风能资源作为一种由太阳能转化形成的清洁可再生能源，其开发利用成本较低，具备良好的开发前景。与地面风能相比，海洋风能从风力水平运动分量来看，速度更快；从风力方向来看，流动更平稳，且我国有超四百万平方千米的可利用海洋表面积，海洋风能资源高于地面风能资源的2倍。大力推进发展海上风电产业，增大风力涡轮机电力产量，可以有效地缓解电力需求紧张的问题。同时，海上风电也是一种环境友好型能源，可以不受土地空间、地形地貌限制，能够减小周围地区的噪声污染。为了加快能源转型进程，助力“双碳”目标早日实现，我国大力支持海上风电技术的发展。
海上风电电气设备、塔筒、叶片、导管支架等长期服役于高温高湿的海洋环境，由于海水的强腐蚀性，使得上述主要结构件极易出现腐蚀问题，进而严重制约海上风电技术的发展进程。但是，关于海上风电工程设施在海洋环境下的腐蚀规律的研究较少，且不系统。因此，确保海上风电设备在严苛的海洋环境中的正常服役，减缓风电机组关键部件的腐蚀行为，成为了海上风电腐蚀防护技术研究的重要课题。
本文在深入分析海上风电腐蚀环境、典型腐蚀特点的基础上，归纳总结了近年来海上风电腐蚀防护技术及设计原则，梳理了海上风电桩基基础及设备组件的腐蚀防护技术要求和设计准则，介绍了海上风电工程腐蚀防护应用研究现状，并对海上风电腐蚀防护技术尚存的问题进行了总结与展望，为助力海上风电腐蚀防护技术发展提供参考。
1 海上风电腐蚀问题
海洋环境是腐蚀性最为苛刻的自然环境。由于海水挥发和风浪作用，海洋大气中氯化钠等盐含量大幅增加，盐度均值可达60 mg/m3，而陆地大气中盐含量仅为0.8 mg/m3。同时，海洋大气环境的湿度也明显高于陆地环境。在高盐高湿环境下，金属的腐蚀速率大幅提高，为内陆大气环境的4~5倍。海洋环境的高盐高湿特征因素对风电装备电器元件会产生明显的腐蚀危害性，会造成电路板上导线载流量减少，生成的腐蚀产物能够附着在电气触点处导致接触不良，甚至发生断路，进而可能造成更加严重的电气设备故障及经济损失。海洋环境还存在强紫外辐射特征，容易加速非金属叶片、非金属结构件以及防护涂层的老化失效。
金属的海洋环境腐蚀除了受金属本身属性的影响之外，与其服役的海洋环境特征密切相关。海洋环境复杂多变，具有高盐、高湿、温度变化大、海水冲刷和微生物富集等特点，是公认的腐蚀性最为严酷的自然环境。根据海洋环境因素的特点，将影响金属海洋环境腐蚀的因素分为化学因素、物理因素和生物因素。
1.1 化学因素
海洋环境中与金属腐蚀有关的化学因素主要包括溶解氧、盐度、酸碱度以及化合物等。其中，溶解氧是影响金属在海洋环境中腐蚀速率最重要的化学因素。在中性或碱性的海水中，金属发生电化学腐蚀时，溶解氧作为去极化剂，在阴极上发生氧去极化反应。一般情况下，海水中溶解氧浓度增加，会加速阴极去极化过程，使金属腐蚀速度增加。对于依靠表面钝化膜提高耐腐蚀性的金属，如不锈钢、铝合金等，溶解氧浓度增加有利于钝化膜的形成和修补，使钝化膜的稳定性提高，进而减少金属点蚀和缝隙腐蚀发生[7]。盐度是影响金属海洋环境腐蚀的另一关键因素。海水中溶有大量以氯化钠（NaCl）为主的盐类。NaCl作为一种强电解质，溶于水后能电离出强侵蚀性的氯离子（Cl–）。Cl–半径小，活性强，易吸附或穿透钝化膜，与金属相互作用形成可溶性化合物，导致金属表面钝化膜破坏，诱发点蚀。已有研究表明，随着溶液中Cl–浓度的增加，溶液电导率增大，相同时间内金属腐蚀程度会逐渐加重。
1.2 物理因素
海洋环境中与金属腐蚀有关的物理因素主要包括温度、海水流速和压力等。温度是影响金属腐蚀速率的重要因素。根据动力学理论，海洋腐蚀环境内温度升高会加快氧的扩散速度，加速阳极和阴极反应，导致腐蚀速率增大。对于钝化金属，随着温度的提升，钝化膜的稳定性会下降，腐蚀倾向增加。有研究表明，在20~65 ℃内，每升高10 ℃，金属腐蚀速率将增加1倍。此外，海洋装备服役时，船体螺旋桨、潜艇推进器等部件处金属会受到特有的环境应力作用。例如，海浪和海流会不断冲刷船体、海洋平台等金属结构，金属构件表面发生机械磨损，引起表面保护膜破坏，形成微小裂纹或缺陷，给腐蚀性介质渗透提供了通道，加速金属腐蚀。研究表明海水流速对铜镍合金表面成膜的影响，表明流速在0~2.0 m/s内变化时，随着流速的增大，形成的膜层质量呈现先变好、再变差的趋势，与海水中的氧浓度以及海水流动阐述的冲刷作用有关。
1.3 生物因素
海洋环境中富含藻类、贝类及各类微生物，这些海洋生物常附着或游离在金属表面。其中，藻类植物（如苔藓）会在金属表面附着生长，形成生物膜，引起局部含氧量变化，形成氧浓度差电池，促进点蚀发生。贝类等海洋生物也会吸附在金属表面，对金属产生磨损和刮擦作用，导致保护层破坏。海水中的硫酸盐还原菌等微生物则主要通过新陈代谢改变局部区域内海水的酸碱度、溶解氧浓度等，进而间接影响金属的化学和电化学反应。实际情况中，海洋环境是多种化学因素、物理因素和生物因素的综合体，鉴于各因素对金属腐蚀的机制有所不同，其对金属腐蚀可能会产生促进、减缓或者中性的影响。
2 海上风电的典型腐蚀部位
海上风电设施为高耸结构，贯穿较多海洋腐蚀区，在不同的海洋腐蚀区，海上风电设施所面临的腐蚀问题有所不同，如图1所示。海上风电各部分所处的海洋腐蚀区域的不同，在腐蚀特性及应对策略上也存在差异显著。
2.1 海洋大气区，由于湿度相对较大，且大气环境中盐分含量较高，基础结构材料表面状态受到较大影响，腐蚀速率异常增大，相较陆地环境增大5倍左右。
2.2 浪花飞溅区则会频繁遭受海水浪花冲击进而导致材料表面发生局部腐蚀等多种腐蚀行为。其中，对于海洋大气区的风机叶片、机舱、塔筒等结构，主要受高盐高湿环境下的局部点蚀、电偶腐蚀和缝隙腐蚀等作用，易引发叶片老化开裂等问题。处于浪花飞溅区的风电基础是腐蚀重点部位，此区域面临干湿交替、盐分富集、大气环境引起的日照和盐分变化以及生物附着等复杂问题，处于最严苛的腐蚀环境，导致风电基础钢桩更易出现严重的腐蚀老化和更为敏感的疲劳损伤现象。
2.3 潮差区结构部分由于海洋潮汐作用使得其表面氧含量充足，材料表面微区易成为氧浓差电池的阴极区，腐蚀情况会得到一定缓解。
2.4 全浸区的钢结构主要发生海水的电化学腐蚀，在水面以下结构材料同时还会受到海流冲刷和微生物腐蚀等多重作用影响。在洋流作用下，静水压增大伴随着水流速度的降低，此时海水温度及含氧量同时降低，微生物及碱性离子浓度下降，材料腐蚀程度得到一定减缓。
2.5 海泥区多位于海上风电设施底部，此区域的腐蚀情况整体轻微。但当海泥中存在一定量的硫酸盐还原菌时，其会对钢材表面造成比较严重的微生物腐蚀，影响材料服役寿命。
3 海上风电工程设施腐蚀防护技术
海洋工程设施的腐蚀防护通常从介质环境与结构材料2个方面入手，目前大多数海上风电腐蚀防护方案采用针对二者的综合腐蚀防护来达到防腐蚀效果。
从介质环境方面入手，腐蚀环境控制是主要手段，通过环境改善（环境控制等）、环境阻隔以及其他方法来达到腐蚀环境控制的目的。其中腐蚀环境的改善通常采取增加机组除湿设备、盐雾过滤装置等方式实现温度、湿度及盐分等环境参数控制（介质环境替换），同时也采用缓蚀剂或阻锈剂优化腐蚀环境，而环境阻隔则通过涂刷有机涂层、无机涂层、包覆层、内衬层（衬里）来实现介质隔离。
对于结构材料方面，可以选择耐蚀性材料或对材料进行表面强化，从预留腐蚀裕量、避免缝隙与积液、避免异金属连接、避免应力集中角度出发，设计防腐蚀的结构，采用阴极保护或者阳极保护的电化学保护技术来进行腐蚀防护。结构材料的维护、保养与维修也是有效的腐蚀防护手段。最后腐蚀环境的状态、材料的维护以及电化学保护状态等均需要通过腐蚀监测技术来保障。海上风电腐蚀防护技术的应用和发展应充分考虑所处环境特征和风电机组的设计使用年限。常规的腐蚀控制手段主要包括涂料保护、金属热喷涂、热浸镀锌、阴极保护、包覆防腐和预留腐蚀裕量等，其中防腐涂层和阴极保护使用较为广泛。
3.1 防腐涂层技术
防腐涂层是海洋环境下金属结构使用最多、应用范围最广的腐蚀防护技术，目前已形成依据服役环境分类的多种复合涂层体系及技术方案。海上风电防腐涂层的基本要求：满足长寿命防护需求（设计寿命20 a以上）；抗海洋大气、海浪冲击和海水浸泡；有良好的附着性、耐蚀性、耐候性；能适应干湿交替变化和温度的冷热变化；水下涂料与阴极保护相兼容，耐阴极剥离；满足其他功能需求，如防结冰等。
目前使用较多的防腐涂层仍以国外品牌为主，近年来，国产品牌也得到了快速发展。开展的我国严酷海洋环境下的海上风电涂料环境适应性、耐久性的针对性研究，发现我国各个厂家的防腐涂层涂料样品各方面性能差异不大，涂层耐老化性能、耐蚀性能均较好，较为成熟，但在施工工艺、涂层一致性方面存在短板和差异，产品质量需要严格控制。
3.2 浪花飞溅区/潮差区基础结构防腐方法
浪花飞溅区/海水潮差区的钢结构是腐蚀最严重部分。海上风电设施主要支撑结构多位于飞溅区及潮差区，主要采用防护涂层或包覆层进行腐蚀防护。支撑结构一般下段固定于海床中，结构表面为未涂覆耐蚀涂层的裸露金属；中段、上段接触海水、盐雾大气，依靠涂层体系与腐蚀介质隔绝。涂层体系包括环氧底漆加厚膜型环氧玻璃鳞片涂层体系、无机富锌加环氧粉末涂层体系等；矿脂包覆层具有良好的防护性能，且施工简单方便。常用的腐蚀控制方法包括：
1）预留腐蚀裕量，主要指在设计初期综合考虑结构材料腐蚀速率及使用寿命，增加金属材料的厚度同时保证整体合理性和安全性。
2）有机防腐涂层，主要包括富锌涂料和聚氨酯涂料等，涂层具体指标要求应遵循GB/T 33314—2016及NB/T 31006—2011相关标准。
3）热喷涂金属涂层，主要选用铝合金或锌合金涂层材料进行施工，施工过程中应保证金属涂层表面均一致密，无气孔或基体裸露的斑点，避免出现金属熔融颗粒在表面附着力下降等问题，影响涂层的服役年限。
4）包覆防腐技术，常用包覆材料有胶泥、防锈油脂、高聚物胶带、热熔塑料等。包覆防腐技术主要由内层防蚀膏、中层防蚀带和外层防蚀保护层共同构成，采用科学的三层体系设计形成了一个紧密、协调的整体防护系统，实现长效防腐。其中，防蚀膏、防蚀带是包覆防腐技术的核心部分，含有高效的缓蚀成分，能够有效的阻止腐蚀性介质对钢结构的侵蚀，并可带锈带水施工。包覆防腐技术可有效地隔绝海水、氧等腐蚀介质的侵入，具备良好的腐蚀防护效果和一定周期的使用寿命，可减缓了关键结构腐蚀速率达到25%以上，取得了较好的防护效果。
4 结语
海上风电作为一种清洁的可再生的绿色能源，具有广阔的发展前景，但海洋腐蚀环境对海上风电设备的腐蚀防护提出了严峻的挑战。目前的腐蚀与防护技术还存在以下问题：
1）海上风电装备结构材料的腐蚀规律尚不明确。有关海上风电关键结构在多因素海洋环境下的腐蚀行为规律及其对关键结构综合力学性能影响的探究不足，无法明确海上风电金属复杂结构在不同腐蚀区域的共性规律。
2）腐蚀监测与评估技术薄弱。目前海上风电的腐蚀监测以定期人工检视和保护电位测试为主，对阴极保护系统和腐蚀监测系统的全生命周期研究较少，基于自动化、数字化和智能化的全面监测与安全评估技术仍在发展中。
3）海生物污损问题尚无法解决。海上风电基础部分长期浸泡于海水中，海生物污损无法避免，污损增加基础的结构载荷，并加剧金属结构的微生物腐蚀。现有防污涂料的有效寿命5~7年，无法满足风电长周期的防污需求。
腐蚀防护作为海上风电安全服役的关键保障技术，依然任重道远，亟需进一步发展完善。
免责声明：本文文章内容转载来源：网络。如涉及作品内容、版权和其它问题，请与我们联系，我们将在第一时间处理！感谢您的支持与理解！
返回首页
关于我们
电话咨询
联系我们