摘要:

海上風電作為一種綠色能源，已經成為風電開發的熱點領域，但是，由于所處的海洋環境復雜，海上風電機組防腐工作面臨著巨大挑戰。介紹了我國東南沿海地區海洋腐蝕環境的特點，針對海上風電機組所處的腐蝕環境情況，把風機結構進行了區域的劃分，沿垂直方向可將所處的海洋環境分為5個腐蝕區域，即大氣區、飛濺區、潮差區、全浸區及海泥區。通過電化學及相關理論，闡述了多種環境狀態下的風機不同結構間的腐蝕機理，并歸納了常規的防腐蝕技術，包括涂層防腐、陰極保護防腐、復層包覆防腐等方法。為確保海上風電機組的安全平穩運行，對設備的防腐措施提出了建議，以期對海上風電機組的大規模發展提供參考。

關鍵詞: 海上風電 氣候特點  腐蝕分區  腐蝕機理  防腐技術 

0 引言

在我國提出“碳達峰”、“碳中和”及化石能源逐漸枯竭的雙重背景下，國家對清潔能源發展給予了較大的政策和資金的支持，全國大力發展清潔能源，風能作為一種資源豐富的綠色可再生能源，在能源建設中的比重逐漸提升[1-2]。其中海上風電具有占地面積小、功率密度大、風速大、湍流小、風向穩、開發率高、距離負荷中心近、轉換率高及粉塵零排放等優點，成為風電開發的熱點領域[3-8]。

到2019年末，全世界海上風電總計裝機容量為27.2 GW[9],我國“十四五”期間規劃海上風電裝機量約為36 GW。我國風力資源豐富的地區主要包括“三北地區”(東北地區的黑吉遼，華北地區的京津蒙晉，西北地區的陜甘寧新)、東南沿海地區(瓊粵閩浙滬蘇魯)及部分內陸地區(桂云貴贛徽鄂湘豫)等。因為幅員遼闊各地區氣候環境懸殊，造成了海上風電腐蝕環境和因素的差別，不同區域所適用的防腐工藝也存在差別。為了減少海上風電機組的腐蝕情況，促進該領域更快、更好地發展，需要針對當地的氣候環境分析腐蝕成因并采取相應措施。由于浙江、江蘇、福建及廣東等東南沿海地區規劃了千萬千瓦級海上風電場，現針對我國東南沿海地區進行具體的研究與分析，該地區水深5～25m的海域，高于海平面10、20、30、50及70 m處的風力資源分別約為100、300、490、2 000及5 000 GW[10]。

海上風電設備包括基礎結構、塔筒、葉片及機艙等主要部件，具有建設難度大、施工維護成本高及滿足安全服役20年的壽命要求，但是同時要面臨凍融損壞、環境載荷、強風、沙塵、冰霜、雨雪、高鹽霧、高濕度等腐蝕介質的侵蝕，以及漂浮物、船舶、浮冰、海浪等物質的撞擊，還有動植物、微生物的附著問題，這些問題大大增加了設備的腐蝕率、破壞了風機的整體結構、縮短了服役壽命及大量的經濟和環境方面的損失[11-14]。

因此，加強荷載能力及基礎結構的防腐技術成為研究的重點，對提高其全壽命周期的安全平穩運行具有重要價值。但是目前該問題未得到妥善解決，造成了我國海上風電行業發展的滯后。為了提高設備的防腐能力及服役期，降低由腐蝕侵害導致的損失，本文針對我國東南沿海地區的海上風電的結構和運行環境，闡述相關腐蝕機理及防腐技術，以更好推動該領域的發展和利用。

1 研究背景

我國東南沿海地區海域包括渤海、黃海、東海、南海，其中江蘇、上海、福建、廣東等沿海地區屬于溫帶向亞熱帶的過渡性海洋氣候，山東沿海地區屬于暖溫帶濕潤性季風氣候，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。

海水中含鹽率約為3%,并且海陸風中含有大量鹽分形成鹽霧，鹽霧沉降量約為12.3～60mg/(m2·d),是同地區陸上的20～80倍[16]。鹽分與海上風電設備接觸后，高濃度的NaCl瞬間分解為Na+和 Cl-,Cl-穿透力強，可與鈍化膜中的陽離子結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。海洋環境與設備中的金屬材料發生一系列反應，其中電化學反應為

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

目前，海上風電高度約為80～110 m,在垂直方向上，按照溫度濕度、氧含量、風速、pH值、光照、流速、物質種類及含量等指標將風機所處的海洋環境分為5種，即大氣區、飛濺區、潮差區、全浸區及海泥區[17],如圖1所示。

圖1 海洋環境分區圖

(1) 大氣區。

大氣區為設計高水位1.5m以上的區域，屬于腐蝕類別極高的C5-M腐蝕環境，具有濕度高、鹽分大、日照充分及干濕循環特征顯著的特點，通過吸附、凝結、毛細管等作用，水蒸氣在金屬表面形成液態膜，CO2、SO2及部分鹽分溶解于液態膜中呈酸性，提高了導電力，使金屬的反應從化學腐蝕轉換成電化學腐蝕，同時受到氧極化過程影響，導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。

飛濺區位于設計高水位加1.5m～高水位減1.0m的能被海浪潤濕的區域[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，同時海洋中存在2000～3 000種污損生物，植物性約600種，動物性約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],加強了氧的去極化作用和沖擊作用，使保護膜老化損壞，同時干濕交替過程中銹層里的Fe2+、Fe3+的反復轉換，多種因素導致了腐蝕峰值，造成風機塔架底部及鋼樁成為腐蝕最嚴重的區域，鋼腐蝕速率在飛濺區比全浸區高3～10倍，平均腐蝕速率為0.3～0.5mm/a[22-24]。

(3) 潮差區。

潮差區位于設計高水位減1.0m～設計低水位減1.0m之間，屬于Im2腐蝕類別，在高水位時碳鋼被富氧海水浸泡產生海水腐蝕，在低水位時與空氣接觸的腐蝕與大氣區類似，漲潮、退潮產生的沖刷腐蝕及高速水流產生的空泡腐蝕會加強設備腐蝕情況，同時存在冬季流冰撞擊風機樁基的可能，破壞防腐涂層，而海洋生物的局部附著形成的濃差電池會加劇腐蝕現象。

(4) 全浸區。

全浸區位于設計低水位減1.5m以下被海水全部淹沒的區域，屬于Im2腐蝕類別。低水位20m內是淺海區，具有水速高、海洋生物活躍、溫度高的特點，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，具有水速、海洋生物及溫度都遞減的特點，主要是電化學腐蝕作用；200m以下是pH<8.2的深海區，具有含氧量、水速、鹽度、溫度較低及壓力大的特點，主要是應力腐蝕和電化學作用。

(5) 海泥區。

海泥區位于全浸區下部被海泥覆蓋的區域，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，同時沉積物中含有硫酸鹽還原菌(sulfate-reducingbacteria,SRB),在海泥的厭氧環境下，誘導碳鋼發生腐蝕并使其腐蝕速率提高6倍左右[25],反應機理如下，其中H+來自于H2PO4-、HPO42-、H2O及SRB代謝產生的有機酸的電離[26]。

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

圖2 海洋環境腐蝕傾向示意圖

2 海上風電防腐技術

海上風機類型主要分為浮式、負壓式、重力式及樁式，樁式又包括單樁、三樁、多樁及導管架等，但是設備基本包括葉片、機艙、塔筒及輪轂等，其中塔筒包含全部區域，其余均處于大氣區[28-29]。海上風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因素，局部腐蝕包括點腐蝕、沖擊腐蝕、電偶腐蝕、空泡腐蝕及縫隙腐蝕。

(1) 均勻腐蝕是指設備表面整體發生腐蝕，使設備的截面同速率減薄，承受更大的真實應力，導致材料發生斷裂，但是易于監測、檢查，從而減少了突發性故障；另一方面該類腐蝕屬于微電池效應，不存在固定的陽極、陰極，是不分離且交替變化的。

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

(3) 沖擊腐蝕是高速運動的氣泡或固體物對設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) 電偶腐蝕是由于設備材質的不均一性，腐蝕電位不同的2種金屬在腐蝕介質中接觸，發生腐蝕反應，2種金屬分別作為電偶的陰、陽極，電位順序的差別影響腐蝕的速度及進程，電位差越大則陽極電偶腐蝕越快，但陰極極化作用可影響該趨勢，影響因素包括腐蝕介質的電導率、電偶陰陽極面積之比和金屬的極化性。電偶腐蝕在大氣區發生于2種金屬接觸段的短距離內；在全浸區防腐涂層的局部損壞導致的小陽極、大陰極的電偶腐蝕，出現接觸段的長距離明顯腐蝕，造成局部損壞或快速穿孔[32]。

(5) 空泡腐蝕是高速運動的海水中夾雜氣泡的生成與破滅，對設備產生水錘作用，即瞬時壓力可達到千倍大氣壓，可迅速將涂層和鈍化膜破壞，使設備逐層暴露加速腐蝕。海上蒸發形成的氣泡，借助升騰作用連續沖擊設備表面，生成強腐蝕性的電解質膜，可連續腐蝕保護膜受損部位，兼具機械損傷和腐蝕損傷，形成類似蜂窩狀的形態。

(6) 縫隙腐蝕是由于腐蝕介質在設備結構縫隙內的積存導致，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，因為在氧氣含量較高的環境下，持續彌合破裂的鈍化膜，更易出現縫隙腐蝕，在飛濺區和全浸區等干濕交替區域較嚴重[33]。

因此亟需采取必要的防腐措施，目前的防腐技術包括涂層防腐、陰極保護防腐及復層包覆防腐，針對腐蝕類型選擇相應的防腐措施。

2.1 涂層防腐

涂層防腐是利用成膜材料在設備表面形成致密的膜與外界環境分隔，減少設備的腐蝕程度，是目前碳鋼設備最常用的防腐手段，包括涂料防腐和金屬鍍層，ISO 12944.5標準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透過界面[35];(2)鈍化作用，可在風電設備表層生成鈍化膜[36];(3)電阻作用，涂層是絕緣的可抑制陰極放電及陽極的溶解，并保持穩定；(4)陰極保護作用，涂層中含有的活潑金屬作為陽極，設備作為陰極被保護[37];(5)緩蝕作用，以上幾種作用有效防止或減弱腐蝕的形成，加強了緩蝕作用。但該法的局限性是易產生點蝕損壞、維修難度大，需要多種涂層聯合使用或與其他方法結合使用，向著水性化、高固體分、低揮發性有機物、高膜厚、保光保色性等方向發展。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，不僅應注意涂料的選擇，也應注意我國東南地區的氣候變化，如在梅雨季節進行施工時，應進行局部封閉除濕來降低露點溫度，因為被涂碳鋼結構的表面溫度應至少高于環境露點溫度3 ℃,否則會產生冷凝水影響涂層與設備間的粘結，導致脫落[38]。在海洋環境中，防腐涂層厚度一般約為320～400 μm[39]。

海上風電設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，與碳鋼設備等底材的黏著性強；中間層可加大防腐層厚度，減弱腐蝕環境滲透；面漆含基料多、成膜平滑，柔韌性、耐候性佳，可抗老化。因此涂層的選擇應綜合考慮以下幾方面因素：(1)設備材質，不同材質的設備，其涂層厚度、耐候性、結構一般不同；(2)所處環境，設備所處的腐蝕分區不同，涂層面臨的腐蝕介質、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應選擇自干型，在通風不暢環境時應選擇無溶劑、水性或高固體分涂料；(4)資金投入，應考慮涂層產品的材料費、設備表面處理費、施工費等成本，同時考慮使用年限、合理性、維護費等。

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

2.2 陰極保護防腐

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

陰極保護防腐經由被保護的金屬作為陰極，失電子減少，起到防腐作用[40]。金屬浸潤于海水中，由于表層分布不均導致產生大量的微陽極、微陰極。在陽極區金屬表面產生電流進入海水電解質中發生腐蝕，而在陰極區電流經電解質傳到金屬中，降低腐蝕速率。所以其原理大致是補充電子到金屬設備所在的電極上，金屬整體呈電子過剩狀態，并存在于設備各區域，使整個金屬設備呈同樣的負電位，大大降低原子變成離子進入電解質的概率。那么金屬與電解質接觸的表層每一點都需要有電流流入來補充大量電子，則因腐蝕而失去電子的每個微陽極會得到補充，可降低腐蝕速率。

海下防腐層修復難、易腐化，所以全浸區普遍采用陰極保護防腐[41]。海水中的金屬設備得到陰極保護，宏觀上體現為電位變化，微觀上生成鈣質層或氧化層，形成層可限制溶解氧向碳鋼表面擴散、降低所需的陰極保護電流密度，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，讓極小的保護電流即可有效保護設備。隨著海水深度增大，CaCO3由飽和狀態過渡為不飽和狀態，在海泥區靜水壓力增加使CaCO3更易溶解，難以形成致密的鈣質層，所以在海泥區需增大電流密度促進鈣鎂沉積層的形成。Hugus和Hartt等[42]進行了海水流速對鋁陽極的碳鋼的陰極極化電流密度的影響試驗，結果表明：當海水流速分別為0.03、0.09、0.30 m/s時，鈣質層厚度逐漸增加。

2.2.1 犧牲陽極的陰極保護法

犧牲陽極的陰極保護法是選擇腐蝕電位較低的活潑金屬或合金材料作陽極，與風機設備在腐蝕介質中接觸，根據材料的腐蝕提供保護電流來抑制風機設備腐蝕。優點是無需額外電流、電位平均、初期一次性投入小、裝置安裝簡便，缺點是焊接于支撐結構上需要定期更換裝置、釋放有毒微量元素且電位固定無調節能力[43]。

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

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

2.2.2 外加電流的陰極保護法

外加電流的陰極保護法是以裸露于腐蝕環境中的設備作為陰極，對其外部施加一定的直流恒電位電源，發生陰極極化，當設備的電位低于某一電位值時，則消除了結構表面的不均一性，抑制了陽極腐蝕溶解過程。優點是所需安裝設備數量少、電流電位可調節、保護周期延長及實現自動化追蹤控制，缺點是對陽極材料要求高、初期一次性投入大、裝置結構復雜及有可能破壞防腐涂層。

外加電流的陰極保護法是利用電化學腐蝕原理，防止金屬在海水介質中表面陽極發生的腐蝕，人工通入一個和被保護金屬表面陽極區局部腐蝕的反方向電流，當疊加的反方向電流大于或等于局部陽極腐蝕電流時，會迫使金屬表面陽極區腐蝕停止或轉變為陰極，通過連接外部直流電源的陽極直接向被保護的設備施加陰極電流，持續提供電子，使電子在金屬表層富集，通過控制陰極電位或電流密度，使其發生陰極極化，起到設備防腐的目的。外加電流的陰極保護法含參比電極、輔助陽極及直流電源，通電后電流從陽極經海水至設備形成閉合回路[44-45]。

參比電極材料應具有化學性質穩定、可逆性好、不易極化、使用壽命長等惰性材料的特點，我國將碳鋼在海水中的相對于Cu/CuSO4參比電極、飽和甘汞參比電極及Ag/AgCl參比電極的保護電位分別定為-0.85～1.05V、-0.77～-0.15 V及-0.78 ～-1.06 V[46]。當保護電位偏正時起不到保護設備的目的，當保護電位偏負時，消耗電量增大、資金投入增加，而電位過負，可引起油漆鼓泡、鋼構氫脆等故障。

2.3 復層包覆防腐

復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罩[47]。

防蝕膏中含有防銹劑和銹轉化劑，是一種有粘性的均勻膏狀物，可覆蓋于碳鋼設備上，位于復層包覆防腐體系最內部，可形成完整的保護膜，充填腐蝕坑，隔絕氧氣、水等腐蝕環境，兼具防銹、除銹、緩蝕的作用。其中鐵銹轉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膜，磷酸和鐵銹反應生成穩定的磷酸鹽鈍化膜，黏附于金屬表層保護設備。

防蝕帶通常采用浸潤防腐材料的聚酯纖維的無紡布，其成分、性能與防蝕膏幾乎類似，具有耐候性、耐化學品、粘附力強、可塑性強、加強防腐及不易開裂固化等特點，可與防蝕膏結合為一體，使得碳鋼結構形成密閉環境，起到密閉阻隔的作用，對腐蝕環境提供緩沖作用。

防護罩是由玻璃纖維增強材料構成，具有穩定性高、防腐性能佳、機械性能良好、耐沖擊、耐熱、耐久、耐磨及重量小等優點，可與碳鋼表面緊密貼合，形成密封環境，高效杜絕或減弱腐蝕的發生。

復層包覆防腐工藝具有下列優點：

(1) 性能優良。保護罩可耐海洋環境中的酸堿、沖擊及溫差。

(2) 施工簡單。防蝕帶、防蝕膏可連續施工，無需固化，可節省施工時間、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，轉化為穩定物質成為有粘附性的保護性封閉層，具有防止氧化、除銹、防銹的特點，使用鐵銹轉化劑對設備表面要求低，可節約人力和資金。

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

(5) 脫水作用。防蝕膏中的防銹劑含不對稱結構的表面活性物質，其分子極性強于水分子極性，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朝外、極性基團朝內的逆型膠束，可捕集吸附雜質并封存于膠束中，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、復合稠化劑可黏著于碳鋼表面，將腐蝕環境與設備表面分隔開。

3 結論

海上風電由于其獨特的地理位置，會逐步向著單機功率更大、離岸距離更長的方向發展，對防腐技術的設計施工、系數選擇、后期維護及質量監控方面有著嚴苛的要求。本文首先介紹了海上風電設備的腐蝕環境、腐蝕機理，接著將海上風電設備所處的環境進行了劃分，即大氣區、飛濺區、潮差區、全浸區及海泥區，逐個分析各環境下的腐蝕機理，有針對性的提出了防腐技術，包括涂層防腐、陰極保護防腐、復層包覆防腐等主要防腐技術。雖然在一定程度上減輕了設備的腐蝕情況，但是目前防腐技術仍存在著以下問題：

(1) 防腐監測薄弱。目前海上風電機組的腐蝕監測技術較弱，應進行全面加強，為防腐技術提供數據支持，預測設備使用壽命，進一步提高防腐效果。

(2) 環境污染加重。涂層防腐中含有重金屬及其他難降解有機物，對海洋環境及生物造成污染，亟需開發新型環保涂層或防腐材料如石墨烯防腐、生物防腐等，減輕對生態環境造成的不利影響。海上風電設備防腐應采用全生命周期設計，項目初期做好海洋環境調查，實行涂層防腐、陰極保護防腐及復層包覆防腐等多種技術聯合使用，因為一方面復層包覆或涂層發生破損，會加劇設備腐蝕；另一方面，只使用陰極保護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，采取相關防腐監控措施，做到實時掌握、提前預警，為海上風電的防腐技術提供參考價值。

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