7.5MW海上风机单桩基础矿脂包裹防腐技术

薛海峰，苏纪贤，张震宇

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 311122；2.浙江华东工程咨询有限公司，浙江杭州 311122）

目前，风能作为可再生清洁能源，正逐渐走入人们的视野，海上风电项目正受到世界各国的青睐。我国有着丰富的海上风能资源，沿海省份也都在积极开展近海风电工程［1－2］。海上风机由上部结构和下部基础组成，其中出于施工成本以及工期考虑，桩基一般采用大直径钢管桩基础［3－4］。由于钢管桩处于复杂的海洋环境中，受到波浪、海水中化学离子、海洋生物等影响，容易受到腐蚀作用，导致承载性能受到影响。许多学者针对钢管桩的防腐展开研究。目前，海上风电工程中的防腐方法主要有涂层防腐［5－6］、阴极保护防腐［7－8］、复层包覆防腐［9－10］。其中，牺牲阳极的阴极保护法最为常用，但其有着能量消耗大、污染环境等缺点。且涂层防腐以及阴极保护防腐技术在在浪花飞溅区的防腐效果较差，而复层包覆防腐在该区域防护效果较好。因此，提出一种海上风机基础复层包覆防腐施工方法，为后续类似工程提供一定参照。

1 工程概况

江苏启东H1号海上风电场项目位于江苏启东近海海域，场区中心离岸距离约32 km，该海上风电项目共42台风机，规划装机容量为250 MW。

1.1 水文地质

该地区潮流基本为往复式。对于往复式潮流，涨落潮流方向几乎是相反的，在变向之前，发生憩流，该场区潮流主要沿着东南向和西北向往复流动。冬季潮流可能最大流速在0.67～1.09 m／s之间。可能最大流速最大值为1.09 m／s。测区夏季潮流可能最大流速在0.91～1.33 m／s之间。可能最大流速最大值为1.33 m／s。冬季大潮期含沙量的变化范围为0.438～0.486 kg／m3，平均含沙量为0.458 kg／m3；夏季大潮期含沙量的变化范围为0.192～0.362 kg／m3，平均含沙量为0.262 kg／m3。海底地形变化较为平缓，属南黄海滨海相沉积地貌单元。场区内地基土表层以粉砂为主。水深为6～13 m之间。

1.2 基础形式

本工程基础形式采用无过渡段单桩式基础，钢管桩桩径分为6.5～7.2 m及6.5～7.48 m两种，壁厚为64～78 mm，单桩最大长度77 m，最大重量约1 000 t，立面图如图1所示。

2 牺牲阳极的阴极保护法

目前，海上风电工程项目中主要采用牺牲阳极的阴极保护方法来进行设施防腐。一般采用的牺牲阳极为：Ai－Zn－In－Mg－Ti合金牺牲阳极，其化学组成和电化学性能见表1和表2。

表1 阳极材料组成表%

表2 阳极材料性能表

牺牲阳极块尺寸偏差为长度±2%，宽度±3%，厚度±5%，直线度≤2%；阳极块单体总重量偏差为0～＋3%，不允许出现负偏差。

但牺牲阳极保护有如下缺点：①牺牲阳极的阴极保护法容易导致阳极材料过早消耗；②由于阳极材料需要焊接在风机基础上，需要支撑结构的强都相对较高；③牺牲阳极的阴极保护法延长施工工期；④由于牺牲阳极中存在一些对环境造成污染的化学物质，因此在使用期间可能会出现有害化学物质的泄露而导致环境污染；⑤生产牺牲阳极消耗大量能源。

3 复层矿脂包覆防腐蚀技术

复层矿脂包覆防腐技术由矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带、密封缓冲层和防蚀保护罩组成，由内向外紧密相连，依次为防蚀膏、防蚀带、缓冲层以及保护罩，如图2所示。防蚀膏（见表3）及防蚀带可带水施工，并因其有着优良的缓蚀成分从而能够有效的阻止腐蚀性介质对钢结构的侵蚀。密封缓冲层和防蚀保护罩可以能将钢管桩基础与海水隔开，来保证防蚀膏和防蚀带发挥作用，同时具有耐冲击性能，能够抵御机械损伤而破坏钢结构。

表3 防蚀膏的物理化学性能和试验指标

3.1 防腐环境等级及施工环境

考虑到风电机组基础暴露于腐蚀环境的实际情况，根据国际标准钢结构防护涂料系统的腐蚀保护（ISO 12944－2）的要求，风机基础钢结构表面属于C5－M或Im2腐蚀性环境类别。

为了达到最佳防护效果，在表面处理以及涂抹防蚀膏的环节中，需要对温度、相对湿度和露点等环境因素进行控制。施工时，空气相对湿度应低于85%，底材高于露点温度3℃。常温型防腐涂层施工环境温度范围为5℃～40℃；当环境温度为－5℃～5℃时，施工必须使用冬用型涂料，施工工艺按涂料供应商提供的说明进行。低于－5℃时严格禁止防腐涂层施工。

3.2 施工流程

包裹防腐施工流程如下：施工设计→准备工作（搭建脚手架和吊篮；标记施工部位和范围；设计防蚀保护罩起始位置；预制防蚀保护罩）→表面处理（按照ISO St2的标准除去浮漆浮锈）→焊接固定卡箍和检测窗螺栓（测量检测窗部位钢结构厚度）→涂刷矿脂防蚀膏（均匀涂刷300～500 g／m2）→缠绕矿脂防蚀带（在涂好防蚀膏的钢管桩上缠绕防蚀带2～3层）→现场制作防蚀保护罩（在玻璃钢内侧面粘贴缓冲层；安装预制玻璃外壳；插入密封防渗挡板；拧紧固定螺栓）→端部处理（填充水中固化环氧树脂）→完工后清理现场。

4 包覆防腐施工工艺

4.1 钢结构表面处理

钢结构表面一般凹凸不平，会导致防蚀膏与钢材表面无法充分接触，使防护效果变差，因此需要对钢材进行表面处理，如图3所示。首先应处理掉钢结构表面的浮锈以及鼓泡；其次，对于潮差区等容易出现海洋生物附着的区域需进行海洋生物的处理，使钢结构表面突出物小于10 mm。考虑到本项目为新建结构，可根据表面锈蚀状况判断，用铲刀轻铲钢桩的凸起部，不能有浮锈、鼓泡。用检查钳敲打鼓泡处，用砂纸、电动钢刷打磨钢桩表面，触摸不拉手，达到ISO St2标准即可。表面水、油污不需要完全清理干净，焊缝影响不大，特别注意节点处的除锈质量。

4.2 涂抹防蚀膏

涂抹防蚀膏一般有两种方式，手工直接涂抹或采用刮板进行涂抹，手工涂抹防蚀膏如图4所示。涂抹时应遵循少量多次的原则，每次取防蚀膏时不能取太多，以保证防蚀膏均匀分布在钢结构的表面。对于钢结构表面出现空隙的位置，需要用防蚀膏将空隙部分填平。防蚀膏用量一般为300～500 g／m2，钢结构表面光滑部分用量为300 g／m2，对出现生锈及腐蚀严重区域用量一般增加为400～500 g／m2。

4.3 包覆防蚀带

涂抹完防蚀膏后，将防蚀带以螺旋防蚀对钢管桩进行包覆缠绕，见图5，在桩基顶部时，需要将防蚀带完整缠绕一圈。缠绕时必须使防蚀带拉紧，防止有空气进入。需要注意的是，在缠绕时应当保证55%以上的防蚀带重叠，且在防蚀带交接处应当保证上一段与下一段有100 mm的宽度重叠。

4.4 安装防蚀保护罩

通过采用特种优质的不饱和聚酯树脂、不同密度的玻璃纤维和柔性材料制作玻璃钢保护罩基体，这样玻璃钢保护罩具有优良的韧性和弹性可以抵抗海上漂浮物的冲击，同时对防护罩的结构进行设计，通过防护罩成型工艺、缓冲衬里性能的选择，来提高保护罩整体的抗冲击性和防水性。

钢管桩平整部分采用防蚀保护罩，防蚀保护罩一般提前预制好，在缠绕完防蚀带后，在现场完成防蚀保护罩的安装。安装时，对准螺丝口，位置正确后将螺丝上紧，需要注意的是，在第二天用专用扳手拧紧螺丝，进行二次加固。针对接缝位置采用挡板，安装前需进行防蚀膏的涂抹，挡板采用防护罩相同的材料制成，能防止防蚀保护罩安装时防蚀带受到损伤。

5 结 语

传统的海上风电防腐措施一般采用牺牲阳极的阴极保护法，但有污染环境、耗能较高等缺点。为解决海上风电大直径钢管桩防腐蚀的问题，提出一种海上风机单桩基础复层矿脂包覆防腐蚀施工技术。

首先，介绍传统的牺牲阳极的阴极保护法中阳极组成以及该方法存在的阳极材料过早消耗、耗能大、工期长、污染环境等缺点。

其次，提出了包覆防腐技术所需满足相应的施工环境，并提出了包覆防腐的施工流程。

最后，提出了钢结构表面处理、涂抹防蚀膏、包覆防蚀带、安装防蚀保护罩等四项关键施工技术。