海上风电设备的防腐蚀研究与应用

中国三峡新能源（集团）股份有限公司江苏分公司 唐伟

1 引言

当前，我国海洋开采、海洋工程、海上能源等新兴海洋产业正快速发展。海上风电比陆地环境更复杂，海洋环境大气区高湿度、海水飞溅等环境特征，为海上风电设备防腐蚀带来严峻的挑战。海水腐蚀不仅会将机组运营的寿命缩短，使海上风电产生极大的安全隐患，还会增加海上风电设备建设的相关投资及运营维护成本[1]。所以，海上风电设备防腐蚀措施是海上风电场设计的关键环节之一。当前大部分的海洋工程结构处在一种裸露或是缺少保护的状态下，海洋工程的结构安全因腐蚀带来严重损失。对海洋工程设备的安全性及耐用性的保障是减少重大灾害性事件，延长设备使用寿命的重要措施，而这也成为我国海洋经济发展的关键问题。

2 海上风电设备的腐蚀环境

2.1 海洋环境

伴随环境恶化、气候变暖、化石能源日益枯竭等问题的出现，清洁能源发展显得极为重要。我国有着非常丰富的风资源，风电是当前技术具有规模化、商业化发展的新能源。2017～2021年中国海陆风电机组新增平均单机容量如表1所示。2020年中国风电装机新增20401 台，容量5443 万kW，同比增长为105.1%。装机累计超过15 万台，容量超过了2.9亿kW，同比增长达到23%。

表1 中国海陆风电机组新增平均单机容量（单位：MW)

结合表1可知，陆上与海上风电机组新增平均单机容量两者均表现出逐年增长的趋势。相比陆上新增平均单机容量，海上新增平均单机容量表现出了较为明显的增长趋势。

研究分析2021年海上不同单机容量机组新增装机容量占比情况，其中单机容量机组6.0～6.9MW占比最高，为45.9%。5.0～5.9MW容量占比为22.5%。4.0～4.9MW 容量占比为19.2%。其他容量占比较小。

2021年海上不同单机容量机组新增装机容量占比如图1所示。

图1 2021年海上不同单机容量机组新增装机容量占比

海上风电处在一种较为恶劣的海洋环境中，不仅有高盐雾、高湿度等腐蚀问题存在，还会发生物理性碰撞的损伤性问题，例如浮冰、漂浮物等撞击，船舶停靠等。海上的风电场基础结构，机舱、塔筒以及各种零部件、叶片等都面临较为严重的腐蚀问题。

当前我国海上发电已经向着深远海风电发展，并且向大规模、连片化趋势发展。《十四五可再生能源发展规划》中提出，要将深远海上风电规划开展，将深远海上风电的开发建设及管理完善，促进深远海上风电技术的创新及示范应用[2]。深远海域海上风电的钢结构表面处于一种较强的冲刷、侵蚀的状态下，致使钢结构的表面加剧腐蚀，对相关的防腐蚀技术要求更高。

2.2 海洋大气区

相比内陆大气区而言，海洋大气区具有更大的湿度及高盐分，容易致使钢铁表面逐渐形成一层具备良好导电性的液态电介质膜，并且钢铁机构中还会有少量碳原子存在，形成原电池，发生电化学腐蚀现象。根据相关研究可知，海洋大气环境与内陆大气环境相比，其腐蚀钢铁构件的程度要高出4～5倍。

2.3 海水浪溅区

海上风电设备除了受到海洋大气环境的影响之外，海浪飞溅区域的钢铁在频繁的干湿交替环境中工作，所受腐蚀的程度相比其他区域更加明显。在高潮位线以上，会出现一个腐蚀度的峰值。在不同海域，其峰值与高潮位线的距离也会有所差异[3]。高潮位线以上的海水浪溅区也是最为严重的腐蚀区域，主要是因为在此区域中盐含量非常充分，并且含氧量最高，同时氧元素去极化作用也会增加腐蚀钢铁的程度。除此之外，海浪飞溅具有较大的冲击强度，对钢铁表面保护膜造成较为严重的破坏，致使冲击的局部表现出更严重的腐蚀问题。

3 海上风电设备防腐蚀结构设计

3.1 外表面的选择及结构设计

海上风电设备的表面暴露在外，与海水直接接触。例如海上风电基础设施护栏、海缆护管等，所以此类部件可以利用涂层或是热镀锌的方法进行加强防护。同时选择含碱量较小、干缩性较小、水化热较低、抗渗透性较好、抗腐蚀性能较好、抗冻性较好的材料，对于保护层的厚度要合理控制，并且通过做好防冻措施、使用超疏水涂层等方式实现对裂缝的防护，保证高品质施工质量。

3.2 柜体类设计

柜体类主要涉及机舱、轮毂等部分，而此类设备的主要结构及机械部件包括轴承、齿轮、联轴器等，其中主轴的连接面属于机加工面，不需要进行保护，所暴露的结构部件及位置可使用涂层防腐的方式。联轴器属于特殊的高弹性材料，在表面不能进行相应的防腐蚀防护，可以利用预留腐蚀裕量法进行解决。齿轮箱、轴承内部将防腐润滑油进行填充，进而起到保护作用，而外部同结构部件的防腐蚀措施是相同的。

3.3 防电偶腐蚀设计

电气部件主要包含变压器、发电机、驱动电机、控制柜等。发电机所使用的常规密闭冷却的散热系统，其内部不需要进行防腐，仅需要同结构部件相同措施即可。海上风机箱式的变压器主要是通过直接的空气冷却的方式进行散热，利用浇注绝缘树脂对变压器的铁心起到防腐蚀的作用。控制柜以及各类的驱动电机散热量较小，所以可以利用空气隔绝的方式实现整体防腐蚀效果。

4 海上风电设备腐蚀防护对策

4.1 风机水下基础的腐蚀防护

海上风电的水下基础多是钢结构，海上的风电设备需做好良好的腐蚀防护。

近年来，由于高桩承台混凝土结构出现腐蚀事故的增长，其受到了业内广泛的关注及重视。主要危险因素是，一方面有明显的破坏性肿胀出现，钢筋混凝土当中有Cl-的侵入，产生含铁氯盐，致使钢筋混凝土中生成不稳定的产物——水化氯铝酸钙（3CaO·Al2O3·CaCl2·H2O），导致混凝土增加超过两倍的体积。另一方面有明显的电化学腐蚀产生，在钢筋表面发生Cl-渗透的情况下，其局部碱性保护膜遭到了破坏，钢筋呈现一种活化态[4]。在充分的氧气及水的作用条件下，钢筋活化表面呈阳极，未活化表面呈阴极，电化学腐蚀产生，致使钢筋的表现出现腐蚀坑。

当前，较为常见的防腐蚀措施是使用涂料，或是增添缓蚀剂、阴极保护技术等。利用高性能缓蚀剂的添加，能够改善混凝土抵抗海水当中Cl-渗透性能以及抗碳化性、抗裂性等功能。

4.2 塔筒钢结构的腐蚀防护

在海洋大气区，塔筒钢结构的防腐措施采用涂料防护，并且是具备良好耐候性的面漆。依据海上风电钢结构的防腐蚀标准，海洋大气区的涂层干膜整体厚度≥320μm，底层是有机富锌漆或是无机富锌漆，干膜的厚度≥60μm；中间层属于环氧类，干膜的厚度≥160μm；面层可以选择丙烯酸树脂类、氟树脂类、聚氨酯类，干膜的厚度≥100μm。

利用扫描镜、电化学抗阻仪、光泽度仪、表面接触角测量仪等，在海浪飞溅区及大气区环境中对纳米改性聚氨酯涂料耐腐蚀性及抗老化性进行研究，针对纳米氧化锌浆改进聚氨酯涂料性能的作用进行了分析，采用适量纳米浆可以将聚氨酯涂料综合使防腐蚀及抗老化性能提升。

4.3 风机机舱的腐蚀防护

风机机舱以及轮毂的内部为风机关键部件，主要包含机械部件、结构件、电气部件等多种专业部件，主要通过整体防护措施以及重点防护关键零部件的方式。

将风机基层以及轮毂同外界相隔离，外壳主要利用玻璃钢的材料，进而实现防腐蚀的目的。外壳设计为一个较大限度的密闭空间，同时电机风冷设备给发电机、变压器等设备油温降温，将风机的机舱以及轮毂中的不同零部件的防腐蚀要求降低，进而实现整体防腐蚀的目的。

4.4 风机叶片的腐蚀防护

风机的叶片大部分是聚酯树脂，基体材料为环氧树脂以及玻璃纤维增强复合材料，具备较强的耐腐蚀性。

在海上环境潮湿的空气中，风机叶片的表面比较容易聚集盐分，这会对风机转化能量的效率造成较大的影响，并且还会出现腐蚀问题[5]。现阶段，海上风机叶片进行防腐蚀的主要措施是利用涂层技术，涂层干膜的厚度要求达到335μm。

风机的叶片还面临防污、防覆冰等问题。所以，需要开发具备综合性的、多功能的防腐蚀技术。超疏水涂层技术就是依据在超疏水的表面上水滴可以自由滚动的现象，提出的一种处理金属表面的方法。超疏水涂层具备良好的自清洁性，即便是角度较小水滴也可轻易地从表面滚下，且将污染物带走，进而实现良好的抗污性及自洁性。

超疏水涂层具备良好的防冰雾性，因为超疏水集体空隙与水滴间会有空气夹杂，水滴在其表面附着力非常小，水滴不易直流，并且具备显著的延缓结冰的作用，在低温条件下其会表现出良好的除冰防雾性能。所以，作为新的防腐蚀技术，超疏水涂层技术可以同时具有防污染、防覆冰等性能，可以更加全面地对风机叶片起到防腐蚀的作用[6]。

5 结语

目前，大部分海洋工程会处于暴露的状态或是缺乏防护的状态，这对海洋工程发展的威胁极大，并且腐蚀造成的损失非常大。提升海洋工程设备的安全性和耐久性，是减少灾难性事件发生以及提升设备使用寿命的关键点，也是海洋经济及工程发展的重点。因此，本文主要围绕海上风电设备防腐蚀措施展开研究，针对其中的关键点提出相应的建议，以期通过本研究的开展，为海洋工程的发展起到积极的推动作用，也希望为相关理论的补充起到重要作用。