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

    在過去的數十年，海上風力發電在北歐已經從一個邊緣產業發展成一個主要由政府支持的可再生能源產業。風力發電設施的數量越來越多，尤其是單樁基的。單樁基的風力發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）的環境。一個單樁風力發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，過渡連接件的內部有若干支架，該設計用于幫助其進行調節。單樁基和過渡連接件之間的環形縫隙，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結件及內部 J 型管的示意圖，J 型管用于容納渦輪機的連接電纜。現在，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，外部和內部的腐蝕問題都會對單樁基結構產生影響。樁基的外部腐蝕問題同其他海上產業類似，目前行業指南規定的腐蝕防護方法都是基于石油天然氣產業的一些經驗。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是強制的。

    浸水區的外表面有陰極保護，而在飛濺區，陰極保護可能被假定為在平均水位以下有完全保護作用。在大多數項目中，陰極保護系統將犧牲陽極放在過渡連接件上，但是現在越來越多的項目使用了外加電流陰極保護系統。在浸水區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結件及內部J型管的示意圖

    論文作者目前注意到，當前工業標準并未對單樁風力發電設施內部腐蝕防護做出準確的指導，而內表面的腐蝕防護策略由個體業主或設計者決定。在早期的項目中，對內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，海水變成厭氧環境，腐蝕速率隨之下降。

    然而，工業經驗表明要想將隔室做成完全密封的環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。目前已經在服役了 2—10 年的樁基中發現了海水和氧氣的進入，導致腐蝕速率增加，出現了局部腐蝕。此外，在一些案例中，水位上漲已經致使內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查中發現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大面積的腐蝕問題。

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

    樁基內部的氧含量也可能發生改變，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輕微泄漏，海水慢慢進入。當含有溶解氧的海水進入系統中，整個表面的腐蝕問題就會加劇。然而，在空氣減少的污泥區，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 ），樁基內部可能會直接出現潮汐變化，水位可能會每日變化，或是在極端事件出現過程中變化。這樣的話，樁基內部環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境條件。

    基于這些經歷，近期的風力發電項目將涂層或陰極保護作為內部腐蝕防護的一部分。一些風力發電廠業主已經決定采用內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，一些風力發電廠的業主也安裝了海上單樁基設施的那種監控系統。這些監控系統提供腐蝕環境條件的相關數據，有助于提高對樁基內部環境條件的理解水平。據論文作者觀點，監控重要參數及腐蝕速率可能是通過累積方法實現的，如樣片，或使用試樣的實時技術。

    測量參數可包括溶解氧、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完成的。

    論文作者提出，盡管目前許多風力發電廠采用了內部陰極保護措施，這些陰極保護系統可能面臨著一些挑戰，如pH 值的下降、形成不完整的鈣質鍋垢、氫氣的形成、或是硫化氫的積聚。此外，內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完成，而且系統的設計從很大程度上來說是必須逐個有針對性地完成的，因為不同風力發電廠的樁基設計和環境條件不同。

    圖2 水位上漲已經致使內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，大多數單樁基結構的內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部，導致樁基內部表面出現比預想情況更多的腐蝕現象，人們已經對用涂層保護樁基內部區域的方法給予了更多的關注。在一些案例中，過渡連接件內部表面 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域。單樁基內部，可能漏入空氣的封閉區可能會覆上 200 ~ 250?m 的環氧樹脂涂層。基于環氧鋅粉底漆的涂層系統也可能是適用的。

    論文作者指出，需要對單樁基風力發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驗證明海上結構常用的建筑用鋼在海水和海洋環境中容易發生點蝕現象。而使用像高合金不銹鋼那樣的建筑材料，雖能抵抗點蝕現象，卻可能在經濟上是不可行的。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，要監控已安裝的陰極保護系統的影響，因為各標準中出現的各種指南并沒有對單樁基或過渡連接件內部陰極保護系統的設計給出準確的方法或是描述。此外，在實施內部陰極保護的時候，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 DNV-OS-J101標準，在用于重要應用，尤其是在厭氧環境條件下，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。