海上风电钢结构基础防腐层提前失效的应对措施

文 | 曹广启 刘禹洋

海上风电钢结构基础防腐层提前失效的应对措施

文 | 曹广启 刘禹洋

海上风电具有资源丰富、可发电利用小时数高、对周围环境影响较小、适宜大规模开发且海上风电靠近经济发达地区、距离电力负荷中心近、风电并网和消纳容易等特点，近几年许多国家均把风电开发的重点转向海上。我国海上风电所使用的基础形式从材料角度分为钢结构基础和钢筋混凝土基础两种形式，其中使用较广泛的为钢结构基础。由于钢结构基础所处的工况条件比较恶劣，且现场维护比较困难，一般按不低于15年的防腐寿命进行设计。国内某海上风电场运行时间远未达到15年，但有些钢结构基础防腐层却已经出现大面积损坏的现象，严重影响了风电机组的安全稳定运行，本文将对这一情况进行详细分析，找出原因并提出相应解决措施，为后续海上风电项目钢结构基础的防腐积累经验。

风场情况

出现钢结构基础防腐层大面积损坏的风场属于潮间带风场，采用的是油漆防腐，防腐方案是综合ISO 12944 《钢结构防腐涂装规范》、ISO 20340∶2009 《近岸和相关结构防护涂料系统的性能要求》以及我国能源局编制的NB/T 31006：2011《海上风电场钢结构防腐蚀技术标准》进行设计的，防腐方案设计合理，油漆施工是按照油漆供应商提供的施工工艺执行，关键工序有相应的记录，并且油漆干膜厚度符合设计要求，从而排除了防腐的设计及施工缺陷。

为了了解防腐层损坏的具体情况，在退潮以后我们对现场情况进行了实地调查，发现钢结构基础内部防腐层完好，外部区域出现了不同程度的损坏，有些区域有遭受撞击的迹象，且外部表面有大量海洋生物（主要是海蛎子）附着。图1中钢结构基础外表面黑色的物体即为附着的海洋生物，图2为海洋生物对钢结构基础防腐层的破坏情况。

原因分析

通过对现场的情况进行调查，我们认为外力撞击及海洋生物的附着是造成海上风电钢结构基础防腐层损坏的主要原因。

一、外力撞击

图1 钢结构基础海洋生物附着情况

图2 海洋生物对钢结构基础防腐层的破坏情况

我们发现有防腐层损坏的钢结构基础设计的船舶停靠装置不合理，在船舶靠泊的时候受海水流动的影响，船舶容易撞击到钢结构基础上，另外，风场所处海域漂浮物比较多，也会对钢结构基础产生撞击。而本项目在进行钢结构基础防腐方案设计时没有考虑外力撞击对油漆的影响，因而许多区域在遭受外力撞击时出现油漆层被撞坏并脱落的现象，从而影响了防腐涂层的使用寿命。

二、海洋生物的附着

由于风电机组所处海域生长着大量的海蛎子（也叫牡蛎），其具有许多独特的生活习性，刚出世的幼蛎，可以在水中自由游泳，但当它们遇到合适的环境，就开始寄生在岩石或其他坚硬的海中物体上，终生过着固着式的生活，难以被清除，从而在钢结构基础上形成外污损层。海蛎子附着在钢结构基础上以后，虽然能够阻碍碳钢表面的氧分子向腐蚀表面扩散，能对碳钢的腐蚀有一定的保护作用，但是由于附着层的不渗透性和外污损层中嗜氧菌的呼吸作用，使碳钢表面形成缺氧环境，有利于硫酸盐还原菌（SRB）的生长，从而加速碳钢的厌氧腐蚀。

根据电化学腐蚀原理和实验事实，硫酸盐还原菌（SRB）诱导碳钢腐蚀的机理如下：

Fe－2e→Fe2+(阳极反应) 2H++2e→H2(阴极反应)

SO42-+8H → S2-+H2O (SRB阴极去极化)

S2-+2H+→H2S（阴极去极化） Fe2++S2-→FeS(阳极去极化)

Fe2++H2S→FeS+2H+

上述反应所需H+来源于SRB代谢出有机酸的电离以及水的电离，从上述机理可以看出在整个电化学腐蚀过程中，硫化物（S2-），特别是H2S既有阴极去极化作用，又具有阳极去极化作用，从而加速了碳钢的腐蚀,严重的影响了海上风电机组钢结构基础的使用寿命。

解决措施

为了保证风电机组的安全稳定运行，在找出造成钢结构基础防腐层损坏的原因以后，我们必须采取针对性的措施进行解决。

一、应对外力撞击的措施

（一）根据该风场的水流特性优化原船舶停靠装置的设计，并在船舶停靠处增加相应的保护舷，保护舷可以吸收船舶停靠时的冲击能量，从而减轻对钢结构基础的破坏作用；

（二）考虑船舶停靠时对于钢结构基础的撞击作用，在船舶停靠处需要选择耐撞击强度高的油漆；

（三）鉴于该风场所处海域漂浮物较多，因此需要在钢结构基础外围设置隔离设施，从而减少漂浮物与钢结构基础接触的可能性。

二、应对海洋生物附着的措施

海洋生物的附着不仅会破坏钢结构基础防腐层并加速碳钢的腐蚀，而且难以解决，由于我国海上风电起步比较晚，相关规范不够健全，考虑到海上石油钻井平台所处环境与海上风电机组比较相似，为了更好的解决该问题，我们查阅了大量海上石油钻井平台防海洋生物附着的措施。目前我国石油钻井平台常用的防海洋生物附着的措施主要有以下三种：使用海洋动力防海生物装置（MGP）、使用防污漆防海生物及电解防海生物。

（一）海洋动力防海生物装置（MGP）

海洋动力防海生物装置（MGP）采用具有高弹性、高耐久性、优越的抗紫外线性能和抗疲劳性能良好的工程塑料做成。该装置的主体环抱于导管架构件的周围，即海生物易于附着、生长的部位。利用海水的浮力，海流、波浪等自然力为动力，使装置在导管架构件的外围作垂向、横向、旋转运动。通过这一复合运动，使设置在装置上的撞击轮不断地碰撞、接触导管架构件的表面，从而使海生物无法附着，这种方法还可以逐渐清除已附着的海生物。该装置的最大优点是，以海水的自然能力为动力，不需人为地施加外力，简易、有效、无污染、成本低。不足之处是在长期使用中，如遇到大风、台风天气，在波浪、海流的共同作用下，该装置与导管架构件将发生剧烈碰撞，如果出现破损，维修、更换将非常困难。

（二） 防污漆防海生物

防污漆是涂装于导管架构件的一种特殊涂料，它的主要作用是通过漆膜中毒料的渗出、扩散或水解等方式逐步释放毒料，达到防止海洋生物附着于钢结构基础的目的。防污漆虽然具有很多优点，如满足环保性能要求；漆膜具有一定的透水性，可保证毒性连续渗出；漆膜具有良好的耐海水冲击性，在长期浸没于水中时不起泡、不脱落。但是防污漆的缺点也是十分致命的，它只能在一定时间内防止海洋生物附着在导管架构件上，一般3年－5年后需要重新进行涂刷。

（三）电解防海生物

电解防海生物是通过电解的方法，产生有毒的物质，从而形成一种不适合海洋生物附着生长的环境。目前最常用的方法有两种，即：电解海水产生次氯酸杀灭海洋生物；电解铜、铝电极以海水为导体通过外加电流的方式电解出金属离子，使海水中的金属离子达到一定浓度从而杀死海洋生物。该技术具有安全可靠、使用方便、运行费用低等优点，但是会杀死周围海域的海洋生物。

由于本风场夏季台风较多，在大风的作用下，存在海洋动力防海生物装置撞坏钢结构基础防腐层的可能，另外本风场周围有大量的养殖区，也不适宜采用电解防海生物的方法，如果直接在钢结构基础上涂刷防污漆，由于防污漆的使用寿命只有3年－5年，在防污漆达到使用年限时必须现场重新涂刷，考虑到现场工作环境比较恶劣，难以保证施工质量，因此直接在钢结构基础上涂刷防污漆也不是一个理想的解决措施。针对本风场，我们的解决方案是制作玻璃钢保护管用于包裹在钢结构基础外面，并在玻璃钢保护管的外表面涂刷低表面能防污漆来防止海洋生物的附着，将来防污漆失效以后，可以将玻璃钢保护管拆下运回工厂重新涂刷防污漆，并再次用于钢结构基础防止海洋生物附着。该方案避免了现场涂刷防污漆的工作，可以有效的保证施工质量，但是成本会比较高。

结语

海上风电有着广阔的发展前景，但是目前钢结构基础的防腐仍然面临着许多问题，尤其是海洋生物的附着问题至今未能有很好的解决办法，虽然我国在船舶、石油钻井平台等行业有着大量的防海洋生物附着的措施，但是大部分的措施并不能满足海上风电的使用要求。由于目前我国开发的海上风场主要是近海风场，在进行海上风电钢结构基础防腐设计时我们既要采取措施避免海洋生物对防腐层的损坏，又要兼顾对海洋生物及周围环境的保护。为了避免海上风电钢结构基础防腐层的提前失效，我们在进行防腐设计时必须综合考虑各方因素的影响，并在施工过程中严格按照相应规范执行。

（作者单位：上海电气风能有限公司）

摄影：胡健