海上风电材料防护措施报告

中国航天科工集团第六研究院

内蒙古航天亿久科技发展有限责任公司

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名 称 海上风电材料防腐 措施报告

1 引言

海上风电场具有风能资源储量大、开发效率高、环境污染小、不占用耕地等优点，自1991 年世界上首座海上风电场在丹麦建成以来, 海上风力发电已经成为世界可再生能源发展的焦点领域。然而海上风电运行环境十分复杂:高温、高湿、高盐雾和长日照等, 腐蚀环境非常苛刻,对海上风电设备的腐蚀防护提出了严峻挑战，防腐蚀成为每个风电场必须考虑的突出问题, 防腐蚀设计成为海上风电场设计的重要环节之一。目前对于海上风电工程基础设施以及风机的防腐蚀措施, 主要来自于海上石油平台、破冰船以及海底管线等方面的防腐蚀经验,海上风电场的防腐尽管可以在很大程度上参考海洋平台现有的防腐经验，但是两者之间也有不同，所以直接借鉴海洋平台防腐经验实现海上风电材料防腐还有很大的困难。

2 海洋环境的腐蚀机理及区域划分

2.1 腐蚀机理

对于暴露在空气中的金属部分，因海上的潮湿空气中盐分和水分均很高，长期积累后附着在物体表面，由于其成分中有少量的碳存在，极易形成无数个原电池，进而使金属表面腐蚀而生锈。

对于浸入海水中的金属部分，表面会出现稳定的电极电势，且由于金属有晶界存在，金属表面上各部位的电势不同，形成了局部的腐蚀电池或微电池，电势较高的部位为阴极，较低的为阳极。电势较高的金属，如铁，腐蚀时阳极进行铁的氧化，释放的电子从阳极流向阴极，使氧在阴极被还原，氢氧根离子经海水介质移向阳极，与亚铁离子生成氢氧化亚铁，进而脱水形成铁锈。金属在海水中的腐蚀，影响因素很多，包括化学、物理和生物等因素，其中化学因素主要有溶解氧、盐度、酸碱度等，物理因素主要有温度、流速、潮差等。从这些机理来看，腐蚀的根源其实就是金属通过接触氧化物产生了电化学腐蚀。

2.2 腐蚀区域划分

海上风电场的钢结构风塔（图1a）按海洋腐蚀环境的特点，可以分成5个部分，海洋大气区、飞溅区、潮差区、全浸区和海泥区。钢结构在海洋环境下的腐蚀，无论是海洋环境下长钢尺的挂片试验，还是实际的生产实践中，都具有很强的规律性。图1b是钢桩在美国kureBeach（基尔海滨）中暴露5 a后的腐蚀示意图。

钢铁结构在海洋环境海洋大气与内陆大气有着明显的不同。海洋大气湿度大，易在钢铁表面形成水膜;海洋大气中盐分多，它们积存钢铁表面与水膜一起形成导电良好的液膜电解质，是电化学腐蚀的有利条件，因此海洋大气比内陆大气对钢铁的腐蚀程度要高4～5倍。

海洋飞溅区的腐蚀，除了海盐含量、湿度、温度等大气环境中的腐蚀影响因素外，还要

受到海浪的飞溅，飞溅区的下部还要受到海水短时间的浸泡。飞溅区的海盐粒子量要远远高于海洋大气区，浸润时间长，干湿交替频繁。碳钢在飞溅区的腐蚀速度要远大于其他区域，在飞溅区，碳钢会出一个腐蚀峰值，在不同的海域，其峰值距平均高潮位的距离有所不同。

a b

图1 a海上风机示意图，b钢桩在滨海试验5a后腐蚀示意图

腐蚀最严重的部位是在平均高潮以上的飞溅区。这是因为氧在这一区域供应最充分，氧的去极化作用促进了钢桩的腐蚀，与此同时，浪花的冲击有力地破坏保护膜，使腐蚀加速。

从高潮位到低潮位的区域称为潮差区。在潮差区的钢铁表面经常和饱和了空气的海水相接触。由于潮流的原因钢铁的腐蚀会加剧。在冬季有流冰的海域，潮差区的钢铁设施还会受浮冰的撞击。

全浸区全浸于海水中，比如导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、流速、盐度、污染和海生物等因素的影响，由于钢铁在海水中的腐蚀反应受氧的还原反应所控制，所以溶解氧对钢铁腐蚀起着主导作用。其次是平均低潮位以下附近的海水全浸区钢桩的腐蚀峰值。然而，钢桩在潮差带出现腐蚀最低值，其值甚至小于海水全浸和海底土壤的腐蚀率。这是因为钢桩在海洋环境中，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，而且彼此构成一个回路，由此成为一个氧浓差宏观腐蚀电池。腐蚀电池中，富氧区为阴极，相对缺氧区为阳极，总的效果是整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、化学性质和生物性质随海域和海水深度的不同而不同。海泥实际是上是饱和了海水的土壤，它是一种比较复杂的腐蚀环境，既有土壤的腐蚀特点，又有海水的腐蚀行为。海泥区含盐度，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。海泥中含有的硫酸盐还原菌，会在缺氧环境下生长繁殖，会对钢材造成比较严重的腐蚀。

3 常规防腐蚀方法及原理

从腐蚀机理看，可以采取的防腐蚀方法分为三大类：隔离防腐、电化学防腐和本质防腐。防腐蚀的技术历经多年的发展，已趋于成熟，只是在具体应用过程中还存在许多问题。海洋工程防腐蚀的常规方法主要有5种。

3.1 涂层法

这种防腐蚀方法属于隔离防腐，主要适用于海洋大气区和飞溅区。大多数海洋结构物防腐采用此种方法。

常用的防腐涂料有环氧沥青、富锌环氧、聚酯类涂层、环氧玻璃钢等，辅助材料为固化剂。其防腐年限为10-20a，其保护效率为80-90%。

从实施的工艺上来看，采用此种方法对结构表面粗糙度要求较高，一般要通过抛丸处理达到Sa2.5级以上。操作时对空气湿度有较为苛刻的要求，涂料配比及喷涂厚度控制也有相当严格的工艺，因此该方法操作难度较大。

金属热喷涂也是涂层法中的一种，其原理是利用某种形式的热源将金属喷涂材料加热，使之形成熔融状态的微粒，这些微粒在动力的作用下以一定的速度冲击并沉附在基体表面上，形成具有一定特性的金属涂层。可用于金属喷涂的材料较多，如锌、不锈钢等。其中不锈钢涂层具有耐磨损及保护中期长的特点；锌涂层不仅具有覆盖、耐腐蚀作用，更重要的具有阴极保护功能。

3.2 镀层法

这种防腐蚀的方法也属于隔离防腐，主要用于海洋大气区、飞溅区和潮差区。多数海洋结构物的小的附属部件或连接部件采用此方法。

常用的防腐镀层有镀锌、镀铬等。

从实施工艺角度看，此方法可分为热浸镀法和电镀法两种。其中热浸镀工艺是将结构件经过酸洗钝化等表面处理后，整体浸入高温状态的镀层盐溶液槽中，进过一定时间的置换反应，构件表面形成设计厚度的金属保护层。而电镀工艺是采用外加电流进行电解置换的工艺。该方法适用于小型构件的防腐蚀处理。

3.3 阴极保护法

这种方法属于电化学防腐，分外加电流的阴极保护和牺牲阳极的阴极保护，前者主要应用的是高硅铸铁阳极材料，被保护物作为阴极，在外加电源的影响下，形成电位差进而阻止