海上風電設施的防腐措施

海上風電設施的防腐措施風電作為快速發(fā)展的綠色可再生能源，逐漸成為許多國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。截止到2012年2月7日，全球海上風電場累計裝機容量達到238，000MW,比上年增長了21%。世界海上風電技術(shù)日趨成熟，進入大規(guī)模開發(fā)階段，已有國外企業(yè)開始設計和制造8－10兆瓦風電機組。歐洲風能協(xié)會最新統(tǒng)計顯示，2009年歐洲海上風力產(chǎn)業(yè)營業(yè)額約為15億歐元，預計2010年將增加1倍。在我國，盡管近年來國內(nèi)的風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展如火如荼，但海上風電領域仍在起步階段。中國氣象科學研究院初步探明，我國可開發(fā)和利用的陸地上風能儲量2．53億千瓦，近海可開發(fā)和利用的風能儲量有7．5億千瓦，海上風能儲量遠遠大于陸上，有廣闊的發(fā)展空間。但與陸上風能相比，海上風電運行技術(shù)要求更高，施工難度更大并且海上風電的運行環(huán)境更為復雜：高濕度、高鹽分的海風，鹽霧，海水浸泡，海浪飛濺形成的干濕交替區(qū)等，從而對海上風電設備的防腐提出了更高的技術(shù)、性能要求。經(jīng)過10多年的發(fā)展，世界海上風電技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)進入大規(guī)模開發(fā)階段。中國雖處于起步階段，但有著巨大的發(fā)展空間。一方面，中國擁有十分豐富的近海風資源。有數(shù)據(jù)顯示，我國近海10米水深的風能資源約1億千瓦，近海30米水深的風能資源約4.9億千瓦。另一方面，東部沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達，能源緊缺，開發(fā)豐富的海上風能資源將有效改善能源供應情況。因此，開發(fā)海上風電已經(jīng)成為我國能源戰(zhàn)略的一個重要內(nèi)容。據(jù)了解，海上風電場的造價約為陸上風電場的2－3倍，平均發(fā)電成本也遠遠高于陸上風電，海上風電場初裝成本中的基礎建設、并網(wǎng)接線盒安裝等費用在總投資成本中所占的份額要比陸上風電場高，其成本占比隨著風電場的離岸距離和水深程度等情況大幅變動，維修費用和折舊費用占運營成本比例遠大于陸上風電場。除了要突破研發(fā)技術(shù)和高成本瓶頸，加緊研發(fā)海上風電設備防腐蝕的新技術(shù)也是當務之急。此前全國兩會期間，工信部副部長苗圩曾提出對風電設備壽命的質(zhì)疑。因此，與陸上風電相比，海上風電設備所需防腐技術(shù)更為復雜、要求更高。我國海上風能資源測量與評估以及海上風電機組國產(chǎn)化剛剛起步，海上風電建設技術(shù)規(guī)范體系也亟需建立。而其中海上風電防腐蝕技術(shù)相關標準的匱乏就是一個嚴重問題。曾有相關記者在采訪中了解到，由于海上含鹽分比較高，對設備腐蝕相當嚴重。而風電機組不同于海上鉆井平臺，受到腐蝕時可以隨時修補，海上風電機組由于其特殊的地理環(huán)境和技術(shù)要求，維修費用極高。國家能源局可再生能源司副司長史立山認為，海上風電機組面臨的最大問題就是抗腐蝕，他說：“與陸上風電相比，海上風電的運行環(huán)境更復雜，技術(shù)要求更高，施工難度更大。對于風機而言最大的問題在于抗腐蝕抗鹽霧以及海上輸配電。這些技術(shù)上的困難只能在實踐中解決?！变撹F研究總院青島海洋腐蝕研究所副所長曲政認為，海上風機所處環(huán)境惡劣，并且防腐技術(shù)比較復雜。他對記者解釋說：“海上風電機組下部承托平臺為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，防腐蝕工作重在對鋼筋銹蝕的保護；海面以上的部分主要受到鹽霧、海洋大氣、浪花飛濺的腐蝕，因此，海上風電機組的防腐蝕比較復雜，需要分部分、針對性的進行?！苯?jīng)常被討論的海上風電基礎形式主要涵蓋參考海洋平臺的固定式基礎和處于概念階段的漂浮式基礎，世界上的近海風電機組大多數(shù)都采用重力凝土和單樁鋼結(jié)構(gòu)基礎設計方案。以下是對海上風電設施的防腐區(qū)域?qū)哟蔚膭澐郑?.1表1海洋環(huán)境中風電機組的腐蝕區(qū)域劃分對于海洋環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)腐蝕，無論是海洋環(huán)境下長鋼尺掛片試驗，還是在實際生產(chǎn)實踐應用中，都具有很強的規(guī)律性。圖1和圖2是金屬和鋼樁在海洋環(huán)境中的腐蝕狀況及分區(qū)示意圖。1.1.1鋼樁在海洋環(huán)境中的腐蝕狀況示意圖1.1.2在海洋環(huán)境中金屬腐蝕分區(qū)示意圖海上風電鋼鐵結(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)境中相對濕度大、鹽分高，腐蝕介質(zhì)長期積累后附著在鋼鐵表面形成導電良好的液態(tài)水膜電介質(zhì)，同時由于鋼結(jié)構(gòu)成分中有少量碳原子的存在，極易形成無數(shù)個原電池，這是電化學腐蝕的有利條件，從而使金屬物體產(chǎn)生腐蝕而生銹，導致其材料的結(jié)構(gòu)和性能出現(xiàn)變化而破壞。經(jīng)相關研究和試驗證明，海洋大氣環(huán)境比內(nèi)陸大氣環(huán)境對鋼鐵的腐蝕程度高4~5倍。海洋飛濺區(qū)的腐蝕，除了海鹽含量、相對濕度、溫度等海洋大氣環(huán)境中的腐蝕影響因素外，還要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)，由于海水浸潤時間長，干濕交替頻繁，碳鋼在飛濺區(qū)的腐蝕速率要遠大于其他區(qū)域。在飛濺區(qū)，碳鋼會出現(xiàn)一個腐蝕峰值，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了碳鋼的腐蝕，與此同時，飛濺的浪花沖擊也有力地破壞了碳鋼表面的保護膜或覆蓋層，所以鋼表面的保護層在這一區(qū)域剝落更快，造成局部腐蝕十分嚴重，從而促使腐蝕速率加大。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)的鋼鐵還會受到撞擊。全浸區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)全浸于海水中，如風塔管架平臺的中下部位，長期浸泡在海水中，鋼鐵的腐蝕會受到溶解氧、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受到氧的氧化還原反應所控制，所以溶解氧對鋼鐵的腐蝕起到主導作用。在位于平均低潮位以下附近的海水全浸區(qū)，其風塔鋼樁在海水起伏這一潮間帶出現(xiàn)腐蝕最低值，其值甚至小于在海水全浸區(qū)和海底土壤的腐蝕率。這是因為風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)成一個回路，由此構(gòu)成一個氧濃差腐蝕電池，在這一腐蝕電池中，富氧區(qū)為陰極，相對缺氧區(qū)為陽極，總的來說在這個潮差帶中的每一點分別得到了不同程度的保護，而在平均潮位以下則經(jīng)常作為陽極而出現(xiàn)一個明顯的腐蝕峰值。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)實際上是飽和的海水土壤，它是一種比較復雜的腐蝕環(huán)境，既有土壤的腐蝕特點，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，會在缺氧的環(huán)境下生長繁殖，會對埋入海泥區(qū)的鋼鐵造成比較嚴重的腐蝕。海生物的污損，如苔蘚蟲、石灰蟲、藤壺和海藻等，對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散，能對碳鋼的腐蝕有一定的保護作用，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，從而促使碳鋼產(chǎn)生腐蝕。根據(jù)實驗室的防腐涂層測試、海上掛片試驗，以及海上平臺成熟的防腐涂層方案，提出海上風電鋼結(jié)構(gòu)防腐涂層設計基本原則：底漆對基層材料的附著力和防銹能力要強，并具有陰極保護功能；中間漆對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，并具有一定的耐沾污性，從而降低維護頻率。當前國內(nèi)對于海上風電機組的防腐蝕并無相關標準或規(guī)定。海上風電機組防腐蝕，是一個系統(tǒng)的問題，對于機組的每一部分，在設計上、材料上、密閉性上，都應該考慮到防腐蝕問題。對于海上風電的防腐工作，合理選材是防止和控制設備腐蝕的最普通和最有效的方法之一。選材務必做到：①了解環(huán)境因素和腐蝕因素，包括介質(zhì)的種類、濃度、溫度、壓力、流動狀態(tài)、雜質(zhì)種類和數(shù)量、含氧量，以及有無固體懸浮物和微生物等；②研究有關資料數(shù)據(jù)；③按實際條件進行模擬試驗，以獲得選材的可靠數(shù)據(jù)。由此了解材料的耐蝕性能及其工藝特性；④綜合考慮材料的耐蝕性和經(jīng)濟性；⑤考慮合適的防腐蝕措施。，1.2.具體可以考慮的防腐蝕措施如下：1.2.1對于基礎中的鋼結(jié)構(gòu)，大氣區(qū)的防腐蝕一般采用涂層保護或噴涂金屬層加封閉涂層保護；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三層復合防腐涂層系統(tǒng)。1.2.2浪濺區(qū)和水位變動區(qū)的平均潮位以上部位的防腐蝕一般采用重防蝕涂層或噴涂金屬層加封閉涂層保護，亦可采用包覆玻璃鋼、樹脂砂漿以及包覆合金進行保護；塔筒的樁基基礎部分處在潮差區(qū)和浪濺區(qū)是防腐的重點區(qū)域，采用環(huán)氧玻璃鱗片涂料或者無溶劑環(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作用的環(huán)氧富鋅底漆作為底涂層。根據(jù)海上平臺的防腐應用經(jīng)驗，完全可以達到25a以上的防腐防護壽命1.2.3水位變動區(qū)平均潮位以下部位，一般采用涂層與陰極保護聯(lián)合防腐蝕措施；1.2.4水下區(qū)的防腐蝕應采用陰極保護與涂層聯(lián)合防腐蝕措施或單獨采用陰極保護，當單獨采用陰極保護時，應考慮施工工期的防腐措施；1.2.5對于深入海泥區(qū)的基礎鋼結(jié)構(gòu)，可以不考慮涂裝防腐涂層，只依靠陰極保護措施或者兩者相組合的防腐方法，但涂層厚度在500μm左右，設計上不用太厚。這種陰極保護方法屬于電化學防腐，分為外加電流的陰極保護和犧牲陽極的陰極保護，前者主要用高硅鑄鐵作為陽極材料，被保護的鋼鐵作為陰極，在外加電流的影響下，形成電位差進而阻止腐蝕；后者主要用鋅、鋁等活性比鐵高的陽極材料，焊接在鋼鐵結(jié)構(gòu)物上，形成原電池而阻止腐蝕。這兩種方法都需要由腐蝕介質(zhì)做為原電池導電回路，因此適用于海水區(qū)、海泥區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)防腐。1.2.6對于混凝土墩體結(jié)構(gòu)，可以采用高性能混凝土加采用表面涂層或硅烷浸漬的方法；可以采用高性能混凝土加結(jié)構(gòu)鋼筋采用涂層鋼筋的方法；也可以采用外加電流的方法。對于混凝土樁，可采用防腐涂料或包覆玻璃鋼防腐。目前國內(nèi)海上風電發(fā)展剛剛起步，因此在防腐蝕技術(shù)發(fā)展