據(jù)外媒Materials Performance最新報道，美國腐蝕工程師協(xié)會成員 Anders RosborgBlack、Lisbeth Rischel Hilbert、TroelsMathiesen 協(xié) 丹 麥 布 隆 德 比 市 FORCETechnology 公司在 NACE 國際 2015 腐蝕年會上發(fā)表的論文“Corrosion Protectionof Offshore Wind Foundations” 闡 述 了海上風能產(chǎn)業(yè)單樁基類型的腐蝕防護經(jīng)歷，并探討了腐蝕防護策略。

    在過去的數(shù)十年，海上風力發(fā)電在北歐已經(jīng)從一個邊緣產(chǎn)業(yè)發(fā)展成一個主要由政府支持的可再生能源產(chǎn)業(yè)。風力發(fā)電設施的數(shù)量越來越多，尤其是單樁基的。單樁基的風力發(fā)電設施是目前最常見的，因為便于安裝，適用于淺水到中等水深（30 米深以下）的環(huán)境。一個單樁風力發(fā)電設施包含了一個打入海底的鋼樁，鋼樁在水線以上露出 1—2 米。

    單樁基的頂部安裝有一個過渡連接件，重合部分約有 6 米，過渡連接件的內(nèi)部有若干支架，該設計用于幫助其進行調(diào)節(jié)。單樁基和過渡連接件之間的環(huán)形縫隙，由高強度的水泥漿填滿，同時將兩條管道粘起來。圖 1 展示的是早期的單樁基設計和過渡聯(lián)結件及內(nèi)部 J 型管的示意圖，J 型管用于容納渦輪機的連接電纜。現(xiàn)在，其他設計，如圓錐形的接口或是法蘭連接，變得越來越常見。

    論文中作者提到，外部和內(nèi)部的腐蝕問題都會對單樁基結構產(chǎn)生影響。樁基的外部腐蝕問題同其他海上產(chǎn)業(yè)類似，目前行業(yè)指南規(guī)定的腐蝕防護方法都是基于石油天然氣產(chǎn)業(yè)的一些經(jīng)驗。海上結構的犧牲陽極陰極保護是一項已得到確認的腐蝕防護技術，DNV-RP-B4011 標準為陰極保護設計、陽極制造和犧牲陽極的安裝提出了要求和指南。外加電流陰極保護系統(tǒng)的設計在DNV-OS-J101,2 NACE SP0176,3 和 BSEN 12495.4 這三個標準中有描述。涂料的使用對于大氣和飛濺區(qū)是強制的。

    浸水區(qū)的外表面有陰極保護，而在飛濺區(qū)，陰極保護可能被假定為在平均水位以下有完全保護作用。在大多數(shù)項目中，陰極保護系統(tǒng)將犧牲陽極放在過渡連接件上，但是現(xiàn)在越來越多的項目使用了外加電流陰極保護系統(tǒng)。在浸水區(qū)使用的保護性涂層是可選的，主要目的是降低對陰極保護要求的水平。海上涂層系統(tǒng)的一般建議在國際標準中就有給出，如 EN ISO 12944,5 ISO 20340,6 和NORSOK M-501.7。

 圖1 早期的單樁基設計和過渡聯(lián)結件及內(nèi)部J型管的示意圖

    論文作者目前注意到，當前工業(yè)標準并未對單樁風力發(fā)電設施內(nèi)部腐蝕防護做出準確的指導，而內(nèi)表面的腐蝕防護策略由個體業(yè)主或設計者決定。在早期的項目中，對內(nèi)表面的腐蝕防護措施包括將材料預留出額外的厚度作為腐蝕裕量。單樁風力發(fā)電設備的密閉隔室設計，被假定是完全不會漏入空氣或水的，并且預期的均勻腐蝕速率是較低的。在一個完全密封的結構中，海水中的溶解氧（DO）很快就會被整個鋼結構表面的均勻腐蝕所消耗掉，隨著海水中溶解氧的消耗，海水變成厭氧環(huán)境，腐蝕速率隨之下降。

    然而，工業(yè)經(jīng)驗表明要想將隔室做成完全密封的環(huán)境使空氣無法進入是十分困難的。如果密閉隔室結構密封不合理，空氣直接進入就是可能的。目前已經(jīng)在服役了 2—10 年的樁基中發(fā)現(xiàn)了海水和氧氣的進入，導致腐蝕速率增加，出現(xiàn)了局部腐蝕。此外，在一些案例中，水位上漲已經(jīng)致使內(nèi)部的鋁梯充當了犧牲陽極。（圖 2）很多北歐風電廠在關于灌漿失敗的檢測和調(diào)查中發(fā)現(xiàn)了設計預期所預想不到的這些矛盾，由于灌漿失敗，單樁基設施上安裝了過渡連接件。在氧氣進入的情況下，大氣區(qū)的腐蝕速率最開始也許是較高的，但將會隨時間降低。在水位線以下，腐蝕是由水的上層和下面活躍的鋼表面之間充氣的差異造成的。如果水位是完全停滯的，腐蝕將主要是局部腐蝕，且面積較小，所以預期樁基深水位置或埋在沉積物下面的那部分結構并不會出現(xiàn)大面積的腐蝕問題。

    密閉隔室的樁基也有出現(xiàn)微生物腐蝕的可能，而水下表面和埋在沉積物上層的單樁結構那部分發(fā)生局部腐蝕。好氧條件和厭氧條件交替出現(xiàn)，也會有助于微生物的生長，而微生物腐蝕是否發(fā)生取決于微生物的種類和當時的環(huán)境條件。預期會出現(xiàn)硫酸鹽還原菌，如果生長環(huán)境適合，就會生成硫化物。

    樁基內(nèi)部的氧含量也可能發(fā)生改變，因為 J 型管密封處、退化的水泥漿連接處、或小的 J 型開口或孔眼處可能出現(xiàn)輕微泄漏，海水慢慢進入。當含有溶解氧的海水進入系統(tǒng)中，整個表面的腐蝕問題就會加劇。然而，在空氣減少的污泥區(qū)，腐蝕加速的可能性很大，主要是由于充氣差異所導致的。此外，海水的更新會影響隔室內(nèi)的微生物和化學過程。如果進入的海水是大量的 （ 如，如果 J 型管密封完全失效 ），樁基內(nèi)部可能會直接出現(xiàn)潮汐變化，水位可能會每日變化，或是在極端事件出現(xiàn)過程中變化。這樣的話，樁基內(nèi)部環(huán)境就類似于充斥了大量停滯水和受潮汐影響的海港或空氣進入受限的壓載艙的環(huán)境條件。

    基于這些經(jīng)歷，近期的風力發(fā)電項目將涂層或陰極保護作為內(nèi)部腐蝕防護的一部分。一些風力發(fā)電廠業(yè)主已經(jīng)決定采用內(nèi)部外加電流陰極保護的方法對既有的單樁基結構進行翻新，并將內(nèi)部陰極保護作為新項目設計的一部分。為評估真實的腐蝕環(huán)境以確定合適的腐蝕防護策略，同時核實當前防腐措施的效果，一些風力發(fā)電廠的業(yè)主也安裝了海上單樁基設施的那種監(jiān)控系統(tǒng)。這些監(jiān)控系統(tǒng)提供腐蝕環(huán)境條件的相關數(shù)據(jù)，有助于提高對樁基內(nèi)部環(huán)境條件的理解水平。據(jù)論文作者觀點，監(jiān)控重要參數(shù)及腐蝕速率可能是通過累積方法實現(xiàn)的，如樣片，或使用試樣的實時技術。

    測量參數(shù)可包括溶解氧、溫度、鹽度、pH 值和電位，這些測量可能是靠手動、也可能是靠自動化系統(tǒng)完成的。

    論文作者提出，盡管目前許多風力發(fā)電廠采用了內(nèi)部陰極保護措施，這些陰極保護系統(tǒng)可能面臨著一些挑戰(zhàn)，如pH 值的下降、形成不完整的鈣質(zhì)鍋垢、氫氣的形成、或是硫化氫的積聚。此外，內(nèi)部陰極保護的翻新價格高昂，且難度大，因為這項工作必須在狹窄的空間內(nèi)完成，而且系統(tǒng)的設計從很大程度上來說是必須逐個有針對性地完成的，因為不同風力發(fā)電廠的樁基設計和環(huán)境條件不同。

    圖2 水位上漲已經(jīng)致使內(nèi)部的鋁梯充當了犧牲陽極

    由于之前認為腐蝕速率是可以忽略不計的，大多數(shù)單樁基結構的內(nèi)部表面通常是沒有涂層的。因為海水和空氣可能進入樁基內(nèi)部，導致樁基內(nèi)部表面出現(xiàn)比預想情況更多的腐蝕現(xiàn)象，人們已經(jīng)對用涂層保護樁基內(nèi)部區(qū)域的方法給予了更多的關注。在一些案例中，過渡連接件內(nèi)部表面 3 ~ 4m 被覆了涂層，主要的水位預計會在覆了涂層的那一段區(qū)域。單樁基內(nèi)部，可能漏入空氣的封閉區(qū)可能會覆上 200 ~ 250?m 的環(huán)氧樹脂涂層。基于環(huán)氧鋅粉底漆的涂層系統(tǒng)也可能是適用的。

    論文作者指出，需要對單樁基風力發(fā)電設施局部腐蝕的效果進行進一步檢測。盡管 DNV-OS-J101 標準要求使用等級鋼種來降低點蝕破壞的風險，文獻資料和報告上的經(jīng)驗證明海上結構常用的建筑用鋼在海水和海洋環(huán)境中容易發(fā)生點蝕現(xiàn)象。而使用像高合金不銹鋼那樣的建筑材料，雖能抵抗點蝕現(xiàn)象，卻可能在經(jīng)濟上是不可行的。由于點蝕可能導致應力和疲勞裂紋，然而，在不影響結構完整性的前提下，風力發(fā)電廠結構可承受的點蝕腐蝕程度、位置和集中度應該確定出來。對污泥區(qū)局部腐蝕的風險，也應該做進一步的檢查，因為泥線腐蝕對于為長期服役壽命而設計的結構來說也許是很重要的。

    另一個值得更多關注的方面是，要監(jiān)控已安裝的陰極保護系統(tǒng)的影響，因為各標準中出現(xiàn)的各種指南并沒有對單樁基或過渡連接件內(nèi)部陰極保護系統(tǒng)的設計給出準確的方法或是描述。此外，在實施內(nèi)部陰極保護的時候，疲勞壽命和應力導致氫脆開裂（SOHIC）的風險可能是需要考慮的問題。據(jù) DNV-OS-J101標準，在用于重要應用，尤其是在厭氧環(huán)境條件下，存有停滯水、有機活性污泥（細菌）和硫化氫，應當考慮鋼對應力導致氫脆開裂的易感性。目前建筑用鋼的應力導致氫脆開裂的風險可能不高，但將來如果使用更多的高強度鋼種，應力導致氫脆開裂的風險可能會增加。