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境的嚴峻形勢下，風能作為自然界中能夠不斷再生、可持續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 , 海上風電已經成為世界可再生能源發展的重點領域。經過 20 多年的發展，海上風電技術日趨成熟，已進入大規模開發階段。到 2014 年底，歐洲 11 個國家共建設了 84 個海上風電場，總裝機容量11,027MW。我國 2010 年并網發電的東海大橋 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。據報道，我國可開發和利用的陸地上風能儲量 2.53 億千瓦，近海可開發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，有廣闊的發展空間。同時，我國東部沿海地區經濟發達，能源緊缺，開發豐富的海上風能資源將有效改善能源供應結構。因此，盡管我國海上風電起步較晚，但發展潛力巨大。

    與陸上風電相比，海上風電所處環境更為復雜，海洋大氣區高濕度、高鹽霧、長日照，浪花飛濺區干濕交替，水下區海水浸泡、生物附著等，腐蝕環境非常苛刻，對海上風電設備的腐蝕防護提出了嚴峻挑戰，同時海上風電由于其特殊的地理環境和技術要求，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， 防腐蝕設計成為海上風電場設計的重要環節之一。

    海上風電機組

    海上風電機組主要由水下基礎、塔架、機艙、輪轂和葉片等部分組成，具體構造上不同廠家的風機存在一些區別，大部分廠家將主軸、軸承座、齒輪箱、聯軸器、機械剎車、發電機、變壓器、變槳系統、電控系統等集成在機艙和輪轂內部，以減少現場安裝工作量。

    水下基礎從材料角度主要有鋼結構基礎和鋼筋混凝土結構基礎；從結構形式分主要有重力式基礎、單樁基礎、群樁基礎、導管架基礎、吸力式筒形基礎等固定式基礎和漂浮式基礎等。

    我國東海大橋海上風電場采用的是群樁承臺基礎。

    目前海上風機的高度一般在 80 ～ 110m 的范圍內，按部位劃分，風機基礎結構處于浪花飛濺區、潮差區、全浸區及海泥區， 風機的機艙、 輪轂、 葉片和塔架等處于海洋大氣區范圍內。

單樁基礎的海上風電結構圖

    海上風電機組的腐蝕分析

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

    下面對每個區的腐蝕特征分別進行介紹。

    1、海洋大氣區

    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定的致密銹層，導致腐蝕率上升。

    2、浪花飛濺區

    在浪花飛濺區，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。 因此在整個海洋環境中，浪花飛濺區是腐蝕最為嚴重的區域。

鋼樁在海洋環境各區域的腐蝕速率示意圖

    3、潮差區

    鋼結構基礎的水下區與潮差區部分由于氧含量不同而形成氧濃差電池，潮差區部分由于供氧充分而成為宏觀電池的陰極區，水下部分則變為陽極向陰極區提供保護電流，而使得潮差區部分腐蝕較輕。

    海洋生物能夠棲居在潮差區結構的表面，如果附著生物均勻分布，會在結構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

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

    淺水區海水流速大，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，生物活躍，水溫較高，是全浸區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力腐蝕為主，相對較輕。

    5、海泥區

    海泥區位于全浸區以下，主要由海底沉積物構成。海底沉積物的物理性質、化學性質和生物性質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，海泥區的腐蝕較輕。

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

    碳鋼在海洋環境中的不同區帶表現出不同的腐蝕特征，在海水中的腐蝕主要包括物理、化學和生物的影響，應結合不同的特征采取針對性地防腐蝕措施。

1.海泥區 2.全浸區 3.潮差區 4.浪花飛濺區 5.海洋大氣區

圖3 海上風機環境示意圖

    海上風電防腐

    根據海上風電機組所處環境的腐蝕特征，可采取針對性地防腐蝕措施。目前，在海上風電防腐中應用較多的是防腐蝕涂層、陰極保護技術，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、水下基礎防腐

    鋼結構風電基礎的防腐方法與海上平臺、鋼管樁等基本相同。浪花飛濺區和潮差區的基礎外表面，多采用防腐涂層加防護外套進行保護；全浸區和海泥區，則采用防腐涂層和陰極保護的聯合保護，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構外壁進行保護，近年來研究發現，被人們忽視的單樁基礎鋼筒內壁腐蝕非常嚴重，在設計施工時，應針對性地加強保護，如采用犧牲陽極陰極保護等。

    對于鋼筋混凝土基礎，為提高結構耐久性，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和潮差區結構表面涂刷防腐涂料等加強保護。

    2、塔架防腐

    鋼結構塔架處于海洋大氣環境中，經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合保護的情況。考慮到塔架外壁長期處于暴曬環境，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。

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

    3、風機機艙及輪轂防腐

    機艙和輪轂內部包含了風機的關鍵部件，也是防腐蝕的核心區域。因內部部件較多，且涉及多個專業，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合關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境隔離以避免腐蝕是主體設計思路。將機艙設計成一個盡可能密閉的空間，通過鼓風機等使內部對外界形成正壓，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部安裝的各類部件的腐蝕防護要求。

    （2）關鍵部件加強防腐

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

    機械部件主要包括主軸、聯軸器、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，暴露部位采用與結構部件相同的防腐蝕方法；聯軸器為高彈性特殊材料，表面無法防腐，靠預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構部件相同，內部充填防腐潤滑油實現防腐；偏航齒輪與變槳齒輪因頻繁經歷齒輪擬合，磨損較大，且需要潤滑，因此采用表面涂抹黃油實現隔離空氣和潤滑的雙重作用。

    電氣部件主要包括發電機、變壓器、控制柜 / 開關柜、各類驅動電機等。提高設備外殼防護等級實現與空氣的隔離是電氣設備的重要防腐蝕手段。發電機是持續旋轉設備，必須持續高效散熱才能正常運行，如果發電機采用常規的密閉冷卻散熱系統，內部構造無需考慮防腐，只需要解決外部防腐問題即可；如果發電機無法從結構上實現密閉冷卻散熱，定子鐵芯以及轉子線包的腐蝕問題就需要考慮，一般講鐵芯設計為耐腐蝕材料，而轉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變壓器鐵芯防腐；控制柜 / 開關柜散熱量較小，因此采用提高防護等級隔絕空氣來實現整體防腐蝕，也有部分控制柜散熱量較大，通常采用柜體安裝小型空調控制柜內溫度的方法，各類驅動電機的運轉頻率較低，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，因此重視設計、材料選擇和防腐保護措施特別重要”。復合材料葉片應采用膠衣保護層，但沒有相應的指標規定。

    目前葉片防腐涂料主要以進口為主，成本都比較高。 “MW級風力發電機組風輪葉片原材料國產化”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 年的設計使用壽命，并沒有對海上腐蝕環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，還需結合國外的應用經驗進一步完善相關標準。

上海東海大橋100MW海上風電場

    海上風電防腐應注意的問題

    根據近幾年東海大橋海上風電場、江蘇如東海上風電場的反饋，鋼結構基礎的腐蝕問題呈普遍性逐步增多趨勢，主要體現在防腐方案不合理、涂層失效、陰極保護系統缺陷、防腐材料及施工質量不過關等方面， 因此， 在海上風電的防腐蝕設計、建造及運行維護等方面應注意以下問題：

    1、設計標準問題

    對于塔筒結構及鋼樁基礎的防腐，主要參照海洋工程鋼結構的防腐方法， 國內外相關的標準規范較多， 目前最常用的如下 ：

    · ISO12944色漆和清漆--防護漆體系對鋼結構的腐蝕防護 ；

    ·ISO20340 色漆和清漆 -- 用于近海建筑及相關結構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 陰極保護設計；

    ·DNV OS J101 海上風電機組設計。

    ISO 12944 是目前國際上應用最廣泛的鋼結構防腐蝕涂裝規范，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等做出了規定。針對沿海及海上風電防腐，根據國內海上風電的發展現狀，我國正在制訂《沿海及海上風電機組防腐技術規范》，規范中對防腐涂層體系、陰極保護的設計、施工、檢驗及后期維護等都做出了明確規定，該規范發布實施后，將大大提升我國海上風電防腐作業管理水平。

    2、施工質量問題

    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計， 因此， 防腐涂料及施工質量要求也相對較高。 “三分涂料，七分施工”，選擇了質量滿足要求的涂料產品之后，涂層施工質量的好壞，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、施工環境氣候條件、壓縮空氣等都有相關規定，應嚴格執行。在表面處理達到要求后，方可進行涂裝施工。應嚴格按照涂料使用說明書的要求進行儲存、配料、施工，為保證質量，當濕度和溫度條件不滿足時，嚴禁施工。為方便施工監理，對每道涂層的顏色一般都有明確規定。

    3、運行中的監檢測問題

    海上風電的鋼結構基礎通常采用涂層和陰極保護防腐，這種情況下，陰極保護系統運行效果如何，就需要通過監檢測系統來獲取相關信息進行判定。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用情況。所有探頭信息通過數據采集儀定時記錄，由于海上風電的特殊性，數據記錄儀應具備網絡接入功能，傳感器的數據應能及時上傳網絡，并自動保存在監測系統或計算機中。

    結語

    海上風電是可再生新能源的重點發展領域，具有廣闊發展前景。海上風電機組處于嚴苛的海洋腐蝕環境，為保證海上風電機組的長期安全運行，必須從設計、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（現中國海洋大學）海洋化學專業。1992年畢業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有限公司副總經理。發表論文20余篇，主要研究方向金屬材料海洋環境的腐蝕與防護。

更多關于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內外最新動態，我們網站會不斷更新。希望大家一直關注中國腐蝕與防護網http://www.ecorr.org