无限风光在海洋——兼谈海上风电防腐蚀

2018-06-15 10:51:01 作者：张凯来源：腐蚀与防护分享至：

风是大自然馈赠给我们的礼物，人类对于风能的利用已经有数千年的历史了。现代社会随着科学技术的发展进步，风能作为一种清洁能源，越来越受到人们的关注。其中，风力发电是利用涡轮叶片将气体流动时所产生的机械能转变为电能，实现了人类对于风能的利用。由此可见，风力发电具有广阔的应用前景和开发价值。

我国幅员辽阔，位于亚洲东部，大陆地形复杂，东临太平洋，海岸线长，约有1800km，以及6000多个岛屿，根据中国气象科学研究院统计，中国可开发和利用的陆地上风能储量有2.53亿kW，海上可开发和利用的风能储量有7.5亿kW。风能资源非常丰富，对于风力发电，尤其是海上风力发电的开发和推广，潜力十分巨大。图1为海上风力发电设备。

海上风电场多数建在水深约10m的近海区域，相比于陆地风电场，海上风电场具有不局限于地形地貌，不占用土地，对周围影响小，风速高，风电机组单机容量大等优点。但是，由于机组部件常年在海上工作，不论大型部件还是小型精细零部件大多都需要用金属材料制造，恶劣的环境因素以及空气中盐离子的高含量，都会对海上风力发电机组钢结构、机械部件、电气部件、混凝土基础结构内外表面以及风轮叶片的外表面造成严重腐蚀，使材料失效，从而对风电设备的工作效率和使用寿命造成严重影响。每年，因为材料的腐蚀失效所造成的事故数不胜数，这也给国民经济造成了严重的影响，所以说解决海上风电设备的腐蚀问题具有重大的意义，防腐蚀工作刻不容缓！

图1. 海上风力发电设备

我国海上风力发电现状

中国风电产业从最初的高峰期到后来的低谷期，再到目前的新一轮整合期，由于风电平价上网时代的来临，对风机的要求越来越严格，成本压力也越来越大，以至于全国的整机商数量逐渐减少。在我国的“十二五”规划中，全国海上风电规划装机容量目标为500万kW，对于海上风电，很多企业只是处于观望阶段，仅仅建成了海上风电装机75万kW，与目标相差甚远。上海电气作为国内海上风电市场占有率最高的整机商，确立了在国内海上风电整机制造领域第一的位置。由于海洋环境与陆地环境的不同，海上风电与陆上风电有很大的区别，海上风电更要注重设备的可靠性和稳定性，其运营和维护成本也相应更高，由于我国发展较晚，更多的隐形成本问题还未浮出水面，这对我国未来海上风机产业是个不小的挑战。尤其是对于海上风电设备的维护成本更为重要，金属器件的腐蚀更是风机生产商头痛的问题。

海上风力发电设备的腐蚀

金属材料的腐蚀按机理可以分为化学腐蚀和电化学腐蚀。常年处于海上的风机湿度大，海风中所含盐分较高，绝大多数金属的腐蚀都属于电化学腐蚀。当含盐分的水汽粘附到风机设备上时，会在金属表面形成一个简单的原电池，阳极金属放出电子，形成了金属阳离子，并可以与氧结合形成氧化物（铁锈），从而对机组的钢铁金属部件造成严重的腐蚀。图2为腐蚀原电池原理图。

海上风电机根据所处环境的不同，对部件造成的腐蚀因素也不同。海上风电机组下部承托平台为钢筋混凝土结构，防腐蚀工作重在对钢筋锈蚀的保护；而海面以上的部分主要受到盐雾、海洋大气、浪花飞溅的腐蚀。

图2. 腐蚀原电池工作原理图

海上风电设备防腐蚀措施

由于海上工作条件和环境十分恶劣，对于单纯的钢铁金属肯定造成严重的腐蚀，所以对设备进行一定的防腐蚀处理措施能够保证风电机组在恶劣条件下能正常运行，并延长设备的使用寿命，提高工作效率。根据设备工作条件及使用方法的不同，对其采取的防腐蚀措施也不同，防腐蚀措施主要分为以下几种：

涂层防护

涂层防护是风电设备防腐蚀最主要的手段之一，在防腐蚀的基础上，还具有防冰冻，防虫害等一些其他优点。涂层的种类非常多，在使用涂层时，要充分结合设备工作条件，腐蚀环境等级，使用目的，来挑选适用涂层，以达到最佳防腐蚀效果。高压无气喷涂是最常用的涂覆涂层的手段，在涂覆时，要做好金属材料表面前处理，根据涂料的种类、稀释剂的种类及其粘度，正确调节喷涂气压和操作，保证涂层系统发挥最佳的性能。

风机的架塔作为支撑总体的结构，需使用大量的钢材，且要保证钢材的持续强度，腐蚀作为最大的敌人必须要消灭。使用防腐蚀涂层对架塔进行防腐蚀保护是目前运用最为广泛的保护措施，以环氧类和聚氨类的高分子有机物是目前典型的钢材防腐蚀涂料。

此外，风机的叶片、电气部件也运用了涂层防腐蚀，以保证风机正常运行。

气相缓蚀保护

风机的电气部件主要由一些精细金属构造而成，可能有的零件直接镀层存在困难，或者有的需要在涂层防腐蚀基础上更进一步防腐蚀，如何才能解决这一问题呢？气相缓蚀剂的发明很好地解决了这一点。

气相缓蚀剂（vapor phase inhibitor, 简称VPI），又叫挥发性缓蚀剂（volatile corrosion inhibitor, 简称VCI）或气相防锈剂。在常温下具有挥发性，只要在容器内加入少量气相缓蚀剂，它能够挥发释放出缓蚀分子或缓蚀基团，能使缓蚀成分吸附到金属表面，分子之间相互连接成键，在器件表面形成一层分子级别的保护膜，从而将金属与外界隔离开来，达到有效防腐蚀。即使是一些正在腐蚀的区域，缓蚀剂分子也能够改变腐蚀反应的进行，使反应停止。气相缓蚀剂具有很多优点，它不考虑材料的形状，只要气体能渗透的地方，缓蚀分子就能到达；气相缓蚀剂产品除能够防止电子元件的腐蚀外，对电子元件的电性能和电传导性能应无不良影响，而且对多种金属材料均应有很好的缓蚀作用；缓蚀分子易溶于水，即使处于液体中，也能在金属表面成膜防腐蚀，真正做到气液两用，适用性极强，是一种应大力推广的防腐蚀措施。气相缓蚀剂防腐蚀机理图如图3。

图3. 气相缓蚀剂防腐蚀机理

牺牲阳极阴极保护法

牺牲阳极的阴极保护法是将还原性较强的金属与需要被保护的金属相连构成原电池，还原性强的金属会作为电池的负极（即阳极）失去电子，发生氧化而被消耗掉，而电子则转移到正极（即阴极），与电解液中的离子相结合，从而保护了阴极的金属。示意图如图4。

图4. 牺牲阳极阴极保护法防腐机理

另外，根据海上风机各部分组件所处环境的不同，腐蚀可分为五个区域，海洋大气区、海水潮差区、浪花飞溅区、海水全浸区以及海泥区，其中由于浪花冲击的物理作用，尤其以浪花飞溅区的腐蚀最为严重。海上风电机组下部承托平台为钢筋混凝土结构，防腐蚀工作重在对钢筋锈蚀的保护；而海面以上的部分主要受到盐雾、海洋大气、浪花飞溅的腐蚀。目前采用的防腐蚀方法主要有：按不同区域和部位进行防腐蚀涂装；使用缓蚀剂，如采用气相缓蚀剂对机舱中电气元件的保护，采用钢筋阻锈剂保护海洋工程的钢筋混凝土基础结构；采用阴极保护和防腐蚀涂装技术联合对钢管桩进行保护；风机轮轴工作面采用防锈油进行腐蚀防护，非工作面采用如上涂层体系进行防护等。

总结

风能作为一种可再生、无污染、拥有广泛应用前景的新能源，风能的开发已经越来越受到重视，海上风机发电技术作为风能的一种有效的利用手段，更应该大力研发和推广，这对于解决目前全球资源短缺和环境保护等问题具有重大意义。

海上风电设备在恶劣的自然环境中运行，金属器件的防腐蚀工作对于风电机组的安全、经济运行具有重要的意义，根据不同环境条件，利用涂层技术、气相缓蚀剂技术、牺牲阳极阴极保护法等防腐蚀措施对金属进行防腐蚀保护，能够有效提高设备的安全性和稳定性，减少或避免工程事故的发生，对于资源的开发利用，环境的保护，以及我国的经济发展具有重大意义。

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责任编辑：韩鑫