海上风力发电系统的腐蚀与防护

邓再芝

(中国二重大型铸锻件研究所，四川 618013)

与陆地风电场相比，海上风电场具有风能丰沛、用地廉价等优点，但是海上风电所处的环境十分恶劣，高温、高湿、高盐分、长日照等都对海上风电设备的腐蚀防护提出了更高的要求。

从1991 年丹麦在海上安装第一台海上风力发电机算起，在短短的20 来年时间里，海上风电蓬勃发展，对海上风电系统的腐蚀与防腐蚀技术的研究也日益受到重视。

1 海上风电的防腐蚀标准

目前，还没有专用的海上风电防腐蚀国家标准和国际标准，风电设备的制造与验收主要借助于ISO 12944 系列通用标准和一些海上石油生产平台防腐蚀标准。ISO 20340、挪威石油标准NORSOK M501、挪威船级社标准DNV-RP-B401、美国腐蚀工程师协会标准NACE SP0176、NACE SP0108 等都是在海上风电中经常引用的防腐蚀标准。我国的海上风电也大多引用这些标准。海上风电构筑物与海上石油生产平台的防腐蚀有相似之处，但也有显著的不同，由于风电本身的特点，它需要更严格的防腐蚀保护和更长的服役寿命。这些标准并没有考虑到所有的环境因素，比如ISO 12944 不考虑微生物、化学品、机械作用等，而对于海上风塔，潮汐带、浪花飞溅带、海浪以及它所夹带的冰渣等固体漂浮物可能是最重要的环境影响因素;ISO 12944不涉及钢筋混凝土结构的防腐蚀保护。ISO 12944 的防护年限划分最长是15 年以上，而风电设备的设计寿命要长得多(一般在20～30 年)。在这种情况下，很多制造者都采取了比标准要求更为严格的防腐蚀措施。

世界各大风电设备制造公司都有自己的防腐蚀规范，其中有对标准的引用，还有自己的研究成果和经验总结。但是，海上风电的出现只有短短20 来年的时间，即使是有经验的风电公司，对海上风电防腐蚀问题的认识和解决办法也会存在一定的局限性，并且还会受到材料发展水平的影响。

2 海洋环境的腐蚀

NACE SP0176 将海上构筑物的腐蚀环境划分为全浸区、飞溅区和大气区三个区域，但更多的文献将它划分为海底泥土区、海水全浸区、海水潮差区、浪花飞溅区和海洋大气区5 个区域，不同区域的腐蚀行为不同，腐蚀速度差别很大。

图1 是海洋钢结构设施在海洋环境不同腐蚀区带的腐蚀倾向示意图。图2 是海洋用钢在我国海域的实际腐蚀规律图。可以看出，浪花飞溅区部位的腐蚀最为严重。同一种钢，在浪花飞溅区的腐蚀速度可比海水全浸区中高出3～10 倍。有关试验和调查结果表明，长期在外海暴露的长尺试件，浪花飞溅区的腐蚀速率最高可达1 mm/a以上，而在低潮位以下－0.3 m 全浸区的腐蚀速度仅为(0.1～0.3)mm/a。

图1 海洋环境腐蚀倾向示意图Figure 1 Schematic drawing of marine environment corrosion tendency

图2 三种海洋用钢在青岛海区的腐蚀规律Figure 2 Corrosion rule of three kinds of steels used in Qingdao sea zone

3 防腐蚀措施

不同的腐蚀区域应采用不同的防腐蚀措施。

在全浸区采用涂层加阴极保护或阴极保护的方式，只需要将被保护构筑物的电位降低到(极化到)－0.80 V 至－1.05 V 之间(相对于Ag/AgCl/海水参比电极)，就可以对海水中的碳钢和低合金钢构筑物提供很好的阴极保护，泥下区只需要在全浸区阴极保护中附加考虑适当的保护电流。阴极保护分为牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护，风电基座和塔架属于永久性安装的海上构筑物，采用牺牲阳极阴极保护更为适合。铝基阳极、锌基阳极和镁基阳极都可以选用，但锌基阳极最为常用。外加电流阴极保护采用石墨、高硅铸铁等惰性阳极。

潮差区和飞溅区除采用涂层保护外，需要增加结构设计的腐蚀裕量并采取多层包覆措施(见图3)。DNV-RP-B401 认为，阴极保护非常适合潮差区严酷的腐蚀环境，并对被海水间歇浸湿的表面有降低腐蚀的效果。NACE SP0176 认为阴极保护可用于飞溅区潮间带涂层的补充保护，不能对飞溅区浪花飞溅打湿的部分或只是偶尔浸没的部分起保护作用。

图3 PTC 技术构成示意图Figure 3 Schematic drawing of PTC technical composition

大气区采用涂层防护。

对于海上风力发电设备，只有塔架会处于全部5 个区域，安装在塔架顶部的机舱和叶轮都处在大气腐蚀区。塔架对整个系统起支撑作用，所以必须保证塔架的稳固和耐久性。为了便于防腐蚀施工并将冲蚀作用降至最低，塔架一般分段设计成圆柱形状。由于腐蚀环境和防腐蚀措施都存在很大的差别，一般将飞溅区及以下作为塔架的塔基。塔基的下部可以采用单桩式、重力式、三脚架式等基础结构，塔基顶部作为安装平台，在塔基以上再用螺栓连接的方式安装塔架。塔基以上的塔架一般采用空心塔筒，塔筒内部是通往顶部机舱的人行通道、电缆通道和运输通道，有些系统直接将变压器装在塔筒中。

资料显示，在海洋大气区，风电设备(塔筒和机舱)的外表面按ISO 12944 的C5-M 腐蚀环境涂装，与大气相通的内表面(比如塔筒内表面)按ISO 12944 的C4 腐蚀环境涂装。机舱内部由于有大量电气设备和精密机械设备，机舱需要密封设计，内部安装调温调湿设备，这种机舱内部及内部设备的涂装可以按ISO 12944 的C3 腐蚀环境涂装。所有涂装的耐久性都按最高级别(ISO 12944 H 级，15 年以上)设计。根据这种腐蚀环境划分，可以从ISO 12944-5 中选择到相应的涂层设计和涂层厚度要求。

4 监测、维护、修理

阴极保护需要定期监测和维护以保证构筑物的电位维持在规定的范围之内。NACE SP0176对阴极保护的监测与维护方法有详细的描述。

在全浸区，阴极保护产生的氢气可能导致涂层脱落，从而使保护电流的需求量增加(对于牺牲阳极保护，会加快阳极的腐蚀)。这种情况在设计时就应考虑到保护措施，不需要对涂层进行修复。经过一定时间，阴极保护的裸金属表面会形成一层石灰质沉积物，这层沉积物可降低阴极保护电流的需求量。

在潮差区和飞溅区，由于构筑物表面会暴露在空气中，减弱或失去阴极保护，因此必须对涂层破坏部位和表面锈蚀进行维护修理。采用图3 所示的多层包覆技术可以对这两个区域提供更有效的防腐蚀保护。

在大气区，涂层的耐久性设计在15 年以上，表明在新涂装之后15 年内可以免维护，但这个时间并不是担保时间，它只是帮助业主制定维修计划的一个技术依据。因此在15 年之内要定期监测并根据监测情况进行维护修理。经验表明，鉴于海上环境条件，在涂层没有完全破坏、金属基体没有大量锈蚀之前进行维护修理，操作更为简便，终生维护成本最低。良好的施工质量和涂层质量是维持涂层设计寿命的根本保证，因此在新涂装和维修涂装中都应按ISO 12944-8 要求制订规范并进行施工管理。

［1］ISO 12944-1～8，色漆和清漆－防护涂料体系对钢结构的防腐蚀保护系列标准.

［2］ISO 20340，色漆和清漆－用于近海及相关构筑物的防护涂料系统的性能要求.

［3］NORSOK M501，表面处理和防护涂料.

［4］DNV-RP-B401，阴极保护设计.

［5］NACE SP0176，海上固定式石油生产钢质构筑物全浸区的腐蚀控制.

［6］NACE SP0108，使用防护漆对海上构筑物的腐蚀控制.

［7］侯保荣.钢铁设施在海洋浪花飞溅区的腐蚀行为及其新型包覆防护技术［J］.腐蚀与防护，2007(4):174－175.

［8］邵怀启，等.海洋飞溅区钢结构的腐蚀规律与防护措施［J］.腐蚀与防护，2008(11):646－649.

［9］胡津津，等.海洋平台的腐蚀及防腐蚀技术［J］.中国海洋平台，2008(6):39－42.

［10］时士峰，等.海上风电塔架腐蚀与防护现状［J］.腐蚀与防护，2010(11):875－877.

［11］宋积文，等.海洋环境中阴极保护设计与阴极产物膜［J］.腐蚀与防护，2010(4):265－267.