海上风电塔架涂层老化问题分析

文/张斌

0 引言

通过分析广东省珠海市桂山海域海上风电机组在海洋环境中的特点和类型，本文对破损风机塔架的形貌、涂膜厚度、附着力、电化学性能等进行测试分析，分析其发生老化的原因，得到致使风电塔架涂层最容易发生老化失效的环境类型，为海上风电机组防腐技术处理提供试验依据。

1 海上风电塔架环境分类

我国的陆上风电场经过多年发展，建设速度逐渐放缓。由于海上风电拥有风资源丰富而稳定、发电效率高、环保等优势，具有广阔的前景。随着“一带一路”倡议和国家海洋战略的实施，我国南方沿海、岛屿以及南海海域等广大区域的战略意义日益凸显，海上风电的发展将受到新能源行业更大的关注。但海洋环境中的高湿度、高盐分、海洋生物等因素都会对金属造成严重的腐蚀，海上风电机组运行环境大概分为4种典型区域：大气区、飞溅区、全浸区、海泥区。

大气区指的是不会直接接触海水，所处环境是海洋大气的区域。海上风电机组的塔架上部、塔基、塔筒等部位均位于大气区。在该区域运行的塔架涂层所处的环境特点是湿度和海盐浓度远高于内陆地区，涂层表面容易形成含氯离子导电性能极佳的薄液膜，导致发生电化学腐蚀。与内陆地区相比，风电塔架在海上大气区发生波腐蚀的程度要高得多。

飞溅区指的是不会被海水长期直接浸泡，但是会被海浪喷溅到的区域。处于该区域的海上风电机组的塔架涂层受海浪的冲击，飞起的浪花和潮水使其长期处于干湿交替状态，在太阳辐照、海盐、氧气等因素综合作用下，加速了钢结构涂层的腐蚀老化进程。风电塔架在该区域的腐蚀程度明显大于其他区域。另外，也有相关文献将潮差区单独归类为一种环境类型，即随水位变化周期性暴露在大气中和浸没在海水中的区域，本文将该区域也归类于飞溅区，不另做讨论。

全浸区指的是长时间浸泡在海水中的区域。该区域中海水温度、洋流、盐浓度、溶氧量、海洋生物、海洋污染物等诸多因素都影响钢结构涂层的受腐蚀状况。

海泥区是指深入海底的区域。近海海上风电机组的底座是将钢桩打入到海底海泥中，海泥的主要成分是海底的各种沉积物和饱和土壤，其中含有高浓度的海盐以及腐殖质等，同时具有海水腐蚀和土壤腐蚀的特点。海泥区虽然海盐浓度较高，但含氧量很低，一般情况下风电塔架涂层的受腐蚀程度相对略低。

2 海域海水盐度及风电塔架防腐体系

2.1 海域海水盐度情况

桂山海域由于岛屿众多，地形复杂，同时受上游河川径流和潮流的影响，水中盐度分布非常复杂。

在浅海海湾水域，引起盐度日变化的主要原因是潮流、潮汐、蒸发和降水等。其中，由蒸发和降水日变化所引起的盐度日变化一般不大，影响工程海域盐度日变化的最主要原因是潮流、潮汐和河川径流。盐度变化曲线与潮汐变化曲线有密切关系，最高盐度一般出现于高潮时的底层水，最低盐度一般出现于低潮时的表层水。盐度日变化较之水温日变化要大得多和复杂得多，夏季盐度日变化大于冬季，冬季平均盐度则大于夏季，大潮时大于中、小潮，夏季平均盐度日较差大于冬季。

据实测资料统计，桂山海域盐度的垂线平均水平约为1.10%～2.57%。

2.2 风电塔架防腐体系要素

海上风机设计使用寿命为25 a，工程建设期为2 a，风机基础的防腐设计使用年限按27 a考虑。

在大气区，防腐涂层为环氧富锌底漆+环氧云铁中间漆+聚氨酯面漆；飞溅区（包括水位变动区）的防腐涂层为环氧富锌底漆+环氧玻璃鳞片漆+聚硅氧烷面漆；水下区的防腐涂层为环氧重防腐涂料。

风电塔架的电化学防腐采用牺牲阳极阴极保护方法，牺牲阳极材料选用目前最常用的铝－锌－铟合金材料，牺牲阳极布置在水下区，其顶高程应至少在最低水位以下1.0 m，底高程应至少高于泥面以上1.0 m。

3 外观及性能检查

本文所述破损的海上风电塔架于2017年安装在广东省珠海市桂山海域。

对破损的海上风电塔架根据其服役环境划分区域，分别在大气区、飞溅区、全浸区、海泥区等典型区域进行取样，如图1所示，对以上区域的样品进行外观、涂层厚度、附着力、阻抗等进行测试分析，进一步分析和讨论不同区域的塔架涂层腐蚀性能变化。

图1 破损海上风电塔架

3.1 外观检查

对海上风电塔架典型区域样品进行外观检查，结果见图2。

图2 海上风电塔架典型区域的外观

可以看出，由于样品试用焊枪从塔架上切割，边缘有明显的黑色热影响区，中间属于涂层的原貌。大气区的中间区域涂层基本完好，但涂层表面有明显鼓泡、划痕；飞溅区的中间区域只有少量红色涂层残留，面漆大部分脱落或被贝壳等物体覆盖，涂层出现明显分层、剥离情况；全浸区的中间区域附着大量贝壳等海洋生物，红色面漆基本完全消失，局部出现剥离现象；海泥区的样品涂层基本完好，表面有少量鼓泡、划痕。

3.2 涂层厚度测试

使用Qnix4500涂层测厚仪对海上风电塔架不同区域的样品涂层厚度进行测试分析，每个样品选择5处测试点，结果见表1。

表1 海上风电塔架典型区域样品涂层厚度测试结果

其中，大气区和海泥区的涂层厚度大部分在705μm～1260 μm之间，飞溅区和全浸区的涂层厚度在1 240μm～2 200 μm之间。飞溅区和全浸区的涂层厚度明显高于大气区和海泥区，最高甚至超过2 mm，原因是飞溅区和全浸区的涂装设计考虑到腐蚀环境更严苛，涂层厚度加大；另外的原因是，该区域的涂层长期被海水浸泡膨胀增加了厚度。

3.3 涂层附着力分析

使用DeFelsko PosiTest AT-M拉脱法涂层附着力测试仪对海上风电塔架不同区域样品的涂层进行测试，每个样品选择3个测试点，测试结果见表2、图3。

表2 海上风电塔架典型区域样品涂层附着力测试结果

图3 海上风电塔架典型区域样品经拉拔法附着力测试后的涂层形貌

可以看出，大气区和海泥区试验后脱落的主要是清漆和面漆，说明大气区和海泥区的涂层比较完整，但附着力与涂装要求有所下降；飞溅区和全浸区试验后脱落的主要是底漆和少量面漆，附着力不到1 MPa，飞溅区附着力下降非常明显，说明飞溅区和全浸区的涂层已经遭到破坏，其防护能力急剧下降。

4 涂层电化学分析

利用便携式涂层阻抗测试仪对样品进行电化学检测，将浸透水的纱布覆盖在涂层处，探头附在表面测试。测试结果发现，完好的涂层图谱较为凌乱，可能是由于初期涂层性能较好，湿纱布上的水难以在短时间内渗透，引起的数据稳定性差。当样品表面涂层损坏后再次测试，均出现典型的EIS曲线（见图4）。

可以看出，前面半圆形区域为高频区，该区域主要为电荷传递控制过程，后半部分的斜直线区域为低频区，该区域主要为扩散控制过程，低频区部分直线的斜率偏离45°，这可能是由于测试样品表面不平整而引起的。从完好的图谱可以看出海泥区-中部具有最大的容抗弧半径，大于破损样板，说明该涂层具有一定的保护作用。对交流阻抗进行bode图分析，结果见图5。

图4 海上风电塔架典型区域样品不同部位交流阻抗图谱/EIS图谱

可以看出，海泥区－中部完好的样品涂层相位角最大。相位角随着涂层吸水逐渐变小，阻抗模数据发现海泥区－中部最大，高达3.23×108，表示海泥区的涂层防护能力最高，涂层完整性最好。

对海上风电塔架钢结构涂层体系失效过程的机理分析表明，由于涂层涂覆过程中的缺陷，或涂层自身表面微孔的存在，水分子渗透导致涂层与金属界面剥离，氧分子随缺陷或空隙进入并形成溶解氧，涂层发生破坏，金属遭到腐蚀。

图5 海上风电塔架典型区域样品不同部位bode图

5 结语

通过对海上风电塔架处于不同区域的涂层进行外观、涂膜厚度、附着力、电化学等测试分析，发现海泥区涂层阻抗、附着力、涂层完整性最高，大气区次之；飞溅区的涂层阻抗极低，附着力基本丧失，遭到破坏最严重，全浸区没有长时间与氧气接触，再加上附着的海洋生物有一定保护作用，因此涂层受破坏程度比飞溅区略轻。综上，建议对飞溅区涂层体系定期进行维护更新，避免造成更大的损失。