海上风电钢结构防腐及氟碳涂料应用
詹耀
表面涂饰
摘 要：分析海上风电机组所处的腐蚀环境，总结国内外进行防腐试验的方法及结论，提出相应的海上风电机组防腐技术方案和要求，并对氟碳涂料应用于海上风电机组进行探讨。
关键词：海上风电机组；腐蚀环境；防腐技术；氟碳涂料
0 引言
基于水能、风能、太阳能、生物质能、地热能和海洋能的可再生能源是能源体系的重要组成部分，可再生能源具有资源分布广、开发潜力大、环境影响小、可持续利用的特点，是有利于人与自然和谐发展的能源资源。当前，开发利用可再生能源已成为世界各国保障能源安全、加强环境保护、应对气候变化的重要措施。随着经济的发展，我国能源需求持续增长，能源资源和环境问题日益突出，加快开发利用可再生能源已成为我国应对日益严峻的能源和环境问题的必由之路。
“十二五”是我国全面建设小康社会的关键时期，是深化改革开放、加快转变经济发展方式的重要战略机遇期。为实现2015 年和 2020 年非化石能源分别占一次能源消费比重 11.4%和 15%的目标，加快能源结构调整，培育和打造战略性新兴产业，推进可再生能源产业持续健康发展，2012 年 7 月 9 日国务院发布了《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》。其中制定的风能产业规划为：加强风电装备研发，增强大型风电机组整机和控制系统设计能力，提高发电机、齿轮箱、叶片以及轴承、变流器等关键零部件开发能力，在风电运行控制、大规模并网、储能技术方面取得重大突破。建设东北、西北、华北北部和沿海地区的 8 大千万 kW 级风电基地。在内陆山地、河谷、湖泊等风能资源相对丰富的地区，发挥距离电力负荷中心近电网接入条件好的优势，因地制宜开发中小型风电项目，积极推动海上风电项目建设。
开发利用可再生能源既是我国当前调整能源结构、节能减排、合理控制能源消费总量的迫切需要，也是我国未来能源可持续利用和转变经济发展方式的必然选择。国家能源局也于 2012 年 8 月 6 日发布了《可再生能源发展“十二五”规划》(以下简称《规划》)，《规划》确定的可再生能源发展的基本原则是：市场机制与政策扶持相结合、集中开发与分散利用相结合、规模开发与产业升级相结合、国内发展与国际合作相结合。“十二五”时期可再生能源发展的总体目标是：到 2015年可再生能源年利用量达到4.78 亿 t 标准煤，其中商品化可再生能源年利用量达到 4亿 t 标准煤，在能源消费中的比重达到 9.5%以上。其中风电到 2015 年，累计并网风电装机达到 1 亿 kW，年发电量超过 1 900 亿 kW 时，其中海上风电装机达到 500 万 kW，基本形成完整的、具有国际竞争力的风电装备制造产业。
到 2020 年，累计并网风电装机达到 2 亿 kW，年发电量超过 3 900 亿 kW 时，其中海上风电装机达到 3 000 万 kW，风力发电成为电力系统结构的重要能源。
我国政府一直支持和鼓励包括风能在内的可再生能源的规模开发和利用，并出台多项政策进行支持。早期的风能开发主要集中在陆地上，目前陆地上的优质风资源开发已基本完成，其开发技术已经成熟，但是开发陆上风电资源由于受到土地资源、风能资源、噪声与环境以及远距电力负荷中心的并网条件限制等因素的制约越来越明显，因此海上风电的开发逐渐成为风电开发的新方向。依据我国权威研究机构的调查和数据分析，中国近海 10 m 水深以内海域的风能资源约 1 亿 kW，20 m水深以内海域的风能资源约 3 亿 kW，30 m 水深以内的海域风能资源约 4.9 亿kW，与陆上风能资源相比毫不逊色。中国拥有十分丰富的近海风能资源，我国海上风能的可开发量值大约是陆上风能的 3 倍，因而海上风能具有广阔的开发和应用前景。
海上风电的发展和建设代表着当今世界风电技术发展的最高水平，要求设备具有高可靠性、低成本、易安装、少维护等特点，市场规模和发展潜力巨大。然而在海洋风能的开发和利用过程中，会遇到许多与陆上风能开发不同的技术难题。由于海上风电场处于严酷的海洋大气环境中，不仅存在着高盐雾、高相对湿度等环境条件下的腐蚀问题，还会受到基础结构撞击的影响，如船舶靠泊、漂浮物的撞击等，也还遭受到各种海洋生物的影响，包括海洋动物、贝类、植物类等。海上风电场从风机的基础结构到塔筒，从叶片到机舱，从风电机组各类机械零部件到电气元器件，这些都要面对海洋腐蚀环境的考验，有些腐蚀因素甚至是致命的隐患，这就极大地影响到海上风电机组的安全运行和使用寿命，因此海上风电场的建设对风电机组的防腐技术提出了更高的要求。本文正是针对海上风电机组的钢结构及环境特点提出了相应的防腐技术方案，并对海上风电应用氟碳涂料进行了分析和展望，其目的是为了促进海上风电机组防腐蚀等关键技术的应用和突破，从而推动海洋风能的开发和利用。
1 海上风电场的腐蚀环境分析
沿海地区及近海的空气中含有大量随海水蒸发的盐分，其溶于小水滴中便形成了浓度很高的盐雾。海上风电机组处在海洋环境气候下，盐雾悬浮在空气中含有氯化钠(NaCl)的微细液滴的弥散系统是海洋性大气运动显著特点，加之高湿热气候及频繁的海风和海浪加剧了盐雾的扩散。在含盐浓度高的海边，其沉积率也很大，高浓度的盐雾自然成为氯离子溶液的载体。陆上盐雾沉降量一般小于0.8 mg/(m2·d)，海上则高达 12.3~60.0 mg/(m2·d)，为陆上的 20~80 倍，高盐雾浓度下金属的腐蚀速率非常高。盐雾腐蚀不仅能腐蚀破坏海上风电机组的基础结构，而且造成海上风电机组的螺栓等紧固连接件强度降低、叶片气动性能下降、电气部件触点接触不良，风电机组传动系统、叶片、电气控制系统故障率大大增加，从而引起风电机组停机，更严重的有可能引起风电机组倒塌等安全事故。
在海洋环境下不同的区域有不同的腐蚀影响因素，对于海上风电钢结构按照水位变动情况来划分不同的腐蚀控制区域。海上风电机组结构主要由水下基础、塔筒、机舱、轮毂和叶片这几部分组成，海上风电场的风塔及基础结构所处海洋腐蚀环境按照水位的变动情况可以分成五个区域：海洋大气区、飞溅区、潮差区、全浸区和海泥区(见表 1)。按照 ISO 12944－2(环境分类)，海洋大气区处于C5－M 的海洋大气腐蚀环境，飞溅区、潮差区和全浸区与海水接触，处于 Im2 的海水腐蚀环境之下。
对于海洋环境下钢结构腐蚀，无论是海洋环境下长钢尺挂片试验，还是在实际生产实践应用中，都具有很强的规律性。图 1 和图 2 是金属和钢桩在海洋环境中的腐蚀状况及分区示意图。
海上风电钢铁结构的腐蚀在海洋大气环境下与内陆大气环境下有着腐蚀因素和腐蚀速率的不同。对于暴露在海洋大气环境中的金属部分，因海洋大气环境中相对湿度大、盐分高，腐蚀介质长期积累后附着在钢铁表面形成导电良好的液态水膜电介质，同时由于钢结构成分中有少量碳原子的存在，极易形成无数个原电池，这是电化学腐蚀的有利条件，从而使金属物体产生腐蚀而生锈，导致其材料的结构和性能出现变化而破坏。经相关研究和试验证明，海洋大气环境比内陆大气环境对钢铁的腐蚀程度高4~5 倍。
海洋飞溅区的腐蚀，除了海盐含量、相对湿度、温度等海洋大气环境中的腐蚀影响因素外，还要受到海浪飞溅的影响，在飞溅区的下部还要受到海水短时间的浸泡。飞溅区的海盐粒子含量要大大高于海洋大气区，由于海水浸润时间长，干湿交替频繁，碳钢在飞溅区的腐蚀速率要远大于其他区域。在飞溅区，碳钢会出现一个腐蚀峰值，在不同地区的海域，其腐蚀峰值也就在平均高潮位的距离有所不同。腐蚀最严重的部位是在平均高潮位以上的飞溅区，在这一区域，由于含氧量比其他区域高，氧元素的去极化作用促进了碳钢的腐蚀，与此同时，飞溅的浪花冲击也有力地破坏了碳钢表面的保护膜或覆盖层，所以钢表面的保护层在这一区域剥落更快，造成局部腐蚀十分严重，从而促使腐蚀速率加大。
从平均高潮位到平均低潮位的区域称为潮差区，在潮差区的钢铁表面经常会与含有饱和氧气的海水接触，由于海洋潮差变化的原因而使钢铁腐蚀加剧，在有浮游物体和冬季流冰的海域，潮差区的钢铁还会受到撞击。
全浸区的钢结构全浸于海水中，如风塔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、海水流速、盐度、污染物和海生物等因素的影响，由于钢铁在海水中的腐蚀反应受到氧的氧化还原反应所控制，所以溶解氧对钢铁的腐蚀起到主导作用。在位于平均低潮位以下附近的海水全浸区，其风塔钢桩在海水起伏这一潮间带出现腐蚀最低值，其值甚至小于在海水全浸区和海底土壤的腐蚀率。这是因为风塔钢桩在这一潮差带的海洋环境中，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，而且相互彼此构成一个回路，由此构成一个氧浓差腐蚀电池，在这一腐蚀电池中，富氧区为阴极，相对缺氧区为阳极，总的来说在这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、化学性质和生物特性随着海域和海水深度的不同而不同。海泥区实际上是饱和的海水土壤，它是一种比较复杂的腐蚀环境，既有土壤的腐蚀特点，又有海水的腐蚀特性。海泥区含盐度高、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。海泥区含有硫酸盐还原菌，会在缺氧的环境下生长繁殖，会对埋入海泥区的钢铁造成比较严重的腐蚀。
海生物的污损，如苔藓虫、石灰虫、藤壶和海藻等，对碳钢的腐蚀影响较大。虽然碳钢表面的污损海生物能阻碍氧分子向腐蚀表面扩散，能对碳钢的腐蚀有一定的保护作用，但是由于污损层的不渗透性和外污损层中嗜氧菌的呼吸作用，使碳钢表面形成缺氧环境，有利于硫酸盐还原菌的生长，从而促使碳钢产生腐蚀。
2 海上风电钢结构防腐涂层设计和应用
根据实验室的防腐涂层测试、海上挂片试验，以及海上平台成熟的防腐涂层方案，提出海上风电钢结构防腐涂层设计基本原则：底漆对基层材料的附着力和防锈能力要强，并具有阴极保护功能；中间漆对底漆和面漆的层间附着力必须牢固，并有较好的屏蔽作用，以便有效地阻止氧、水汽及其腐蚀介质的渗入；面漆必须具有很好的耐候性，耐老化性和耐腐蚀性能，并具有一定的耐沾污性，从而降低维护频率。对于海上风电机组，推荐的防腐涂层系统见表 2。
在 ISO 12944 标准中 C5－M 海洋环境下的总干膜厚度要求为 320 μm 是基于 15 a 的防腐防护寿命，而要达到海上风电机组 25 a 以上不对防腐涂层进行维修的要求，就需要采用更好的涂层系统以及更高的漆膜厚度。在国外海上风电机组的防腐应用经验是干膜厚度达到 800 μm 左右，如果采用金属热喷涂层加上有机复合涂层的防腐方案，也是最佳的防腐方案。
对于处在海洋大气环境中的钢结构件，如塔筒外壁，可以采用常用的防腐涂料体系，中间漆采用环氧云铁漆，即环氧富锌底漆+环氧云铁漆+脂肪族聚氨酯面漆的三层复合防腐涂层系统；若中间漆采用玻璃鳞片涂料时，注意底漆不能太厚，面漆也可采用耐久性更好的聚硅氧烷涂料。若底漆采用金属热喷涂体系时，可以得到更为长效的防腐效果，但是其喷涂施工工艺和涂装成本更高。塔筒内壁由于不接触到外界的阳光直射，耐光老化性相对外壁要弱，可以不采用保色保光性优良的脂肪族聚氨酯面漆或聚硅氧烷面漆。
对于塔筒基础平台，由于可能受到海浪的冲刷，因此采用飞溅区相同的无溶剂环氧漆或环氧玻璃鳞片涂层的方案。塔筒外的梯子，由于是管状及不规则钢结构，底层采用热浸锌方法，可以很好地防护盐雾等的渗透腐蚀，外面再加上复合涂层结构，能进一步提高其防腐性和耐磨性。
塔筒的桩基基础部分处在潮差区和飞溅区是防腐的重点区域，采用环氧玻璃鳞片涂料或者无溶剂环氧涂料，干膜厚度在1 500 μm 左右，玻璃鳞片涂料在控制漆膜下的腐蚀蔓延稍差一些，但是可以采用具有良好阴极保护作用的环氧富锌底漆作为底涂层。根据海上平台的防腐应用经验，完全可以达到 25 a 以上的防腐防护寿命。
对于深入海泥区的基础钢结构，可以不考虑涂装防腐涂层，只依靠阴极保护措施或者两者相组合的防腐方法，但涂层厚度在 500 μm 左右，设计上不用太厚。这种阴极保护方法属于电化学防腐，分为外加电流的阴极保护和牺牲阳极的阴极保护，前者主要用高硅铸铁作为阳极材料，被保护的钢铁作为阴极，在外加电流的影响下，形成电位差进而阻止腐蚀；后者主要用锌、铝等活性比铁高的阳极材料，焊接在钢铁结构物上，形成原电池而阻止腐蚀。这两种方法都需要由腐蚀介质做为原电池导电回路，因此适用于海水区、海泥区的钢结构材质防腐。
3 氟碳涂料应用于海上风电钢结构的前景及展望
我国海洋风电产业发展迅速，但是考虑到我国海上风电场所处环境的复杂性、多样性以及腐蚀的严重性，海上风电由于易受到湿热、盐雾侵蚀及海浪的冲击，导致海上风电设备寿命的缩短和腐蚀的加剧，因此提高海上风电设备的防腐等级和技术的提升成为当务之急，这也为具有超长的耐候性、极佳的防腐性、优异的耐沾污性的氟碳涂料提供了用武之地，也使氟碳涂料在未来的海上风电市场上具有竞争优势和应用潜力。
氟碳涂料因其超强的耐候性和耐沾污性能而被称为“涂料之王”，经过近几十年的研究发展和应用，已经成为工业和建筑防腐领域的首选，并且氟碳涂料大量应用于国家重点工程，如奥运会的“鸟巢”、青藏铁路、杭州湾跨海大桥等，尤其在耐候性要求高的防腐环境和领域得到大量应用。正是因为氟碳涂料具有优异的耐候性、耐擦试性、耐沾污性、憎油、憎水等性能，其应用于海上风电市场，可极大地提高风电设备的耐候性、防腐蚀等性能，更好地延长对风电设备的保护年限，减少海上风电场的运营和维护成本，为氟碳涂料进入海上风电设备市场提供了技术支撑。
广东明阳风电开创了国内应用氟碳涂料于海上风电设备的先河，首次将氟碳涂料设计应用于 EPC 工程项目的粤电湛江徐闻外罗海上风电场，设计的海上风电机组塔筒外表面的涂层系统为：电弧喷锌/铝合金 120~150 μm+环氧封闭漆 20 μm+环氧(云铁)厚浆漆 180 μm+丙烯酸聚氨酯面漆 40 μm+氟碳涂料 40 μm，涂层干膜总厚度为00~450 μm，从初期的涂装和检测效果来看效果十分显著。
随着时间的推移和海上风电大力开发及发展，高性能氟碳涂料也将进入一个推广应用的时期，其优异防腐性能也将获得市场的认同，相对于目前风电设备所广泛使用的聚氨酯防腐涂层体系，氟碳涂料体系无疑将成为升级产品。
4 结语
海上风电继陆上风电、沿海海岸风电和潮间带风电后迅速发展起来，在海洋环境影响下对海上风电钢结构的防腐技术提出了更新更高的要求。尽管在其相似领域已经有了许多成功的重防腐应用经验，但是海上风电机组毕竟有其独特的结构和防腐要求。对于海上风电的防腐防护，不仅在防腐方案设计和防腐系统选择上，更重要的是在实际防腐施工和防腐质量监控方面下大力气，同时关注高性能的氟碳涂料的应用前景，并在海上风电相关领域进行推广应用。应该意识到：对于海上风电来说，如果防腐技术和问题没有得到处理，一方面由于腐蚀引起风电机组故障频发从而影响到机组的发电运转效率，另一方面甚至造成风电机组发生大面积故障甚至被迫拆除，国处有许多这方面的经验教训。应该加快海上风电机组的防腐技术研究和应用，在海上风电行业高速发展的同时，海上风电钢结构的防腐技术应用和研究也将成为一个全新的领域。
参考文献略
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