風(fēng)電作為快速發(fā)展的綠色可再生能源，逐漸成為許多國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。海洋風(fēng)能資源豐富，比陸地高 20%-40%，風(fēng)速高，發(fā)電量大，運(yùn)行穩(wěn)定，發(fā)展?jié)摿Υ蟆８鶕?jù)我國國家風(fēng)能資源普查數(shù)據(jù)，我國 5 米 -25 米水深50 米高的海上風(fēng)力開發(fā)潛力 200GW，5 米 -50 米水深 70 米高的海上風(fēng)電開發(fā)潛力 500GW，沿海潮間帶、灘涂及深海的風(fēng)能資源也較為豐富，海上風(fēng)電建設(shè)成為風(fēng)能開發(fā)利用的新方向。2015 年全球新增海上風(fēng)電裝機(jī) 4GW，累計(jì)海上風(fēng)電裝機(jī)11GW，預(yù)計(jì)到 2020 年全球海上風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到 40.3GW。

    然而，與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電的技術(shù)要求更高，施工難度更大，運(yùn)行環(huán)境更為復(fù)雜，造價(jià)約為陸上風(fēng)電的 2-3 倍。

    高濕度、高鹽霧、紫外照射、海水浸泡、浪濺區(qū)形成的干濕交替等運(yùn)行環(huán)境對海上風(fēng)電設(shè)備的防腐提出了更高的性能要求。

    海上風(fēng)電腐蝕環(huán)境

    海上風(fēng)電的腐蝕環(huán)境較為嚴(yán)酷，其腐蝕區(qū)域可分為：海洋大氣區(qū)、浪濺區(qū)、潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海泥區(qū)，風(fēng)電機(jī)組各部位所處區(qū)域如圖 1 所示。

圖1 海上風(fēng)電機(jī)組的腐蝕分區(qū)

    1、海洋大氣區(qū)

    海水蒸發(fā)形成了高鹽含量高濕度的海洋大氣，在鋼結(jié)構(gòu)表面可附著積聚鹽分和水膜，同時(shí)由于鋼結(jié)構(gòu)成分中有少量碳原子的存在， 極易形成無數(shù)個(gè)原電池， 有利于電化學(xué)腐蝕的進(jìn)行，腐蝕等級為 ISO 12944 規(guī)定的 C5-M 級，腐蝕速率為內(nèi)陸地區(qū)大氣腐蝕速率的 4-15 倍。海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并非全部完全曝露在 C5-M 的環(huán)境中，通過防腐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可將內(nèi)部區(qū)域腐蝕等級下降。海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要結(jié)構(gòu)件及部件、設(shè)備所處海洋大氣腐蝕環(huán)境細(xì)分如表 1。

    2、浪濺區(qū)與潮差區(qū)

    浪濺區(qū)與潮差區(qū)均為干濕交替區(qū)， 表面鹽含量高于大氣區(qū)，海水氧含量高于全浸區(qū)，同時(shí)海水中夾雜的泥沙和海面浮游物體對其進(jìn)行沖刷撞擊，因此形成了最為苛刻的腐蝕環(huán)境。一般腐蝕速率為 0.3-0.5mm/ 年，最高可大 1mm/ 年，約為全浸區(qū)的 3-10 倍。

    3、海水全浸區(qū)和海泥區(qū)

    全浸區(qū)的設(shè)施長期浸泡在海水中，腐蝕受到海水鹽度、海水溫度、溶解氧濃度、水中污染物和海生物的影響。圖 1 所示，在平均低潮位以下附近的海水全浸區(qū)又出現(xiàn)一個(gè)腐蝕峰值，在平均低潮位以上附件的區(qū)域則出現(xiàn)腐蝕最低值，這是因?yàn)殡S著潮位的漲落，水線上方濕潤的鋼表面供氧總要比浸在海水中的水線下方鋼表面充分得多，而且彼此構(gòu)成一個(gè)回路，形成氧濃差腐蝕電池，富氧區(qū)為陰極，得到了不同程度的保護(hù)，腐蝕最弱，相對缺氧區(qū)為陽極，則作為陽極而出現(xiàn)一個(gè)明顯的腐蝕峰值。海泥區(qū)是飽和的海水土壤，鹽含量高、電阻率低、供氧不足，還存在土壤的化學(xué)腐蝕與生物腐蝕。

    海上風(fēng)電防腐涂料設(shè)計(jì)

    海上風(fēng)電所處腐蝕環(huán)境是復(fù)雜的，海上風(fēng)電機(jī)組的防腐蝕是一個(gè)系統(tǒng)的問題，對于機(jī)組的每一部分，首先在結(jié)構(gòu)密閉性設(shè)計(jì)方面和材料選擇方面應(yīng)考慮到防腐蝕問題，再從防腐涂層方面進(jìn)一步加強(qiáng)。針對各個(gè)部位的腐蝕特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的涂層配套體系，才能保障風(fēng)電設(shè)施的安全運(yùn)行，達(dá)到設(shè)計(jì)壽命 20年以上。我國海上風(fēng)電防腐涂料的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)未完善，通常采用或借鑒海洋工程的設(shè)計(jì)規(guī)范，如 ISO 12944、NORSOK M501、JTJ 275 等。

    1、海洋大氣區(qū)

    對于海洋大氣區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)，包括主機(jī)和塔筒，一般采用涂層保護(hù)或噴涂金屬層加封閉涂層保護(hù)，“環(huán)氧富鋅底漆 + 環(huán)氧云鐵漆 + 脂肪族聚氨酯面漆”的三層復(fù)合防腐體系為最常用涂層體系設(shè)計(jì)，見表 2。挪威標(biāo)準(zhǔn) NORSOK M501 要求該涂層體系需耐受 4200h 循環(huán)老化試驗(yàn)，即“72h 紫外老化試驗(yàn)（UVA-340）-72h 鹽霧試驗(yàn) -24h 冷凍試驗(yàn)（-20℃）”為一個(gè)周期，共進(jìn)行 25 周期，腐蝕蔓延≤ 3mm。目前常用 NORSOK M501 標(biāo)準(zhǔn)要求來評價(jià)風(fēng)電海洋大氣區(qū)鋼結(jié)構(gòu)涂層性能。

    廈門雙瑞涂料公司研發(fā)的涂層體系“725-H06-21 環(huán)氧富鋅底漆 +725-H53-81 環(huán)氧中間漆 +725-S52-60 脂肪族聚氨酯面漆”可滿足 NORSOK M501 要求，經(jīng) 4200h 的循環(huán)老化試驗(yàn)后，人造劃痕的腐蝕蔓延平均僅為 1.7mm，粉化 0 級，試驗(yàn)樣板見圖 2。試驗(yàn)結(jié)果表明該配套體系具有優(yōu)異的屏蔽性和耐候性，可抵擋海上鹽霧和紫外的侵蝕，是耐 1000h 鹽霧 400h 紫外老化的常規(guī)配套不可比擬的。同時(shí)，該配套體系固體含量高，涂布率高，VOC 排放少，其中 725-S52-60 的體積固含可達(dá)到72%。該配套體系在塔筒的防腐涂裝見圖 3。對于海洋大氣區(qū)的風(fēng)電葉片，一般采用膩?zhàn)有扪a(bǔ)缺陷后涂裝葉片涂料來進(jìn)行防護(hù)，推薦設(shè)計(jì)如表 3。葉片涂料的性能需通過 DNV-GL 船級社的認(rèn)證，其要求葉片涂料的部分檢測項(xiàng)目見表 4。

    廈門雙瑞涂料公司開發(fā)了 725-N43-92 聚天門冬氨酸酯葉片涂料，可達(dá)到表 4 的認(rèn)證要求。這是一種新型脂肪族、高性能雙組分涂料，被稱為第三代聚脲，與傳統(tǒng)的聚氨酯葉片涂料相比，具有更為優(yōu)異的附著力、 快干性、 耐候性、耐磨性、耐鹽霧性等優(yōu)點(diǎn)。725-N43-92與某進(jìn)口聚氨酯葉片涂料比較，在固體含量和一次涂裝厚膜化方面更勝一籌，施工省時(shí)省料，可有效降低涂裝成本。

圖2 雙瑞大氣區(qū)涂料體系NORSOK M501試驗(yàn)結(jié)果

圖3 雙瑞大氣區(qū)涂料在海上風(fēng)電塔筒的應(yīng)用

    2、浪濺區(qū)與潮差區(qū)

    浪濺區(qū)與潮差區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕一般采用重防腐涂層，亦可采用包覆玻璃鋼、樹脂砂漿以及包覆合金等方法進(jìn)行保護(hù)，重防腐涂層通常與陰極保護(hù)聯(lián)合使用。浪濺區(qū)與潮差區(qū)的涂層設(shè)計(jì)見表 5，這是防腐的重點(diǎn)區(qū)域，可采用環(huán)氧玻璃鱗片涂料或者無溶劑環(huán)氧涂料。

    NORSOK M501 對浪濺區(qū)與潮差區(qū)的重防腐涂料提出性能要求，循環(huán)老化 4200h人工劃痕腐蝕蔓延≤ 8mm，耐陰極剝離試驗(yàn) 4200h 人造孔剝離直徑≤ 20mm，耐海水浸泡 4200h 人造劃痕腐蝕蔓延≤ 8mm。

    浪濺區(qū)與潮差區(qū)的鋼筋混凝土承臺(tái)一般采用“環(huán)氧封閉漆 + 重防腐涂料 + 聚氨酯面漆 / 環(huán)氧面漆”的復(fù)合涂層體系進(jìn)行防腐，見表 6。廈門雙瑞涂料公司針對浪濺區(qū)的特殊要求，開發(fā)了 725-H53-38 環(huán)氧玻璃鱗片涂料，經(jīng) 4200h 循環(huán)老化試驗(yàn)腐蝕蔓延為 6.5mm，4200h 耐陰極剝離試驗(yàn)剝離直徑為 6.1mm，4200h 海水浸泡試驗(yàn)腐蝕蔓延 0.2mm，表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，見圖 4。雙瑞特有的高觸變技術(shù)賦予該產(chǎn)品優(yōu)異的施工性能，體積固含高達(dá) 85%，粘度僅約2000cP，且可實(shí)現(xiàn)大于 300?m/ 道的厚膜施工。

    3、海水全浸區(qū)

    水下全浸區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕一般采用重防腐涂層與陰極保護(hù)聯(lián)合防腐的措施，也可單獨(dú)采用陰極保護(hù)，當(dāng)單獨(dú)采用陰極保護(hù)時(shí)，應(yīng)考慮施工工期的防腐措施。全浸區(qū)的涂料體系可與潮差區(qū)一致，設(shè)計(jì)見表 7。NORSOK M501 規(guī)定了全浸區(qū)的重防腐涂料的性能要求，耐陰極剝離試驗(yàn) 4200h 人造孔剝離直徑≤ 20mm，耐海水浸泡 4200h 人造劃痕腐蝕蔓延≤ 8mm。

圖4 雙瑞浪濺區(qū)涂層NORSOK M501試驗(yàn)結(jié)果

    4、海泥區(qū)

    對于深入海泥區(qū)的基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)，一般不涂裝防腐涂層，只采取陰極保護(hù)措施，也可采用防腐涂層加陰極保護(hù)聯(lián)合防腐措施。

    結(jié)語

    防腐涂料體系是依據(jù)腐蝕環(huán)境設(shè)計(jì)的，海上風(fēng)電的腐蝕環(huán)境特點(diǎn)不同，決定了涂層設(shè)計(jì)的差異，文中介紹了目前風(fēng)電機(jī)組自大氣區(qū)到海泥區(qū)的防腐涂料體系設(shè)計(jì)，但我國海岸線長，各海域腐蝕環(huán)境存在差異，應(yīng)依據(jù)實(shí)際環(huán)境調(diào)整設(shè)計(jì)。文中未提及風(fēng)電設(shè)備電氣元器件和緊固件的防腐設(shè)計(jì)，這也是風(fēng)電防腐需要關(guān)注的部分。我國海上風(fēng)電裝機(jī)量已排名世界第三，隨著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，要求進(jìn)一步提升風(fēng)電腐蝕防護(hù)涂料的產(chǎn)品性能和涂裝技術(shù)，同時(shí)前期的風(fēng)機(jī)逐漸進(jìn)入待維修狀態(tài)，海上風(fēng)電的維修難度大，將是未來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

    作者簡介

    蘇雅麗，女，高級工程師，碩士，廈門雙瑞船舶涂料有限公司研發(fā)部部長。長期從事船舶涂料和工業(yè)涂料的開發(fā)工作，參與科技部、工信部、國防973、總裝預(yù)研等多項(xiàng)涂料研究課題。主持修訂國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6747《船用車間底漆》，目前已申請3項(xiàng)國家發(fā)明專利，其中1項(xiàng)獲得授權(quán)。