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無(wú)限風(fēng)光在海洋——兼談海上風(fēng)電防腐蝕

2018-06-15 10:51:01 作者：張凱來(lái)源：腐蝕與防護(hù) 分享至：

風(fēng)是大自然饋贈(zèng)給我們的禮物，人類對(duì)于風(fēng)能的利用已經(jīng)有數(shù)千年的歷史了。現(xiàn)代社會(huì)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，風(fēng)能作為一種清潔能源，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。其中，風(fēng)力發(fā)電是利用渦輪葉片將氣體流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽瑢?shí)現(xiàn)了人類對(duì)于風(fēng)能的利用。由此可見(jiàn)，風(fēng)力發(fā)電具有廣闊的應(yīng)用前景和開(kāi)發(fā)價(jià)值。

我國(guó)幅員遼闊，位于亞洲東部，大陸地形復(fù)雜，東臨太平洋，海岸線長(zhǎng)，約有1800km，以及6000多個(gè)島嶼，根據(jù)中國(guó)氣象科學(xué)研究院統(tǒng)計(jì)，中國(guó)可開(kāi)發(fā)和利用的陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量有2.53億kW，海上可開(kāi)發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量有7.5億kW。風(fēng)能資源非常豐富，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電，尤其是海上風(fēng)力發(fā)電的開(kāi)發(fā)和推廣，潛力十分巨大。圖1為海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。

海上風(fēng)電場(chǎng)多數(shù)建在水深約10m的近海區(qū)域，相比于陸地風(fēng)電場(chǎng)，海上風(fēng)電場(chǎng)具有不局限于地形地貌，不占用土地，對(duì)周圍影響小，風(fēng)速高，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量大等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于機(jī)組部件常年在海上工作，不論大型部件還是小型精細(xì)零部件大多都需要用金屬材料制造，惡劣的環(huán)境因素以及空氣中鹽離子的高含量，都會(huì)對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組鋼結(jié)構(gòu)、機(jī)械部件、電氣部件、混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面以及風(fēng)輪葉片的外表面造成嚴(yán)重腐蝕，使材料失效，從而對(duì)風(fēng)電設(shè)備的工作效率和使用壽命造成嚴(yán)重影響。每年，因?yàn)椴牧系母g失效所造成的事故數(shù)不勝數(shù)，這也給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成了嚴(yán)重的影響，所以說(shuō)解決海上風(fēng)電設(shè)備的腐蝕問(wèn)題具有重大的意義，防腐蝕工作刻不容緩！

圖1. 海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備

我國(guó)海上風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀

中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)從最初的高峰期到后來(lái)的低谷期，再到目前的新一輪整合期，由于風(fēng)電平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代的來(lái)臨，對(duì)風(fēng)機(jī)的要求越來(lái)越嚴(yán)格，成本壓力也越來(lái)越大，以至于全國(guó)的整機(jī)商數(shù)量逐漸減少。在我國(guó)的“十二五”規(guī)劃中，全國(guó)海上風(fēng)電規(guī)劃裝機(jī)容量目標(biāo)為500萬(wàn)kW，對(duì)于海上風(fēng)電，很多企業(yè)只是處于觀望階段，僅僅建成了海上風(fēng)電裝機(jī)75萬(wàn)kW，與目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)。上海電氣作為國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電市場(chǎng)占有率最高的整機(jī)商，確立了在國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電整機(jī)制造領(lǐng)域第一的位置。由于海洋環(huán)境與陸地環(huán)境的不同，海上風(fēng)電與陸上風(fēng)電有很大的區(qū)別，海上風(fēng)電更要注重設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性，其運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本也相應(yīng)更高，由于我國(guó)發(fā)展較晚，更多的隱形成本問(wèn)題還未浮出水面，這對(duì)我國(guó)未來(lái)海上風(fēng)機(jī)產(chǎn)業(yè)是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。尤其是對(duì)于海上風(fēng)電設(shè)備的維護(hù)成本更為重要，金屬器件的腐蝕更是風(fēng)機(jī)生產(chǎn)商頭痛的問(wèn)題。

海上風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的腐蝕

金屬材料的腐蝕按機(jī)理可以分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。常年處于海上的風(fēng)機(jī)濕度大，海風(fēng)中所含鹽分較高，絕大多數(shù)金屬的腐蝕都屬于電化學(xué)腐蝕。當(dāng)含鹽分的水汽粘附到風(fēng)機(jī)設(shè)備上時(shí)，會(huì)在金屬表面形成一個(gè)簡(jiǎn)單的原電池，陽(yáng)極金屬放出電子，形成了金屬陽(yáng)離子，并可以與氧結(jié)合形成氧化物（鐵銹），從而對(duì)機(jī)組的鋼鐵金屬部件造成嚴(yán)重的腐蝕。圖2為腐蝕原電池原理圖。

海上風(fēng)電機(jī)根據(jù)所處環(huán)境的不同，對(duì)部件造成的腐蝕因素也不同。海上風(fēng)電機(jī)組下部承托平臺(tái)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，防腐蝕工作重在對(duì)鋼筋銹蝕的保護(hù)；而海面以上的部分主要受到鹽霧、海洋大氣、浪花飛濺的腐蝕。

圖2. 腐蝕原電池工作原理圖

海上風(fēng)電設(shè)備防腐蝕措施

由于海上工作條件和環(huán)境十分惡劣，對(duì)于單純的鋼鐵金屬肯定造成嚴(yán)重的腐蝕，所以對(duì)設(shè)備進(jìn)行一定的防腐蝕處理措施能夠保證風(fēng)電機(jī)組在惡劣條件下能正常運(yùn)行，并延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，提高工作效率。根據(jù)設(shè)備工作條件及使用方法的不同，對(duì)其采取的防腐蝕措施也不同，防腐蝕措施主要分為以下幾種：

涂層防護(hù)

涂層防護(hù)是風(fēng)電設(shè)備防腐蝕最主要的手段之一，在防腐蝕的基礎(chǔ)上，還具有防冰凍，防蟲(chóng)害等一些其他優(yōu)點(diǎn)。涂層的種類非常多，在使用涂層時(shí)，要充分結(jié)合設(shè)備工作條件，腐蝕環(huán)境等級(jí)，使用目的，來(lái)挑選適用涂層，以達(dá)到最佳防腐蝕效果。高壓無(wú)氣噴涂是最常用的涂覆涂層的手段，在涂覆時(shí)，要做好金屬材料表面前處理，根據(jù)涂料的種類、稀釋劑的種類及其粘度，正確調(diào)節(jié)噴涂氣壓和操作，保證涂層系統(tǒng)發(fā)揮最佳的性能。

風(fēng)機(jī)的架塔作為支撐總體的結(jié)構(gòu)，需使用大量的鋼材，且要保證鋼材的持續(xù)強(qiáng)度，腐蝕作為最大的敵人必須要消滅。使用防腐蝕涂層對(duì)架塔進(jìn)行防腐蝕保護(hù)是目前運(yùn)用最為廣泛的保護(hù)措施，以環(huán)氧類和聚氨類的高分子有機(jī)物是目前典型的鋼材防腐蝕涂料。

此外，風(fēng)機(jī)的葉片、電氣部件也運(yùn)用了涂層防腐蝕，以保證風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行。

氣相緩蝕保護(hù)

風(fēng)機(jī)的電氣部件主要由一些精細(xì)金屬構(gòu)造而成，可能有的零件直接鍍層存在困難，或者有的需要在涂層防腐蝕基礎(chǔ)上更進(jìn)一步防腐蝕，如何才能解決這一問(wèn)題呢？氣相緩蝕劑的發(fā)明很好地解決了這一點(diǎn)。

氣相緩蝕劑（vapor phase inhibitor, 簡(jiǎn)稱VPI），又叫揮發(fā)性緩蝕劑（volatile corrosion inhibitor, 簡(jiǎn)稱VCI）或氣相防銹劑。在常溫下具有揮發(fā)性，只要在容器內(nèi)加入少量氣相緩蝕劑，它能夠揮發(fā)釋放出緩蝕分子或緩蝕基團(tuán)，能使緩蝕成分吸附到金屬表面，分子之間相互連接成鍵，在器件表面形成一層分子級(jí)別的保護(hù)膜，從而將金屬與外界隔離開(kāi)來(lái)，達(dá)到有效防腐蝕。即使是一些正在腐蝕的區(qū)域，緩蝕劑分子也能夠改變腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行，使反應(yīng)停止。氣相緩蝕劑具有很多優(yōu)點(diǎn)，它不考慮材料的形狀，只要?dú)怏w能滲透的地方，緩蝕分子就能到達(dá)；氣相緩蝕劑產(chǎn)品除能夠防止電子元件的腐蝕外，對(duì)電子元件的電性能和電傳導(dǎo)性能應(yīng)無(wú)不良影響，而且對(duì)多種金屬材料均應(yīng)有很好的緩蝕作用；緩蝕分子易溶于水，即使處于液體中，也能在金屬表面成膜防腐蝕，真正做到氣液兩用，適用性極強(qiáng)，是一種應(yīng)大力推廣的防腐蝕措施。氣相緩蝕劑防腐蝕機(jī)理圖如圖3。

圖3. 氣相緩蝕劑防腐蝕機(jī)理

犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)法

犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法是將還原性較強(qiáng)的金屬與需要被保護(hù)的金屬相連構(gòu)成原電池，還原性強(qiáng)的金屬會(huì)作為電池的負(fù)極（即陽(yáng)極）失去電子，發(fā)生氧化而被消耗掉，而電子則轉(zhuǎn)移到正極（即陰極），與電解液中的離子相結(jié)合，從而保護(hù)了陰極的金屬。示意圖如圖4。

圖4. 犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)法防腐機(jī)理

另外，根據(jù)海上風(fēng)機(jī)各部分組件所處環(huán)境的不同，腐蝕可分為五個(gè)區(qū)域，海洋大氣區(qū)、海水潮差區(qū)、浪花飛濺區(qū)、海水全浸區(qū)以及海泥區(qū)，其中由于浪花沖擊的物理作用，尤其以浪花飛濺區(qū)的腐蝕最為嚴(yán)重。海上風(fēng)電機(jī)組下部承托平臺(tái)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，防腐蝕工作重在對(duì)鋼筋銹蝕的保護(hù)；而海面以上的部分主要受到鹽霧、海洋大氣、浪花飛濺的腐蝕。目前采用的防腐蝕方法主要有：按不同區(qū)域和部位進(jìn)行防腐蝕涂裝；使用緩蝕劑，如采用氣相緩蝕劑對(duì)機(jī)艙中電氣元件的保護(hù)，采用鋼筋阻銹劑保護(hù)海洋工程的鋼筋混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；采用陰極保護(hù)和防腐蝕涂裝技術(shù)聯(lián)合對(duì)鋼管樁進(jìn)行保護(hù)；風(fēng)機(jī)輪軸工作面采用防銹油進(jìn)行腐蝕防護(hù)，非工作面采用如上涂層體系進(jìn)行防護(hù)等。

總結(jié)

風(fēng)能作為一種可再生、無(wú)污染、擁有廣泛應(yīng)用前景的新能源，風(fēng)能的開(kāi)發(fā)已經(jīng)越來(lái)越受到重視，海上風(fēng)機(jī)發(fā)電技術(shù)作為風(fēng)能的一種有效的利用手段，更應(yīng)該大力研發(fā)和推廣，這對(duì)于解決目前全球資源短缺和環(huán)境保護(hù)等問(wèn)題具有重大意義。

海上風(fēng)電設(shè)備在惡劣的自然環(huán)境中運(yùn)行，金屬器件的防腐蝕工作對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要的意義，根據(jù)不同環(huán)境條件，利用涂層技術(shù)、氣相緩蝕劑技術(shù)、犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)法等防腐蝕措施對(duì)金屬進(jìn)行防腐蝕保護(hù)，能夠有效提高設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性，減少或避免工程事故的發(fā)生，對(duì)于資源的開(kāi)發(fā)利用，環(huán)境的保護(hù)，以及我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義。

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責(zé)任編輯：韓鑫