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海上风电的腐蚀与防护

国际新能源网  来源:《腐蚀防护之友》  作者:曲政  日期:2017-12-08
  在当前煤炭、石油等化石能源资源日益匮乏,温室气体排放威胁人类生存环境的严峻形势下,风能作为自然界中能够不断再生、可持续利用的绿色能源资源,以其蕴藏量巨大、分布广泛、无污染等优势,越来越受到世界各国的重视。自1991 年世界首座海上风电场在丹麦建成以来 , 海上风电已经成为世界可再生能源发展的重点领域。经过 20 多年的发展,海上风电技术日趋成熟,已进入大规模开发阶段。到 2014 年底,欧洲 11 个国家共建设了 84 个海上风电场,总装机容量11,027MW。我国 2010 年并网发电的东海大桥 100MW 海上风电场是亚洲第一个大型海上风电项目,到 2013 年底我国海上风电总装机容量达到 428.58MW。据报道,我国可开发和利用的陆地上风能储量 2.53 亿千瓦,近海可开发和利用的风能储量有 7.5 亿千瓦,海上风能储量远远大于陆地,有广阔的发展空间。同时,我国东部沿海地区经济发达,能源紧缺,开发丰富的海上风能资源将有效改善能源供应结构。因此,尽管我国海上风电起步较晚,但发展潜力巨大。
 
  与陆上风电相比,海上风电所处环境更为复杂,海洋大气区高湿度、高盐雾、长日照,浪花飞溅区干湿交替,水下区海水浸泡、生物附着等,腐蚀环境非常苛刻,对海上风电设备的腐蚀防护提出了严峻挑战,同时海上风电由于其特殊的地理环境和技术要求,维修费用极高。因此,海洋腐蚀不但给海上风电机组带来巨大安全隐患,缩短机组运营寿命,也大大增加了风电的建设投资和运行维护成本。防腐蚀是海上风电必须考虑的突出问题, 防腐蚀设计成为海上风电场设计的重要环节之一。
 
  海上风电机组
 
  海上风电机组主要由水下基础、塔架、机舱、轮毂和叶片等部分组成,具体构造上不同厂家的风机存在一些区别,大部分厂家将主轴、轴承座、齿轮箱、联轴器、机械刹车、发电机、变压器、变桨系统、电控系统等集成在机舱和轮毂内部,以减少现场安装工作量。
 
  水下基础从材料角度主要有钢结构基础和钢筋混凝土结构基础;从结构形式分主要有重力式基础、单桩基础、群桩基础、导管架基础、吸力式筒形基础等固定式基础和漂浮式基础等。
 
  我国东海大桥海上风电场采用的是群桩承台基础。
 
  目前海上风机的高度一般在 80 ~ 110m 的范围内,按部位划分,风机基础结构处于浪花飞溅区、潮差区、全浸区及海泥区, 风机的机舱、 轮毂、 叶片和塔架等处于海洋大气区范围内。
 
  单桩基础的海上风电结构图

 
  海上风电机组的腐蚀分析
 
  海上风电机组一般位于离岸 15Km 以内的近海,从机组、塔架到水下基础,相应处于海洋大气、浪花飞溅、潮差、全浸及海泥五个区,每个区的腐蚀环境不同,其腐蚀特征也不同。下面对每个区的腐蚀特征分别进行介绍。
 
  1、海洋大气区
 
  高湿、高盐是海洋大气的特点,海洋大气中的水蒸气在毛细管作用、吸附作用和化学凝结作用等的影响下,容易附着在钢铁表面形成一层肉眼看不到的水膜,水膜中有溶解氧、氯离子、 硫酸根离子和其它一些盐分, 是导电性很强的电解质溶液。钢铁表面的不均匀使得表面形成腐蚀电池, 从而引起钢铁腐蚀。研究结果表明,钢在湿度 70% 时腐蚀最为严重。另外昼夜的干湿交替,对腐蚀有加速作用。
 
  水膜中氯离子具有穿透作用,它能加速钢铁的点蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀,使得钢铁表面难以形成长期稳定的致密锈层,导致腐蚀率上升。
 
  2、浪花飞溅区
 
  在浪花飞溅区,海水膜润湿时间长、干湿交替频率快、海盐离子大量积聚,同时飞溅的海浪粒子冲击和海风等使得供氧充分,是造成腐蚀速度加剧的重要因素。飞溅海水中的气泡会冲击破坏材料表面, 使得该部分的防腐涂层很容易脱落。 因此在整个海洋环境中,浪花飞溅区是腐蚀最为严重的区域。
 
  钢桩在海洋环境各区域的腐蚀速率示意图

 
  3、潮差区
 
  钢结构基础的水下区与潮差区部分由于氧含量不同而形成氧浓差电池,潮差区部分由于供氧充分而成为宏观电池的阴极区,水下部分则变为阳极向阴极区提供保护电流,而使得潮差区部分腐蚀较轻。
 
  海洋生物能够栖居在潮差区结构的表面,如果附着生物均匀分布,会在结构表面形成保护膜从而减轻腐蚀,如果局部附着,则会因供氧不同而导致附着物下面的钢表面腐蚀严重。
 
  4、全浸区
 
  在全浸区,以电化学和生物腐蚀为主,又分为浅水区(低潮位以下20~30米以内) 、 大陆架全浸区 (30~200米水深区)和深水区(200 米以下)。
 
  浅水区海水流速大,存在近海化学和泥沙污染,溶解氧和二氧化碳处于饱和状态,生物活跃,水温较高,是全浸区腐蚀较为严重的部分。
 
  随着水深的增加,海水流速降低,水温下降,含气量降低,生物活动减少,腐蚀以电化学腐蚀为主,相对浅水区较轻。随着深度进一步增大,压力增大,矿物盐的溶解量下降,水温、含气量、水流进一步降低。腐蚀以电化学腐蚀和应力腐蚀为主,相对较轻。
 
  5、海泥区
 
  海泥区位于全浸区以下,主要由海底沉积物构成。海底沉积物的物理性质、化学性质和生物性质随海域和海水深度的不同而不同。海泥实际是饱和了海水的土壤,它既有土壤的腐蚀特点,又有海水的腐蚀行为。相对来讲,海泥区的腐蚀较轻。当海泥中存在硫酸盐还原菌时,它会在缺氧环境下生长繁殖,对钢材造成比较严重的腐蚀。
 
  碳钢在海洋环境中的不同区带表现出不同的腐蚀特征,在海水中的腐蚀主要包括物理、化学和生物的影响,应结合不同的特征采取针对性地防腐蚀措施。
 
  1.海泥区 2.全浸区 3.潮差区 4.浪花飞溅区 5.海洋大气区
 
  海上风机环境示意图

 
  海上风电防腐
 
  根据海上风电机组所处环境的腐蚀特征,可采取针对性地防腐蚀措施。目前,在海上风电防腐中应用较多的是防腐蚀涂层、阴极保护技术,另外增加腐蚀余量、选用更耐蚀材料等也是解决腐蚀问题的可选方法。
 
  1、水下基础防腐
 
  钢结构风电基础的防腐方法与海上平台、钢管桩等基本相同。浪花飞溅区和潮差区的基础外表面,多采用防腐涂层加防护外套进行保护;全浸区和海泥区,则采用防腐涂层和阴极保护的联合保护,其中阴极保护方法有牺牲阳极法、强制外加电流法。前面讲到的均是对接触海水及海洋大气的钢结构外壁进行保护,近年来研究发现,被人们忽视的单桩基础钢筒内壁腐蚀非常严重,在设计施工时,应针对性地加强保护,如采用牺牲阳极阴极保护等。
 
  对于钢筋混凝土基础,为提高结构耐久性,通常采用高性能海工混凝土,通过加大钢筋外保护层厚度、掺入阻锈剂等防止钢筋锈蚀,必要时对浪花飞溅区和潮差区结构表面涂刷防腐涂料等加强保护。
 
  2、塔架防腐
 
  钢结构塔架处于海洋大气环境中,经济有效的防腐蚀解决方案是采用长寿命防腐涂层体系,其中应用较多的是有机或无机防腐涂层体系,也有采用金属镀层和防腐涂层联合保护的情况。考虑到塔架外壁长期处于暴晒环境,面漆抗紫外线老化是重要指标,目前常用脂肪族聚胺酯面漆。
 
  塔架内壁,腐蚀相对较轻,且无紫外线老化问题,可采用海洋大气环境中适用的普通防腐涂层体系,如环氧富锌底漆和环氧类面漆,漆膜厚度也相对较薄。
 
  3、风机机舱及轮毂防腐
 
  机舱和轮毂内部包含了风机的关键部件,也是防腐蚀的核心区域。因内部部件较多,且涉及多个专业,若每个部件都采取较强的防腐蚀措施则会增加很多的成本,为控制成本,海上风机厂商均采取了总体防腐结合关键部件加强防腐的解决方案。
 
  (1)总体防腐
 
  各部件尽可能与外界环境隔离以避免腐蚀是主体设计思路。将机舱设计成一个尽可能密闭的空间,通过鼓风机等使内部对外界形成正压,阻止腐蚀性海洋大气直接进入,很大程度上降低了机舱和轮毂内部安装的各类部件的腐蚀防护要求。
 
  (2)关键部件加强防腐
 
  机舱和轮毂里的结构部件都不大,有主支撑底座,也有设备支架等,因部分结构需要暴露在外面,而且是日常维护过程中很难触及的位置,因此该类部件都设计为热镀锌或者涂层加强防腐。
 
  机械部件主要包括主轴、联轴器、齿轮箱、变桨齿轮等。其中主轴连接面为机加工面,不做防腐,以保证平面度,暴露部位采用与结构部件相同的防腐蚀方法;联轴器为高弹性特殊材料,表面无法防腐,靠预留腐蚀余量法解决腐蚀问题;齿轮箱、偏航轴承以及变浆轴承的外部与结构部件相同,内部充填防腐润滑油实现防腐;偏航齿轮与变桨齿轮因频繁经历齿轮拟合,磨损较大,且需要润滑,因此采用表面涂抹黄油实现隔离空气和润滑的双重作用。
 
  电气部件主要包括发电机、变压器、控制柜 / 开关柜、各类驱动电机等。提高设备外壳防护等级实现与空气的隔离是电气设备的重要防腐蚀手段。发电机是持续旋转设备,必须持续高效散热才能正常运行,如果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,只需要解决外部防腐问题即可;如果发电机无法从结构上实现密闭冷却散热,定子铁芯以及转子线包的腐蚀问题就需要考虑,一般讲铁芯设计为耐腐蚀材料,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,工艺设计要求较高,以确保散热和防腐达到一种平衡。海上风机的箱式变压器一般采用干变,散热方式也是直接空气冷却,采用绝缘树脂浇注实现变压器铁芯防腐;控制柜 / 开关柜散热量较小,因此采用提高防护等级隔绝空气来实现整体防腐蚀,也有部分控制柜散热量较大,通常采用柜体安装小型空调控制柜内温度的方法,各类驱动电机的运转频率较低,且功率较小,采用密闭隔绝空气的方法防止腐蚀,在外壳上增加散热面积达到散热要求。
 
  4、叶片防腐
 
  叶片防腐主要采取涂层法。《风力发电机组风轮叶片》(JB/T10194-2000)指出,“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”。复合材料叶片应采用胶衣保护层,但没有相应的指标规定。
 
  目前叶片防腐涂料主要以进口为主,成本都比较高。 “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使用需求,保证风轮叶片 20 年的设计使用寿命,并没有对海上腐蚀环境不同情况提出具体指标要求。因此,针对海上风电叶片涂料,还需结合国外的应用经验进一步完善相关标准。
 
  上海东海大桥100MW海上风电场
 
  海上风电防腐应注意的问题
 
  根据近几年东海大桥海上风电场、江苏如东海上风电场的反馈,钢结构基础的腐蚀问题呈普遍性逐步增多趋势,主要体现在防腐方案不合理、涂层失效、阴极保护系统缺陷、防腐材料及施工质量不过关等方面, 因此, 在海上风电的防腐蚀设计、建造及运行维护等方面应注意以下问题:
 
  1、设计标准问题
 
  对于塔筒结构及钢桩基础的防腐,主要参照海洋工程钢结构的防腐方法, 国内外相关的标准规范较多, 目前最常用的如下 :
 
  ˙ ISO12944色漆和清漆--防护漆体系对钢结构的腐蚀防护 ;
 
  ˙ISO20340 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;
 
  ˙NORSOKM501 表面处理和防护涂料;
 
  ˙DNV RP B401 阴极保护设计;
 
  ˙DNV OS J101 海上风电机组设计。
 
  ISO 12944 是目前国际上应用最广泛的钢结构防腐蚀涂装规范,ISO 20340 和 NORSOK M501 对海上风电防腐蚀涂料体系的性能测试和施工技术等做出了规定。针对沿海及海上风电防腐,根据国内海上风电的发展现状,我国正在制订《沿海及海上风电机组防腐技术规范》,规范中对防腐涂层体系、阴极保护的设计、施工、检验及后期维护等都做出了明确规定,该规范发布实施后,将大大提升我国海上风电防腐作业管理水平。
 
  2、施工质量问题
 
  海上风电由于其特殊性,安装完成投入运行后,再进行涂层维护很难,且费用相当高,通常按 25 年的长期寿命进行涂层体系设计, 因此, 防腐涂料及施工质量要求也相对较高。 “三分涂料,七分施工”,选择了质量满足要求的涂料产品之后,涂层施工质量的好坏,就决定了最终的保护效果。表面处理是涂装工作的第一步,一般要求喷砂除锈达到 Sa2 级,同时对砂料、施工环境气候条件、压缩空气等都有相关规定,应严格执行。在表面处理达到要求后,方可进行涂装施工。应严格按照涂料使用说明书的要求进行储存、配料、施工,为保证质量,当湿度和温度条件不满足时,严禁施工。为方便施工监理,对每道涂层的颜色一般都有明确规定。
 
  3、运行中的监检测问题
 
  海上风电的钢结构基础通常采用涂层和阴极保护防腐,这种情况下,阴极保护系统运行效果如何,就需要通过监检测系统来获取相关信息进行判定。阴极保护无论是牺牲阳极还是外加电流方式,都需要安装参比电极、电流密度探头等,以获取保护电位、保护电流密度等信息。针对涂层和生物腐蚀问题,国外还有电化学阻抗、生物腐蚀、腐蚀速率等探头在海上风电的应用情况。所有探头信息通过数据采集仪定时记录,由于海上风电的特殊性,数据记录仪应具备网络接入功能,传感器的数据应能及时上传网络,并自动保存在监测系统或计算机中。
 
  结语
 
  海上风电是可再生新能源的重点发展领域,具有广阔发展前景。海上风电机组处于严苛的海洋腐蚀环境,为保证海上风电机组的长期安全运行,必须从设计、制造、安装及后期运行维护等各方面重视防腐蚀问题。
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