海洋能发电装置的防腐技术概述

李扬眉，杨 立，杨东菊，王海峰

（国家海洋技术中心，天津 300112）

海洋能发电装置的防腐技术概述

李扬眉，杨 立，杨东菊，王海峰

（国家海洋技术中心，天津 300112）

防腐蚀是海洋能开发利用过程中急需解决的关键技术之一。文中分析研究了海洋能发电装置的腐蚀因素、腐蚀环境以及存在的腐蚀类型，总结了提高防腐蚀的措施，提出了规范化海洋能发电装置防腐蚀的建议。

海洋能；发电；防腐蚀；规范化

能源短缺是当今世界面临的共同问题。在我国能源结构中，化石燃料占总能源供给量的比例过高，沿海地区化石燃料的生产已不能满足目前的需要，严重制约了沿海和海岛地区的社会经济发展，开发利用可再生能源特别是海洋能是促进我国能源结构改善和解决沿海及海岛地区能源短缺问题的重要途径之一。

近些年来国内外广泛开展了海洋能发电技术的研究，但海水是一种含有多种盐类的电解质溶液，并溶有一定量的氧，这就决定了海水具有强烈的腐蚀性。海洋能发电装置安装运行后，受海水侵蚀、波浪冲击、日照、海风、季节温度变化以及海生物侵蚀等多种因素的影响，加速了腐蚀，使材料的性能降低，造成结构损坏，从而导致发电装置不能正常工作，不仅造成巨大的经济损失，也严重制约了海洋能发电装置技术的发展。海洋能发电装置的防腐蚀研究也是我国海洋能开发利用过程中急需解决的关键技术之一。

1 腐蚀

海洋中的材料和环境之间发生化学或电化学相互作用就会引起材料的破坏或变质，发生腐蚀现象。腐蚀具有普遍性、隐蔽性、渐进性和突发性的特点。海洋能发电装置主体结构多为金属材料，较易发生腐蚀。

1.1 海水腐蚀因素

造成金属材料在海水、海洋大气及海底泥土中发生腐蚀现象的因素主要有化学、物理、生物等因素。

（1）化学因素的作用主要体现在海水中的溶解氧含量，含盐量及电导率等方面。溶解氧含量是影响海水腐蚀速率的重要因素。

（2）影响腐蚀的物理因素有海水流速、波浪、潮汐、温度等，它们影响到溶解氧的供给，从而加剧腐蚀的速度。

（3）在海洋金属上还附着有一些海洋生物，包括海洋动物、植物和微生物，它们会在金属表面生长繁殖，产生腐蚀性物质或促进电化学腐蚀，造成点蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀。

1.2 海洋发电装置腐蚀环境区域

海洋发电装置腐蚀环境按照腐蚀规律可大致分为海洋大气区、潮差飞溅区、海水全浸区、海底泥土区。

1.2.1 海洋大气区

海洋发电装置在海面飞溅带以上的部分为海洋大气区。受日光、风雨、冰雪和高浓度盐雾等作用，腐蚀速率较快，一般阴面比阳面腐蚀严重，距海水近的下部比上部腐蚀严重。在海洋大气区的腐蚀速率一般可达到0.1 mm／a。

1.2.2 潮差飞溅区

海洋能发电装置处于涨潮和落潮及海水飞溅达到的部分为潮差飞溅区。受阳光照射、浪花飞溅和冲击、涨潮和落潮时干湿交替、海面漂浮物的撞击和侵蚀、海水电解质腐蚀等多种因素影响，是腐蚀最严重的部分。在潮差飞溅区的腐蚀速率一般为 0.3～0.5 mm／a，最高可达到 1 mm／a，蚀坑的深度可达到2 mm以上。

1.2.3 海水全浸区

海洋发电装置处于低潮水位下的部分为海水全浸区。表层海水的水温高、氧气近于饱和、生物活性强是水下区腐蚀最强的部分。表层以下部分氧气含量较少，植物性和动物性污染较少，但水温低，压力大，由海水电解质造成的腐蚀相对较轻。在海水全浸区的腐蚀速率一般为0.1～0.2 mm／a，而且容易发生严重的局部腐蚀和疲劳腐蚀。

1.2.4 海底泥土区

在海底泥土区中，粘土和细粉沙软泥会含有厌氧硫酸菌而加速腐蚀；海砂中微生物含量较少，腐蚀速率相对低。对于浅海区域，由于陆地污染物的排入，使腐蚀变得复杂，一般会加速腐蚀。对于浅海中埋在海底部分的桩腿，由于氧浓差电池作用，将加快腐蚀。

1.3 海洋能发电装置存在的腐蚀类型

海洋能发电装置腐蚀类型主要有均匀腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、冲击腐蚀、空泡腐蚀、生物腐蚀、电偶腐蚀、疲劳腐蚀等，这些腐蚀类型往往与结构设计和冶金因素有关。

2 海洋能发电装置防腐蚀措施

海洋能发电是新型能源的重要方式，海洋能发电装置造价昂贵，日常维护困难，为保证海洋能的安全，采取适当的防护措施，加强海洋能发电装置的防腐蚀能力，可以有效地防止和抑制海洋腐蚀的发生，避免减轻海洋腐蚀造成的危害。海洋能发电装置可以从以下几方面提高防腐蚀能力。

2.1 选用耐蚀材料并注重设计和加工

2.1.1 材料选取

材料本身的耐腐蚀性能对海洋结构物的寿命和耐久性起着非常重要的作用，采用耐腐蚀材料可以取得更好的防护效果或更好的经济性。海洋环境耐腐蚀材料包括：不锈钢、铜合金、镍基合金、钛及钛合金以及非金属材料如工程塑料、树脂基复合材料等。海洋能发电装置材料的选用不仅应考虑材料的海洋环境耐蚀性能与耐蚀机理，还要考虑不同材料之间的相容性等。

2.1.2 结构设计

合理的设计可以减少腐蚀的发生。例如，潮差飞溅区易遭受严重腐蚀，而又不能进行喷砂处理和涂敷，在结构设计中应尽量避开类似T、K、Y形状的节点；可以通过减少潮差飞溅区中金属构件的密集度来减少腐蚀的蔓延；通过减少异种金属部件的直接连接，减少水下全浸区的腐蚀。

2.1.3 加工工艺

很多事故表明，裂缝往往是发生在结构应力集中严重部位以及焊缝切割部分，因此要尽量避免不同金属的搭接和铆接，焊缝不宜太多，各部分受力要均匀。对于重要节点，随着钢板厚度的增加，焊接量大、应力集中更为明显，因此往往除了要求完全焊透以外，并打磨焊缝表面，使光滑过度，疲劳强度可以提高一倍以上。

2.2 采用涂层保护技术

涂层是海洋环境腐蚀保护的主要手段之一，防护涂层包括有机涂层和金属涂层，按功能可划分为防腐涂层和防污涂层。海洋能发电装置涂层应选用高性能海洋防腐涂料、环境友好涂料、长寿命绿色防污涂料；还应考虑金属涂层、复合涂层等技术的采用。此外对涂层制备工艺技术、涂层体系性能评价与试验方法、涂层防护机理等作充分的考虑。

2.2.1 涂料的选取

防护涂料的品种很多，性能各异，被保护的对象多种多样，使用条件各不相同。总之没有“万能涂料”可以适应各种用途。因此，选择涂料是十分重要的。选取具备以下特征的防腐蚀涂料：

（1）耐腐蚀性能好；

（2）透气性和渗水性要小；

（3）要有良好的附着力和一定的机械强度。

总之，实际中往往会出现这样的情况，某一涂料品种耐腐蚀性能很好，但对基材附着力和机械性能不佳而无法使用。为了解决耐腐蚀性能和机械性能之间的矛盾，海洋能发电装置的防腐蚀涂层可采用几种涂料复配的方法。

2.2.2 涂装

防腐层对喷涂表面也有一定的要求，被涂材料表面在涂装前必须进行必要的表面处理，使其达到表面平整光洁，无焊渣、锈蚀、酸碱、水分、油污等污物，是保证涂装的关键。因此，在涂装前进行完善的表面处理，对增强涂膜的附着力，更大地发挥涂料的保护和装饰作用，延长产品的使用寿命，起着极为重要的作用。防腐效果的好坏，60%～70%在于表面处理和施工。

2.3 采用电化学保护技术

电化学保护是防止海水腐蚀的重要方法，主要采用阴极保护法。阴极保护法和有机涂层相结合是防止金属结构物海水腐蚀的有效措施，可取得协同的优化防腐蚀效果。

阴极保护法将处于电解质溶液中的金属结构进行阴极极化，使其电位向负的方向移动，从而使金属腐蚀得到抑制。根据提供阴极保护电流途径的不同，有分为牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护两种方法。前者是通过电负性金属作为阳极（例如特制的锌合金和铝合金）与被保护的金属相连接，通过阳极材料的溶解消耗来提供保护电流。后者是利用外部电源如整流器等来提供阴极保护所需的电流。

海洋能发电装置既可以采用外加电流装置，也可以采用牺牲阳极装置，甚至可以两种类型联合使用。

3 不同腐蚀环境区域防腐蚀分析

不同的腐蚀环境区域具有不同的腐蚀特征，不同材料在不同海洋环境中的腐蚀规律不同，即使同一种材料在海洋不同区域的腐蚀也存在着较大差异。因此，海洋能发电装置各部分根据不同的腐蚀规律和防腐要求，采取不同的防腐蚀方案。

3.1 海洋大气区的防腐蚀

海洋大气区多发生点蚀和缝隙腐蚀，因此应选用无缝、光滑的管件。选用耐蚀材料加防腐涂层的方法防腐蚀，涂层要求具有优异的耐大气老化和盐沉积性能。

3.2 潮差飞溅区的防腐蚀

潮差飞溅区是腐蚀最严重的部分，结构设计时应使结构件在该区的表面积尽量小，一般采用防腐涂层和电化学保护相结合的方法进行防腐蚀保护。使用的防腐涂料应具有良好的耐海水性、耐候性、耐磨损、耐冲击、耐化学腐蚀、耐干湿交替性能，在海水长期浸泡下，不会起泡和脱落。此外，增加结构壁厚或附加“防腐蚀钢板”是也潮差飞溅区有效的防护措施，有关的规范仍然要求潮差飞溅区防腐蚀钢板厚度应达13～19 mm。

对潮差飞溅区进行腐蚀保护时，必须清楚地了解海洋能发电装置使用环境的风浪情况，准确确定范围。由于潮差飞溅区防护对发电装置的安全是极为重要的，所以在确定其范围时宁可扩大一些，有一定的安全系数。

3.3 海水全浸区的防腐蚀

在海洋全浸区的腐蚀程度比大气区严重，但比潮差飞溅区要轻。当水深较浅时，可采用涂层联合阴极保护进行防腐蚀，水较深时，可以单独采用阴极保护，因为目前防锈、污涂料使用期限很难达到永久性的保护，并且水下施工较困难。

对子半潜式发电装置，对负重有一定要求，最好使用涂层和电化学保护相结合的方法，能够在正常使用情况下减轻牺牲阳极的重量。要求涂层具有良好的耐海水性和耐电位性能。

3.4 海底泥土区的防腐蚀

根据海洋能发电装置使用环境的海底沉积物的腐蚀性来采取防腐蚀措施，可采用防腐涂层联合阴极保护进行防腐蚀，或者单独采用阴极保护。

4 规范化海洋能发电装置的防腐蚀

除海洋能发电装置采取必要的防腐蚀措施外，建议建立完善的防腐蚀规章制度，在海洋能发电装置设计、制造以及使用时涉及防腐蚀时必须按相应的规定执行，做到规范化防腐，使防腐蚀措施行之有效。

4.1 建立腐蚀监测系统

建立腐蚀监测系统进行在线监测，及时了解海洋能发电装置的腐蚀与防腐蚀，对腐蚀保护状况和结构的耐久性进行评价，为合理的维护维修以及改进防腐蚀措施提供科学依据。

4.2 制定防腐蚀设计制造和使用的规范和标准

对海洋能发电装置各部件各腐蚀区域的防腐蚀措施，例如材料选取、结构设计、涂层设计、施工工艺、阴极保护等均制定相应的规范和标准，在海洋能发电装置设计制造和使用中必须遵守，规范海洋能发电装置设计制造。

4.3 建立检测制度，定期检测

编写全面完善的检测规程，对海洋能发电装置使用前、使用中定期开展检测，客观地评估海洋能发电装置的防腐蚀能力及腐蚀状况，为有效利用海洋能发电装置提供科学依据。

5 结束语

众所周知，金属腐蚀会造成巨大的损失，如果采取恰当的防腐蚀措施，许多腐蚀事故可以避免。全面做好海洋能发电装置的防腐工作，形成完善的防腐蚀装置，提高海洋能发电装置的环境适应性，使海洋能发电装置的运行可靠性和长效性得到最大程度的提高，可促进海洋能开发利用的产业化、规模化发展。

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Study on Anti-corrosion of Ocean Energy Conversion Device

LI Yang-mei,YANG Li,YANG Dong-ju,WANG Hai-feng
(National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China)

Anti-corrosion is one of the key technologies in the process of exploitation and utilization of ocean energy.An analysis on the corrosion factors,corrosion environment and the types of corrosion of ocean energy conversion device is made.The approach of improving anti-corrosion and standardization of anti-corrosion is summarized finally.

ocean energy;generating electricity;anti-corrosion;standardization

P74，TG17

B

1003-2029（2011）03-0108-03

2011-04-08

“十一五”国家科技支撑计划《海洋能开发利用关键技术研究与示范》的子项目，海洋能发电系统综合测试研究（2008BAA15B06）