海上风电设施的防腐措施.doc

海上风电设施的防腐措施
班级：风能111 姓名：陈 卓 学号：2011325130
摘要 针对海上风力发电高温度、高盐分干湿交替、浸渍等强度腐蚀环境。结合目前国际上应用的《IOS 12944—钢结构防腐涂装规范》，为海上风电设施选择正确的防腐系统。为确保涂装系统能够达到20年以上的设计防腐年限，本文分析了海上风电设施的腐蚀原因与防腐蚀措施并且参考了NORSOK M-501和IOS 20304对海上风电的防腐系统进行了性能测试要求，以此为海上风电设备防腐系统的选择提供理论依据。
关键词 海上风电防腐 防腐保护 防腐系统设计 NORSOK M-501 IOS 20340
风电作为快速发展的绿色可再生能源，逐渐成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分。截止到2012年2月7日，全球海上风电场累计装机容量达到238，000MW,比上年增长了21%。世界海上风电技术日趋成熟，进入大规模开发阶段，已有国外企业开始设计和制造8－10兆瓦风电机组。欧洲风能协会最新统计显示，2009年欧洲海上风力产业营业额约为15亿欧元，预计2010年将增加1倍。在我国，尽管近年来国内的风电产业发展如火如荼，但海上风电领域仍在起步阶段。
中国气象科学研究院初步探明，我国可开发和利用的陆地上风能储量2．53亿千瓦，近海可开发和利用的风能储量有7．5亿千瓦，海上风能储量远远大于陆上，有广阔的发展空间。但与陆上风能相比，海上风电运行技术要求更高，施工难度更大并且海上风电的运行环境更为复杂：高湿度、高盐分的海风，盐雾，海水浸泡，海浪飞溅形成的干湿交替区等，从而对海上风电设备的防腐提出了更高的技术、性能要求。
经过10多年的发展，世界海上风电技术日趋成熟，已经进入大规模开发阶段。中国虽处于起步阶段，但有着巨大的发展空间。一方面，中国拥有十分丰富的近海风资源。有数据显示，我国近海10米水深的风能资源约1亿千瓦，近海30米水深的风能资源约4.9亿千瓦。另一方面，东部沿海地区经济发达，能源紧缺，开发丰富的海上风能资源将有效改善能源供应情况。因此，开发海上风电已经成为我国能源战略的一个重要内容。
据了解，海上风电场的造价约为陆上风电场的2－3倍，平均发电成本也远远高于陆上风电，海上风电场初装成本中的基础建设、并网接线盒安装等费用在总投资成本中所占的份额要比陆上风电场高，其成本占比随着风电场的离岸距离和水深程度等情况大幅变动，维修费用和折旧费用占运营成本比例远大于陆上风电场。除了要突破研发技术和高成本瓶颈，加紧研发海上风电设备防腐蚀的新技术也是当务之急。此前全国两会期间，工信部副部长苗圩曾提出对风电设备寿命的质疑。因此，与陆上风电相比，海上风电设备所需防腐技术更为复杂、要求更高。
我国海上风能资源测量与评估以及海上风电机组国产化刚刚起步，海上风电建设技术规范体系也亟需建立。而其中海上风电防腐蚀技术相关标准的匮乏就是一个严重问题。曾有相关记者在采访中了解到，由于海上含盐分比较高，对设备腐蚀相当严重。而风电机组不同于海上钻井平台，受到腐蚀时可以随时修补，海上风电机组由于其特殊的地理环境和技术要求，维修费用极高。
　 国家能源局可再生能源司副司长史立山认为，海上风电机组面临的最大问题就是抗腐蚀，他说：“与陆上风电相比，海上风电的运行环境更复杂，技术要求更高，施工难度更大。对于风机而言最大的问题在于抗腐蚀抗盐雾以及海上输配电。这些技术上的困难只能在实践中解决。”
钢铁研究总院青岛海洋腐蚀研究所副所长曲政认为，海上风机所处环境恶劣，并且防腐技术比较复杂。他对记者解释说：“海上风电机组下部承托平台为钢筋混凝土结构，防腐蚀工作重在对钢筋锈蚀的保护；海面以上的部分主要受到盐雾、海洋大气、浪花飞溅的腐蚀，因此，海上风电机组的防腐蚀比较复杂，需要分部分、针对性的进行。”
经常被讨论的海上风电基础形式主要涵盖参考海洋平台的固定式基础和处于概念阶段的漂浮式基础，世界上的近海风电机组大多数都采用重力凝土和单桩钢结构基础设计方案。
以下是对海上风电设施的防腐区域层次的划分；1.1
表1 海洋环境中风电机组的腐蚀区域划分

对于海洋环境下钢结构腐蚀，无论是海洋环境下长钢尺挂片试验，还是在实际生产实践应用中，都具有很强的规律性。
图1和图2是金属和钢桩在海洋环境中的腐蚀状况及分区示意图。
1.1.1钢桩在海洋环境中的腐蚀状况示意图

1.1.2在海洋环境中金属腐蚀分区示意图

海上风电钢铁结构的腐蚀在海洋大气环境下与内陆大气环境下有着腐蚀因素和腐蚀速率的不同。对于暴露在海洋大气环境中的金属部分，因海洋大气环境中相对湿度大、盐分高，腐蚀介质长期积累后附着在钢铁表面形成导电良好的液态水膜电介质，同时由于钢结构成分中有少量碳原子的存在，极易形成无数个原电池，这是电化学腐蚀的有利条件，从而使金属物体产生腐蚀而生锈，导致其材料的结构和性能出现变化而破坏。经相关研究和试验证明，海洋大气环境比内陆大气环境对钢铁的腐蚀程度高4~5倍。
海洋飞溅区的腐蚀，除了海盐含量、相对湿度、温度等海洋大气环境中的腐蚀影响因素外，还要受到海浪飞溅的影响，在飞溅区的下部还要受到海水短时间的浸泡。飞溅区的海盐粒子含量要大大高于海洋大气区，由于海水浸润时间长，干湿交替频繁，碳钢在飞溅区的腐蚀速率要远大于其他区域。在飞溅区，碳钢会出现一个腐蚀峰值，在不同地区的海域，其腐蚀峰值也就在平均高潮位的距离有所不同。腐蚀最严重的部位是在平均高潮位以上的飞溅区，在这一区域，由于含氧量比其他区域高，氧元素的去极化作用促进了碳钢的腐蚀，与此同时，飞溅的浪花冲击也有力地破坏了碳钢表面的保护膜或覆盖层，所以钢表面的保护层在这一区域剥落更快，造成局部腐蚀十分严重，从而促使腐蚀速率加大。
从平均高潮位到平均低潮位的区域称为潮差区，在潮差区的钢铁表面经常会与含有饱和氧气的海水接触，由于海洋潮差变化的原因而使钢铁腐蚀加剧，在有浮游物体和冬季流冰的海域，潮差区的钢铁还会受到撞击。
全浸区的钢结构全浸于海水中，如风塔管架平台的中下部位，长期浸泡在海水中，钢铁的腐蚀会受到溶解氧、海水流速、盐度、污染物和海生物等因素的影响，由于钢铁在海水中的腐蚀反应受到氧的氧化还原反应所控制，所以溶解氧对钢铁的腐蚀起到主导作用。在位于平均低潮位以下附近的海水全浸区，其风塔钢桩在海水起伏这一潮间带出现腐蚀最低值，其值甚至小于在海水全浸区和海底土壤的腐蚀率。这是因为风塔钢桩在这一潮差带的海洋环境中，随着潮位的涨落，水线上方湿润的钢表面供氧总要比浸在海水中的水线下方钢表面充分得多，而且相互彼此构成一个回路，由此构成一个氧浓差腐蚀电池，在这一腐蚀电池中，富氧区为阴极，相对缺氧区为阳极，总的来说在这个潮差带中的每一点分别得到了不同程度的保护，而在平均潮位以下则经常作为阳极而出现一个明显的腐蚀峰值。
海泥区位于全浸区以下，主要由海底沉积物构成。海底沉积物的物理性质、化学性质和生物特性随着海域和海水深度的不同而不同。海泥区实际上是饱和的海水土壤，它是一种比较复杂的腐蚀环境，既有土壤的腐蚀特点，又有海水的腐蚀特性。海泥区含盐度高、电阻率低但是供氧不足，所以一般的钝性金属的钝化膜是不稳定的。海泥区含有硫酸盐还原菌，会在缺氧的环境下生长繁殖，会对埋入海泥区的钢铁造成比较严重的腐蚀。
海生物的污损，如苔藓虫、石灰虫、藤壶和海藻等，对碳钢的腐蚀影响较大。虽然碳钢表面的污损海生物能阻碍氧分子向腐蚀表面扩散，能对碳钢的腐蚀有一定的保护作用，但是由于污损层的不渗透性和外污损层中嗜氧菌的呼吸作用，使碳钢表面形成缺氧环境，有利于硫酸盐还原菌的生长，从而促使碳钢产生腐蚀。
根据实验室的防腐涂层测试、海上挂片试验，以及海上平台成熟的防腐涂层方案，提出海上风电钢结构防腐涂层设计基本原则：底漆对基层材料的附着力和防锈能力要强，并具有阴极保护功能；中间漆对底漆和面漆的层间附着力必须牢固，并有较好的屏蔽作用，以便有效地阻止氧、水汽及其腐蚀介质的渗入；面漆必须具有很好的耐候性，耐老化性和耐腐蚀性能，并具有一定的耐沾污性，从而降低维护频率
。
当前国内对于海上风电机组的防腐蚀并无相关标准或规定。海上风电机组防腐蚀，是一个系统的问题，对于机组的每一部分，在设计上、材料上、密闭性上，都应该考虑到防腐蚀问题。对于海上风电的防腐工作，合理选材是防止和控制设备腐蚀的最普通和最有效的方法之一。选材务必做到：①了解环境因素和腐蚀因素，包括介质的种类、浓度、温度、压力、流动状态、杂质种类和数量、含氧量，以及有无固体悬浮物和微生物等；②研究有关资料数据；③按实际条件进行模拟试验，以获得选材的可靠数据。由此了解材料的耐蚀性能及其工艺特性；④综合考虑材料的耐蚀性和经济性；⑤考虑合适的防腐蚀措施。，
1.2.具体可以考虑的防腐蚀措施如下：
1.2.1 对于基础中的钢结构，大气区的防腐蚀一般采用涂层保护或喷涂金属层加封闭涂层保护；如塔筒外壁，可以采用常用的防腐涂料体系，中间漆采用环氧云铁漆，即环氧富锌底漆+环氧云铁漆+脂肪族聚氨酯面漆的三层复合防腐涂层系统。
1.2.2 浪溅区和水位变动区的平均潮位以上部位的防腐蚀一般采用重防蚀涂层或喷涂金属层加封闭涂层保护，亦可采用包覆玻璃钢、树脂砂浆以及包覆合金进行保护；塔筒的桩基基础部分处在潮差区和浪溅区是防腐的重点区域，采用环氧玻璃鳞片涂料或者无溶剂环氧涂料，干膜厚度在1500μm左右，玻璃鳞片涂料在控制漆膜下的腐蚀蔓延稍差一些，但是可以采用具有良好阴极保护作用的环氧富锌底漆作为底涂层。根据海上平台的防腐应用经验，完全可以达到25a以上的防腐防护寿命
1.2.3 水位变动区平均潮位以下部位，一般采用涂层与阴极保护联合防腐蚀措施；
1.2.4 水下区的防腐蚀应采用阴极保护与涂层联合防腐蚀措施或单独采用阴极保护，当单独采用阴极保护时，应考虑施工工期的防腐措施；
1.2.5 对于深入海泥区的基础钢结构，可以不考虑涂装防腐涂层，只依靠阴极保护措施或者两者相组合的防腐方法，但涂层厚度在500μm左右，设计上不用太厚。这种阴极保护方法属于电化学防腐，分为外加电流的阴极保护和牺牲阳极的阴极保护，前者主要用高硅铸铁作为阳极材料，被保护的钢铁作为阴极，在外加电流的影响下，形成电位差进而阻止腐蚀；后者主要用锌、铝等活性比铁高的阳极材料，焊接在钢铁结构物上，形成原电池而阻止腐蚀。这两种方法都需要由腐蚀介质做为原电池导电回路，因此适用于海水区、海泥区的钢结构材质防腐。
1.2.6 对于混凝土墩体结构，可以采用高性能混凝土加采用表面涂层或硅烷浸渍的方法；可以采用高性能混凝土加结构钢筋采用涂层钢筋的方法；也可以采用外加电流的方法。对于混凝土桩，可采用防腐涂料或包覆玻璃钢防腐。
目前国内海上风电发展刚刚起步，因此在防腐蚀技术发展的各方面都有所欠缺。防腐蚀技术的研发周期也并不太长，从单项的防腐蚀技术来看，我国的研发水平与国际水平是基本同步的。目前国内所欠缺的，是技术的整合，即如何把各种防腐技术整合到一个设备上。而国外有统一的标准，对防腐蚀技术的各方面都有规定，国外这个系统已经比较完整了，而国内目前还缺乏。因为我国幅员辽阔，南北方气候各有不同，因此，所要求的防腐蚀技术也不同。以汽车制造防腐蚀技术的整合为例。这对于我国的海上风电机组防腐蚀发展，也是很好的借鉴。
参考文献
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