海上風電設備腐蝕現狀

 

無論是海上風電還是其他海洋工程，海洋腐蝕以及生物污損都嚴重威脅著這些重大工程設施的安全運行。然而，目前大多數海洋工程結構處于裸露或欠保護狀態，海洋工程結構安全堪憂，腐蝕損失巨大。如何保證各種海洋工程設施的耐久性和安全性，降低重大災害性事故發生，延長這些重大工程設施的使用壽命，是當前我國海洋經濟發展中需要迫切解決的關鍵性問題和共性問題。目前，我國海上風電防腐蝕方面主要存在以下問題：

 

我國海上風機腐蝕防護技術還不完善，缺少一套海上風電整體防腐的體系標準。

 

防腐設計基礎相對薄弱，相關人員對海上風電設備防腐認知不足。所有產品的防腐設計都應當依據產品自身服役環境的特點來制定對應的產品防腐方案。海上風電設備防腐設計的重點在于其防腐環境特別惡劣，防腐技術要求高，且難以進行二次維護。因而，在對海上風電設備進行防腐設計時，必須對其服役環境進行具體了解，并且掌握所使用材料的各種物化性能（耐老化性、耐鹽霧性、導電性等），掌握一些基本的產品防腐結構設計方面的知識，才能夠進行合理而可靠的產品防腐設計。

 

海上風電防腐蝕是一個系統工程，從涂層體系配套、涂料選用、表面處理、涂裝施工到安裝運行階段，都需要進行嚴格控制。現階段，國內海上風電配套體系方案少，國內設備供應商對海上風電設備涂裝工藝的積累不足，安裝、運營單位對設備的維護和保養的經驗欠缺等，這些因素都會影響到海上風電設備的防腐性能。

 

海上風電設備腐蝕機理

 

海洋環境是腐蝕性最為嚴酷的自然環境。海水是一種具有很強腐蝕性的電解質溶液，含有大量鹽類， 包括氯化鈉及含有鉀、溴、碘等元素的鹽類。海水中溶解有氧氣、氮氣、二氧化碳等氣體，而其中的氧氣是引起海水中碳鋼、低合金鋼等金屬結構物腐蝕的重要影響因素。表層海水氧氣是飽和的，約為8mg/L，腐蝕性更強。海水溫度呈周期性變化，一般來說，鋼鐵等的腐蝕速度會隨著海水溫度的升高而增加。另外，海水中含有豐富的氧微量元素和營養鹽類等，這為海洋生物的生存和繁殖提供了必要條件。而海洋生物的存在則會影響金屬材料的腐蝕行為與機制。

 

海水與空氣接觸面積大、對流充分，在海浪的不斷攪拌下，氧氣飽和、濕度極大，加快了海上風電設備的腐蝕速率。風電機組“有風發電、無風停機、超風速急停”的不均勻運轉模式會產生高頻交變應力的疲勞荷載作用，這導致了風電機組腐蝕疲勞加速，嚴重影響了海上風電機組的使用壽命。

 

海上風電場的防腐措施盡管可以在很大程度上參考海洋平臺現有的防腐經驗，但是二者之間也有較大不同。海上風電場是無人居住的，并且嚴格限制人員的接近。海洋平臺是有人居住的，海洋平臺上的防腐涂層檢查和維修可更容易且有計劃地進行，受到腐蝕時可以隨時修補。而海上風電場很難做到這一點，維修費用極高，后續維護費用是其成本的7倍以上。因此，應當更加重視海上風電機組的鋼結構腐蝕，特別是外露于海洋大氣和飛濺區中的部位。一般情況下，大氣區結構件采取涂料保護或熱噴涂金屬保護，如大氣區鋼結構一般采用環氧富鋅底漆（含鋅≥80%）、環氧云鐵漆、聚氨酯面漆（或者聚氨酯+氟碳雙重面漆）3層涂層體系；飛濺區鋼結構一般采用玻璃鱗片漆、環氧耐磨漆雙層涂層體系；全浸區一般采用玻璃鱗片漆、環氧厚漿漆雙層涂層體系，并采取犧牲陽極進行協同防腐。

 

此外，目前風電行業往往主要關注海上風電結構件腐蝕，對電器設備腐蝕問題缺乏系統性認識和解決方案，一般來說，海上風電機組的關鍵電器設備更易受鹽霧的侵蝕，電器設備故障率會明顯上升。考慮到海上風電電器設備的種類繁多，重點應從改善電器設備服役環境條件著手，主要措施包括：在提高機艙及塔筒密封性的同時，應增加空氣凈化防腐系統，去除塔筒、機艙或者集裝箱內部的鹽霧，并且降低空氣的濕度。依據塔筒、機艙或者集裝箱內部實際空間的大小，可以確定所需的空氣凈化防腐系統凈化風量；此外，鹽霧凈化處理應去除 90%以上海洋環境中獨有的腐蝕性鹽分顆粒。

 

腐蝕檢測方法

 

為了更好地分析海上風電設備的腐蝕情況，以某海上風電場的風機及升壓站的評估結果為例，從涂層使用狀態和完整性、陰極保護及犧牲陽極使用狀態檢測、可溶性鹽分含量檢測等方面，探討海上風機、升壓站的腐蝕檢測分析方法。

 

1、涂層使用狀態和完整性

 

通常采用的檢查方法一般為在自然光照射下，檢查人員目視檢查涂層變色、粉化、開裂、起泡、長霉、生銹和剝落等缺陷，對涂層表面目視可見的均勻破壞采用破壞的變化程度進行評級，非連續性或其局部不規則破壞采用破壞數量進行評級，具體評級參照《GB/T 30789 色漆和清漆涂層老化的評價》。此外，依據能源部標準《NB/T 31006-2011 海上風電場鋼結構防腐蝕技術標準》要求，對鋼管樁干膜厚度進行測量，評價標準為：所有測點干膜厚度的平均值應不低于設計干膜厚度，所有測點的干膜厚度應不低于設計干膜厚度的80%，80%以上測點的干膜厚度應達到設計干膜厚度的要求。

 

以往海上風電風機設備腐蝕測量多是在鋼管樁、塔筒外壁、塔筒內壁各選擇若干測區進行測量，每個測區采用五點取樣法進行測試，最終計算所有測試結果的算術平均值作為該測區的平均干膜厚度。

 

通過對過往風機和海上升壓站在海洋大氣區、海水飛濺區、潮差區的腐蝕狀態進行檢查時可以發現，風機和海上升壓站鋼管樁水上部分防腐涂層表面狀況大部分良好，未發現明顯的變色、粉化、裂紋、起泡現象，部分風機鋼管樁局部有小面積破損、脫落和銹蝕情況；風機附屬結構（爬梯、平臺、船靠等）局部腐蝕比較嚴重，很多腐蝕都是由于初期建設階段涂層損壞未及時修復引發的，且多數鋼管樁潮差區被海生物覆蓋。具體見圖1。

 

 

圖1 風機鋼管樁及附屬結構局部腐蝕及海生物附著圖片

 

涂層厚度方面，多是根據風電場提供的風機基礎設計信息，檢測的位置多為導管架鋼樁表面涂層、塔筒內壁涂層、塔筒外壁涂層等。一般而言，若基礎鋼管樁涂層干膜厚度小于原設計厚度，且低于原設計厚度的80%，便已不符合標準要求，說明風機基礎鋼管樁涂層厚度較差。不過，還需結合現場的檢測情況做最終判斷。很多時候比設計值偏小的涂層多為修復過后的的涂層，主要原因應該是吊裝施工過程中涂層損壞之后的修復沒有嚴格按照涂層設計要求進行。

 

此外，若塔筒內壁不存在損壞修補過程，而且使用時間也比較短，測量干膜厚度基于等于出場干膜厚度。這說明，塔筒內壁的厚度并沒有經過嚴格檢測，未在確保合格后即出廠。表1為某風機設備抽取的的部分測量數據實例。

 

表1 風機升壓站涂層厚度測量結果

2、陰極保護及犧牲陽極使用狀態檢測

 

電位檢測也同樣很重要，一般采用銅/飽和硫酸銅參比電極、高阻抗數字萬用表，自水面向下取平均水深約5m范圍內進行檢測。檢測共選取若干方位，逆時針排序檢測，每隔約120°為一個檢測方位，每個檢測方位以電極接觸水面開始檢測，向下放電極每間隔約1m記錄一個測量值，檢測示意圖見圖2。

 

按照規范規定，采用犧牲陽極保護時，鋼質港工設施最小保護電位應達到-0.85V（相對銅/飽和硫酸銅參比電極，以下同），最大保護電位不超過-1.10V。

 

圖2 陰極保護電位檢測示意圖

 

犧牲陽極使用狀態檢測由專業潛水檢測人員攜帶攝像設備、清理工具、測量工具，潛水員用鋼絲刷、斧頭或其他工具清除陽極和焊縫表面的腐蝕產物及其他附著物，露出陽極和焊接部位的本體表面。

 

犧牲陽極使用狀態檢查時，需要對每臺風機隨機抽取的犧牲陽極進行探摸檢查和測量尺寸。過往檢查就曾發現，多數犧牲陽極表面均會被海生物覆蓋，需用工具才可清除，犧牲陽極表面溶解較好。陽極焊腳焊接情況良好。如果設備使用時間較短，那么陽極塊整體的損耗一般不大，大部分的測量數據基本都會在設計值或之上，不太會出現損耗較大的犧牲陽極塊，剩余使用壽命基本與設計使用壽命一致。

 

此外，對清理干凈的犧牲陽極本體和鐵腳部位還需要求進行錄像檢測，并隨機抽取每臺風機的若干個犧牲陽極用軟尺對陽極上、中、下不同位置的周長及陽極長度進行測定。船上檢測人員進行實時監測和錄像操作，并測量陽極表面局部蝕坑的深度。船上檢測人員記錄陽極表面狀況，記錄檢測數值。

 

3、可溶性鹽分含量檢測

 

通常根據《GB/T 18570.6-2011 涂覆涂料前鋼材表面處理 表面清潔度的評定試驗 第6部分：可溶性雜質的取樣Bresle法》，目前多是采用Bresel法測試現場各塔筒內表面含鹽量，并隨機抽取一定數量風機測試機艙內表面、升壓站開關室和塔筒外壁進行含鹽量檢測，其原理為測量所有水溶性鹽離子的電導率，并將其換算成單位面積上的NaCl含量。目前國內、國際對涂層表面的可溶性鹽分無統一的數值標準，業界公認的可溶性鹽分的允許值為100mg/m2， 某不同濃度可溶性鹽分對涂層的影響見表2。

 

表2 可溶性鹽分含量對涂層的影響

通過以往檢測結果可以發現一些規律，升壓站從一層逐漸往上含鹽量是有明顯降低的趨勢，風機從塔筒底部內壁至機艙也有該趨勢，可能是因為升壓站一層及風機塔筒底部人員活動頻繁，相應的設備間、塔筒門的開關頻繁，與海洋大氣接觸較多，表面鹽分沉積增多。塔筒外壁雖然一直處于海洋大氣環境中，測試結果低于絕大部分的室內測試數據。

 

結語

 

隨著我國海上風電開發和利用的速度加快，迫切需要結合我國的實際情況深入開展海上風電機組的腐蝕防護等關鍵性技術研究，同時加快海上風電機組腐蝕與防護技術的應用探索，從而助力海上風電產業的健康發展。