大气环境对风电机组腐蚀的影响

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(北京金风科创风电设备有限公司，北京 100176)

风电机组的服役环境随安装地区而发生变化，由于各地区的气候环境不同，因此各机组的腐蚀情况也不一。研究风电机组所服役大气腐蚀环境，能够为机组的环境适应性防腐蚀设计提供依据。美国ASTM早在1916年便开始系统研究碳钢的大气腐蚀[1]。LARRABEE等[2]对美国3个试验点270种钢进行了15.5 a的大气暴露试验。我国的大气腐蚀研究起于19世纪60年代。其中，我国环境腐蚀试验研究网站自1983年就开始了20 a大气腐蚀数据积累研究计划[3]。目前，国家材料环境腐蚀平台已经建立了包括万宁、西沙、拉萨、青岛在内的15个大气腐蚀监测站点[4]。海南峨蔓风电场地处沿海，山西平陆风电场地处内陆，在这两地风电机组腐蚀情况均较为严重。在目前已公开的大气腐蚀监测报道中，均未涉及海南峨蔓及山西平陆两地大气腐蚀监测数据[4-13]。

为了更好地对风电机组腐蚀原因进行合理分析，本工作在海南峨蔓及山西平陆风电场对碳钢进行为期1 a的大气暴露试验，同时持续监测各暴露点大气中氯离子及硫酸根离子含量。

1 试验

大气暴露试样采用尺寸为100 mm×150 mm×2 mm的碳钢钢板，其化学成分见表1。 试验开始前对试样进行除油、去离子水清洗、干燥、称量。除油工艺配方为40 g/L NaOH、30 g/L Na2CO3、40～50 g/L Na3PO4·12H2O，温度为80～90 ℃，时间5 min。将两组试样分别投放于海南峨蔓和山西平陆两个暴露点，每组投放9个平行试样。采用湿烛法对海南峨蔓和山西平陆大气中氯离子和硫酸根离子进行采集，用赛默飞ICS 2100型离子色谱仪检测沉降收集液中的离子含量，并计算离子沉降率(用于表征大气中的离子含量)。两暴露点的大气环境参数见表2。

表1 试验用碳钢的化学成分(质量分数)Tab. 1 Chemical composition of the carbon steel (mass) %

表2 两暴露点大气环境参数Tab. 2 The atmospheric parameters of two test sites

试样回收后，在室温下对其进行除锈处理，除锈液由50%(体积分数)盐酸(密度1.19 g/mL)、3.5 g/L六次甲基四胺配制而成。采用ZEISS EVO-18型扫描电镜(SEM)观察碳钢表面腐蚀形貌；采用Rigaku D/max型X射线衍射仪(XRD)检测腐蚀产物的成分。

2 结果与讨论

2.1 腐蚀形貌与腐蚀产物成分

由图1可见：在海南峨蔓及山西平陆两风电场暴露1 a后，碳钢表面均被锈层覆盖，锈层较厚且存在若干裂纹。其中，在海南峨蔓风电场进行大气暴露试验后，碳钢表面的颗粒状腐蚀产物相互连接、堆积形成平整、致密的锈层，局部存在针状并连接成片的腐蚀产物；在山西平陆风电场进行大气暴露试验后，锈层凹凸不平，腐蚀产物较为疏松。

对腐蚀产物进行XRD分析，结果见图2。由图2可见：衍射谱中均未发现Fe的衍射峰，主要为γ-FeOOH的衍射峰及少量的α-FeOOH和γ-Fe2O3的衍射峰，γ-FeOOH呈颗粒状，这与扫描电镜分析结果基本吻合，说明碳钢暴露表面已完全被腐蚀产物覆盖。研究表明，氯离子在γ-FeOOH中渗透能力较强[14]，在α-FeOOH中次之，较强的氯离子渗透能力在一定程度上加速了碳钢的腐蚀。

2.2 腐蚀速率

采用失重法按式(1)计算腐蚀速率，结果见表3。

(1)

(a) 海南峨蔓

(b) 山西平陆图1 在海南峨蔓及山西平陆大气中暴露1 a后碳钢的腐蚀形貌Fig. 1 Corrosion morphology of carbon steel exposed to the atmospheres of Eman in Hainan province (a) and Pinglu in Shanxi province (b) for one year

(a) 海南峨蔓

(b) 山西平陆图2 在海南峨蔓及山西平陆大气中暴露1 a后碳钢腐蚀产物的XRD谱Fig. 2 XRD patterns of carbon steel exposed to the atmospheres of Eman in Hainan province (a) and Pinglu in Shanxi province (b) for one year

表3 碳钢在海南峨蔓及山西平陆大气中的腐蚀速率及腐蚀等级Tab. 3 Corrosion rates and grades of the carbon steel exposed to the atmospheres of Eman in Hainan province and Pinglu in Shanxi province

式中:vcorr为腐蚀速率,μm/a；Δm为暴露前后碳钢腐蚀质量损失,g；A为试样暴露面积,m2；ρ为碳钢密度,7.68 g/cm3；t为暴露时间,a。

由表3可见：碳钢在两暴露点的腐蚀速率均较高，其中，在海南峨蔓地区碳钢腐蚀已经达到C5级(根据ISO 9223-2012标准)。研究表明，影响大气腐蚀的主要因素在于大气中二氧化硫的含量及盐离子含量[15]。氯离子溶解会使材料表面薄液层导电性增强，电化学腐蚀加快。硫酸根溶解于材料表面液膜中成为电解质，可诱发和加速材料腐蚀[16-17]。海南峨蔓地处沿海，海洋大气中存在各种类型的含氯盐，山西平陆邻近运城盐湖，湖水属于硫酸盐型的硫酸钠亚型,盐湖是典型的Na+，Mg2+，Cl-，SO42-四元水盐体系[18]，两地区高氯、高硫酸盐的大气环境对碳钢的腐蚀起到诱导和加速的作用。

2.3 离子沉降率

按式(2)计算海南峨蔓及山西平陆大气中氯离子和硫酸根离子的沉降率，结果见图3。

(2)

式中：S为湿烛离子沉降率,mg·m-2·d-1；mi为该湿烛沉降收集液中离子的总质量,mg；m0为同体积空白溶液中离子的总质量,mg；A为湿烛纱布暴露的表面积,m2；t为暴露时间,d。

由图3可见：在一年中的不同季节、不同气候湿烛采样离子沉降率变化很大。在海南峨蔓大气中，氯离子和硫酸根离子沉降率的变化趋势几乎相同，根据ISO 9223-2012标准，峨蔓大气中氯离子污染等级为S1级，硫酸根污染等级为P1级。这主要和海南峨蔓地处沿海的特殊地理位置有关。在山西平陆大气中，氯离子沉降率都较低，与采样时间无明显关系；硫酸根离子沉降率随采样时间波动大，且整体高于该地区氯离子沉降率。山西平陆大气中氯离子污染等级为S0级，硫酸根污染等级为P1级。

表4为海南峨蔓和山西平陆两地大气中的平均离子沉降率。对比可知：海南峨蔓大气中氯离子的平均沉降率远高于山西平陆大气中的；两地区硫酸根离子平均沉降率均较高，且山西平陆大气中硫酸根离子平均沉降率高于海南峨蔓大气中的。综上所述，碳钢在海南峨蔓地区高的腐蚀速率是大气中高含量的氯离子和硫酸根离子共同作用的结果，高含量的硫酸根是碳钢在山西平陆地区高腐蚀速率的主要原因。

(a) 海南峨蔓

(b) 山西平陆图3 海南峨蔓和山西平陆大气中的离子沉降率Fig. 3 The sedimentation rates of ions in the atmospheres of Eman in Hainan province and Pinglu in Shanxi province

Tab. 4 The average sedimentation rate of ions in the atmospheres of Eman in Hainan province and Pinglu in Shanxi province mg/(m2·d)

3 结论

(1) 碳钢在海南峨蔓和山西平陆两地大气中暴露1 a后，表面颗粒状的腐蚀产物连接堆积成层状，且表面完全被锈层覆盖，腐蚀产物主要为γ-FeOOH及少量的α-FeOOH和γ-Fe2O3。

(2) 碳钢在两地区大气中的腐蚀速率均较高，在海南峨蔓地区大气中其腐蚀等级为C5级，在山西平陆地区大气中其腐蚀等级为C4级，高的腐蚀速率与两地区所处地理位置存在必然联系。

(3) 海南峨蔓地处沿海，氯离子污染等级为S1级，氯离子和硫酸根离子的平均沉降率均较高，其共同作用导致碳钢在该地区大气中的腐蚀速率高。山西平陆临近盐湖，大气主要污染物为硫酸根，高含量的硫酸根是山西平陆地区碳钢腐蚀速率高的主要原因。

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