海上風(fēng)能開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的技術(shù)問(wèn)題研究

海上風(fēng)能開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的技術(shù)問(wèn)題研究

0海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)的前景與問(wèn)題隨著世界石化能源的日益匱乏和生態(tài)環(huán)境的惡化，人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展受到了嚴(yán)重威脅。為此,研究與開(kāi)發(fā)可再生能源成為當(dāng)今世界各國(guó)能源政策的發(fā)展重點(diǎn)。風(fēng)能是可再生能源的重要組成部分,積極地開(kāi)發(fā)和利用風(fēng)能對(duì)于改善能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、緩解能源危機(jī)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有深遠(yuǎn)的意義。早期的風(fēng)能開(kāi)發(fā)主要集中在陸地上,目前陸上的風(fēng)資源開(kāi)發(fā)技術(shù)已經(jīng)比較成熟。我國(guó)隨著陸上風(fēng)電開(kāi)發(fā)規(guī)模的擴(kuò)大,由于開(kāi)發(fā)陸上風(fēng)電受到土地資源、風(fēng)資源、噪聲與環(huán)境等因素的制約越來(lái)越明顯,所以海上風(fēng)電的開(kāi)發(fā)逐漸成為風(fēng)電開(kāi)發(fā)的新方向。按照我國(guó)權(quán)威研究機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)分析,中國(guó)近海10m水深以內(nèi)海域的風(fēng)能資源約1億kW,20m水深以內(nèi)海域的風(fēng)能資源約3億kW,30m水深以內(nèi)海域的風(fēng)能資源約4.9億kW,與陸上風(fēng)能資源相比毫不遜色。中國(guó)擁有十分豐富的近海風(fēng)能資源,我國(guó)海上風(fēng)能的量值大約是陸上風(fēng)能的3倍,因而海上風(fēng)能具有廣闊的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用前景。然而在海洋風(fēng)能的開(kāi)發(fā)和利用過(guò)程中,我們會(huì)遇到許多與陸上風(fēng)能開(kāi)發(fā)不同的技術(shù)難題。由于海上風(fēng)電場(chǎng)處于嚴(yán)酷的海洋大氣環(huán)境中,不僅存在著高鹽霧、高濕度等腐蝕問(wèn)題,還會(huì)受到影響基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的撞擊,如船舶靠泊、漂浮物的撞擊等,也還遭受到各種海洋生物的影響,如海洋動(dòng)物、貝類、植物類等。海上風(fēng)電場(chǎng)從風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)到塔筒,從葉片到機(jī)艙,從風(fēng)電機(jī)組各類機(jī)械零部件到電氣元器件,這些都要面對(duì)海洋腐蝕環(huán)境的考驗(yàn),有些腐蝕因素甚至是致命的隱患,這就極大地影響到海上風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行和使用壽命,因此海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的防腐提出了更高的要求。本文正是針對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行環(huán)境特點(diǎn)提出了相應(yīng)的防腐解決方案,其目的是為了促進(jìn)海上風(fēng)電機(jī)組防腐蝕等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用和突破,從而推動(dòng)海洋風(fēng)能的開(kāi)發(fā)和利用。1高鹽霧腐蝕試驗(yàn)海上風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組處在海洋環(huán)境氣候下,鹽霧懸浮在空氣中,含有氯化鈉(NaCl)的微細(xì)液滴的彌散系統(tǒng)是海洋性大氣運(yùn)動(dòng)顯著特點(diǎn)之一。沿海地區(qū)及海上空氣中含有大量隨海水蒸發(fā)的鹽分,其溶于小水滴中便形成了濃度很高的鹽霧。在含鹽濃度高的海邊,其沉積率也很大,高濃度的鹽霧自然成為NaCl溶液的載體。陸上鹽霧沉降量一般小于0.8mg/(m2·d),海上則高達(dá)12.3~60.0mg/(m2·d),為陸上的20~80倍,高鹽霧濃度下金屬的腐蝕速率非常快。鹽霧腐蝕不僅能腐蝕破壞海上風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),而且造成海上風(fēng)電機(jī)組的螺栓等緊固連接件強(qiáng)度降低、葉片氣動(dòng)性能下降、電氣部件觸點(diǎn)接觸不良,風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)、葉片、電氣控制系統(tǒng)故障率大大增加,從而引起風(fēng)電機(jī)組停機(jī),更嚴(yán)重的有可能引起風(fēng)電機(jī)組倒塌等安全事故。在海洋環(huán)境下不同的區(qū)域有不同的腐蝕影響因素,一般對(duì)于海洋結(jié)構(gòu)按照水位變動(dòng)情況來(lái)劃分不同的腐蝕控制區(qū)域。海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)主要由水下基礎(chǔ)、塔筒、機(jī)艙、輪轂和葉片這幾部分組成,海上風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)塔及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所處海洋腐蝕環(huán)境按照水位的變動(dòng)情況可以分成5個(gè)區(qū)域:海洋大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)(見(jiàn)表1)。按照ISO12944-2環(huán)境分類,海洋大氣區(qū)處于C5-M的海洋大氣腐蝕環(huán)境,飛濺區(qū)、潮差區(qū)和全浸區(qū)與海水接觸,處于IM2的海水腐蝕環(huán)境之下。對(duì)于海洋環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)腐蝕,無(wú)論是海洋環(huán)境下長(zhǎng)鋼尺掛片試驗(yàn),還是在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用中,都具有很強(qiáng)的規(guī)律性。圖1是鋼樁在海洋環(huán)境中暴露5a后的腐蝕狀況示意圖。1.1導(dǎo)電材料的腐蝕海上風(fēng)電機(jī)組鋼鐵結(jié)構(gòu)的腐蝕在海洋大氣環(huán)境下與內(nèi)陸大氣環(huán)境下有著腐蝕因素和腐蝕速率的不同。對(duì)于暴露在海洋大氣環(huán)境中的金屬部分,因海洋大氣環(huán)境中濕度大、鹽分高,腐蝕介質(zhì)長(zhǎng)期積累后附著在鋼鐵表面形成導(dǎo)電良好的液態(tài)水膜電介質(zhì),同時(shí)由于鋼結(jié)構(gòu)成分中有少量碳原子的存在,極易形成無(wú)數(shù)個(gè)原電池,這是電化學(xué)腐蝕的有利條件,從而使金屬物體產(chǎn)生腐蝕而生銹,導(dǎo)致其材料的結(jié)構(gòu)和性能出現(xiàn)變化而破壞。經(jīng)相關(guān)研究和試驗(yàn)證明,海洋大氣環(huán)境比內(nèi)陸大氣環(huán)境對(duì)鋼鐵的腐蝕程度要高4~5倍。1.2子含量隨時(shí)間的變化海洋飛濺區(qū)的腐蝕,除了海鹽含量、濕度、溫度等海洋大氣環(huán)境中的腐蝕影響因素外,還受到海浪飛濺的影響,在飛濺區(qū)的下部還要受到海水短時(shí)間的浸泡。飛濺區(qū)的海鹽粒子含量要大大高于海洋大氣區(qū),由于海水浸潤(rùn)時(shí)間長(zhǎng),干濕交替頻繁,碳鋼在飛濺區(qū)的腐蝕速率要遠(yuǎn)大于其他區(qū)域。在飛濺區(qū),碳鋼會(huì)出現(xiàn)一個(gè)腐蝕峰值,在不同地區(qū)的海域,其腐蝕峰值也就在平均高潮位的距離有所不同。腐蝕最嚴(yán)重的部位是在平均高潮位以上的飛濺區(qū),在這一區(qū)域,由于含氧量比其他區(qū)域高,氧元素的去極化作用促進(jìn)了碳鋼的腐蝕,與此同時(shí),飛濺的浪花沖擊也有力地破壞了碳鋼表面的保護(hù)膜或覆蓋層,所以鋼表面的保護(hù)層在這一區(qū)域剝落更快,造成局部腐蝕十分嚴(yán)重,從而促使腐蝕速率加大。1.3潮差區(qū)域的鋼鐵從平均高潮位到平均低潮位的區(qū)域稱為潮差區(qū),在潮差區(qū)的鋼鐵表面經(jīng)常會(huì)與含有飽和氧氣的海水接觸,由于海洋潮差變化的原因而使鋼鐵腐蝕加劇,在有浮游物體和冬季流冰的海域,潮差區(qū)的鋼鐵還會(huì)受到撞擊。1.4溶解氧對(duì)鋼鐵的腐蝕作用全浸區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)全浸于海水中,如風(fēng)塔管架平臺(tái)的中下部位,長(zhǎng)期浸泡在海水中,鋼鐵的腐蝕會(huì)受到溶解氧、海水流速、鹽度、污染物和海生物等因素的影響,由于鋼鐵在海水中的腐蝕反應(yīng)受到氧的還原反應(yīng)所控制,所以溶解氧對(duì)鋼鐵的腐蝕起到主導(dǎo)作用。在位于平均低潮位以下附近的海水全浸區(qū),其風(fēng)塔鋼樁在海水起伏這一潮間帶出現(xiàn)腐蝕最低值,其腐蝕率甚至小于在海水全浸區(qū)和海底土壤的腐蝕率。這是因?yàn)轱L(fēng)塔鋼樁在這一潮差帶的海洋環(huán)境中,隨著潮位的漲落,水線上方濕潤(rùn)的鋼表面供氧總要比浸在海水中的水線下方鋼表面充分得多,而且相互彼此構(gòu)成一個(gè)回路,由此構(gòu)成一個(gè)氧濃差腐蝕電池,在這一腐蝕電池中,富氧區(qū)為陰極,相對(duì)缺氧區(qū)為陽(yáng)極,總的來(lái)說(shuō)在這個(gè)潮差帶中的每一點(diǎn)分別得到了不同程度的保護(hù),而在平均潮位以下則經(jīng)常作為陽(yáng)極而出現(xiàn)一個(gè)明顯的腐蝕峰值。1.5鹽堿土的深度海泥區(qū)位于全浸區(qū)以下,主要由海底沉積物構(gòu)成。海底沉積物的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和生物特性隨著海域和海水深度的不同而不同。海泥區(qū)實(shí)際上是飽和的海水土壤,它是一種比較復(fù)雜的腐蝕環(huán)境,既有土壤的腐蝕特點(diǎn),又有海水的腐蝕特性。海泥區(qū)含鹽度高、電阻率低,但是供氧不足,所以一般的鈍性金屬的鈍化膜是不穩(wěn)定的。海泥區(qū)含有硫酸鹽還原菌,會(huì)在缺氧的環(huán)境下生長(zhǎng)繁殖,會(huì)對(duì)埋入海泥區(qū)的鋼鐵造成比較嚴(yán)重的腐蝕。1.6碳的表面處理海生物的污損,如苔蘚蟲(chóng)、石灰蟲(chóng)、藤壺和海藻等,對(duì)碳鋼的腐蝕影響較大。雖然碳鋼表面的污損海生物能阻礙氧分子向腐蝕表面擴(kuò)散,能對(duì)碳鋼的腐蝕有一定的保護(hù)作用,但是由于污損層的不滲透性和外污損層中嗜氧菌的呼吸作用,使碳鋼表面形成缺氧環(huán)境,有利于硫酸鹽還原菌的生長(zhǎng),從而促使碳鋼產(chǎn)生腐蝕。2海上容量計(jì)的防腐涂層試驗(yàn)2.1海上風(fēng)電場(chǎng)防腐技術(shù)在國(guó)際上海洋石油鉆井平臺(tái)有著上百年的防腐蝕防護(hù)經(jīng)驗(yàn),也有著不斷發(fā)展的防腐蝕標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,其中NOPSOKM501和ISO20340是海洋方面最為重要的防腐涂裝技術(shù)規(guī)范,可以作為海上風(fēng)電場(chǎng)防腐技術(shù)借鑒和采用。對(duì)于海上風(fēng)電機(jī)組鋼結(jié)構(gòu)的防腐涂層,在實(shí)驗(yàn)室中的測(cè)試也是參考海洋平臺(tái)和其他相應(yīng)的防腐涂層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行,典型且權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)有ISO12944、ISO20340、NORSOKM501和NACESP0108,其中NOPSOKM501引用了ISO20340中的試驗(yàn)方法和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表2)。2.2生物防護(hù)性能盡管海洋平臺(tái)的防腐涂層在過(guò)去的上百年中,進(jìn)行了很多種海洋環(huán)境下的掛片試驗(yàn),但是專門(mén)針對(duì)于海上風(fēng)電機(jī)組鋼結(jié)構(gòu)所選擇的具體防腐涂層系統(tǒng)(見(jiàn)表3),目前僅有德國(guó)的一個(gè)工作小組進(jìn)行過(guò)為期36個(gè)月的試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明,海洋生物對(duì)腐蝕無(wú)明顯的影響。對(duì)于海上風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),不可避免地會(huì)有各種不同的海洋生物生長(zhǎng)附著。但是如果基礎(chǔ)部分的防腐涂層完好,海洋生物對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的腐蝕不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。從表3試驗(yàn)分析來(lái)看,在潮差區(qū)的測(cè)試中,3#涂層系統(tǒng)的鋅/鋁(85/15)熱噴涂層+環(huán)氧封閉漆和環(huán)氧厚漿漆,對(duì)于包括漆膜附著力測(cè)試等性能在內(nèi),顯示出良好的防腐效果。1#涂層系統(tǒng)的環(huán)氧富鋅漆+環(huán)氧漆+聚氨酯面漆在36個(gè)月后有著很好的附著力,但是在人工劃痕處的腐蝕蔓延較為嚴(yán)重。在飛濺區(qū)的測(cè)試中,采用金屬熱噴涂的法蘭面接合面有明顯的縫隙腐蝕,因而實(shí)際應(yīng)用中要考慮用密封劑做進(jìn)一步防腐處理。涂層系統(tǒng)1#、2#、3#都顯示較好的防腐效果,系統(tǒng)1#采用的聚氨酯面漆只有部分失光,其他系統(tǒng)中環(huán)氧面層稍有發(fā)黃和粉化現(xiàn)象。在全浸區(qū),除了5#涂層系統(tǒng)中鋁/鎂合金失效外,從外觀、附著力測(cè)試來(lái)看,其他涂層系統(tǒng)顯示出很好的防護(hù)性能。試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)也說(shuō)明在水下區(qū)采用陰極保護(hù)系統(tǒng)有著良好的保護(hù)效果。3復(fù)合涂層的防護(hù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的涂層測(cè)試、海上掛片試驗(yàn),以及吸收海上平臺(tái)成熟的防腐涂層方案,底漆對(duì)基層材料的附著力和防銹能力要強(qiáng);中間漆對(duì)底漆和面漆的層間附著力必須牢固,并有較好的屏蔽作用,以便有效地阻止氧、水汽及其腐蝕介質(zhì)的滲入;面漆必須具有很好的耐候性、耐老化性和耐腐蝕性能。對(duì)于海上風(fēng)電機(jī)組,推薦的防腐涂層系統(tǒng)見(jiàn)表4。在ISO12944標(biāo)準(zhǔn)中C5-M海洋環(huán)境下的總干膜厚度要求為320μm,是基于15a的防腐防護(hù)壽命要求,而要達(dá)到海上風(fēng)電機(jī)組25a以上不對(duì)防腐涂層進(jìn)行維修的要求,就需要采用更好的涂層系統(tǒng)以及更高的漆膜厚度。在國(guó)外海上風(fēng)電機(jī)組的防腐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)是干膜厚度達(dá)到800μm左右,如果采用金屬熱噴涂層加上有機(jī)復(fù)合涂層的防腐方案,也是最佳的防腐方案。對(duì)于處在海洋大氣環(huán)境中的鋼結(jié)構(gòu)件,如塔筒外壁,可以采用常用的防腐涂料體系,中間漆采用環(huán)氧云鐵漆,即“環(huán)氧富鋅底漆+環(huán)氧云鐵漆+脂肪族聚氨酯面漆”的3層復(fù)合防腐涂層系統(tǒng);若中間漆采用玻璃鱗片涂料時(shí),注意底漆不能太厚,面漆也可采用耐久性更好的聚硅氧烷涂料。若底漆采用金屬熱噴涂體系時(shí),可以得到更為長(zhǎng)效的防腐效果,但是其噴涂施工工藝和涂裝成本更高。塔筒內(nèi)壁由于不接觸到外界的陽(yáng)光直射,耐光老化性要求相對(duì)外壁要弱,可以不采用保色保光性優(yōu)良的脂肪族聚氨酯面漆或聚硅氧烷面漆。對(duì)于塔筒基礎(chǔ)平臺(tái),由于可能受到海浪的沖刷,因此采用與飛濺區(qū)相同的無(wú)溶劑環(huán)氧漆或環(huán)氧玻璃鱗片涂層的方案。塔筒外的梯子,由于是管狀及不規(guī)則鋼結(jié)構(gòu),底層采用熱浸鋅方法,可以很好地防護(hù)鹽霧等的滲透腐蝕,外面再加上復(fù)合涂層結(jié)構(gòu),能進(jìn)一步提高其防腐性和耐磨性。塔筒的樁基基礎(chǔ)部分處在潮差區(qū)和飛濺區(qū),是防腐的重點(diǎn)區(qū)域,采用環(huán)氧玻璃鱗片涂料或者無(wú)溶劑環(huán)氧涂料,干膜厚度在1500μm左右,玻璃鱗片涂料在控制漆膜下的腐蝕蔓延稍差一些,但是可以采用具有良好陰極保護(hù)作用的環(huán)氧富鋅底漆作為底涂層。根據(jù)海上平臺(tái)的防腐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),完全可以達(dá)到25a以上的防腐防護(hù)壽命。對(duì)于深入海泥區(qū)的基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu),可以不考慮涂裝防腐涂層,只依靠陰極保護(hù)措施或者兩者相組合的防腐方法,但涂層厚度在500μm左右,設(shè)計(jì)上不用太厚。這種陰極保護(hù)方法屬于電化學(xué)防腐,分為外加電流的陰極保護(hù)和犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù),前者主要用高硅鑄鐵作為陽(yáng)極材料,被保護(hù)的鋼鐵作為陰極,在外加電流的影響下,形成電位差進(jìn)而阻止腐蝕;后者主要用鋅、鋁等活性比鐵高的陽(yáng)極材料,焊接在鋼鐵結(jié)構(gòu)物上,形成原電池而阻止腐蝕。這2種方法都需要由腐蝕介質(zhì)做為原電池導(dǎo)電回路,因此適用于海水區(qū)、海泥區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)防腐。4海上風(fēng)電的防腐防護(hù)海上風(fēng)電是繼陸上風(fēng)電、沿海海岸風(fēng)電和潮間帶風(fēng)電后迅速發(fā)展起來(lái)的發(fā)電方式,在海洋環(huán)境的影響下對(duì)其防腐技術(shù)提出了更新更高的要求。盡管在其相似領(lǐng)域已經(jīng)有了許多成功的重防腐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),但是海上