摘要:

海上風(fēng)電作為一種綠色能源，已經(jīng)成為風(fēng)電開發(fā)的熱點(diǎn)領(lǐng)域，但是，由于所處的海洋環(huán)境復(fù)雜，海上風(fēng)電機(jī)組防腐工作面臨著巨大挑戰(zhàn)。介紹了我國(guó)東南沿海地區(qū)海洋腐蝕環(huán)境的特點(diǎn)，針對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組所處的腐蝕環(huán)境情況，把風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了區(qū)域的劃分，沿垂直方向可將所處的海洋環(huán)境分為5個(gè)腐蝕區(qū)域，即大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)及海泥區(qū)。通過電化學(xué)及相關(guān)理論，闡述了多種環(huán)境狀態(tài)下的風(fēng)機(jī)不同結(jié)構(gòu)間的腐蝕機(jī)理，并歸納了常規(guī)的防腐蝕技術(shù)，包括涂層防腐、陰極保護(hù)防腐、復(fù)層包覆防腐等方法。為確保海上風(fēng)電機(jī)組的安全平穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)設(shè)備的防腐措施提出了建議，以期對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組的大規(guī)模發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞: 海上風(fēng)電 氣候特點(diǎn)  腐蝕分區(qū)  腐蝕機(jī)理  防腐技術(shù) 

0 引言

在我國(guó)提出“碳達(dá)峰”、“碳中和”及化石能源逐漸枯竭的雙重背景下，國(guó)家對(duì)清潔能源發(fā)展給予了較大的政策和資金的支持，全國(guó)大力發(fā)展清潔能源，風(fēng)能作為一種資源豐富的綠色可再生能源，在能源建設(shè)中的比重逐漸提升[1-2]。其中海上風(fēng)電具有占地面積小、功率密度大、風(fēng)速大、湍流小、風(fēng)向穩(wěn)、開發(fā)率高、距離負(fù)荷中心近、轉(zhuǎn)換率高及粉塵零排放等優(yōu)點(diǎn)，成為風(fēng)電開發(fā)的熱點(diǎn)領(lǐng)域[3-8]。

到2019年末，全世界海上風(fēng)電總計(jì)裝機(jī)容量為27.2 GW[9],我國(guó)“十四五”期間規(guī)劃海上風(fēng)電裝機(jī)量約為36 GW。我國(guó)風(fēng)力資源豐富的地區(qū)主要包括“三北地區(qū)”(東北地區(qū)的黑吉遼，華北地區(qū)的京津蒙晉，西北地區(qū)的陜甘寧新)、東南沿海地區(qū)(瓊粵閩浙滬蘇魯)及部分內(nèi)陸地區(qū)(桂云貴贛徽鄂湘豫)等。因?yàn)榉鶈T遼闊各地區(qū)氣候環(huán)境懸殊，造成了海上風(fēng)電腐蝕環(huán)境和因素的差別，不同區(qū)域所適用的防腐工藝也存在差別。為了減少海上風(fēng)電機(jī)組的腐蝕情況，促進(jìn)該領(lǐng)域更快、更好地發(fā)展，需要針對(duì)當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境分析腐蝕成因并采取相應(yīng)措施。由于浙江、江蘇、福建及廣東等東南沿海地區(qū)規(guī)劃了千萬(wàn)千瓦級(jí)海上風(fēng)電場(chǎng)，現(xiàn)針對(duì)我國(guó)東南沿海地區(qū)進(jìn)行具體的研究與分析，該地區(qū)水深5～25m的海域，高于海平面10、20、30、50及70 m處的風(fēng)力資源分別約為100、300、490、2 000及5 000 GW[10]。

海上風(fēng)電設(shè)備包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、塔筒、葉片及機(jī)艙等主要部件，具有建設(shè)難度大、施工維護(hù)成本高及滿足安全服役20年的壽命要求，但是同時(shí)要面臨凍融損壞、環(huán)境載荷、強(qiáng)風(fēng)、沙塵、冰霜、雨雪、高鹽霧、高濕度等腐蝕介質(zhì)的侵蝕，以及漂浮物、船舶、浮冰、海浪等物質(zhì)的撞擊，還有動(dòng)植物、微生物的附著問題，這些問題大大增加了設(shè)備的腐蝕率、破壞了風(fēng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)、縮短了服役壽命及大量的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面的損失[11-14]。

因此，加強(qiáng)荷載能力及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的防腐技術(shù)成為研究的重點(diǎn)，對(duì)提高其全壽命周期的安全平穩(wěn)運(yùn)行具有重要價(jià)值。但是目前該問題未得到妥善解決，造成了我國(guó)海上風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的滯后。為了提高設(shè)備的防腐能力及服役期，降低由腐蝕侵害導(dǎo)致的損失，本文針對(duì)我國(guó)東南沿海地區(qū)的海上風(fēng)電的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行環(huán)境，闡述相關(guān)腐蝕機(jī)理及防腐技術(shù)，以更好推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展和利用。

1 研究背景

我國(guó)東南沿海地區(qū)海域包括渤海、黃海、東海、南海，其中江蘇、上海、福建、廣東等沿海地區(qū)屬于溫帶向亞熱帶的過渡性海洋氣候，山東沿海地區(qū)屬于暖溫帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候，海南、廣東雷州半島屬于北熱帶海洋性氣候，年平均溫度約為13～25℃[15],濕度一般為70%～90%,年平均風(fēng)速約為4 m/s, 具有四季分明、雨熱同期、氣候潮濕及降水豐沛的特點(diǎn)。

海水中含鹽率約為3%,并且海陸風(fēng)中含有大量鹽分形成鹽霧，鹽霧沉降量約為12.3～60mg/(m2·d),是同地區(qū)陸上的20～80倍[16]。鹽分與海上風(fēng)電設(shè)備接觸后，高濃度的NaCl瞬間分解為Na+和 Cl-,Cl-穿透力強(qiáng)，可與鈍化膜中的陽(yáng)離子結(jié)合生成可溶性氯化物，并吸附于鈍化膜上造成滲透破壞，使鈍化膜失效。海洋環(huán)境與設(shè)備中的金屬材料發(fā)生一系列反應(yīng)，其中電化學(xué)反應(yīng)為

Μ→Μn++ne-12+Η2Ο+2e-→2ΟΗ-Μn++nΟΗ-→Μ(ΟΗ)nΜn++nCl-→ΜCln

目前，海上風(fēng)電高度約為80～110 m,在垂直方向上，按照溫度濕度、氧含量、風(fēng)速、pH值、光照、流速、物質(zhì)種類及含量等指標(biāo)將風(fēng)機(jī)所處的海洋環(huán)境分為5種，即大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)及海泥區(qū)[17],如圖1所示。

圖1 海洋環(huán)境分區(qū)圖

(1) 大氣區(qū)。

大氣區(qū)為設(shè)計(jì)高水位1.5m以上的區(qū)域，屬于腐蝕類別極高的C5-M腐蝕環(huán)境，具有濕度高、鹽分大、日照充分及干濕循環(huán)特征顯著的特點(diǎn)，通過吸附、凝結(jié)、毛細(xì)管等作用，水蒸氣在金屬表面形成液態(tài)膜，CO2、SO2及部分鹽分溶解于液態(tài)膜中呈酸性，提高了導(dǎo)電力，使金屬的反應(yīng)從化學(xué)腐蝕轉(zhuǎn)換成電化學(xué)腐蝕，同時(shí)受到氧極化過程影響，導(dǎo)致同種材料的腐蝕度是陸上的4～5倍[18],并且距離海岸線24m處是240m處的12倍[19]。

(2) 飛濺區(qū)。

飛濺區(qū)位于設(shè)計(jì)高水位加1.5m～高水位減1.0m的能被海浪潤(rùn)濕的區(qū)域[20],屬于Im2腐蝕類別，具有溶解氧含量高、海浪沖擊、干濕交替頻繁的特點(diǎn)，同時(shí)海洋中存在2000～3 000種污損生物，植物性約600種，動(dòng)物性約1 300種，常見的約50～100種，如海藻、石灰蟲、苔蘚蟲、藤壺等大量附著型海洋生物[21],加強(qiáng)了氧的去極化作用和沖擊作用，使保護(hù)膜老化損壞，同時(shí)干濕交替過程中銹層里的Fe2+、Fe3+的反復(fù)轉(zhuǎn)換，多種因素導(dǎo)致了腐蝕峰值，造成風(fēng)機(jī)塔架底部及鋼樁成為腐蝕最嚴(yán)重的區(qū)域，鋼腐蝕速率在飛濺區(qū)比全浸區(qū)高3～10倍，平均腐蝕速率為0.3～0.5mm/a[22-24]。

(3) 潮差區(qū)。

潮差區(qū)位于設(shè)計(jì)高水位減1.0m～設(shè)計(jì)低水位減1.0m之間，屬于Im2腐蝕類別，在高水位時(shí)碳鋼被富氧海水浸泡產(chǎn)生海水腐蝕，在低水位時(shí)與空氣接觸的腐蝕與大氣區(qū)類似，漲潮、退潮產(chǎn)生的沖刷腐蝕及高速水流產(chǎn)生的空泡腐蝕會(huì)加強(qiáng)設(shè)備腐蝕情況，同時(shí)存在冬季流冰撞擊風(fēng)機(jī)樁基的可能，破壞防腐涂層，而海洋生物的局部附著形成的濃差電池會(huì)加劇腐蝕現(xiàn)象。

(4) 全浸區(qū)。

全浸區(qū)位于設(shè)計(jì)低水位減1.5m以下被海水全部淹沒的區(qū)域，屬于Im2腐蝕類別。低水位20m內(nèi)是淺海區(qū)，具有水速高、海洋生物活躍、溫度高的特點(diǎn)，主要是氧的去極化作用和生物腐蝕作用；低水位30～200m以下是大陸架全浸區(qū)，具有水速、海洋生物及溫度都遞減的特點(diǎn)，主要是電化學(xué)腐蝕作用；200m以下是pH<8.2的深海區(qū)，具有含氧量、水速、鹽度、溫度較低及壓力大的特點(diǎn)，主要是應(yīng)力腐蝕和電化學(xué)作用。

(5) 海泥區(qū)。

海泥區(qū)位于全浸區(qū)下部被海泥覆蓋的區(qū)域，兼具海水和土壤的雙重腐蝕，屬于Im2腐蝕類別，具有電阻率低、含氧量低及鹽度高的特點(diǎn)，同時(shí)沉積物中含有硫酸鹽還原菌(sulfate-reducingbacteria,SRB),在海泥的厭氧環(huán)境下，誘導(dǎo)碳鋼發(fā)生腐蝕并使其腐蝕速率提高6倍左右[25],反應(yīng)機(jī)理如下，其中H+來自于H2PO4-、HPO42-、H2O及SRB代謝產(chǎn)生的有機(jī)酸的電離[26]。

陽(yáng)極:Fe-2e→Fe2+2Η++2e→Η2陰極:SΟ2-4+8ΗSRB→S2-+Η2ΟS2-+2Η+→Η2SFe2++S2-→FeSFe2++Η2S→FeS+2Η+ 海洋環(huán)境腐蝕傾向示意圖如圖2[27]。

圖2 海洋環(huán)境腐蝕傾向示意圖

2 海上風(fēng)電防腐技術(shù)

海上風(fēng)機(jī)類型主要分為浮式、負(fù)壓式、重力式及樁式，樁式又包括單樁、三樁、多樁及導(dǎo)管架等，但是設(shè)備基本包括葉片、機(jī)艙、塔筒及輪轂等，其中塔筒包含全部區(qū)域，其余均處于大氣區(qū)[28-29]。海上風(fēng)電的腐蝕類型大致分為均勻腐蝕和局部腐蝕，其中均勻腐蝕起主導(dǎo)因素，局部腐蝕包括點(diǎn)腐蝕、沖擊腐蝕、電偶腐蝕、空泡腐蝕及縫隙腐蝕。

(1) 均勻腐蝕是指設(shè)備表面整體發(fā)生腐蝕，使設(shè)備的截面同速率減薄，承受更大的真實(shí)應(yīng)力，導(dǎo)致材料發(fā)生斷裂，但是易于監(jiān)測(cè)、檢查，從而減少了突發(fā)性故障；另一方面該類腐蝕屬于微電池效應(yīng)，不存在固定的陽(yáng)極、陰極，是不分離且交替變化的。

(2) 點(diǎn)腐蝕是由于表面缺陷、夾雜物、保護(hù)膜破裂或污染物導(dǎo)致的局部位置出現(xiàn)坑點(diǎn)或小孔狀的腐蝕，甚至穿孔，但設(shè)備表面未出現(xiàn)明顯的整體腐蝕，這是設(shè)備腐蝕的較大隱患之一。浪濺區(qū)的點(diǎn)腐蝕一般是由浪花沖擊設(shè)備使表面膜局部破裂造成的[30-31]。

(3) 沖擊腐蝕是高速運(yùn)動(dòng)的氣泡或固體物對(duì)設(shè)備表面的沖擊作用造成的磨蝕與腐蝕的雙重作用，加劇了腐蝕情況，有時(shí)與空泡腐蝕較難分清，但是沖擊腐蝕具有明顯的沖擊刷痕。

(4) 電偶腐蝕是由于設(shè)備材質(zhì)的不均一性，腐蝕電位不同的2種金屬在腐蝕介質(zhì)中接觸，發(fā)生腐蝕反應(yīng)，2種金屬分別作為電偶的陰、陽(yáng)極，電位順序的差別影響腐蝕的速度及進(jìn)程，電位差越大則陽(yáng)極電偶腐蝕越快，但陰極極化作用可影響該趨勢(shì)，影響因素包括腐蝕介質(zhì)的電導(dǎo)率、電偶陰陽(yáng)極面積之比和金屬的極化性。電偶腐蝕在大氣區(qū)發(fā)生于2種金屬接觸段的短距離內(nèi)；在全浸區(qū)防腐涂層的局部損壞導(dǎo)致的小陽(yáng)極、大陰極的電偶腐蝕，出現(xiàn)接觸段的長(zhǎng)距離明顯腐蝕，造成局部損壞或快速穿孔[32]。

(5) 空泡腐蝕是高速運(yùn)動(dòng)的海水中夾雜氣泡的生成與破滅，對(duì)設(shè)備產(chǎn)生水錘作用，即瞬時(shí)壓力可達(dá)到千倍大氣壓，可迅速將涂層和鈍化膜破壞，使設(shè)備逐層暴露加速腐蝕。海上蒸發(fā)形成的氣泡，借助升騰作用連續(xù)沖擊設(shè)備表面，生成強(qiáng)腐蝕性的電解質(zhì)膜，可連續(xù)腐蝕保護(hù)膜受損部位，兼具機(jī)械損傷和腐蝕損傷，形成類似蜂窩狀的形態(tài)。

(6) 縫隙腐蝕是由于腐蝕介質(zhì)在設(shè)備結(jié)構(gòu)縫隙內(nèi)的積存導(dǎo)致，通常在海水中靠氧氣維持鈍化膜的材料較易形成縫隙腐蝕，因?yàn)樵谘鯕夂枯^高的環(huán)境下，持續(xù)彌合破裂的鈍化膜，更易出現(xiàn)縫隙腐蝕，在飛濺區(qū)和全浸區(qū)等干濕交替區(qū)域較嚴(yán)重[33]。

因此亟需采取必要的防腐措施，目前的防腐技術(shù)包括涂層防腐、陰極保護(hù)防腐及復(fù)層包覆防腐，針對(duì)腐蝕類型選擇相應(yīng)的防腐措施。

2.1 涂層防腐

涂層防腐是利用成膜材料在設(shè)備表面形成致密的膜與外界環(huán)境分隔，減少設(shè)備的腐蝕程度，是目前碳鋼設(shè)備最常用的防腐手段，包括涂料防腐和金屬鍍層，ISO 12944.5標(biāo)準(zhǔn)中明確了涂料的耐久性，高、中、低的耐久性分別為大于15、5～15、2～5年[34]。涂層的作用有：(1)屏蔽作用，涂層可有效防止腐蝕介質(zhì)透過界面[35];(2)鈍化作用，可在風(fēng)電設(shè)備表層生成鈍化膜[36];(3)電阻作用，涂層是絕緣的可抑制陰極放電及陽(yáng)極的溶解，并保持穩(wěn)定；(4)陰極保護(hù)作用，涂層中含有的活潑金屬作為陽(yáng)極，設(shè)備作為陰極被保護(hù)[37];(5)緩蝕作用，以上幾種作用有效防止或減弱腐蝕的形成，加強(qiáng)了緩蝕作用。但該法的局限性是易產(chǎn)生點(diǎn)蝕損壞、維修難度大，需要多種涂層聯(lián)合使用或與其他方法結(jié)合使用，向著水性化、高固體分、低揮發(fā)性有機(jī)物、高膜厚、保光保色性等方向發(fā)展。圖3中黃色部分即為防腐涂層。

圖3 海上升壓站防腐涂層

在施工過程中，不僅應(yīng)注意涂料的選擇，也應(yīng)注意我國(guó)東南地區(qū)的氣候變化，如在梅雨季節(jié)進(jìn)行施工時(shí)，應(yīng)進(jìn)行局部封閉除濕來降低露點(diǎn)溫度，因?yàn)楸煌刻间摻Y(jié)構(gòu)的表面溫度應(yīng)至少高于環(huán)境露點(diǎn)溫度3 ℃,否則會(huì)產(chǎn)生冷凝水影響涂層與設(shè)備間的粘結(jié)，導(dǎo)致脫落[38]。在海洋環(huán)境中，防腐涂層厚度一般約為320～400 μm[39]。

海上風(fēng)電設(shè)備的防腐涂層包括底漆、中間層、面漆，這3部分的附著性、干燥性、相容性存在較大差異，底漆含填料、基料較少，成膜粗糙，與碳鋼設(shè)備等底材的黏著性強(qiáng)；中間層可加大防腐層厚度，減弱腐蝕環(huán)境滲透；面漆含基料多、成膜平滑，柔韌性、耐候性佳，可抗老化。因此涂層的選擇應(yīng)綜合考慮以下幾方面因素：(1)設(shè)備材質(zhì)，不同材質(zhì)的設(shè)備，其涂層厚度、耐候性、結(jié)構(gòu)一般不同；(2)所處環(huán)境，設(shè)備所處的腐蝕分區(qū)不同，涂層面臨的腐蝕介質(zhì)、氣候不同，造成涂層種類的選擇不同；(3)施工條件，在不具備干燥條件時(shí)應(yīng)選擇自干型，在通風(fēng)不暢環(huán)境時(shí)應(yīng)選擇無(wú)溶劑、水性或高固體分涂料；(4)資金投入，應(yīng)考慮涂層產(chǎn)品的材料費(fèi)、設(shè)備表面處理費(fèi)、施工費(fèi)等成本，同時(shí)考慮使用年限、合理性、維護(hù)費(fèi)等。

目前一般采用多種涂層聯(lián)合使用的措施，即大氣區(qū)防腐涂層是環(huán)氧富鋅底漆+環(huán)氧云鐵中間漆+聚氨酯面漆，飛濺區(qū)防腐涂層是環(huán)氧富鋅底漆+環(huán)氧玻璃鱗片漆+聚硅氧烷面漆，水下區(qū)防腐涂層是環(huán)氧重防腐涂料。

2.2 陰極保護(hù)防腐

陰極保護(hù)防腐用在處于海水、土壤兩種介質(zhì)中的鋼管樁上，包括犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法和外加電流的陰極保護(hù)法，可有效控制碳鋼的全面和局部腐蝕，但不能控制已發(fā)生的局部腐蝕。

陰極保護(hù)防腐經(jīng)由被保護(hù)的金屬作為陰極，失電子減少，起到防腐作用[40]。金屬浸潤(rùn)于海水中，由于表層分布不均導(dǎo)致產(chǎn)生大量的微陽(yáng)極、微陰極。在陽(yáng)極區(qū)金屬表面產(chǎn)生電流進(jìn)入海水電解質(zhì)中發(fā)生腐蝕，而在陰極區(qū)電流經(jīng)電解質(zhì)傳到金屬中，降低腐蝕速率。所以其原理大致是補(bǔ)充電子到金屬設(shè)備所在的電極上，金屬整體呈電子過剩狀態(tài)，并存在于設(shè)備各區(qū)域，使整個(gè)金屬設(shè)備呈同樣的負(fù)電位，大大降低原子變成離子進(jìn)入電解質(zhì)的概率。那么金屬與電解質(zhì)接觸的表層每一點(diǎn)都需要有電流流入來補(bǔ)充大量電子，則因腐蝕而失去電子的每個(gè)微陽(yáng)極會(huì)得到補(bǔ)充，可降低腐蝕速率。

海下防腐層修復(fù)難、易腐化，所以全浸區(qū)普遍采用陰極保護(hù)防腐[41]。海水中的金屬設(shè)備得到陰極保護(hù)，宏觀上體現(xiàn)為電位變化，微觀上生成鈣質(zhì)層或氧化層，形成層可限制溶解氧向碳鋼表面擴(kuò)散、降低所需的陰極保護(hù)電流密度，通常是由上層較厚的CaCO3和下層極薄的Mg(OH)2組成，形成層越致密則防腐效果越佳，讓極小的保護(hù)電流即可有效保護(hù)設(shè)備。隨著海水深度增大，CaCO3由飽和狀態(tài)過渡為不飽和狀態(tài)，在海泥區(qū)靜水壓力增加使CaCO3更易溶解，難以形成致密的鈣質(zhì)層，所以在海泥區(qū)需增大電流密度促進(jìn)鈣鎂沉積層的形成。Hugus和Hartt等[42]進(jìn)行了海水流速對(duì)鋁陽(yáng)極的碳鋼的陰極極化電流密度的影響試驗(yàn)，結(jié)果表明：當(dāng)海水流速分別為0.03、0.09、0.30 m/s時(shí)，鈣質(zhì)層厚度逐漸增加。

2.2.1 犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法

犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法是選擇腐蝕電位較低的活潑金屬或合金材料作陽(yáng)極，與風(fēng)機(jī)設(shè)備在腐蝕介質(zhì)中接觸，根據(jù)材料的腐蝕提供保護(hù)電流來抑制風(fēng)機(jī)設(shè)備腐蝕。優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需額外電流、電位平均、初期一次性投入小、裝置安裝簡(jiǎn)便，缺點(diǎn)是焊接于支撐結(jié)構(gòu)上需要定期更換裝置、釋放有毒微量元素且電位固定無(wú)調(diào)節(jié)能力[43]。

可用作犧牲陽(yáng)極的材料為鎂合金、鋁合金、鋅合金等，一般采用鋁鋅銦合金材料，布置在水下區(qū)1.0m至泥上1.0 m的區(qū)域。陽(yáng)極材料對(duì)耐蝕性的要求逐漸提高，如摻入微量Cr的高硅鑄鐵陽(yáng)極材料、經(jīng)樹脂浸漬處理的石墨陽(yáng)極材料等耐蝕性大大增強(qiáng)。

對(duì)于不同的海域環(huán)境，所使用的陽(yáng)極類型有所區(qū)別。在飛濺區(qū)、潮差區(qū)等干濕交替的區(qū)域，陽(yáng)極未能有效活化而提前失效，所以研發(fā)出Al-Zn-In-Mg-Ga-Mn的高活性陽(yáng)極材料；在全浸區(qū)局部腐蝕加重、電流效率降低，則要求有均勻溶解性和較高的電流效率；在海泥區(qū)通常采用Al-Zn-In、Al-Zn-In-Sn等陽(yáng)極，電流效率可高達(dá)85%。

2.2.2 外加電流的陰極保護(hù)法

外加電流的陰極保護(hù)法是以裸露于腐蝕環(huán)境中的設(shè)備作為陰極，對(duì)其外部施加一定的直流恒電位電源，發(fā)生陰極極化，當(dāng)設(shè)備的電位低于某一電位值時(shí)，則消除了結(jié)構(gòu)表面的不均一性，抑制了陽(yáng)極腐蝕溶解過程。優(yōu)點(diǎn)是所需安裝設(shè)備數(shù)量少、電流電位可調(diào)節(jié)、保護(hù)周期延長(zhǎng)及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化追蹤控制，缺點(diǎn)是對(duì)陽(yáng)極材料要求高、初期一次性投入大、裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜及有可能破壞防腐涂層。

外加電流的陰極保護(hù)法是利用電化學(xué)腐蝕原理，防止金屬在海水介質(zhì)中表面陽(yáng)極發(fā)生的腐蝕，人工通入一個(gè)和被保護(hù)金屬表面陽(yáng)極區(qū)局部腐蝕的反方向電流，當(dāng)疊加的反方向電流大于或等于局部陽(yáng)極腐蝕電流時(shí)，會(huì)迫使金屬表面陽(yáng)極區(qū)腐蝕停止或轉(zhuǎn)變?yōu)殛帢O，通過連接外部直流電源的陽(yáng)極直接向被保護(hù)的設(shè)備施加陰極電流，持續(xù)提供電子，使電子在金屬表層富集，通過控制陰極電位或電流密度，使其發(fā)生陰極極化，起到設(shè)備防腐的目的。外加電流的陰極保護(hù)法含參比電極、輔助陽(yáng)極及直流電源，通電后電流從陽(yáng)極經(jīng)海水至設(shè)備形成閉合回路[44-45]。

參比電極材料應(yīng)具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、可逆性好、不易極化、使用壽命長(zhǎng)等惰性材料的特點(diǎn)，我國(guó)將碳鋼在海水中的相對(duì)于Cu/CuSO4參比電極、飽和甘汞參比電極及Ag/AgCl參比電極的保護(hù)電位分別定為-0.85～1.05V、-0.77～-0.15 V及-0.78 ～-1.06 V[46]。當(dāng)保護(hù)電位偏正時(shí)起不到保護(hù)設(shè)備的目的，當(dāng)保護(hù)電位偏負(fù)時(shí)，消耗電量增大、資金投入增加，而電位過負(fù)，可引起油漆鼓泡、鋼構(gòu)氫脆等故障。

2.3 復(fù)層包覆防腐

復(fù)層包覆防腐體系包括防蝕膏、防蝕帶、緩沖層及最外層的防蝕保護(hù)罩[47]。

防蝕膏中含有防銹劑和銹轉(zhuǎn)化劑，是一種有粘性的均勻膏狀物，可覆蓋于碳鋼設(shè)備上，位于復(fù)層包覆防腐體系最內(nèi)部，可形成完整的保護(hù)膜，充填腐蝕坑，隔絕氧氣、水等腐蝕環(huán)境，兼具防銹、除銹、緩蝕的作用。其中鐵銹轉(zhuǎn)化劑分為單寧酸型和磷酸型，單寧酸和銹層中的鐵離子作用生成一層不溶性的保護(hù)膜，磷酸和鐵銹反應(yīng)生成穩(wěn)定的磷酸鹽鈍化膜，黏附于金屬表層保護(hù)設(shè)備。

防蝕帶通常采用浸潤(rùn)防腐材料的聚酯纖維的無(wú)紡布，其成分、性能與防蝕膏幾乎類似，具有耐候性、耐化學(xué)品、粘附力強(qiáng)、可塑性強(qiáng)、加強(qiáng)防腐及不易開裂固化等特點(diǎn)，可與防蝕膏結(jié)合為一體，使得碳鋼結(jié)構(gòu)形成密閉環(huán)境，起到密閉阻隔的作用，對(duì)腐蝕環(huán)境提供緩沖作用。

防護(hù)罩是由玻璃纖維增強(qiáng)材料構(gòu)成，具有穩(wěn)定性高、防腐性能佳、機(jī)械性能良好、耐沖擊、耐熱、耐久、耐磨及重量小等優(yōu)點(diǎn)，可與碳鋼表面緊密貼合，形成密封環(huán)境，高效杜絕或減弱腐蝕的發(fā)生。

復(fù)層包覆防腐工藝具有下列優(yōu)點(diǎn)：

(1) 性能優(yōu)良。保護(hù)罩可耐海洋環(huán)境中的酸堿、沖擊及溫差。

(2) 施工簡(jiǎn)單。防蝕帶、防蝕膏可連續(xù)施工，無(wú)需固化，可節(jié)省施工時(shí)間、提高效率、降低成本。

(3) 表層處理要求低。防蝕膏中的防銹劑與鐵銹反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定物質(zhì)成為有粘附性的保護(hù)性封閉層，具有防止氧化、除銹、防銹的特點(diǎn)，使用鐵銹轉(zhuǎn)化劑對(duì)設(shè)備表面要求低，可節(jié)約人力和資金。

(4) 防沖擊。當(dāng)設(shè)備遭受撞擊時(shí)，緩沖層可吸收部分能量來降低設(shè)備的損壞程度。

(5) 脫水作用。防蝕膏中的防銹劑含不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的表面活性物質(zhì)，其分子極性強(qiáng)于水分子極性，金屬存在更大的親和力，可置換金屬表層的水分子膜或水滴，從而排除了水分起到脫水作用[48]。表面活性劑中存在非極性基團(tuán)朝外、極性基團(tuán)朝內(nèi)的逆型膠束，可捕集吸附雜質(zhì)并封存于膠束中，與金屬隔絕，起到防腐作用[49]。

(6) 黏著性好。防蝕膏、防蝕帶中含有的緩蝕劑、復(fù)合稠化劑可黏著于碳鋼表面，將腐蝕環(huán)境與設(shè)備表面分隔開。

3 結(jié)論

海上風(fēng)電由于其獨(dú)特的地理位置，會(huì)逐步向著單機(jī)功率更大、離岸距離更長(zhǎng)的方向發(fā)展，對(duì)防腐技術(shù)的設(shè)計(jì)施工、系數(shù)選擇、后期維護(hù)及質(zhì)量監(jiān)控方面有著嚴(yán)苛的要求。本文首先介紹了海上風(fēng)電設(shè)備的腐蝕環(huán)境、腐蝕機(jī)理，接著將海上風(fēng)電設(shè)備所處的環(huán)境進(jìn)行了劃分，即大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)及海泥區(qū)，逐個(gè)分析各環(huán)境下的腐蝕機(jī)理，有針對(duì)性的提出了防腐技術(shù)，包括涂層防腐、陰極保護(hù)防腐、復(fù)層包覆防腐等主要防腐技術(shù)。雖然在一定程度上減輕了設(shè)備的腐蝕情況，但是目前防腐技術(shù)仍存在著以下問題：

(1) 防腐監(jiān)測(cè)薄弱。目前海上風(fēng)電機(jī)組的腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)較弱，應(yīng)進(jìn)行全面加強(qiáng)，為防腐技術(shù)提供數(shù)據(jù)支持，預(yù)測(cè)設(shè)備使用壽命，進(jìn)一步提高防腐效果。

(2) 環(huán)境污染加重。涂層防腐中含有重金屬及其他難降解有機(jī)物，對(duì)海洋環(huán)境及生物造成污染，亟需開發(fā)新型環(huán)保涂層或防腐材料如石墨烯防腐、生物防腐等，減輕對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的不利影響。海上風(fēng)電設(shè)備防腐應(yīng)采用全生命周期設(shè)計(jì)，項(xiàng)目初期做好海洋環(huán)境調(diào)查，實(shí)行涂層防腐、陰極保護(hù)防腐及復(fù)層包覆防腐等多種技術(shù)聯(lián)合使用，因?yàn)橐环矫鎻?fù)層包覆或涂層發(fā)生破損，會(huì)加劇設(shè)備腐蝕；另一方面，只使用陰極保護(hù)防腐則需要較大的電流密度才可滿足要求。建立健全防腐管理體系，采取相關(guān)防腐監(jiān)控措施，做到實(shí)時(shí)掌握、提前預(yù)警，為海上風(fēng)電的防腐技術(shù)提供參考價(jià)值。

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