在當前煤炭、石油等化石能源資源日益匱乏，溫室氣體排放威脅人類生存環(huán)境的嚴峻形勢下，風能作為自然界中能夠不斷再生、可持續(xù)利用的綠色能源資源，以其蘊藏量巨大、分布廣泛、無污染等優(yōu)勢，越來越受到世界各國的重視。自1991 年世界首座海上風電場在丹麥建成以來 , 海上風電已經(jīng)成為世界可再生能源發(fā)展的重點領(lǐng)域。經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，海上風電技術(shù)日趨成熟，已進入大規(guī)模開發(fā)階段。到 2014 年底，歐洲 11 個國家共建設(shè)了 84 個海上風電場，總裝機容量11,027MW。我國 2010 年并網(wǎng)發(fā)電的東海大橋 100MW 海上風電場是亞洲第一個大型海上風電項目，到 2013 年底我國海上風電總裝機容量達到 428.58MW。據(jù)報道，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地，有廣闊的發(fā)展空間。同時，我國東部沿海地區(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(yīng)結(jié)構(gòu)。因此，盡管我國海上風電起步較晚，但發(fā)展?jié)摿薮蟆?/span>

    與陸上風電相比，海上風電所處環(huán)境更為復(fù)雜，海洋大氣區(qū)高濕度、高鹽霧、長日照，浪花飛濺區(qū)干濕交替，水下區(qū)海水浸泡、生物附著等，腐蝕環(huán)境非常苛刻，對海上風電設(shè)備的腐蝕防護提出了嚴峻挑戰(zhàn)，同時海上風電由于其特殊的地理環(huán)境和技術(shù)要求，維修費用極高。因此，海洋腐蝕不但給海上風電機組帶來巨大安全隱患，縮短機組運營壽命，也大大增加了風電的建設(shè)投資和運行維護成本。防腐蝕是海上風電必須考慮的突出問題， 防腐蝕設(shè)計成為海上風電場設(shè)計的重要環(huán)節(jié)之一。

    海上風電機組

    海上風電機組主要由水下基礎(chǔ)、塔架、機艙、輪轂和葉片等部分組成，具體構(gòu)造上不同廠家的風機存在一些區(qū)別，大部分廠家將主軸、軸承座、齒輪箱、聯(lián)軸器、機械剎車、發(fā)電機、變壓器、變槳系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等集成在機艙和輪轂內(nèi)部，以減少現(xiàn)場安裝工作量。

    水下基礎(chǔ)從材料角度主要有鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；從結(jié)構(gòu)形式分主要有重力式基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、群樁基礎(chǔ)、導管架基礎(chǔ)、吸力式筒形基礎(chǔ)等固定式基礎(chǔ)和漂浮式基礎(chǔ)等。

    我國東海大橋海上風電場采用的是群樁承臺基礎(chǔ)。

    目前海上風機的高度一般在 80 ～ 110m 的范圍內(nèi)，按部位劃分，風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)處于浪花飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)及海泥區(qū)， 風機的機艙、 輪轂、 葉片和塔架等處于海洋大氣區(qū)范圍內(nèi)。

單樁基礎(chǔ)的海上風電結(jié)構(gòu)圖

    海上風電機組的腐蝕分析

    海上風電機組一般位于離岸 15Km 以內(nèi)的近海，從機組、塔架到水下基礎(chǔ)，相應(yīng)處于海洋大氣、浪花飛濺、潮差、全浸及海泥五個區(qū)，每個區(qū)的腐蝕環(huán)境不同，其腐蝕特征也不同。

    下面對每個區(qū)的腐蝕特征分別進行介紹。

    1、海洋大氣區(qū)

    高濕、高鹽是海洋大氣的特點，海洋大氣中的水蒸氣在毛細管作用、吸附作用和化學凝結(jié)作用等的影響下，容易附著在鋼鐵表面形成一層肉眼看不到的水膜，水膜中有溶解氧、氯離子、 硫酸根離子和其它一些鹽分， 是導電性很強的電解質(zhì)溶液。

    鋼鐵表面的不均勻使得表面形成腐蝕電池， 從而引起鋼鐵腐蝕。

    研究結(jié)果表明，鋼在濕度 70% 時腐蝕最為嚴重。另外晝夜的干濕交替，對腐蝕有加速作用。

    水膜中氯離子具有穿透作用，它能加速鋼鐵的點蝕、應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕和縫隙腐蝕等局部腐蝕，使得鋼鐵表面難以形成長期穩(wěn)定的致密銹層，導致腐蝕率上升。

    2、浪花飛濺區(qū)

    在浪花飛濺區(qū)，海水膜潤濕時間長、干濕交替頻率快、海鹽離子大量積聚，同時飛濺的海浪粒子沖擊和海風等使得供氧充分，是造成腐蝕速度加劇的重要因素。飛濺海水中的氣泡會沖擊破壞材料表面， 使得該部分的防腐涂層很容易脫落。 因此在整個海洋環(huán)境中，浪花飛濺區(qū)是腐蝕最為嚴重的區(qū)域。

鋼樁在海洋環(huán)境各區(qū)域的腐蝕速率示意圖

    3、潮差區(qū)

    鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的水下區(qū)與潮差區(qū)部分由于氧含量不同而形成氧濃差電池，潮差區(qū)部分由于供氧充分而成為宏觀電池的陰極區(qū)，水下部分則變?yōu)殛枠O向陰極區(qū)提供保護電流，而使得潮差區(qū)部分腐蝕較輕。

    海洋生物能夠棲居在潮差區(qū)結(jié)構(gòu)的表面，如果附著生物均勻分布，會在結(jié)構(gòu)表面形成保護膜從而減輕腐蝕，如果局部附著，則會因供氧不同而導致附著物下面的鋼表面腐蝕嚴重。

    4、全浸區(qū)

    在全浸區(qū)，以電化學和生物腐蝕為主，又分為淺水區(qū)（低潮位以下20～30米以內(nèi)） 、 大陸架全浸區(qū) （30～200米水深區(qū)）和深水區(qū)（200 米以下）。

    淺水區(qū)海水流速大，存在近海化學和泥沙污染，溶解氧和二氧化碳處于飽和狀態(tài)，生物活躍，水溫較高，是全浸區(qū)腐蝕較為嚴重的部分。

    隨著水深的增加，海水流速降低，水溫下降，含氣量降低，生物活動減少，腐蝕以電化學腐蝕為主，相對淺水區(qū)較輕。隨著深度進一步增大，壓力增大，礦物鹽的溶解量下降，水溫、含氣量、水流進一步降低。腐蝕以電化學腐蝕和應(yīng)力腐蝕為主，相對較輕。

    5、海泥區(qū)

    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)和生物性質(zhì)隨海域和海水深度的不同而不同。海泥實際是飽和了海水的土壤，它既有土壤的腐蝕特點，又有海水的腐蝕行為。相對來講，海泥區(qū)的腐蝕較輕。

    當海泥中存在硫酸鹽還原菌時，它會在缺氧環(huán)境下生長繁殖，對鋼材造成比較嚴重的腐蝕。

    碳鋼在海洋環(huán)境中的不同區(qū)帶表現(xiàn)出不同的腐蝕特征，在海水中的腐蝕主要包括物理、化學和生物的影響，應(yīng)結(jié)合不同的特征采取針對性地防腐蝕措施。

1.海泥區(qū) 2.全浸區(qū) 3.潮差區(qū) 4.浪花飛濺區(qū) 5.海洋大氣區(qū)

圖3 海上風機環(huán)境示意圖

    海上風電防腐

    根據(jù)海上風電機組所處環(huán)境的腐蝕特征，可采取針對性地防腐蝕措施。目前，在海上風電防腐中應(yīng)用較多的是防腐蝕涂層、陰極保護技術(shù)，另外增加腐蝕余量、選用更耐蝕材料等也是解決腐蝕問題的可選方法。

    1、水下基礎(chǔ)防腐

    鋼結(jié)構(gòu)風電基礎(chǔ)的防腐方法與海上平臺、鋼管樁等基本相同。浪花飛濺區(qū)和潮差區(qū)的基礎(chǔ)外表面，多采用防腐涂層加防護外套進行保護；全浸區(qū)和海泥區(qū)，則采用防腐涂層和陰極保護的聯(lián)合保護，其中陰極保護方法有犧牲陽極法、強制外加電流法。前面講到的均是對接觸海水及海洋大氣的鋼結(jié)構(gòu)外壁進行保護，近年來研究發(fā)現(xiàn)，被人們忽視的單樁基礎(chǔ)鋼筒內(nèi)壁腐蝕非常嚴重，在設(shè)計施工時，應(yīng)針對性地加強保護，如采用犧牲陽極陰極保護等。

    對于鋼筋混凝土基礎(chǔ)，為提高結(jié)構(gòu)耐久性，通常采用高性能海工混凝土，通過加大鋼筋外保護層厚度、摻入阻銹劑等防止鋼筋銹蝕，必要時對浪花飛濺區(qū)和潮差區(qū)結(jié)構(gòu)表面涂刷防腐涂料等加強保護。

    2、塔架防腐

    鋼結(jié)構(gòu)塔架處于海洋大氣環(huán)境中，經(jīng)濟有效的防腐蝕解決方案是采用長壽命防腐涂層體系，其中應(yīng)用較多的是有機或無機防腐涂層體系，也有采用金屬鍍層和防腐涂層聯(lián)合保護的情況。考慮到塔架外壁長期處于暴曬環(huán)境，面漆抗紫外線老化是重要指標，目前常用脂肪族聚胺酯面漆。

    塔架內(nèi)壁，腐蝕相對較輕，且無紫外線老化問題，可采用海洋大氣環(huán)境中適用的普通防腐涂層體系，如環(huán)氧富鋅底漆和環(huán)氧類面漆，漆膜厚度也相對較薄。

    3、風機機艙及輪轂防腐

    機艙和輪轂內(nèi)部包含了風機的關(guān)鍵部件，也是防腐蝕的核心區(qū)域。因內(nèi)部部件較多，且涉及多個專業(yè)，若每個部件都采取較強的防腐蝕措施則會增加很多的成本，為控制成本，海上風機廠商均采取了總體防腐結(jié)合關(guān)鍵部件加強防腐的解決方案。

    （1）總體防腐

    各部件盡可能與外界環(huán)境隔離以避免腐蝕是主體設(shè)計思路。將機艙設(shè)計成一個盡可能密閉的空間，通過鼓風機等使內(nèi)部對外界形成正壓，阻止腐蝕性海洋大氣直接進入，很大程度上降低了機艙和輪轂內(nèi)部安裝的各類部件的腐蝕防護要求。

    （2）關(guān)鍵部件加強防腐

    機艙和輪轂里的結(jié)構(gòu)部件都不大，有主支撐底座，也有設(shè)備支架等，因部分結(jié)構(gòu)需要暴露在外面，而且是日常維護過程中很難觸及的位置，因此該類部件都設(shè)計為熱鍍鋅或者涂層加強防腐。

    機械部件主要包括主軸、聯(lián)軸器、齒輪箱、變槳齒輪等。

    其中主軸連接面為機加工面，不做防腐，以保證平面度，暴露部位采用與結(jié)構(gòu)部件相同的防腐蝕方法；聯(lián)軸器為高彈性特殊材料，表面無法防腐，靠預(yù)留腐蝕余量法解決腐蝕問題；齒輪箱、偏航軸承以及變漿軸承的外部與結(jié)構(gòu)部件相同，內(nèi)部充填防腐潤滑油實現(xiàn)防腐；偏航齒輪與變槳齒輪因頻繁經(jīng)歷齒輪擬合，磨損較大，且需要潤滑，因此采用表面涂抹黃油實現(xiàn)隔離空氣和潤滑的雙重作用。

    電氣部件主要包括發(fā)電機、變壓器、控制柜 / 開關(guān)柜、各類驅(qū)動電機等。提高設(shè)備外殼防護等級實現(xiàn)與空氣的隔離是電氣設(shè)備的重要防腐蝕手段。發(fā)電機是持續(xù)旋轉(zhuǎn)設(shè)備，必須持續(xù)高效散熱才能正常運行，如果發(fā)電機采用常規(guī)的密閉冷卻散熱系統(tǒng)，內(nèi)部構(gòu)造無需考慮防腐，只需要解決外部防腐問題即可；如果發(fā)電機無法從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)密閉冷卻散熱，定子鐵芯以及轉(zhuǎn)子線包的腐蝕問題就需要考慮，一般講鐵芯設(shè)計為耐腐蝕材料，而轉(zhuǎn)子線包則采用真空浸漆工藝配合氟硅橡膠材料加強防腐，工藝設(shè)計要求較高，以確保散熱和防腐達到一種平衡。

    海上風機的箱式變壓器一般采用干變，散熱方式也是直接空氣冷卻，采用絕緣樹脂澆注實現(xiàn)變壓器鐵芯防腐；控制柜 / 開關(guān)柜散熱量較小，因此采用提高防護等級隔絕空氣來實現(xiàn)整體防腐蝕，也有部分控制柜散熱量較大，通常采用柜體安裝小型空調(diào)控制柜內(nèi)溫度的方法，各類驅(qū)動電機的運轉(zhuǎn)頻率較低，且功率較小，采用密閉隔絕空氣的方法防止腐蝕，在外殼上增加散熱面積達到散熱要求。

    4、葉片防腐

    葉片防腐主要采取涂層法。《風力發(fā)電機組風輪葉片》（JB/T10194-2000）指出，“葉片在一定程度上暴露在腐蝕性環(huán)境條件下并且不容易接近。由于運行條件的原因，在許多情況下不可能重做防腐層，因此重視設(shè)計、材料選擇和防腐保護措施特別重要”。復(fù)合材料葉片應(yīng)采用膠衣保護層，但沒有相應(yīng)的指標規(guī)定。

    目前葉片防腐涂料主要以進口為主，成本都比較高。 “MW級風力發(fā)電機組風輪葉片原材料國產(chǎn)化”的“863”計劃中，要求葉片表面保護涂料能提高葉片耐紫外老化、耐風沙侵蝕以及耐濕熱、鹽霧腐蝕能力，適應(yīng)我國南北方不同極端氣候條件下風電場使用需求，保證風輪葉片 20 年的設(shè)計使用壽命，并沒有對海上腐蝕環(huán)境不同情況提出具體指標要求。因此，針對海上風電葉片涂料，還需結(jié)合國外的應(yīng)用經(jīng)驗進一步完善相關(guān)標準。

上海東海大橋100MW海上風電場

    海上風電防腐應(yīng)注意的問題

    根據(jù)近幾年東海大橋海上風電場、江蘇如東海上風電場的反饋，鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的腐蝕問題呈普遍性逐步增多趨勢，主要體現(xiàn)在防腐方案不合理、涂層失效、陰極保護系統(tǒng)缺陷、防腐材料及施工質(zhì)量不過關(guān)等方面， 因此， 在海上風電的防腐蝕設(shè)計、建造及運行維護等方面應(yīng)注意以下問題：

    1、設(shè)計標準問題

    對于塔筒結(jié)構(gòu)及鋼樁基礎(chǔ)的防腐，主要參照海洋工程鋼結(jié)構(gòu)的防腐方法， 國內(nèi)外相關(guān)的標準規(guī)范較多， 目前最常用的如下 ：

    · ISO12944色漆和清漆--防護漆體系對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕防護 ；

    ·ISO20340 色漆和清漆 -- 用于近海建筑及相關(guān)結(jié)構(gòu)的保護性涂料體系的性能要求；

    ·NORSOKM501 表面處理和防護涂料；

    ·DNV RP B401 陰極保護設(shè)計；

    ·DNV OS J101 海上風電機組設(shè)計。

    ISO 12944 是目前國際上應(yīng)用最廣泛的鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕涂裝規(guī)范，ISO 20340 和 NORSOK M501 對海上風電防腐蝕涂料體系的性能測試和施工技術(shù)等做出了規(guī)定。針對沿海及海上風電防腐，根據(jù)國內(nèi)海上風電的發(fā)展現(xiàn)狀，我國正在制訂《沿海及海上風電機組防腐技術(shù)規(guī)范》，規(guī)范中對防腐涂層體系、陰極保護的設(shè)計、施工、檢驗及后期維護等都做出了明確規(guī)定，該規(guī)范發(fā)布實施后，將大大提升我國海上風電防腐作業(yè)管理水平。

    2、施工質(zhì)量問題

    海上風電由于其特殊性，安裝完成投入運行后，再進行涂層維護很難，且費用相當高，通常按 25 年的長期壽命進行涂層體系設(shè)計， 因此， 防腐涂料及施工質(zhì)量要求也相對較高。 “三分涂料，七分施工”，選擇了質(zhì)量滿足要求的涂料產(chǎn)品之后，涂層施工質(zhì)量的好壞，就決定了最終的保護效果。表面處理是涂裝工作的第一步，一般要求噴砂除銹達到 Sa2 級，同時對砂料、施工環(huán)境氣候條件、壓縮空氣等都有相關(guān)規(guī)定，應(yīng)嚴格執(zhí)行。在表面處理達到要求后，方可進行涂裝施工。應(yīng)嚴格按照涂料使用說明書的要求進行儲存、配料、施工，為保證質(zhì)量，當濕度和溫度條件不滿足時，嚴禁施工。為方便施工監(jiān)理，對每道涂層的顏色一般都有明確規(guī)定。

    3、運行中的監(jiān)檢測問題

    海上風電的鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)通常采用涂層和陰極保護防腐，這種情況下，陰極保護系統(tǒng)運行效果如何，就需要通過監(jiān)檢測系統(tǒng)來獲取相關(guān)信息進行判定。陰極保護無論是犧牲陽極還是外加電流方式，都需要安裝參比電極、電流密度探頭等，以獲取保護電位、保護電流密度等信息。針對涂層和生物腐蝕問題，國外還有電化學阻抗、生物腐蝕、腐蝕速率等探頭在海上風電的應(yīng)用情況。所有探頭信息通過數(shù)據(jù)采集儀定時記錄，由于海上風電的特殊性，數(shù)據(jù)記錄儀應(yīng)具備網(wǎng)絡(luò)接入功能，傳感器的數(shù)據(jù)應(yīng)能及時上傳網(wǎng)絡(luò)，并自動保存在監(jiān)測系統(tǒng)或計算機中。

    結(jié)語

    海上風電是可再生新能源的重點發(fā)展領(lǐng)域，具有廣闊發(fā)展前景。海上風電機組處于嚴苛的海洋腐蝕環(huán)境，為保證海上風電機組的長期安全運行，必須從設(shè)計、制造、安裝及后期運行維護等各方面重視防腐蝕問題。

    作者簡介

    曲政（1970生），男，高級工程師，青島海洋大學（現(xiàn)中國海洋大學）海洋化學專業(yè)。1992年畢業(yè)分配至鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所工作，歷任課題組長、所長助理、副所長、書記，青島鋼研納克檢測防護技術(shù)有限公司副總經(jīng)理。發(fā)表論文20余篇，主要研究方向金屬材料海洋環(huán)境的腐蝕與防護。