海上風(fēng)電設(shè)施的防腐措施定稿版

1、海上風(fēng)電設(shè)施的防腐措海上風(fēng)電設(shè)施的防腐措施班級(jí)：風(fēng)能111姓名：陳卓學(xué)號(hào)：2011325130摘要 針對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電高溫度、高鹽分干濕交替、浸漬等強(qiáng)度腐蝕環(huán)境。結(jié)合目前國際上 應(yīng)用的IOS 12944-鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝規(guī)范，為海上風(fēng)電設(shè)施選擇正確的防腐系統(tǒng)。為確保涂 裝系統(tǒng)能夠達(dá)到20年以上的設(shè)計(jì)防腐年限，本文分析了海上風(fēng)電設(shè)施的腐蝕原因與防腐蝕措施 并且參考7NORSOK M-501和IOS 20304對(duì)海上風(fēng)電的防腐系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試要求，以此為海 上風(fēng)電設(shè)備防腐系統(tǒng)的選擇提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞 海上風(fēng)電防腐 防腐保護(hù) 防腐系統(tǒng)設(shè)計(jì)NORSOK M-501 IOS 20340風(fēng)電作為快速發(fā)展的

2、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。截止到2012年2月7日，全球海上風(fēng)電場(chǎng)累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到238， 000MW，比上年增長了 21%。世界海上風(fēng)電技術(shù)日趨成熟，進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)階段，己 有國外企業(yè)開始設(shè)計(jì)和制造8-10兆瓦風(fēng)電機(jī)組。歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)最新統(tǒng)計(jì)顯示， 2009年歐洲海上風(fēng)力產(chǎn)業(yè)營業(yè)額約為15億歐元，預(yù)計(jì)2010年將增加1倍。在我 國，盡管近年來國內(nèi)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展如火如荼，但海上風(fēng)電領(lǐng)域仍在起步階段。中國氣象科學(xué)研究院初步探明，我國可開發(fā)和利用的陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量2 . 53億千 瓦，近?？砷_發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量有7 . 5億千瓦，海上風(fēng)能儲(chǔ)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陸上，有 廣闊

3、的發(fā)展空間。但與陸上風(fēng)能相比，海上風(fēng)電運(yùn)行技術(shù)要求更高，施工難度更大 并且海上風(fēng)電的運(yùn)行環(huán)境更為復(fù)雜：高濕度、高鹽分的海風(fēng)，鹽霧，海水浸泡，海 浪飛濺形成的干濕交替區(qū)等，從而對(duì)海上風(fēng)電設(shè)備的防腐提出了更高的技術(shù)、性能 要求。經(jīng)過10多年的發(fā)展，世界海上風(fēng)電技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)階段。 中國雖處于起步階段，但有著巨大的發(fā)展空間。一方面，中國擁有十分豐富的近海 風(fēng)資源。有數(shù)據(jù)顯示，我國近海10米水深的風(fēng)能資源約1億千瓦，近海30米水深 的風(fēng)能資源約4.9億千瓦。另一方面，東部沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，能源緊缺，開發(fā)豐 富的海上風(fēng)能資源將有效改善能源供應(yīng)情況。因此，開發(fā)海上風(fēng)電已經(jīng)成為我國能 源戰(zhàn)

4、略的一個(gè)重要內(nèi)容。據(jù)了解，海上風(fēng)電場(chǎng)的造價(jià)約為陸上風(fēng)電場(chǎng)的2-3倍，平均發(fā)電成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高 于陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電場(chǎng)初裝成本中的基礎(chǔ)建設(shè)、并網(wǎng)接線盒安裝等費(fèi)用在總投資 成本中所占的份額要比陸上風(fēng)電場(chǎng)高，其成本占比隨著風(fēng)電場(chǎng)的離岸距離和水深程 度等情況大幅變動(dòng)，維修費(fèi)用和折舊費(fèi)用占運(yùn)營成本比例遠(yuǎn)大于陸上風(fēng)電場(chǎng)。除了 要突破研發(fā)技術(shù)和高成本瓶頸，加緊研發(fā)海上風(fēng)電設(shè)備防腐蝕的新技術(shù)也是當(dāng)務(wù)之急。此前全國兩會(huì)期間，工信部副部長苗圩曾提出對(duì)風(fēng)電設(shè)備壽命的質(zhì)疑。因此， 與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電設(shè)備所需防腐技術(shù)更為復(fù)雜、要求更高。我國海上風(fēng)能資源測(cè)量與評(píng)估以及海上風(fēng)電機(jī)組國產(chǎn)化剛剛起步，海上風(fēng)電建設(shè) 技術(shù)規(guī)范體

5、系也亟需建立。而其中海上風(fēng)電防腐蝕技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的匱乏就是一個(gè)嚴(yán) 重問題。曾有相關(guān)記者在采訪中了解到，由于海上含鹽分比較高，對(duì)設(shè)備腐蝕相當(dāng) 嚴(yán)重。而風(fēng)電機(jī)組不同于海上鉆井平臺(tái)，受到腐蝕時(shí)可以隨時(shí)修補(bǔ)，海上風(fēng)電機(jī)組 由于其特殊的地理環(huán)境和技術(shù)要求，維修費(fèi)用極高。國家能源局可再生能源司副司長史立山認(rèn)為，海上風(fēng)電機(jī)組面臨的最大問題就是 抗腐蝕，他說：“與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電的運(yùn)行環(huán)境更復(fù)雜，技術(shù)要求更高， 施工難度更大。對(duì)于風(fēng)機(jī)而言最大的問題在于抗腐蝕抗鹽霧以及海上輸配電。這些 技術(shù)上的困難只能在實(shí)踐中解決?！变撹F研究總院青島海洋腐蝕研究所副所長曲政認(rèn)為，海上風(fēng)機(jī)所處環(huán)境惡劣，并 且防腐技術(shù)比較復(fù)雜

6、。他對(duì)記者解釋說：“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)；海面以上的部分主要受到鹽霧、海洋 大氣、浪花飛濺的腐蝕，因此，海上風(fēng)電機(jī)組的防腐蝕比較復(fù)雜，需要分部分、針 對(duì)性的進(jìn)行?！苯?jīng)常被討論的海上風(fēng)電基礎(chǔ)形式主要涵蓋參考海洋平臺(tái)的固定式基礎(chǔ)和處于概念 階段的漂浮式基礎(chǔ)，世界上的近海風(fēng)電機(jī)組大多數(shù)都采用重力凝土和單樁鋼結(jié)構(gòu)基 礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案。以下是對(duì)海上風(fēng)電設(shè)施的防腐區(qū)域?qū)哟蔚膭澐郑?.1表1海洋環(huán)境中風(fēng)電機(jī)組的腐蝕區(qū)域劃分海洋大氣區(qū)設(shè)計(jì)高水位加1.5 E以上的區(qū)域飛濺區(qū)設(shè)計(jì)高水位加1.5印到設(shè)計(jì)高水位減1.0川之 間區(qū)域潮差區(qū)設(shè)計(jì)高水位減1.0 m至設(shè)計(jì)彳任水

7、位減1一0 m之 間的區(qū)域全浸區(qū)海泥區(qū)設(shè)計(jì)低水位減1占m以下海水淹沒的區(qū)域 在全浸區(qū)內(nèi)被海泥覆蓋的區(qū)域?qū)τ诤Ｑ蟓h(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)腐蝕，無論是海洋環(huán)境下長鋼尺掛片試驗(yàn)，還是在實(shí)際生 產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用中，都具有很強(qiáng)的規(guī)律性。圖1和圖2是金屬和鋼樁在海洋環(huán)境中的腐蝕狀況及分區(qū)示意圖。1.1.1鋼樁在海洋環(huán)境中的腐蝕狀況示意圖mfr1.1.2在海洋環(huán)境中金屬腐蝕分區(qū)示意圖海海區(qū)咨碰 的相屈1S夫海上風(fēng)電鋼鐵結(jié)構(gòu)的腐蝕在海洋大氣環(huán)境下與內(nèi)陸大氣環(huán)境下有著腐蝕因素和 腐蝕速率的不同。對(duì)于暴露在海洋大氣環(huán)境中的金屬部分，因海洋大氣環(huán)境中相對(duì) 濕度大、鹽分高，腐蝕介質(zhì)長期積累后附著在鋼鐵表面形成導(dǎo)電良好的液態(tài)水膜電 介質(zhì)

8、，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，這是 電化學(xué)腐蝕的有利條件，從而使金屬物體產(chǎn)生腐蝕而生銹，導(dǎo)致其材料的結(jié)構(gòu)和性 能出現(xiàn)變化而破壞。經(jīng)相關(guān)研究和試驗(yàn)證明，海洋大氣環(huán)境比內(nèi)陸大氣環(huán)境對(duì)鋼鐵 的腐蝕程度高45倍。海洋飛濺區(qū)的腐蝕，除了海鹽含量、相對(duì)濕度、溫度等海洋大氣環(huán)境中的腐蝕 影響因素外，還要受到海浪飛濺的影響，在飛濺區(qū)的下部還要受到海水短時(shí)間的浸泡。飛濺區(qū)的海鹽粒子含量要大大高于海洋大氣區(qū)，由于海水浸潤時(shí)間長，干濕交 替頻繁，碳鋼在飛濺區(qū)的腐蝕速率要遠(yuǎn)大于其他區(qū)域。在飛濺區(qū)，碳鋼會(huì)出現(xiàn)一個(gè) 腐蝕峰值，在不同地區(qū)的海域，其腐蝕峰值也就在平均高潮位的距離有所不同。腐

9、 蝕最嚴(yán)重的部位是在平均高潮位以上的飛濺區(qū)，在這一區(qū)域，由于含氧量比其他區(qū) 域高，氧元素的去極化作用促進(jìn)了碳鋼的腐蝕，與此同時(shí)，飛濺的浪花沖擊也有力 地破壞了碳鋼表面的保護(hù)膜或覆蓋層，所以鋼表面的保護(hù)層在這一區(qū)域剝落更快， 造成局部腐蝕十分嚴(yán)重，從而促使腐蝕速率加大。從平均高潮位到平均低潮位的區(qū)域稱為潮差區(qū)，在潮差區(qū)的鋼鐵表面經(jīng)常會(huì)與 含有飽和氧氣的海水接觸，由于海洋潮差變化的原因而使鋼鐵腐蝕加劇，在有浮游 物體和冬季流冰的海域，潮差區(qū)的鋼鐵還會(huì)受到撞擊。全浸區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)全浸于海水中，如風(fēng)塔管架平臺(tái)的中下部位，長期浸泡在海水 中，鋼鐵的腐蝕會(huì)受到溶解氧、海水流速、鹽度、污染物和海生物等因素的影響

10、， 由于鋼鐵在海水中的腐蝕反應(yīng)受到氧的氧化還原反應(yīng)所控制，所以溶解氧對(duì)鋼鐵的 腐蝕起到主導(dǎo)作用。在位于平均低潮位以下附近的海水全浸區(qū)，其風(fēng)塔鋼樁在海水 起伏這一潮間帶出現(xiàn)腐蝕最低值，其值甚至小于在海水全浸區(qū)和海底土壤的腐蝕 率。這是因?yàn)轱L(fēng)塔鋼樁在這一潮差帶的海洋環(huán)境中，隨著潮位的漲落，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，而且相互彼此構(gòu)成 一個(gè)回路，由此構(gòu)成一個(gè)氧濃差腐蝕電池，在這一腐蝕電池中，富氧區(qū)為陰極，相 對(duì)缺氧區(qū)為陽極，總的來說在這個(gè)潮差帶中的每一點(diǎn)分別得到了不同程度的保護(hù)， 而在平均潮位以下則經(jīng)常作為陽極而出現(xiàn)一個(gè)明顯的腐蝕峰值。海泥區(qū)位于全浸區(qū)以下，主

11、要由海底沉積物構(gòu)成。海底沉積物的物理性質(zhì)、化 學(xué)性質(zhì)和生物特性隨著海域和海水深度的不同而不同。海泥區(qū)實(shí)際上是飽和的海水 土壤，它是一種比較復(fù)雜的腐蝕環(huán)境，既有土壤的腐蝕特點(diǎn)，又有海水的腐蝕特性。海泥區(qū)含鹽度高、電阻率低但是供氧不足，所以一般的鈍性金屬的鈍化膜是 不穩(wěn)定的。海泥區(qū)含有硫酸鹽還原菌，會(huì)在缺氧的環(huán)境下生長繁殖，會(huì)對(duì)埋入海泥 區(qū)的鋼鐵造成比較嚴(yán)重的腐蝕。海生物的污損，如苔蘚蟲、石灰蟲、藤壺和海藻等，對(duì)碳鋼的腐蝕影響較大。雖然碳鋼表面的污損海生物能阻礙氧分子向腐蝕表面擴(kuò)散，能對(duì)碳鋼的腐蝕有一定 的保護(hù)作用，但是由于污損層的不滲透性和外污損層中嗜氧菌的呼吸作用，使碳鋼 表面形成缺氧環(huán)境，有

12、利于硫酸鹽還原菌的生長，從而促使碳鋼產(chǎn)生腐蝕。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的防腐涂層測(cè)試、海上掛片試驗(yàn)，以及海上平臺(tái)成熟的防腐涂層方 案，提出海上風(fēng)電鋼結(jié)構(gòu)防腐涂層設(shè)計(jì)基本原則：底漆對(duì)基層材料的附著力和防銹 能力要強(qiáng)，并具有陰極保護(hù)功能；中間漆對(duì)底漆和面漆的層間附著力必須牢固，并 有較好的屏蔽作用，以便有效地阻止氧、水汽及其腐蝕介質(zhì)的滲入；面漆必須具有 很好的耐候性，耐老化性和耐腐蝕性能，并具有一定的耐沾污性，從而降低維護(hù)頻當(dāng)前國內(nèi)對(duì)于海上風(fēng)電機(jī)組的防腐蝕并無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定。海上風(fēng)電機(jī)組防腐 蝕，是一個(gè)系統(tǒng)的問題，對(duì)于機(jī)組的每一部分，在設(shè)計(jì)上、材料上、密閉性上，都 應(yīng)該考慮到防腐蝕問題。對(duì)于海上風(fēng)電的防腐工作，

13、合理選材是防止和控制設(shè)備腐 蝕的最普通和最有效的方法之一。選材務(wù)必做到：了解環(huán)境因素和腐蝕因素，包 括介質(zhì)的種類、濃度、溫度、壓力、流動(dòng)狀態(tài)、雜質(zhì)種類和數(shù)量、含氧量，以及有 無固體懸浮物和微生物等；研究有關(guān)資料數(shù)據(jù)；按實(shí)際條件進(jìn)行模擬試驗(yàn)，以 獲得選材的可靠數(shù)據(jù)。由此了解材料的耐蝕性能及其工藝特性；綜合考慮材料的 耐蝕性和經(jīng)濟(jì)性；考慮合適的防腐蝕措施。，1.2.具體可以考慮的防腐蝕措施如下：1.2.1對(duì)于基礎(chǔ)中的鋼結(jié)構(gòu)，大氣區(qū)的防腐蝕一般采用涂層保護(hù)或噴涂金屬層加封 閉涂層保護(hù)；如塔筒外壁，可以采用常用的防腐涂料體系，中間漆采用環(huán)氧云鐵 漆，即環(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)

14、合防腐涂層系統(tǒng)。1.2.2浪濺區(qū)和水位變動(dòng)區(qū)的平均潮位以上部位的防腐蝕一般采用重防蝕涂層或噴 涂金屬層加封閉涂層保護(hù)，亦可采用包覆玻璃鋼、樹脂砂漿以及包覆合金進(jìn)行保 護(hù)；塔筒的樁基基礎(chǔ)部分處在潮差區(qū)和浪濺區(qū)是防腐的重點(diǎn)區(qū)域，采用環(huán)氧玻璃鱗 片涂料或者無溶劑環(huán)氧涂料，干膜厚度在1500 m左右，玻璃鱗片涂料在控制漆膜 下的腐蝕蔓延稍差一些，但是可以采用具有良好陰極保護(hù)作用的環(huán)氧富鋅底漆作為 底涂層。根據(jù)海上平臺(tái)的防腐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，完全可以達(dá)到25a以上的防腐防護(hù)壽命 1.2.3水位變動(dòng)區(qū)平均潮位以下部位，一般采用涂層與陰極保護(hù)聯(lián)合防腐蝕措施； 1.2.4水下區(qū)的防腐蝕應(yīng)采用陰極保護(hù)與涂層聯(lián)合防腐蝕措

15、施或單獨(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；1.2.5對(duì)于深入海泥區(qū)的基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)，可以不考慮涂裝防腐涂層，只依靠陰極保護(hù) 措施或者兩者相組合的防腐方法，但涂層厚度在500 um左右，設(shè)計(jì)上不用太厚。這 種陰極保護(hù)方法屬于電化學(xué)防腐，分為外加電流的陰極保護(hù)和犧牲陽極的陰極保 護(hù)，前者主要用高硅鑄鐵作為陽極材料，被保護(hù)的鋼鐵作為陰極，在外加電流的影 響下，形成電位差進(jìn)而阻止腐蝕；后者主要用鋅、鋁等活性比鐵高的陽極材料，焊 接在鋼鐵結(jié)構(gòu)物上，形成原電池而阻止腐蝕。這兩種方法都需要由腐蝕介質(zhì)做為原 電池導(dǎo)電回路，因此適用于海水區(qū)、海泥區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)防腐。1.2.6對(duì)于混凝土

16、墩體結(jié)構(gòu)，可以采用高性能混凝土加采用表面涂層或硅烷浸漬的 方法；可以采用高性能混凝土加結(jié)構(gòu)鋼筋采用涂層鋼筋的方法；也可以采用外加電 流的方法。對(duì)于混凝土樁，可采用防腐涂料或包覆玻璃鋼防腐。目前國內(nèi)海上風(fēng)電發(fā)展剛剛起步，因此在防腐蝕技術(shù)發(fā)展的各方面都有所欠缺。防腐蝕技術(shù)的研發(fā)周期也并不太長，從單項(xiàng)的防腐蝕技術(shù)來看，我國的研發(fā)水平與 國際水平是基本同步的。目前國內(nèi)所欠缺的，是技術(shù)的整合，即如何把各種防腐技 術(shù)整合到一個(gè)設(shè)備上。而國外有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)防腐蝕技術(shù)的各方面都有規(guī)定，國 外這個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)比較完整了，而國內(nèi)目前還缺乏。因?yàn)槲覈鶈T遼闊，南北方氣候 各有不同，因此，所要求的防腐蝕技術(shù)也不同。以汽車制造防腐蝕技術(shù)的整合為 例。這對(duì)于我國的海上風(fēng)電機(jī)組防腐蝕發(fā)展，也是很好的借鑒。參考文獻(xiàn)【1 】 Brian Snyder, Mark J Kaiser. Ecological and Economic cost benefit analysis of offshore wind energyJ. Renewable Energy, 2009, 34(6):1567 - 1578【2】 Simorr Phlippe Breton, Geir Moe. Status plans and technologies for offs