高宏飆，諸浩君，錢正宏，王毅，劉碧燕，王彥民

（1.江蘇海上龍源風力發(fā)電有限公司，江蘇 南通 226007；2.上海東海風力發(fā)電有限公司，上海 200433；3.中央制塑（天津）有限公司，天津 300384）

0 引言

風力發(fā)電作為清潔能源的一種方式受到人們的青睞。2011年初，中國以4×107kW風電裝機總量超過美國躍居世界第一[1]。與陸上風電相比，海上風電因功率密度大、湍流小、距離負荷中心近、可利用小時數(shù)高等獨特優(yōu)點，在我國沿海地區(qū)的可再生能源建設(shè)中占有的比重逐步增加。近年來，國內(nèi)已經(jīng)相繼完成渤海綏中近海試驗項目、江蘇響水近海試驗項目、中閩湘電5MW海上樣機工程等多個試驗風場以及上海東海大橋100MW海上風電示范項目的建設(shè)工作[2]。按照國家發(fā)改委《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》要求，到2015年，累計并網(wǎng)風電裝機達到1億kW，年發(fā)電量超過1900億kW·h，其中海上風電裝機達到500萬kW；到2020年，累計并網(wǎng)風電裝機達到2億kW，年發(fā)電量超過3900億kW·h，其中海上風電裝機達到3000萬kW；屆時風電將成為我國電力系統(tǒng)的主要電力來源。

海上風電機組建設(shè)技術(shù)難度大，且施工和維護成本高，與陸上風電機組的主要差別就在于風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的不同。海上風機基礎(chǔ)除了受到海上強風載荷、海上浮冰撞擊荷載以及波浪沖擊等海洋環(huán)境載荷作用外，還要承受風機運行過程中產(chǎn)生的動力荷載作用，更為重要的是風機基礎(chǔ)還應(yīng)考慮風機構(gòu)件所受到的應(yīng)力與腐蝕以及疲勞與腐蝕的共同作用[2-3]。因此，海上風電機組的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與陸上風機相比，不僅在結(jié)構(gòu)荷載能力上要有所加強，而且還需要對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行可靠的防腐保護，以避免因基礎(chǔ)腐蝕所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞。

常見的海上風機基礎(chǔ)有單樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、高樁承臺基礎(chǔ)和重力式基礎(chǔ)等，其中絕大多數(shù)樁基采用鋼結(jié)構(gòu)，因此海上風電建設(shè)不可避免的問題就是鋼材的海洋腐蝕。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2010年9月竣工投產(chǎn)的南通如東風電項目中，風機單樁式鋼管樁基礎(chǔ)已出現(xiàn)海生物附著和涂層大面積脫落的現(xiàn)象，且部分鋼樁已發(fā)生腐蝕，大多數(shù)集中發(fā)生在潮差區(qū)和浪濺區(qū)。

1 海上風機基礎(chǔ)浪濺區(qū)的腐蝕與防護

海水中富含有大量的氯化物和硫酸鹽，具有較高的導(dǎo)電性，且表層海水被溶解氧所飽和，使得絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)金屬材料在海水中都會發(fā)生氧去極化腐蝕[4]。

海上風機常年聳立于海洋環(huán)境中，由于樁基基礎(chǔ)材料成分的不均勻性、表面應(yīng)力應(yīng)變的不均勻性以及表面存在的晶格缺陷等原因，加之環(huán)境介質(zhì)中溶解氧、鹽離子含量及溫度等參數(shù)的不均勻性，導(dǎo)致金屬/海水界面上電極電位的不均勻分布，為金屬的腐蝕提供了熱力學(xué)上的必要條件[5]。

鋼結(jié)構(gòu)在海水中的腐蝕可分為大氣區(qū)、浪濺區(qū)、水位變動區(qū)、水下區(qū)和泥下區(qū)5個不同的腐蝕區(qū)域[6]。其中，位于平均海潮位以上的浪花飛濺區(qū)是海洋環(huán)境中鋼鐵腐蝕最嚴重的部位，單面平均腐蝕速度一般為0.3～0.5mm/a，遠高于其他區(qū)域，局部腐蝕更為嚴重。這是由于處于該區(qū)域的鋼材長期處于干濕交替狀態(tài)，不斷經(jīng)受海浪及浪花飛沫的沖擊和濕潤，海水及溶解氧的供給充足，鹽分不斷在金屬表面濃縮，導(dǎo)致其發(fā)生嚴重腐蝕。該區(qū)域也是海上風機鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)發(fā)生腐蝕的主要區(qū)域。

我國對于海上風機基礎(chǔ)浪濺區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的防腐主要采用增加腐蝕裕量、重裝防腐涂料與陰極保護聯(lián)合以及復(fù)層包覆防腐技術(shù)3種手段。

1）增加腐蝕裕量法對均勻腐蝕的預(yù)防效果明顯，但對局部腐蝕作用相對較小。另外，該方法大大增加了材料成本和施工難度。在發(fā)達國家已逐漸不再作為防腐對策，但在我國海工鋼結(jié)構(gòu)的防腐領(lǐng)域仍是廣泛使用的手段。

2）重裝防腐涂料加陰極保護聯(lián)合保護法一直作為海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐的傳統(tǒng)方法，在港口碼頭鋼管樁的防腐領(lǐng)域已有將近20 a的應(yīng)用，但該手段對于浪濺區(qū)的防腐效果有限，特別是在涂層發(fā)生損壞之后。這是由于海水飛沫、海浪沖擊、干濕交替以及冰凌沖擊等因素易對鋼結(jié)構(gòu)表面涂層造成破壞，涂層一旦發(fā)生破壞便難以獲得長久的修復(fù)效果。潮汐作用導(dǎo)致的水位變動，使得電化學(xué)保護在該區(qū)域無法長期形成有效電流回路，電化學(xué)保護效率低。在平均中潮位和平均低潮位之間，電化學(xué)保護約有70%的保護效率，在中潮位附近，約有50%的保護效率，而在平均中潮位和平均高潮位之間，電化學(xué)保護則因海水浸泡率太低，而無法發(fā)揮陰極保護的作用[7]。

3）復(fù)層包覆防腐技術(shù)主要用于解決海洋鋼結(jié)構(gòu)浪濺區(qū)及潮差區(qū)的防腐修復(fù)問題。應(yīng)用較為廣泛的主要有STAC復(fù)層包覆防護技術(shù)、PTC礦脂防腐帶冷包纏技術(shù)以及Denso新型包覆防蝕技術(shù)。

2 海上風機單樁基礎(chǔ)浪濺區(qū)包覆防腐的特殊性

海上風機單樁基礎(chǔ)是采用單根大直徑鋼管樁作為風機的支撐基礎(chǔ)，以承受風載荷、風機載荷、波浪載荷及載荷組合方式相互作用的多方面載荷[8]。海上風機單樁式大直徑鋼管樁的特征會為鋼管樁防腐包覆海上施工帶來巨大的難度，為了避免大面積外包覆層自重過大而難以安裝，需要對鋼樁的外包覆層進行量體裁衣式的裁剪設(shè)計，即將大面積的外包覆層裁剪成便于施工的小面積包覆層。這不僅要求設(shè)計環(huán)節(jié)具有極高的準確度，而且還要求施工環(huán)節(jié)嚴格按照設(shè)計要求進行安裝，確保小面積包覆層的各連接部位具有良好的密閉性，以保證復(fù)合包覆層的耐蝕效果。此外，由于在海上施工，對于大直徑鋼管樁的包覆還需特別制作吊籃、腳手架等施工保障設(shè)備，一方面可以提高施工效率，另一方面能夠在海洋復(fù)雜施工環(huán)境下確保施工人員的生命安全。

海上風機鋼管樁基礎(chǔ)經(jīng)常停靠工作船舶，還會受海上浮冰和波浪沖擊等外力作用，因此要求鋼管樁的防腐層具有抗沖擊性、耐磨性以及良好的韌性。而常規(guī)的有機防腐涂層在固化之后，即具有很高的脆性，當受到較大的外力沖擊時，便會導(dǎo)致鋼管樁表面涂層的開裂、脫落。一旦位于浪濺區(qū)和潮差區(qū)的防腐涂層出現(xiàn)破損，采用傳統(tǒng)的涂料進行修復(fù)，不僅施工難度大，而且很難獲得長效的修復(fù)效果。因此，復(fù)層包覆防腐系統(tǒng)的外層材料應(yīng)具有拉伸強度高、韌性好、抗沖擊強度高的特點。

3 STAC復(fù)層包覆防護技術(shù)

STAC復(fù)層包覆防腐系統(tǒng)主要由STAC底漆、STAC膩子、STAC礦脂油帶以及STAC夾克組成。其中，STAC礦脂油帶是由憎水的礦脂和纖維組成，能在金屬表面形成一層厚厚的油膜，完全隔離腐蝕介質(zhì)，使回路電阻趨于無窮大，從而起到抑制金屬腐蝕的作用。STAC新型復(fù)合包覆防護技術(shù)不僅可用在海洋環(huán)境中的各種鋼鐵和鋼筋混凝土設(shè)施，如跨海大橋、鉆井平臺和港口碼頭，而且也可用于各種腐蝕環(huán)境下的管線保護。該項技術(shù)在美國、英國、土耳其、馬來西亞、印尼、日本、新加坡等沿海國家已有廣泛應(yīng)用，部分工程的服役年限已超過30 a。

STAC底漆以惰性礦脂、緩蝕劑和填料等成分組成，具有憎水的性能，能夠去除金屬表面的水汽，鈍化金屬表面氧化物，保證STAC油帶與底材之間的良好粘合。

STAC膩子以惰性礦脂、填料、增強短纖維組成的混合物，填充在鋼樁表面的凹陷部位，便于纏繞油帶隔絕水汽，防止腐蝕介質(zhì)在該部位積聚而導(dǎo)致基體腐蝕。

STAC礦脂油帶以飽和的惰性礦脂為主要成分，具有長期耐酸、耐堿、耐各類鹽的防腐性能，適用于各類腐蝕環(huán)境，具有不固化、不硬化、不開裂的特點，使STAC系統(tǒng)能適應(yīng)工件的熱脹冷縮，杜絕了有機涂層老化后易發(fā)生脫落的現(xiàn)象，能長久的為金屬提供防腐密封保護。可直接在水中施工，操作簡單、方便、安全、可靠、經(jīng)久耐用。

STAC夾克是由經(jīng)過特殊加工的抗紫外線高密度聚乙烯（簡稱HDPE，下同）材料制成，具有抗紫外線、拉伸強度高、韌性好、抗沖擊機械強度高的特點，能抵抗如船舶、浮冰等外力沖擊。夾克緊固件采用海洋船舶專用的SS316L不銹鋼螺絲、螺母及墊片，用力箍緊后，STAC夾克可使礦脂油帶緊密地粘附于管樁基礎(chǔ)表面，在外保護層、礦脂油帶及風機管樁基礎(chǔ)之間形成良好的密閉性，以防止在海水壓力、海浪和潮汐漲退沖擊下的海水滲入。

4 STAC包覆技術(shù)海上風機單樁基礎(chǔ)浪濺區(qū)的包覆應(yīng)用實踐

4.1 工程概況

江蘇如東150 MW海上風電場示范工程于2012年11月23日竣工投產(chǎn)，增容50MW項目也于2013年3月提前竣工投產(chǎn)，加上2010年9月底投產(chǎn)的江蘇如東32MW（潮間帶）試驗風電場，龍源電力總裝機容量達到232MW，已成為全國規(guī)模最大的海上風電場。

本次STAC復(fù)層包覆技術(shù)應(yīng)用實踐中的包覆試驗對象是如東龍源啟東海上風機電場的1根單樁式鋼管樁基礎(chǔ)。如東所處海域海水鹽度在3.06%～3.20%之間，海水流速約1.95m/s，極端高水位5.13m，極端低水位-4.12m，設(shè)計高水位3.02m，設(shè)計低水位-3.06m，海泥面標高+0.3～-3.1m。本次試驗的包覆范圍為風機管樁基礎(chǔ)標高0～+8.2m段，屬浪濺區(qū)和部分潮差區(qū)，包覆面積約為114.29 m2。鋼管樁上部直徑為4.34 m，下部直徑為4.7m；鋼管樁標高-2.0～+6.0m段呈1∶44.4的斜度，意味著STAC包覆范圍的鋼管樁為錐塔形結(jié)構(gòu)，并且鋼管樁表面還集成了防撞管、爬梯、外平臺等異形構(gòu)件，均為現(xiàn)場的包覆試驗增添了難度。

4.2 施工工藝

STAC復(fù)層包覆防腐技術(shù)的施工流程如圖1所示。

圖1 STAC復(fù)層包覆技術(shù)施工工藝流程圖Fig.1 Construction process of STAC multi-layer covering technology

表面處理：對管樁基礎(chǔ)進行表面預(yù)處理時，需去除表面的泥沙、污物、海洋生物及其他尖角異物，用鏟刀鏟掉凸起部位，用布擦凈即可，對管樁基礎(chǔ)表面處理要求低，除銹等級滿足ISO St2標準即可。

涂刷底漆（圖2（a））：用手、毛刷或滾子在管樁基礎(chǔ)表面均勻涂刷1層STAC油性底漆，以形成連續(xù)完整的防腐保護膜，涂刷時應(yīng)將孔洞、肩角、縫隙及管螺紋等處填滿，如果管樁基礎(chǔ)表面有較大的凹坑，應(yīng)采用STAC膩子填充找平。

圖2 STAC復(fù)層包覆現(xiàn)場施工照片F(xiàn)ig.2 STAC multi-layer covering construction site pictures

纏繞礦脂油帶（圖2（b））：涂抹防腐膩子后應(yīng)立即纏繞STAC礦脂油帶，以免防腐膩子被海水沖刷掉。對于大直徑鋼管樁，從底部開始向上進行纏繞，這樣搭接處可以形成類似“檐板”的防護效果。纏繞時，應(yīng)緊緊地按住纏繞起始端，使其緊貼于工件表面，應(yīng)避免將膠帶放得太長，那樣極易發(fā)生褶皺和產(chǎn)生空隙。因此要求在纏繞的過程中應(yīng)始終保持一定的拉力，包裹時可以采用55%寬度的搭邊，以達到雙層防護的效果。油帶接頭之間應(yīng)保證有至少100mm的搭接，每纏繞1圈，應(yīng)用手沿螺旋纏繞方向壓平搭接處。對于異形構(gòu)件，應(yīng)多次反復(fù)纏繞以確保不規(guī)則形狀的連接部位有良好的密閉性。

安裝STAC夾克（圖2（c））：STAC夾克的尺寸是根據(jù)甲方提供的風機鋼管樁基礎(chǔ)外形數(shù)據(jù)設(shè)計而得。夾克應(yīng)完全覆蓋STAC礦脂油帶，不得有褶皺。STAC夾克由底向上安裝，有夾克搭接邊的一方向上，第2片護甲將重疊在突出的搭接邊上。夾克兩邊固定板條接口處內(nèi)覆PE墊片，墊片與夾克固定桿條四周保證5 cm搭接，通過STAC專用液壓固定裝置固定夾克位置。緊固前檢查夾克表面有無褶皺，上緊螺栓至夾克兩邊固定板條合攏壓緊。

對于異形部位的形狀和尺寸進行現(xiàn)場實際測量，廠家根據(jù)測量結(jié)果設(shè)計和制備異形構(gòu)件護甲，包覆時現(xiàn)場加工、安裝，典型異形部位的包覆效果如圖3（a）所示。HDPE異形護甲的制作和包覆加工方法主要是以異形構(gòu)件實物或模型為坯模，采用焊接的方式連接，制成所需形狀的護甲。

圖3 STAC包覆效果照片F(xiàn)ig.3 STAC covering effect pictures

經(jīng)驗收檢測，STAC復(fù)層包覆防腐技術(shù)在對單樁式錐塔形大直徑鋼管樁進行的防腐修復(fù)中取得了良好的修復(fù)效果（包覆后的風機基礎(chǔ)照片如圖3（b）所示），并順利通過項目竣工驗收。

5 結(jié)語

海上風機基礎(chǔ)形式多樣，且在荷載和腐蝕的綜合作用下容易導(dǎo)致原有防腐系統(tǒng)的損壞，嚴重時將導(dǎo)致風機基礎(chǔ)發(fā)生不可逆的腐蝕破損，因此，尋求海上風機基礎(chǔ)防腐及其修復(fù)的有效方法意義重大。

實踐證明，STAC復(fù)層包覆防腐技術(shù)在對單樁式錐塔形大直徑鋼管樁風機基礎(chǔ)的防腐修復(fù)中，對風機管樁基礎(chǔ)異形部分和錐塔形樁身實現(xiàn)了無間隙密封保護，表現(xiàn)出可量身定制、對表面處理要求低以及可帶水作業(yè)等良好的施工性能，特別適用于含有復(fù)雜異形構(gòu)件的大直徑鋼管樁基的防腐修復(fù)，值得類似工程借鑒。

[1] 馮寶平，劉碧燕，陳昌坤.淺談國內(nèi)外海上、陸上風電場防腐設(shè)計現(xiàn)狀[J].腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)，2013，25（4）：343-346.FENG Bao-ping，LIU Bi-yan，CHEN Chang-kun.Design status of domestic and overseas offshore and onshore wind power plants[J].Corrosion Science and Protection Technology，2013，25（4）：343-346.

[2] 樂治濟，林毅峰.海上風機基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕設(shè)計[J].中國港灣建設(shè)，2013（4）：18-22.LE Zhi-ji，LIN Yi-feng.Anti-corrosion design of steel structure foundations of offshore wind turbines[J].China Harbour Engineering，2013（4）：18-22.

[3] 張憲平.海上風電發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電氣時代，2011（3）：46-48.ZHANG Xian-ping.Development status and trends of offshore wind generation[J].Electric Age，2011（3）：46-48.

[4] 魏寶明.金屬腐蝕理論及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1984.WEI Bao-ming.Metal corrosion theory and applications[M].Beijing：Chemical Industry Press，1984.

[5] 趙麥群，雷阿麗.金屬的腐蝕與防護[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.ZHAO Mai-qun，LEI A-li.Metal corrosion and protection[M].Beijing：National Defence Industry Press，2013.

[6] JTS153-3—2007.海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范[S].JTS 153-3—2007，Technical specification for corrosion protective of steel structure for sea port construction[S].

[7] 李蕊.外包覆防腐系統(tǒng)在天津港水位變動區(qū)鋼管樁防腐修復(fù)中的應(yīng)用[J].中國港灣建設(shè)，2012（2）：103-105.LIRui.Application of outer wrapping anticorrosive system during anticorrosive reparation of steel pipe piles in tidal zone of Tianjin Port[J].China Harbour Engineering，2012（2）：103-105.

[8] 楊超.海上風機樁基礎(chǔ)設(shè)計研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008.YANG Chao.Research on basic design of offshore wind tuibine[D].Harbin：Harbin Engineering University，2008.