在于其防腐环境特别恶劣，防腐技术要求高，且难以进行二次维护。因而，我们在需要对海上风电设备进行防腐设计的时候，必须对其服役环境有具体的了解，并且掌握所使用材料的各种物化性能(耐老化性、耐盐雾性、导电性等)，结合公司现有加工能力，掌握一些基本的产品防腐结构设计方面的知识，才能够进行合理而可靠的产品防腐设计。

 

 

　　［1］高宏飙，陈强等．PTC复层矿脂包覆防腐技术在海上风电的应用［J］．中国涂料2013，28(12):39——43．

 

　　［2］田兆会，李华明．风电设备腐蚀环境分析与涂料防护［J］．中国涂料，2009，24(11):6——12．

 

　　［3］李承宇，王会阳．风力发电设备防腐涂装［J］．电镀与涂饰，2011，30(06):70——72．