海上风电塔筒防腐系统的选择与运用

任彦忠;王利民

【摘 要】通过电化学原理、热力学理论,将海上风电塔筒所处腐蚀环境进行细化分析,针对各个环境状态下的腐蚀机理,采取不同的腐蚀防护措施.在海洋大气区,采用涂料防腐；在浪花飞溅区和海水潮差区,采取包覆防腐；在海水全浸区,采用阴极保护方式进行防腐.同时,依据NORSOK M501和ISO 20340为涂装系统设定了性能要求.

【期刊名称】《风能》 【年(卷),期】2012(000)004 【总页数】3页(P72-74)

【关键词】海上风电;塔筒;防腐系统 【作 者】任彦忠;王利民

【作者单位】中广核风电有限公司,北京100070;中广核风电有限公司,北京100070

【正文语种】中 文 【中图分类】TM614 0 概述

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。风电设备主要由桨叶、风电机组及塔架组成，其中塔架是风电机组支撑结

构，是海上风电场的重要组成部分。塔架的类型主要有桁架式、管塔式等。目前广泛采用的是管塔式塔架，即通常所说的塔筒。管塔式塔架用钢板卷制焊接而成，具有结构紧凑、安全可靠、维护方便、外形美观等特点。但该塔筒也存在比较严重的腐蚀问题，尤其在海洋环境中，更是如此。

所谓海洋环境是指从海洋大气到海底泥浆这一范围内的任何一种物理状态，诸如温度、风速、日照、含氧量、盐度、PH 值以及流速等，一般可分成性质不同的几种类型：海洋大气区、浪溅区、水位变动区、全浸区以及泥下区，各种环境因素变化很大，对塔筒的腐蚀作用也有所不同，危害也不同，主要的影响因素有：阴、阳离子组成及含量、充气种类及其饱和度、生物活性影响、温度变化、海水流速、海域环境污染、PH 值的大小、海域的天然环境和变化等（具体见图1）。因此，只有对海上风电塔筒采取有针对性的腐蚀防护设计才能保证海上风电场的安全稳定运行。[1]

图1 海洋环境腐蚀倾向示意图

1 海洋环境下塔筒的腐蚀机理和对应的防护措施

海上风电塔筒的腐蚀防护措施主要有：增加腐蚀允量、电极防护、镀层、喷涂防腐蚀涂料等方法。与陆上风电不同的是，海上风电塔筒所处的“腐蚀环境”不同。需要从实际出发，深入了解海洋腐蚀的特殊性后，将海上风电塔筒所处腐蚀环境细化，并通过电化学原理、热力学理论，对应分析各个环境状态下的腐蚀机理，从而有针对性地选择腐蚀防护措施。[2] 1.1 海洋大气区：涂料防腐

海洋大气是指海面飞溅区以上的大气区和沿岸大气区，在此区域中主要含有水蒸气、氧气、氮气、二氧化碳、二氧化硫以及悬浮于其中的氯化盐、硫酸盐等，具有比普通大气湿度大、盐分高、温度高及干、湿循环效应明显等特点。由于海洋大气湿度很大，水蒸气在毛细管作用、吸附作用、化学凝结作用的影响下，附着在钢材表面

形成一层肉眼看不见的水膜，二氧化碳、二氧化硫和一些盐分溶解在水膜中，使之成为导电性很强的电解质溶液。此外，氯离子有穿透作用，它能加速钢材的点蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀。此区域的腐蚀防护措施主要为涂料防腐。[3]

由于海上石油平台与海上风电所处的腐蚀环境基本类似，都是ISO 12944界定的C5M海洋大气环境[4]，而且海上石油平台所选用的油漆系统经过二三十年海上的实际使用案例，证明了海上石油平台油漆体系防腐性能的可靠性，因此国外很多海上风电生产厂家已经采用海上石油平台的防腐涂层系统作为它们选择防腐油漆的重要参考，其标准依据也主要采用海上石油平台防腐涂料的现行标准。[5]

目前风电防腐蚀涂料市场中，丹麦的赫普( HEMPEL)塔筒涂料市场占有率最高。另外还有挪威的佐敦( JOT UN) 、荷兰的阿克苏诺贝尔( AKZO- NOBEL) 等。国内防腐蚀涂料在风电塔筒行业中占有率较低。涂料的类型主要是富锌涂料和聚氨酯涂料，具有较高的品质和耐久性，但海上风电苛刻的腐蚀环境，要求不断提高其综合性能以更好的满足海上风电防腐蚀的需要。在设计涂层方案时，需要综合考虑环境、施工和性能，优先选择施工方便，尽量选用可以使用普通涂装设备进行施工、耐海水性能优异、耐紫外线、抗粉化性能好、耐老化的涂层体系。必要时，可对塔筒外表面整体喷锌，但须对应优化富锌底漆的含锌量和涂装厚度，从而控制造价。[6] 1.2 浪花飞溅区、海水潮差区：包覆防腐

钢铁设施在海洋环境中的腐蚀很不均匀。据资料研究表明，在浪溅区干湿交替过程中，钢的阴极电流比在海水中的阴极电流大，因为在浪溅区钢表面锈层自身氧化剂的作用而使阴极电流变大。也就是说，浪溅区的钢在经过干燥过程以后，表面锈层在湿润过程中是作为一种强氧化剂在起作用，而在干燥过程中，由于氧化作用，锈层中的Fe2+ 又被氧化为Fe3+，上述过程的反复进行，使钢铁的腐蚀加速，使钢结构损伤严重。一般情况下，同一种钢，在浪花飞溅区的腐蚀速度可比海水全浸区

中高出3～10倍，浪溅区成为所有海洋环境中腐蚀最为严重的部位。一旦在这个区域发生严重的局部腐蚀破坏，会使整座钢结构设施大大降低承载力，缩短使用寿命，影响安全生产，甚至导致设施提前报废。[7]

在浪花飞溅区，如果采用通常使用的涂料防腐，在海水冲击下容易发生鼓泡和剥落，局部腐蚀十分严重。普通的阴极保护由于不能形成电流回路，在这个部位也不能发挥作用。复层包覆防蚀技术（PTC）则由于具有多种优势，如：优良的缓蚀剂成分及能隔绝氧气的密封技术，有效防护效果达30年以上；施工方便，表面处理简单，可带水作业；可适用于任何形状结构物；具有良好密闭性和抗冲击性能，质量轻，对结构物几乎无附加载荷；绿色环保，无毒无污染等，被广泛的应用于钢结构的浪花飞溅区防腐。

图2 三种海洋用钢在青岛海区的腐蚀规律 图3 PTC技术的结构构成示意图 图4 不同海洋带塔筒防腐保护技术路线 1.3 海水全浸区：牺牲阳极的阴极保护作用防腐

全浸区是指常年低潮线以下直至海底的区域，根据海水深度不同分为浅海区（低潮线以下20 m～30 m 以内）、大陆架全浸区（在30 m～200 m 水深区）、深海区（＞200 m 水深区）。三个区影响钢结构腐蚀的因素因水深影响而不同，在浅海区海水流速较大，存在近海化学和泥沙污染，氧气、二氧化碳处于饱和状态，生物活跃、水温较高，因而该区腐蚀以电化学和生物腐蚀为主，物理化学作用为次，在该区钢的腐蚀比大气区和潮差区的腐蚀要严重；在大陆架全浸区随着水的深度加深，含气量、水温及水流速度均下降，生物亦减少，钢腐蚀以电化学腐蚀为主，物理与化学作用为辅，次区域的腐蚀较浅海区轻；在深海区PH＜8.2，压力随水的深度增加，矿物盐溶解量下降，水流、温度充气均低，钢腐蚀以电化学腐蚀和应力腐蚀为主，化学腐蚀为次。在全浸区钢除了产生均匀腐蚀外还会产生局部腐蚀如孔

蚀。

目前国内的海上风电场主要位于浅海区，如何有效防范电化学和生物腐蚀，是近期需要着重解决的问题。通常可以采用阴极保护方式防腐保护，并依据《海上风电场钢结构防腐蚀技术标准》（NB/T 31006－2011），对海上风电场钢结构的腐蚀状况及防腐蚀效果的定期巡视检查和定期检测加以解决。除此之外，还可以通过在塔筒内配备盐雾过滤/除湿系统，提升塔筒防腐能力。 2 海上风电设备防腐涂层系统的性能测试要求

目前国内常用的耐腐蚀性能检测是中性盐雾试验，依据标准是ASTM B117，GB-1771（1991）等。但是盐雾实验属于静态实验，它只能定性的给出在连续盐雾条件下的腐蚀速率大小，但是并没有考虑涂料暴露于实际工况环境中的紫外线照射、干湿交替、温度变化等多种情况。众多国外学者验证，盐雾试验与材料在实际环境中服役的实验结果有很大差异。

海上风电设备所面临的腐蚀环境与海洋石油平台非常类似，因此海洋石油平台对于防腐涂料的测试标准和要求“NORSOK M－501”，对于海上风电的防腐同样具有良好的借鉴作用。NORSOK M-501（第五版）采用ISO 20340动态循环腐蚀实验标准来对C5－M 环境下的涂层系统进行性能测试。ISO 20340 的动态循环腐蚀实验考虑了温度的波动、紫外线照射，高盐度潮湿环境以及干湿交替，是目前全球最严格的防腐涂层性能测试方法及标准。该实验方法总共25 个周期、4200 小时，每个周期包括：72 小时紫外线的照射/干湿交替的动态循环实验条件、72 小时盐雾实验、24 小时－20 ℃的冰冻实验。更适用于海上风电塔筒防腐涂层的性能测试。 3 结论

本文从实际出发，在了解海洋腐蚀环境的特殊性后，将海上风电塔筒所处腐蚀环境细化，并通过电化学原理、热力学理论，对应分析各个环境状态下的腐蚀机理，从

而有针对性地选择腐蚀防护措施，并依据NORSOK－M501和ISO 20340 为涂装系统设定性能要求，NORSOK M－501 在海洋石油平台行业成功应用10 多年，说明通过了NORSOK M－501 测试认证的产品，性能更加卓越，对于海上风电设备的防腐更加有保证，其为海上风电设备的防腐系统选择提供了更为科学的理论判断依据。 参考文献

[1]单晓宇.海上风电发展不能忽视防腐技术[N].中国海洋报,2009-07-31. [2]侯保荣.海洋腐蚀环境理论及其应用[M].北京:科学出版社,1999. [3]杨惠凡,刘丛庆,张鹏,等.海上风电机组叶片表面涂层材料的研制.风能,2012(3):76-79.

[4]ISO 12944, Paints and varnishes-Corrosion protection of steel structures by protective paint systems.

[5]ISO 20340, Paints and varnishes-Performance requirements for protective paint systems for offshore and related structure. [6]MORSOK M-501, Surface preparation and protective coating. [7]柯伟,杨武.腐蚀科学技术的应用和失效案例[M].化学工业出版社,2006.