海上風(fēng)電設(shè)施的防腐措施

海上風(fēng)電設(shè)施的防腐措施風(fēng)電作為快速發(fā)展的綠色可再生能源，逐漸成為許多國(guó)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(zhǎng)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，已有國(guó)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(yíng)業(yè)額約為15億歐元，預(yù)計(jì)2010年將增加1倍。在我國(guó)，盡管近年來國(guó)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(guó)氣象科學(xué)研究院初步探明，我國(guó)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(guó)雖處于起步階段，但有著巨大的發(fā)展空間。一方面，中國(guó)擁有十分豐富的近海風(fēng)資源。有數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)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(guó)能源戰(zhàn)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(yíng)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(guó)兩會(huì)期間，工信部副部長(zhǎng)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(guó)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(guó)產(chǎn)化剛剛起步，海上風(fēng)電建設(shè)技術(shù)規(guī)范體系也亟需建立。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(guó)家能源局可再生能源司副司長(zhǎng)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。”鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所副所長(zhǎng)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。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)域劃分對(duì)于海洋環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)腐蝕，無論是海洋環(huán)境下長(zhǎng)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1.1.2在海洋環(huán)境中金屬腐蝕分區(qū)示意圖海上風(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(zhǎng)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)，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4~5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(rùn)時(shí)間長(zhǎng)，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(zhǎng)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，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(rùn)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(yáng)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(yáng)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(zhǎng)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，有利于硫酸鹽還原菌的生長(zhǎng)，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)頻率。當(dāng)前國(guó)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，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：①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；②研究有關(guān)資料數(shù)據(jù)；③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；④綜合考慮材料的耐蝕性和經(jīng)濟(jì)性；⑤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)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1500μm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500μm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(yáng)極的陰極保護(hù)，前者主要用高硅鑄鐵作為陽(yáng)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(yáng)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(guó)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