福建海上风电机组环境条件及腐蚀失效分析_黄祥声.pdf

192023 年 2 月/February 2023nvironmentalTestingE环境试验摘要：福建海上风电机组在高温、高湿、高盐雾作用下会容易发生腐蚀，影响风电机组正常运行，需要定期监测机组部件服役环境，采取有效措施排除隐患。本文对海上风力发电机组内部腐蚀等级及速率、盐雾进行现场实时监测，检查塔筒涂层、结构件、电气设备腐蚀老化情况。根据环境监测检查结果和分析腐蚀老化原因，形成完整监测、检查方案，有助于保障风电机组长期正常运行。关键词：海上风电机组；服役环境；腐蚀监测中图分类号：TG172，TM315 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2023)02-0019-06福建海上风电机组环境条件及腐蚀失效分析Environmental Conditions and Corrosion Failure Analysis of Fujian Offshore Wind Turbines黄祥声（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200000）HUANG Xiang-sheng(Shanghai Investigation,Design&Research Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200000)引言 福建海岸线长达 3 7 0 0 多公里，海上风电资源丰富，是我国未来海上风电重点发展地区 1。沿海海上风电机组服役环境条件与海上风电组的运维及发电状况密切相关，海上风电内部电器设备服役环境条件状况包括温湿度、海盐离子、腐蚀速率与等级、振动环境、电磁环境等级等，需要定期监测海上风电机组各项环境条件并结合风机关键部件定期检查情况综合评估机组服役环境处于可控状态 2,3。本文主要考虑海上风电机组内部腐蚀速率、对腐蚀A b s t r a c t：Fujian offshore wind turbines are prone to corrosion under the action of high temperature,high humidity and high salt spray,which affects the normal operation of wind turbines,and it is necessary to regularly monitor the service environment of unit components and take effective measures to eliminate hidden dangers.In this paper,the internal corrosion level,rate and salt spray of offshore wind turbines are monitored in real time,and the corrosion and aging of tower coatings,structural parts and electrical equipment are checked.According to the results of environmental monitoring and inspection and analysis of the causes of corrosion and aging,a complete monitoring and inspection scheme is formed,which helps to ensure the long-term normal operation of wind turbines.K e y w o r d s：offshore wind turbines;service environment;corrosion monitoring影响的关键环境因素以及受腐蚀影响的电气和金属构件，监测海上风力发电机组内部环境腐蚀速率、盐雾沉降及浓度，对塔筒涂层、结构件、电气设备进行腐蚀老化检查，并进行环境失效综合分析。1环境条件监测1.1海盐粒子沉降量采用离线式挂膜采样分析法，每 3个月挂样 1次，每次现场试验周期为 3个月并取样，参考标准 G B/T 1 0 5 9 3.2-2 0 1 2 对盐粒子含量进行分析，实验室化学20环境技术/Environmental Technology环境试验nvironmentalTestingE分析为自主研发全自动化分析设备，数据准确性和重现性好。选择风电机组机舱内部、机舱外部、塔基内部、塔基外部等 4 个位置开展海盐粒子含量监测。海盐沉降量结果见图 1，并参考表 1 进行评级 4，从试验结果可见，塔基外和机舱外氯离子沉降等级均为为S 1，塔基内和机舱内为 S 0。1.2氯离子浓度测试参考 G B/T 1 0 5 9 3.2-2 0 1 2，使用大气采样器采集风机中不同位置的大气中的海盐粒子，采集大气体积 6 0 L，采集 4 次，每点 3 个平行样。实验室通过液相色谱仪进行分析。选择 4 个位置开展海盐粒子含量监测，分别为风电机组机舱内部、机舱外部、塔基内部、塔基外部。氯离子浓度结果见图 2。1.3大气腐蚀等级测试选择 Q 3 4 5 D材料进行现场挂片试验，选择 4 个位置开展大气腐蚀环境测试，分别为风电机组机舱内部、机舱外部、塔基内部、塔基外部。试验结束后，取下试样，拍摄试样试验后的腐蚀形貌照片，见图 3。参考 G B/T 1 6 5 4 5-2 0 1 5 去处腐蚀产物后，并进行准确称重，计算出腐蚀速率。参考标准G B 1 9 2 9 2.1-2 0 1 8 对碳钢腐蚀速率进行等级评定。平均腐蚀速率结果见图 4。可以看出塔基内外的腐蚀速率均高于机舱内外，其中塔基外为 C 5，机舱外为 C 3，均属于腐蚀比较严重区域；塔基内为 C 2，机舱内为 C 1，属于腐蚀轻微区域。1.4电气设备环境失效评估参考 I S A-7 1.0 4-2 0 1 3，采用电气设备腐蚀环境表征测试片对塔基内环境、机侧变流器控制柜（共4 个柜体）、塔基控制柜、机舱控制柜、机舱环境、轮毅内环境、轮氯化物的沉积率 mg/(m2d)等级S 3S03 S 60S160 S 300S2300 S 1 500S3表 1 以氯化物为代表的空气中盐类污染物分类图 1 风机各部位海盐沉降量（使用干片法测量）图 2 风机不同部位氯离子浓度分析图 3 风机各部位碳钢样品一年腐蚀形貌图 4 风机各部位碳钢腐蚀速率(a)塔基外(c)机舱外(b)塔基内(d)机舱内212023 年 2 月/February 2023nvironmentalTestingE环境试验monthlyT/等级环境类型0300G1受控环境，几乎不会发生腐蚀3001 000G2中度环境，可能会发生一定腐蚀，1 0002 000G3严酷环境，很可能发生严重腐蚀2 000 以上GX苛刻环境，设备需要保护才能运行G2 等级位置G3 等级位置塔基中层 4 处塔基上层 2 处塔基下层 2 处塔筒 3 处轮毂内 2 处机舱 6 处塔基 配电柜 1 处毅内变浆控制柜等关键电器设备服役环境进行量化表征分析。实验室采用电化学还原对腐蚀产物、腐蚀速率和腐蚀等级进行分析（表 2）。纯铜腐蚀片的主要腐蚀产物为 C u2O和 C u O，基本没有生成 C u2S。根据表 3 统计腐蚀相对严重区域，腐蚀最严重的位置为 2 0 2 0.8-1 1 期间塔基配电柜，达到 G 3 等级，其余达到 G 2 等级的有 1 9 处。2塔筒涂层现场测试对风电机组结构件涂层防腐措施现场评价内容包括涂层厚度、光泽、色差、粉化及外观变化情况（起泡、剥落、开裂、锈蚀等级）等，测试评价周期为 1 年，共测试 2 次，测试位置包括塔筒外壁涂层、塔筒内壁涂层等，同时在风电塔筒结构件有测试条件的部位采用便携式交流阻抗位置涂层厚度（m）2020 年 7 月2021 年 10 月123456平均123456平均东410369414372389412394574643427392448439487南599706679708611664661377311387409449440396西387368400371416365385324289396353399384358北396429426426427389416345499358505339441415表 2 ISA-71.04 环境腐蚀标准分级表 3 风机中电气环境腐蚀等级达到 G2 和 G3 的位置统计表 4 涂层厚度测试结果仪对涂层整体防护性能进行测试评价，分析涂层体系在实际海洋大气环境中环境失效行为 5。2.1涂层厚度测试采用涂层测厚仪，参考标准 G B/T 1 3 4 5 2.2-2 0 0 8 色漆和清漆 漆膜厚度的测定对结构件涂镀层不同位置进行测试，每个区域位置测试 5 个点以上，结果见表 4。塔筒不同位置厚度测试结果在（3 1 0 7 0 8）m之间。2.2光泽色差测试在现场采用便携式光泽仪和色差仪对现场涂层进行测试，按 G B/T 1 7 6 6-2 0 0 8 进行变色等级评定；按标准G B/T 1 7 6 6-2 0 0 8 进行失光等级评定，测试结果见表 5，塔筒色差均为 0 级，光泽 1 3 级之间。2.3粉化及外观等级评价参考标准 G B/T 1 7 6 6-2 0 0 8 色漆和清漆 涂层老化的评级方法对现场结构件涂层起泡、锈蚀、开裂、剥落、粉化进行评级，评级结果见表 6，起泡、锈蚀、粉化等均为 0 级。2.4涂层阻抗测试评价采用便携式涂层阻抗测试仪对有条件的结构件涂层位置阻抗性能进行测试评价，以实现对涂层服役状况的评级及服役寿命的初步预测，阻抗测试结果见表 7，结果表明塔筒涂层阻抗保持在良好状态。3风机部件腐蚀老化检查3.1电气设备腐蚀老化检查结果风机部件腐蚀老化检查主要选取风机塔基外部、塔基内部、机舱部位、机舱外界顶部等主要部位相关设备及部件进行环境腐蚀检测。22环境技术/Environmental Technology环境试验nvironmentalTestingE编号外观检查起泡锈蚀开裂粉化脱落北0(S0)0(S0)0(S0)00(S0)西0(S0)0(S0)0(S0)00(S0)南0(S0)0(S0)0(S0)00(S0)东0(S0)0(S0)0(S0)00(S0)位置颜色测量光泽测量2010 年 7 月2021 年 10 月色差评级2020 年 7 月2021 年 10 月失光率评级L*a*b*L*a*b*东77.92-0.663.2277.06-13.390.94039.334.213.01南78.16-0.692.7878.38-1.122.580.52049.525.349.03西77.89-0.242.9777.78-0.962.610.81043.022.447.83北79.29-0.793.1378.64-0.92.131.19025.220.319.42表 5 塔筒涂层光泽色差及评级塔筒涂层阻抗（）2020 年 7 月2021 年 10 月阻抗塔筒外 1塔筒外 2塔筒外 1塔筒外 24.81e+79.46e+71.19e+81.30e+8检查风机塔筒（塔基）及机舱内部变流器、主控制系统等关键电气设备，针对其外壳、密封件、电子元器件腐蚀老化情况进行环境失效综合分析。1）塔基控制柜塔基控制柜设置在塔基内，控制柜外壳有涂层防护措施，涂层完整，检查期间（2 0 2 0 年 2 0 2 1 年）外壳无明显腐蚀、剥落等老化痕迹；内部电气部件完好无腐蚀迹象，电器柜通风设备表面有轻微尘埃堆积，电气部件安装金属基座、线缆等无明显变色，未发现肉眼可见腐蚀痕迹，内部环境防护等级较高。2）塔基配电柜塔基配电柜设置在塔基内，配电柜外壳有涂层防护措施，涂层完整；配电柜内部有放置气象防锈粉，线缆出口处以胶泥密封。检查期间（2 0 2 0 年 2 0 2 1 年）外壳无明显腐蚀、剥落等老化痕迹；内部电气部件完好无腐蚀迹象，电器部件安装金属基座、线缆等无明显变色，未发现肉眼可见腐蚀痕迹，内部环境防护等级较高。3）变频器水冷系统（柜体）变频器水冷系统（柜体）设置在塔筒最下层，塔基配电柜外壳有涂层防护措施，涂层完整；检查期间外壳无明显腐蚀、剥落等老化痕迹；内部水冷部件完好，无腐蚀迹象。检查期间观察到水冷系统内部循环泵及其下方部位存在大量液态水，推测为设备表面凝露或泄漏产生。柜体内部密封等级较低，出现疑似设备故障，建议进行详细检查维护。4）变频器控制柜变频器控制柜设置在塔筒最下层，控制柜外壳有涂表 6 外观评级结果表 7 塔筒涂层阻抗测试层防护措施，涂层完整，内部线缆出口处以胶泥密封。检查期间外壳无明显腐蚀、剥落等老化痕迹；内部电气部件完好，无腐蚀迹象，电器部件安装金属基座、线缆等无明显变色，未发现肉眼可见腐蚀痕迹，内部环境防护等级较高。5）机舱配电柜机舱配电柜设置在机舱内，配电柜外壳有涂层防护措施，涂层完整；配电柜内部线缆出口处以胶泥密封。检查期间外壳无明显腐蚀、剥落等老化痕迹；内部电气部件完好无腐蚀迹象，电器部件安装金属基座、线缆等无明显变色，未发现肉眼可见腐蚀痕迹，内部环境防护等级较高。6）机舱控制柜机舱控制柜设置在机舱内，配电柜外壳有涂层防护措施，涂层完整。检查期间外壳无明显腐蚀、剥落等老化痕迹；内部电气部件完好无腐蚀迹象，电器部件安装金属基座、线缆等无明显变色，未发现肉眼可见腐蚀痕迹，232023 年 2 月/February 2023nvironmentalTestingE环境试验内部环境防护等级较高。7）变桨控制柜变桨控制柜安装在轮毂内，控制柜外壳为不锈钢材质。检查期间外壳无明显腐蚀痕迹；内部电器部件完好无腐蚀迹象，内部环境防护等级较高。3.2结构件现场腐蚀检查针对海上风电机不同部位设备的结构件、涂层，以及风机本体组法兰、高强螺栓、外部散热件、围栏爬梯等关键结构件的腐蚀问题进行现场腐蚀调查，并对腐蚀部位进行拍照记录。1）风机机舱外部环境机舱顶部有大量尘埃堆积，未观察到明显凝结沉积盐。相比塔基部位环境尘埃影响较为严重。机舱顶部有百叶窗通风口，通风口为不锈钢材质，3 0 向上倾斜设置，未安装过滤设备。初期在金属表面边缘局部区域存在腐蚀痕迹，检查期间腐蚀面积明显增多。机舱顶部设置风向标测风仪、航空障碍等等设备。其中测风仪主体材质为金属，表面有涂层防护，初期检查时涂层完整，无腐蚀等明显缺陷，后期检查发现风向标顶部涂层大面积剥落，为保证设备检测精度建议使用耐候性更强的防护涂料重新涂覆。2）塔基外侧散热设备散热器设置在塔基外部，机身整体有涂层防护，散热设备热交换器部分机身整体有涂层防护，散热鳍片表面有大量尘埃与海盐颗粒等污染物堆积，无明显涂层脱落或腐蚀痕迹；设备支架及管材等部件不锈钢材质或有表面涂层防护处理。各连接处（螺栓）等未施加防护处有明显的局部腐蚀痕迹，推测由盐害造成。在检查期间未出现明显涂层脱落等现象，其周围区域存在漆层完整，不锈钢裸材部位腐蚀略微加重。整体环境盐雾水平极其严重，但设备部件防护水平较高，无明显失效现象。3）塔筒内部（塔筒连接处）风机塔筒内外表面有涂层防护，塔筒连接处、凸起部位、螺栓紧固部位等区域，在检查期间未发现涂层起泡、剥落、开裂、锈蚀等明显缺陷。塔筒连接部位由高强螺栓紧固，螺栓、螺母、垫圈外漏面有涂镀层(类似达克罗)防护，由图片可知，在施工完成后有新加防护涂层。检查期间部分垫圈出现严重腐蚀，目视起泡、剥落、开裂、粉化、锈蚀等级都达到 S 5。由于腐蚀缺陷出现情况为个别组件部位，可判断为后期新加涂镀层施工时因不符合操作标准导致。4）塔基内部（塔筒与基础连接处）塔基内部塔筒壁与外部散热设备的连接开口处密封胶泥开裂脱落，附近地板墙壁处有大量尘埃堆积，整体内部空间环境密封性较差。塔筒与基础连接部位由高强螺栓紧固，螺栓、螺母上有加装防护外套，无法观察内部腐蚀情况，推测内部灌注防锈剂。检查期间观察到螺栓外部保护套部位略微泛黄变色。4结论本文主要考虑海上风电机组内部腐蚀速率、对腐蚀影响的关键环境因素以受腐蚀影响的电气和金属构件。对海上风力发电机组内部腐蚀等级及速率、盐雾开展现场监测，对风机塔基、塔筒、机舱各部位进行环境严酷度检查，具体情况如下：1）对风机盐雾颗粒/氯离子浓度进行测量，结果表明塔基及机舱内部盐雾等级为 S 0，对应外部环境盐雾等级为 S 1，盐雾浓度是内部 2 1 0 倍，风机整体盐雾防控等级较高。2）在风机各部位实现挂片法腐蚀等级测量，碳钢腐蚀速率结果为，塔基内环境腐蚀等级为 C 1 C 2 不等，机舱内为 C 1，内部腐蚀等级低。对应位置外环境腐蚀等级分别为为 C 4 C 5，C 3 C 4 不等。内外腐蚀等级差异较大，风机内部腐蚀环境管控效果较好。3）使用电气设备腐蚀环境表征测试片对塔基内环境、机侧变流器控制柜（共 4 个柜体）、塔基控制柜、机舱控制柜、机舱环境、轮毅内环境、轮毅内变浆控制柜等关键电器设备服役环境进行量化表征分析，风机内环境及各电器柜内部环境等级普遍为G 1，在机舱内部及塔基、(下转 34 页)34环境技术/Environmental Technology环境试验nvironmentalTestingE(a)优化后振动试验（b）振动完成后开盖检查图 9 优化后设备振动试验图(上接 23 页)轮毂部位电器柜在部分期间，环境等级上升至 G 2 等级，特别是塔基配电柜等级达到 G 3。4）检查风机塔筒(塔基)及机舱内部变流器、主控制系统等关键电气设备，针对其外壳、密封件、电子元器件腐蚀老化情况进行环境失效综合分析。塔基及机舱内部电器柜外壳有涂层防护措施，涂层完整，外壳无明显腐蚀痕迹，内部电气部件完好无腐蚀迹象，柜体密封程度与腐蚀防护等级较高。检查期间观察到变频器水冷系统内部循环泵及其下方部位存在大量液态水，推测为设备表面凝露或泄漏产生。柜体内部密封等级较低，出现疑似设备故障，建议进行详细检查维护。5）塔基及机舱外部设备受环境高温高湿及盐雾的影响程度较高，机舱顶部测风仪风向标、通风窗、塔基部位散热器等设备均受到不同程度的环境腐蚀。6）风机塔筒内外表面有涂层防护，塔筒连接处、凸起部位、螺栓紧固部位等区域，在检查期间未发现涂层起泡、剥落、开裂、锈蚀等明显缺陷。塔筒连接部位由高强螺栓紧固，螺栓、螺母、垫圈外漏面有涂镀层防护，由图片可知，在施工完成后有新加防护涂层。检查期间部分垫圈出现严重腐蚀，目视起泡、剥落、开裂、粉化、锈蚀等级都达到 S 5，建议维护。作者简介:作者简介:黄祥声（1978.12-），男，硕士，机械专业，高级工程师，主要研究方向：机电设备检测评估。高碧祥（1991.12-），男，工程师，主要从事结构总体设计工作。1 陈川,王俊,黄海军,等.我国湿热沿海风电机组服役环境条件研究 J.装备环境工程,2015(2):116-120.2 胡苏杭,刘碧燕.海上风电防腐技术现状及研究方向 J.风能,2019(11)：88-91.3 王帅.自然环境对风力发电机组安全运行的影响分析 J.中国安全生产科学技术,2009,5(6):214-218.4 李颖,黄祥声,王爱国,等.海上风电机组服役环境条件监测方案研究 J.环境技术,2019(1):69-74.5 吴微微,王德祥,卞永东.海上风电防腐涂料的性能评价标准和方法 J.广州化工,2014,42(24):22-23+32.1 丁力,王小青,尉明.工程应用中的随机振动试验技术研究 J.航空计算技术,2002(3):110-113.2 田义宏,江雅婷.环境应力筛选中的振动试验方法 J.强度与环境,2010,37(6):18-24.3 戴夫S斯坦伯格.王建刚,译.电子设备振动分析 第 3 版 M.北京:航空工业出版社,2012.4 王崇哲,刘杰,程皓月.某电子设备随机振动故障分析 J.装备环境工程,2021,18(10):110-116.5 机械设计手册编委会,机械设计手册第 5 卷 第 3 版 M.北京：机械工业出版社,2004.6 周炬,苏金英.ANSYS Workbench 有限元分析实例详解 M.人民邮电出版社,2019.参考文献:参考文献: