據(jù)外媒Materials Performance最新報(bào)道，美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)成員 Anders RosborgBlack、Lisbeth Rischel Hilbert、TroelsMathiesen 協(xié) 丹 麥 布 隆 德 比 市 FORCETechnology 公司在 NACE 國(guó)際 2015 腐蝕年會(huì)上發(fā)表的論文“Corrosion Protectionof Offshore Wind Foundations” 闡 述 了海上風(fēng)能產(chǎn)業(yè)單樁基類型的腐蝕防護(hù)經(jīng)歷，并探討了腐蝕防護(hù)策略。

    在過(guò)去的數(shù)十年，海上風(fēng)力發(fā)電在北歐已經(jīng)從一個(gè)邊緣產(chǎn)業(yè)發(fā)展成一個(gè)主要由政府支持的可再生能源產(chǎn)業(yè)。風(fēng)力發(fā)電設(shè)施的數(shù)量越來(lái)越多，尤其是單樁基的。單樁基的風(fēng)力發(fā)電設(shè)施是目前最常見(jiàn)的，因?yàn)楸阌诎惭b，適用于淺水到中等水深（30 米深以下）的環(huán)境。一個(gè)單樁風(fēng)力發(fā)電設(shè)施包含了一個(gè)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(gè)過(guò)渡連接件，重合部分約有 6 米，過(guò)渡連接件的內(nèi)部有若干支架，該設(shè)計(jì)用于幫助其進(jìn)行調(diào)節(jié)。單樁基和過(guò)渡連接件之間的環(huán)形縫隙，由高強(qiáng)度的水泥漿填滿，同時(shí)將兩條管道粘起來(lái)。圖 1 展示的是早期的單樁基設(shè)計(jì)和過(guò)渡聯(lián)結(jié)件及內(nèi)部 J 型管的示意圖，J 型管用于容納渦輪機(jī)的連接電纜。現(xiàn)在，其他設(shè)計(jì)，如圓錐形的接口或是法蘭連接，變得越來(lái)越常見(jiàn)。

    論文中作者提到，外部和內(nèi)部的腐蝕問(wèn)題都會(huì)對(duì)單樁基結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。樁基的外部腐蝕問(wèn)題同其他海上產(chǎn)業(yè)類似，目前行業(yè)指南規(guī)定的腐蝕防護(hù)方法都是基于石油天然氣產(chǎn)業(yè)的一些經(jīng)驗(yàn)。海上結(jié)構(gòu)的犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)是一項(xiàng)已得到確認(rèn)的腐蝕防護(hù)技術(shù)，DNV-RP-B4011 標(biāo)準(zhǔn)為陰極保護(hù)設(shè)計(jì)、陽(yáng)極制造和犧牲陽(yáng)極的安裝提出了要求和指南。外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在DNV-OS-J101,2 NACE SP0176,3 和 BSEN 12495.4 這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中有描述。涂料的使用對(duì)于大氣和飛濺區(qū)是強(qiáng)制的。

    浸水區(qū)的外表面有陰極保護(hù)，而在飛濺區(qū)，陰極保護(hù)可能被假定為在平均水位以下有完全保護(hù)作用。在大多數(shù)項(xiàng)目中，陰極保護(hù)系統(tǒng)將犧牲陽(yáng)極放在過(guò)渡連接件上，但是現(xiàn)在越來(lái)越多的項(xiàng)目使用了外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)。在浸水區(qū)使用的保護(hù)性涂層是可選的，主要目的是降低對(duì)陰極保護(hù)要求的水平。海上涂層系統(tǒng)的一般建議在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)和過(guò)渡聯(lián)結(jié)件及內(nèi)部J型管的示意圖

    論文作者目前注意到，當(dāng)前工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并未對(duì)單樁風(fēng)力發(fā)電設(shè)施內(nèi)部腐蝕防護(hù)做出準(zhǔn)確的指導(dǎo)，而內(nèi)表面的腐蝕防護(hù)策略由個(gè)體業(yè)主或設(shè)計(jì)者決定。在早期的項(xiàng)目中，對(duì)內(nèi)表面的腐蝕防護(hù)措施包括將材料預(yù)留出額外的厚度作為腐蝕裕量。單樁風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的密閉隔室設(shè)計(jì)，被假定是完全不會(huì)漏入空氣或水的，并且預(yù)期的均勻腐蝕速率是較低的。在一個(gè)完全密封的結(jié)構(gòu)中，海水中的溶解氧（DO）很快就會(huì)被整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)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(huán)境，腐蝕速率隨之下降。

    然而，工業(yè)經(jīng)驗(yàn)表明要想將隔室做成完全密封的環(huán)境使空氣無(wú)法進(jìn)入是十分困難的。如果密閉隔室結(jié)構(gòu)密封不合理，空氣直接進(jìn)入就是可能的。目前已經(jīng)在服役了 2—10 年的樁基中發(fā)現(xiàn)了海水和氧氣的進(jìn)入，導(dǎo)致腐蝕速率增加，出現(xiàn)了局部腐蝕。此外，在一些案例中，水位上漲已經(jīng)致使內(nèi)部的鋁梯充當(dāng)了犧牲陽(yáng)極。（圖 2）很多北歐風(fēng)電廠在關(guān)于灌漿失敗的檢測(cè)和調(diào)查中發(fā)現(xiàn)了設(shè)計(jì)預(yù)期所預(yù)想不到的這些矛盾，由于灌漿失敗，單樁基設(shè)施上安裝了過(guò)渡連接件。在氧氣進(jìn)入的情況下，大氣區(qū)的腐蝕速率最開(kāi)始也許是較高的，但將會(huì)隨時(shí)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(yù)期樁基深水位置或埋在沉積物下面的那部分結(jié)構(gòu)并不會(huì)出現(xiàn)大面積的腐蝕問(wèn)題。

    密閉隔室的樁基也有出現(xiàn)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(jié)構(gòu)那部分發(fā)生局部腐蝕。好氧條件和厭氧條件交替出現(xiàn)，也會(huì)有助于微生物的生長(zhǎng)，而微生物腐蝕是否發(fā)生取決于微生物的種類和當(dāng)時(shí)的環(huán)境條件。預(yù)期會(huì)出現(xiàn)硫酸鹽還原菌，如果生長(zhǎng)環(huán)境適合，就會(huì)生成硫化物。

    樁基內(nèi)部的氧含量也可能發(fā)生改變，因?yàn)?J 型管密封處、退化的水泥漿連接處、或小的 J 型開(kāi)口或孔眼處可能出現(xiàn)輕微泄漏，海水慢慢進(jìn)入。當(dāng)含有溶解氧的海水進(jìn)入系統(tǒng)中，整個(gè)表面的腐蝕問(wèn)題就會(huì)加劇。然而，在空氣減少的污泥區(qū)，腐蝕加速的可能性很大，主要是由于充氣差異所導(dǎo)致的。此外，海水的更新會(huì)影響隔室內(nèi)的微生物和化學(xué)過(guò)程。如果進(jìn)入的海水是大量的 （ 如，如果 J 型管密封完全失效 ），樁基內(nèi)部可能會(huì)直接出現(xiàn)潮汐變化，水位可能會(huì)每日變化，或是在極端事件出現(xiàn)過(guò)程中變化。這樣的話，樁基內(nèi)部環(huán)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(jìn)入受限的壓載艙的環(huán)境條件。

    基于這些經(jīng)歷，近期的風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目將涂層或陰極保護(hù)作為內(nèi)部腐蝕防護(hù)的一部分。一些風(fēng)力發(fā)電廠業(yè)主已經(jīng)決定采用內(nèi)部外加電流陰極保護(hù)的方法對(duì)既有的單樁基結(jié)構(gòu)進(jìn)行翻新，并將內(nèi)部陰極保護(hù)作為新項(xiàng)目設(shè)計(jì)的一部分。為評(píng)估真實(shí)的腐蝕環(huán)境以確定合適的腐蝕防護(hù)策略，同時(shí)核實(shí)當(dāng)前防腐措施的效果，一些風(fēng)力發(fā)電廠的業(yè)主也安裝了海上單樁基設(shè)施的那種監(jiān)控系統(tǒng)。這些監(jiān)控系統(tǒng)提供腐蝕環(huán)境條件的相關(guān)數(shù)據(jù)，有助于提高對(duì)樁基內(nèi)部環(huán)境條件的理解水平。據(jù)論文作者觀點(diǎn)，監(jiān)控重要參數(shù)及腐蝕速率可能是通過(guò)累積方法實(shí)現(xiàn)的，如樣片，或使用試樣的實(shí)時(shí)技術(shù)。

    測(cè)量參數(shù)可包括溶解氧、溫度、鹽度、pH 值和電位，這些測(cè)量可能是靠手動(dòng)、也可能是靠自動(dòng)化系統(tǒng)完成的。

    論文作者提出，盡管目前許多風(fēng)力發(fā)電廠采用了內(nèi)部陰極保護(hù)措施，這些陰極保護(hù)系統(tǒng)可能面臨著一些挑戰(zhàn)，如pH 值的下降、形成不完整的鈣質(zhì)鍋垢、氫氣的形成、或是硫化氫的積聚。此外，內(nèi)部陰極保護(hù)的翻新價(jià)格高昂，且難度大，因?yàn)檫@項(xiàng)工作必須在狹窄的空間內(nèi)完成，而且系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從很大程度上來(lái)說(shuō)是必須逐個(gè)有針對(duì)性地完成的，因?yàn)椴煌L(fēng)力發(fā)電廠的樁基設(shè)計(jì)和環(huán)境條件不同。

    圖2 水位上漲已經(jīng)致使內(nèi)部的鋁梯充當(dāng)了犧牲陽(yáng)極

    由于之前認(rèn)為腐蝕速率是可以忽略不計(jì)的，大多數(shù)單樁基結(jié)構(gòu)的內(nèi)部表面通常是沒(méi)有涂層的。因?yàn)楹Ｋ涂諝饪赡苓M(jìn)入樁基內(nèi)部，導(dǎo)致樁基內(nèi)部表面出現(xiàn)比預(yù)想情況更多的腐蝕現(xiàn)象，人們已經(jīng)對(duì)用涂層保護(hù)樁基內(nèi)部區(qū)域的方法給予了更多的關(guān)注。在一些案例中，過(guò)渡連接件內(nèi)部表面 3 ~ 4m 被覆了涂層，主要的水位預(yù)計(jì)會(huì)在覆了涂層的那一段區(qū)域。單樁基內(nèi)部，可能漏入空氣的封閉區(qū)可能會(huì)覆上 200 ~ 250?m 的環(huán)氧樹(shù)脂涂層。基于環(huán)氧鋅粉底漆的涂層系統(tǒng)也可能是適用的。

    論文作者指出，需要對(duì)單樁基風(fēng)力發(fā)電設(shè)施局部腐蝕的效果進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)。盡管 DNV-OS-J101 標(biāo)準(zhǔn)要求使用等級(jí)鋼種來(lái)降低點(diǎn)蝕破壞的風(fēng)險(xiǎn)，文獻(xiàn)資料和報(bào)告上的經(jīng)驗(yàn)證明海上結(jié)構(gòu)常用的建筑用鋼在海水和海洋環(huán)境中容易發(fā)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。而使用像高合金不銹鋼那樣的建筑材料，雖能抵抗點(diǎn)蝕現(xiàn)象，卻可能在經(jīng)濟(jì)上是不可行的。由于點(diǎn)蝕可能導(dǎo)致應(yīng)力和疲勞裂紋，然而，在不影響結(jié)構(gòu)完整性的前提下，風(fēng)力發(fā)電廠結(jié)構(gòu)可承受的點(diǎn)蝕腐蝕程度、位置和集中度應(yīng)該確定出來(lái)。對(duì)污泥區(qū)局部腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，也應(yīng)該做進(jìn)一步的檢查，因?yàn)槟嗑€腐蝕對(duì)于為長(zhǎng)期服役壽命而設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)也許是很重要的。

    另一個(gè)值得更多關(guān)注的方面是，要監(jiān)控已安裝的陰極保護(hù)系統(tǒng)的影響，因?yàn)楦鳂?biāo)準(zhǔn)中出現(xiàn)的各種指南并沒(méi)有對(duì)單樁基或過(guò)渡連接件內(nèi)部陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)給出準(zhǔn)確的方法或是描述。此外，在實(shí)施內(nèi)部陰極保護(hù)的時(shí)候，疲勞壽命和應(yīng)力導(dǎo)致氫脆開(kāi)裂（SOHIC）的風(fēng)險(xiǎn)可能是需要考慮的問(wèn)題。據(jù) DNV-OS-J101標(biāo)準(zhǔn)，在用于重要應(yīng)用，尤其是在厭氧環(huán)境條件下，存有停滯水、有機(jī)活性污泥（細(xì)菌）和硫化氫，應(yīng)當(dāng)考慮鋼對(duì)應(yīng)力導(dǎo)致氫脆開(kāi)裂的易感性。目前建筑用鋼的應(yīng)力導(dǎo)致氫脆開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)可能不高，但將來(lái)如果使用更多的高強(qiáng)度鋼種，應(yīng)力導(dǎo)致氫脆開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)可能會(huì)增加。

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