回世翔 張 冉 徐亞茜 李 瑩
(1. 萊州藍色海洋新能源有限公司,山東 萊州 261413;2. 青島迪恩特尚核新材料科技有限公司,山東 青島 266000)
作為一種清潔和可再生能源,風(fēng)能具有相當(dāng)大的潛力。目前,風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是最成熟的可再生能源技術(shù)之一[1]。目前,全球海上風(fēng)電容量超過56GW,2021年全球新增海上風(fēng)電并網(wǎng)容量為21.1GW,中國新增占全球新增海上風(fēng)電新裝機容量的80%[2]。海上風(fēng)電經(jīng)過20多年的發(fā)展,技術(shù)日趨成熟,已進入大規(guī)模開發(fā)階段,《2022全球海上風(fēng)電報告》預(yù)計2031年全球海上風(fēng)電裝機容量將達到370GW。我國的海岸線長,可開發(fā)和利用的海上風(fēng)能資源豐富,據(jù)統(tǒng)計,我國近??砷_發(fā)和利用的風(fēng)能儲量就有7.5億千瓦[3],遠海風(fēng)能儲量就更加龐大,因此海上風(fēng)電資源在我國有著廣闊的發(fā)展空間。
海洋環(huán)境的高濕度、高鹽度、浪花飛濺區(qū)和潮差區(qū)的干濕交替、浸沒區(qū)的海水浸泡和海生物附著等嚴苛的腐蝕環(huán)境對海上風(fēng)電造成嚴重的腐蝕危害,另外加上應(yīng)力、腐蝕、疲勞的相互影響,使得海上風(fēng)電面臨著更加嚴峻的安全風(fēng)險。如何選擇合適的、針對性強的防腐措施,有效應(yīng)對和緩解腐蝕造成的風(fēng)險,是我國利用海洋資源和發(fā)展海上風(fēng)電過程中亟需解決的關(guān)鍵性問題。
海上風(fēng)力發(fā)電裝置各功能區(qū)域所使用的防腐蝕涂層體系是根據(jù)其所處的腐蝕環(huán)境條件而制定的;如位于大氣暴露區(qū)的發(fā)電機組、葉片、平臺等結(jié)構(gòu)的防腐體系應(yīng)充分考慮涂層的耐候性以及溫度、濕度、鹽霧等腐蝕因素;對于潮差區(qū)和浪花飛濺區(qū)的風(fēng)電樁基礎(chǔ)的防腐體系,需要考慮潮汐變化引起的外力、溫度和海水浸沒的綜合影響[4];在海水浸沒區(qū)以及海泥區(qū)風(fēng)電樁基礎(chǔ),其防腐體系則主要考慮海生物附著以及海水的電化學(xué)腐蝕環(huán)境。海洋環(huán)境可分為5個區(qū),包括海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、海水潮差區(qū)、海水全浸區(qū)、海底泥土區(qū)[5]。按照ISO12944-2相關(guān)標準劃分[6],大氣區(qū)處于C5-M的海洋大氣腐蝕環(huán)境,浪花飛濺區(qū)、海水潮差區(qū)和海水全浸區(qū)處于lm2的海水腐蝕環(huán)境。
1.1.1 海洋大氣區(qū)腐蝕特點
海洋環(huán)境中大氣區(qū)指的是海浪高潮線以上區(qū)域,特點為高濕度、高鹽霧、紫外線輻射強,與內(nèi)陸大氣區(qū)相比,海洋大氣的濕度大,且海洋大氣中富含多種鹽粒,對金屬有較強腐蝕性[7]。海洋大氣區(qū)鋼結(jié)構(gòu)的表面容易產(chǎn)生薄液膜,海洋大氣中的硫酸鹽、氯化鹽和CO2會部分溶于薄液膜中,形成導(dǎo)電性強的電解質(zhì)溶液。由于金屬成分微觀的不均勻性和不同金屬材料在同種電解質(zhì)中的標準電極電位不同,金屬與電解質(zhì)接觸會形成大量的微觀原電池,使得金屬腐蝕速率大大增加。大氣區(qū)污染性氣體及大氣中的懸浮粒子會沉降在金屬表面的薄液中,并影響和參與材料的大氣腐蝕過程。
1.1.2 浪花飛濺區(qū)腐蝕特點
在海洋環(huán)境中,由于海浪的作用,在平均高潮線以上能夠被海浪飛沫潤濕的區(qū)域為浪花飛濺區(qū)。在浪花飛濺區(qū),材料長期處于干濕交替的環(huán)境中,加上供氧量充足,且由于海水的外力作用,在此區(qū)域氧去極化反應(yīng)較強,Cl-的穿透作用加速金屬腐蝕,在腐蝕應(yīng)力和海浪沖擊造成的機械應(yīng)力雙重作用下,飛濺區(qū)成為海洋環(huán)境中腐蝕速率最快的區(qū)域[8],一般為海水全浸區(qū)的5~10倍,是海洋環(huán)境中典型的強腐蝕區(qū)域,平均腐蝕速率可達到0.3~0.5mm/y[7]。
1.1.3 海水潮差區(qū)腐蝕特點
平均高潮位和平均低潮位之間的區(qū)域成為潮差區(qū),這一區(qū)域氧氣擴散相對飛濺區(qū)較慢,金屬表面的溫度既受氣溫也受水溫的影響,這一區(qū)域反復(fù)產(chǎn)生海水腐蝕和類似大氣區(qū)的腐蝕。在漲潮和退潮的過程中,潮流運動對鋼結(jié)構(gòu)的沖刷腐蝕以及水流形成的空泡腐蝕會加速鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕。除了潮流外,鋼結(jié)構(gòu)表面還會附著海洋生物,海洋生物產(chǎn)生的分泌物會破壞金屬結(jié)構(gòu)保護層,引起嚴重的局部腐蝕,且非均勻分布的污損生物粘液會在鋼結(jié)構(gòu)表面形成氧濃差電池造成局部腐蝕[9,10]。
1.1.4 海水全浸區(qū)腐蝕特點
海水全浸區(qū)指的是在常年低潮線以下直至海底的區(qū)域,根據(jù)海水深度的不同分為淺海區(qū)(低潮線以下20~30m以內(nèi))、大陸架全浸區(qū)(在30~200m水深區(qū))、深海區(qū)(>200m水深區(qū))。近海區(qū)域海水流速較大,存在近?;瘜W(xué)和泥沙污染,O2、CO2處于飽和狀態(tài),生物活躍、水溫較高,因此該區(qū)腐蝕以電化學(xué)和生物腐蝕為主,在該區(qū)域鋼的腐蝕要比大氣區(qū)和潮差區(qū)的腐蝕更嚴重;在大陸架全浸區(qū)隨著水的深度加深,含氣量、水溫及水流速度均下降,生物也減少,鋼結(jié)構(gòu)腐蝕以電化學(xué)腐蝕為主,較淺海區(qū)腐蝕輕;在深海區(qū)pH<8-8.2,壓力隨著水的深度增加,礦物鹽溶解量下降,水流、溫度、充氣量均低,鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕以電化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕為主[11]。
1.1.5 海底泥土腐蝕特點
海底泥土區(qū)指的是海水全浸區(qū)以下部分,主要由海底沉積物構(gòu)成,腐蝕環(huán)境十分復(fù)雜,其物理、化學(xué)和生物性質(zhì)是影響腐蝕環(huán)境的三大因素,隨著海域和海水深度不同而異,與固、液、氣三相的陸地土壤不同,海底沉積物可視為固、液兩相的土壤,具有鹽度高、低電阻率特點[12]。此外由于海泥區(qū)細菌的作用,會產(chǎn)生H2S和NH3等氣體,對金屬的腐蝕有加速作用,如果海泥區(qū)含有大量的硫酸鹽還原菌,則會生成大量腐蝕性硫化物,從而大大加速金屬的腐蝕,其腐蝕速率可增加6~7倍,甚至15倍以上[13]。
海上風(fēng)力發(fā)電項目,通常由塔架,過渡段、水下樁基結(jié)構(gòu)和樁基部分組成,水下樁基結(jié)構(gòu)又分為單樁基礎(chǔ)式、群樁承臺基礎(chǔ)、三腳架基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、漂浮式基礎(chǔ)等類型[14],以上結(jié)構(gòu)按順序適用水深海域范圍依次增大,其中單樁基礎(chǔ)適用于水深小于25m的海域。海上風(fēng)電機組一般位于離岸70km以內(nèi)的近海,風(fēng)機的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)則同時涉及了海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)以及海泥區(qū)等5個不同的腐蝕環(huán)境區(qū)域[15],面臨著不同的腐蝕環(huán)境,腐蝕類型各有不同。不同類型的腐蝕會引發(fā)不同的腐蝕結(jié)果,必須區(qū)分無機械載荷的腐蝕和由機械載荷引發(fā)的腐蝕[16]。
1.2.1 無機械載荷腐蝕
無機械載荷腐蝕包含均勻腐蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕、點蝕、沉積物腐蝕、選擇性腐蝕(晶間腐蝕、穿晶腐蝕)、微生物腐蝕、結(jié)垢。
1.2.2 機械載荷腐蝕
機械載荷腐蝕類型包含:應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞、應(yīng)變腐蝕、侵蝕腐蝕、空泡腐蝕、微動腐蝕、磨損腐蝕。
相較陸上風(fēng)電場,海上風(fēng)電場風(fēng)機基礎(chǔ)在載荷條件、地質(zhì)條件以及運輸安裝等方面更加復(fù)雜,除滿足自身結(jié)構(gòu)強度等力學(xué)性能要求外,還要滿足海洋環(huán)境中對安全性、可靠性的要求[17]。針對海上風(fēng)電樁基的腐蝕問題,目前主要從兩個方面進行腐蝕防護,一是進行主動腐蝕防護,主要包括:(1)設(shè)計腐蝕裕量;(2)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計;(3)陰極腐蝕防護。二是進行被動腐蝕防護,主要包括:(1)防腐涂層;(2)復(fù)層礦脂包覆防腐(PTC)。為了達到海上風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限,可以采用不同的保護系統(tǒng)來延遲和減輕腐蝕的發(fā)生,將兩種或多種腐蝕防護方法結(jié)合起來,可以為惡劣海洋環(huán)境中的金屬結(jié)構(gòu)提供可靠的防腐保護[18]。
2.1.1 腐蝕裕量
腐蝕裕量是指允許在不影響結(jié)構(gòu)功能(安全、穩(wěn)定性、強度)的情況下腐蝕的材料部分[19]。對于預(yù)計會發(fā)生均勻腐蝕的區(qū)域,可以將它們考慮在內(nèi),預(yù)留腐蝕裕量,即根據(jù)年平均腐蝕速率以及風(fēng)機設(shè)計壽命年限來適當(dāng)增加鋼板材料的厚度。腐蝕裕量的精確值取決于材料、預(yù)期機械負荷以及腐蝕類別和腐蝕區(qū)域。對于海上風(fēng)電結(jié)構(gòu),建議對飛濺區(qū)和潮差區(qū)等腐蝕嚴重的位置根據(jù)預(yù)期耐久性和結(jié)構(gòu)重要程度進行腐蝕裕量設(shè)計。結(jié)構(gòu)腐蝕裕量應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限,鋼材年平均腐蝕量以及防腐系統(tǒng)的保護效率來確定。對于使用年限為n年的風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),建議其全浸區(qū)結(jié)構(gòu)的腐蝕裕量不小于n/15(mm),飛濺區(qū)結(jié)構(gòu)的腐蝕裕量不小于n/3(mm)[20];但目前由于局部腐蝕風(fēng)險的存在,僅靠腐蝕裕量是完全不夠的。
2.1.2 適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計
海上風(fēng)電裝置可采用合理、適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計來避免介質(zhì)腐蝕,降低腐蝕風(fēng)險,如海上風(fēng)電的渦輪機,配備了一個單獨的通風(fēng)系統(tǒng),避免內(nèi)置部件與腐蝕性的含鹽空氣之間的接觸[4]來減輕腐蝕。常見的防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計有:(1)適當(dāng)設(shè)計缺口、浮雕、開口和加強筋;(2)避免縫隙、接頭重疊連接;(3)防止電解液沉積和積聚;(4)邊緣處理;(5)焊縫和表面缺陷的處理;(6)防止電偶腐蝕。
2.1.3 陰極保護防護
海下防腐層修復(fù)難、易腐化,全浸區(qū)普遍采用陰極保護防腐。目前常用的陰極保護方法包含:熱噴涂金屬、犧牲陽極的陰極保護、外加電流的陰極保護。其中熱噴涂金屬采用噴涂金屬鋅、鋁、鋅鋁合金等陽極涂層,可以隔離水和腐蝕介質(zhì),使之無法與基體反應(yīng),同時也作為一種犧牲陽極材料,具有陰極保護作用[21]。
目前常用的陰極保護方法為犧牲陽極法和外加電流法[22]。犧牲陽極法主要采用鋁、鋅、鎂等合金材料與鋼管樁連接在一起,依靠陽極消耗溶解產(chǎn)生的電流使鋼管樁表面產(chǎn)生極化,陰極極化電位低于自然腐蝕電位,減緩陰極腐蝕進程[23];不同的海域環(huán)境使用的陽極材料有所區(qū)別,在飛濺區(qū)、潮差區(qū)等干濕交替的區(qū)域,采用AI-Zn-Mg-Ga-Mn的高活性陽極材料,在全浸區(qū),則采用Al-Zn-In、Al-Zn-In-Sn等有均勻溶解性和較高電流效率的陽極材料。犧牲陽極法受電解質(zhì)電阻率的影響大、保護電流小、易于消耗、持續(xù)能力低[24]。
外加電流法(ICCP)需要使用外部直流電源,將電源負極與被保護結(jié)構(gòu)物相連,電源正極與輔助陽極相連,該方法受電解質(zhì)電阻率限制影響較小,電流可控且電流輸出大[25]。外加電流系統(tǒng)主要包括套籠上輔助陽極和參比電極安裝、塔筒內(nèi)平臺上輔助陽極和參比電極安裝、恒電位儀安裝、介電屏蔽、海洋或船舶工程專用電纜、檢測系統(tǒng)等[26]。針對海上風(fēng)電基礎(chǔ)的外加電流陰極保護法,是使鋼管樁基礎(chǔ)連接到電位更負金屬材料,或通過從海洋環(huán)境、海底淤泥到鋼管樁基礎(chǔ)的電流,使其陰極極化,從而消除電化學(xué)腐蝕。鋼管樁材料在海洋環(huán)境中的保護電位為一般介于-0.85~1.05V之間,當(dāng)電位高于-0.85V時,鋼管樁容易發(fā)生腐蝕[27]。
2.2.1 涂層防腐
根據(jù)《海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》,一般海上風(fēng)電的樁基基礎(chǔ)設(shè)計使用年限在20~25年左右,防腐體系需要根據(jù)服役壽命確定涂層厚度,水下區(qū)采用防腐涂料和犧牲陽極結(jié)合的陰極保護措施,樁基大氣區(qū)、浪濺區(qū)、潮差區(qū)一般采用重防腐系統(tǒng)。在國外海上風(fēng)電機組的防腐應(yīng)用一般干膜厚度達到800μm左右;根據(jù)國內(nèi)相關(guān)標準[28],海洋環(huán)境環(huán)境中,防腐涂層系統(tǒng)干膜厚度一般為320~560μm,表1為海上風(fēng)電塔筒防腐涂裝方案,大部分采用的防腐涂料體系是:環(huán)氧富鋅底漆+環(huán)氧云鐵漆+脂肪族聚氨酯面漆三層復(fù)合防腐涂層系統(tǒng);中間漆也可采用耐久性更好的聚硅氧烷涂料,若底漆采用金屬熱噴涂體系,可以得到更佳的防腐效果[29]。
表1 海上風(fēng)電塔筒防腐涂裝方案[30, 31]
近些年楊小剛等[32]研究了磷酸鋅協(xié)同云母氧化鐵灰制備無溶劑型環(huán)氧防腐涂料,發(fā)現(xiàn)涂層的防腐性能與PVC(顏料體積濃度)的添加量相關(guān),當(dāng)PVC添加量為8%時,活性稀釋劑加入量為2%,云鐵灰與磷酸鋅質(zhì)量比為1:4時,涂層的防腐效果最好。姜秀杰等[33]合成了一種適用于海洋浪濺區(qū)鋼結(jié)構(gòu)防護的超厚膜環(huán)氧涂料,膜厚達1000μm,通過合成EPU聚氨酯改性環(huán)氧樹脂,有效提高涂層抗沖擊性、柔韌性、施工效率,適用于浪濺區(qū)鋼結(jié)構(gòu)防護。吳競等[34]采用環(huán)氧改性濕固化聚氨酯樹脂為基體樹脂,采用鱗片狀鋅粉、有機膨潤土等材料研制了一種單組分濕固化富鋅底漆,解決了傳統(tǒng)環(huán)氧富鋅底漆易沉淀、在冬季低溫固化難的問題,具有優(yōu)異的防腐性能,適用于高防腐要求的海上風(fēng)力發(fā)電機塔筒。
2.2.2 包覆防腐
包覆材料主要針對浪濺區(qū)和潮差區(qū)的腐蝕防護,主要有復(fù)層礦脂包覆防腐、礦脂防腐帶冷纏兩種包覆技術(shù)[35]。
復(fù)層礦脂包覆防腐系統(tǒng)(PTC)由4層緊密相連的保護層組成,即礦脂防蝕膏、礦脂防蝕帶、密封緩沖層和防蝕保護罩。PTC技術(shù)中礦脂防蝕膏和礦脂防蝕帶是復(fù)層礦脂包覆防腐技術(shù)的核心部分,能夠有效阻止腐蝕性介質(zhì)對鋼結(jié)構(gòu)的侵蝕。其中密封緩沖層和防蝕保護罩具有良好的整體性能,不但能夠隔絕海水,還能夠抵制機械損傷對鋼結(jié)構(gòu)的破壞,防蝕罩是由玻璃鋼或增強玻璃鋼制成。復(fù)層礦脂包覆技術(shù)在江蘇龍源海上風(fēng)電場潮間帶[36]、華能大連市莊河海上風(fēng)電場浪濺區(qū)[37]、江蘇啟東H1號海上風(fēng)電場項目[38,39]、江蘇竹根沙海上升壓站高樁承臺[40,41]等海上風(fēng)機基礎(chǔ)項目浪濺區(qū)、潮差區(qū)獲得成功應(yīng)用。
礦脂防腐帶冷纏技術(shù)由礦脂帶底漆、冷纏防腐帶和高密度乙烯護甲組成。礦脂防腐帶冷纏技術(shù)與PTC技術(shù)不同點在于護甲采用材料不同、防蝕膏不同、對抗沖擊力特點不同,該項技術(shù)目前在深圳港、寧波港、營口港[42]等港口應(yīng)用較多。
目前海上風(fēng)電直徑鋼管樁基礎(chǔ)防腐中,經(jīng)常采用犧牲陽極+礦脂包覆防腐或外加電流聯(lián)合復(fù)層礦脂包覆的施工技術(shù)進行防護,其中陰極保護區(qū)域為海水全浸區(qū)及海泥區(qū),礦脂包覆技術(shù)應(yīng)用在潮差區(qū)、浪濺區(qū)[39]。
海上風(fēng)電建設(shè)在世界范圍內(nèi)已進入大規(guī)模發(fā)展階段,但惡劣的腐蝕環(huán)境對海上風(fēng)電設(shè)備腐蝕防護提出了更加嚴峻的挑戰(zhàn),海上風(fēng)電的發(fā)展面臨著一些問題和需要采取的措施:
(1)由于海上風(fēng)電機組投資昂貴,設(shè)計使用年限在25年左右,且維護、維修成本很高,因此在海上風(fēng)電基礎(chǔ)開發(fā)過程中,對不同海洋區(qū)帶部位制定針對性的防腐蝕措施非常必要;在不同的腐蝕區(qū)域,可分別或聯(lián)合采用噴涂金屬、涂層、包覆、陰極保護等防腐措施;
(2)基于海上風(fēng)電防腐維修成本及難度高,人力定期巡檢成本高、數(shù)據(jù)實時性可靠性差、人員危險性大,在線腐蝕檢測技術(shù)的進一步研究顯得尤為重要,遠程在線檢測技術(shù)可遠程獲取風(fēng)電機組的氣溫濕度、氯離子濃度、腐蝕速率、設(shè)備腐蝕狀態(tài)等,實現(xiàn)海上風(fēng)電機組智能化管理,減少人員投入、降低運維風(fēng)險;
(3)相比其他國家,我國關(guān)于海上風(fēng)電防腐蝕的可執(zhí)行參考標準較少,相關(guān)部門應(yīng)建立健全腐蝕防護制度標準,在海上風(fēng)電設(shè)備防腐工作前期提供更多可靠、有力的參考。