海上風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)浪濺區(qū)腐蝕及復(fù)層包覆防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用

高宏飆，諸浩君，錢正宏，王毅，劉碧燕，王彥民

（1.江蘇海上龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限公司，江蘇 南通 226007；2.上海東海風(fēng)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(fēng)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(guó)以4×107kW風(fēng)電裝機(jī)總量超過(guò)美國(guó)躍居世界第一[1]。與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電因功率密度大、湍流小、距離負(fù)荷中心近、可利用小時(shí)數(shù)高等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)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(lái)，國(guó)內(nèi)已經(jīng)相繼完成渤海綏中近海試驗(yàn)項(xiàng)目、江蘇響水近海試驗(yàn)項(xiàng)目、中閩湘電5MW海上樣機(jī)工程等多個(gè)試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)以及上海東海大橋100MW海上風(fēng)電示范項(xiàng)目的建設(shè)工作[2]。按照國(guó)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(jì)并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到1億kW，年發(fā)電量超過(guò)1900億kW·h，其中海上風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到500萬(wàn)kW；到2020年，累計(jì)并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到2億kW，年發(fā)電量超過(guò)3900億kW·h，其中海上風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到3000萬(wàn)kW；屆時(shí)風(fēng)電將成為我國(guó)電力系統(tǒng)的主要電力來(lái)源。

海上風(fēng)電機(jī)組建設(shè)技術(shù)難度大，且施工和維護(hù)成本高，與陸上風(fēng)電機(jī)組的主要差別就在于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的不同。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)除了受到海上強(qiáng)風(fēng)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(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)力荷載作用，更為重要的是風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)還應(yīng)考慮風(fēng)機(jī)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(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與陸上風(fēng)機(jī)相比，不僅在結(jié)構(gòu)荷載能力上要有所加強(qiáng)，而且還需要對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠的防腐保護(hù)，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(fēng)機(jī)基礎(chǔ)有單樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)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(fēng)電建設(shè)不可避免的問(wèn)題就是鋼材的海洋腐蝕。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2010年9月竣工投產(chǎn)的南通如東風(fēng)電項(xiàng)目中，風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)基礎(chǔ)浪濺區(qū)的腐蝕與防護(hù)

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(huì)發(fā)生氧去極化腐蝕[4]。

海上風(fēng)機(jī)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(dòng)區(qū)、水下區(qū)和泥下區(qū)5個(gè)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(yán)重的部位，單面平均腐蝕速度一般為0.3～0.5mm/a，遠(yuǎn)高于其他區(qū)域，局部腐蝕更為嚴(yán)重。這是由于處于該區(qū)域的鋼材長(zhǎng)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(rùn)，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(yán)重腐蝕。該區(qū)域也是海上風(fēng)機(jī)鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)發(fā)生腐蝕的主要區(qū)域。

我國(guó)對(duì)于海上風(fēng)機(jī)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(hù)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(duì)均勻腐蝕的預(yù)防效果明顯，但對(duì)局部腐蝕作用相對(duì)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(dá)國(guó)家已逐漸不再作為防腐對(duì)策，但在我國(guó)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(hù)聯(lián)合保護(hù)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(duì)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(duì)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(zhǎng)久的修復(fù)效果。潮汐作用導(dǎo)致的水位變動(dòng)，使得電化學(xué)保護(hù)在該區(qū)域無(wú)法長(zhǎng)期形成有效電流回路，電化學(xué)保護(hù)效率低。在平均中潮位和平均低潮位之間，電化學(xué)保護(hù)約有70%的保護(hù)效率，在中潮位附近，約有50%的保護(hù)效率，而在平均中潮位和平均高潮位之間，電化學(xué)保護(hù)則因海水浸泡率太低，而無(wú)法發(fā)揮陰極保護(hù)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(wèn)題。應(yīng)用較為廣泛的主要有STAC復(fù)層包覆防護(hù)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(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)浪濺區(qū)包覆防腐的特殊性

海上風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)是采用單根大直徑鋼管樁作為風(fēng)機(jī)的支撐基礎(chǔ)，以承受風(fēng)載荷、風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)單樁式大直徑鋼管樁的特征會(huì)為鋼管樁防腐包覆海上施工帶來(lái)巨大的難度，為了避免大面積外包覆層自重過(guò)大而難以安裝，需要對(duì)鋼樁的外包覆層進(jìn)行量體裁衣式的裁剪設(shè)計(jì)，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(jì)環(huán)節(jié)具有極高的準(zhǔn)確度，而且還要求施工環(huán)節(jié)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)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(duì)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(fēng)機(jī)鋼管樁基礎(chǔ)經(jīng)常?？抗ぷ鞔埃€會(huì)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(jī)防腐涂層在固化之后，即具有很高的脆性，當(dāng)受到較大的外力沖擊時(shí)，便會(huì)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(jìn)行修復(fù)，不僅施工難度大，而且很難獲得長(zhǎng)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(qiáng)度高、韌性好、抗沖擊強(qiáng)度高的特點(diǎn)。

3 STAC復(fù)層包覆防護(hù)技術(shù)

STAC復(fù)層包覆防腐系統(tǒng)主要由STAC底漆、STAC膩?zhàn)?、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(wú)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(hù)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(tái)和港口碼頭，而且也可用于各種腐蝕環(huán)境下的管線保護(hù)。該項(xiàng)技術(shù)在美國(guó)、英國(guó)、土耳其、馬來(lái)西亞、印尼、日本、新加坡等沿海國(guó)家已有廣泛應(yīng)用，部分工程的服役年限已超過(guò)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?zhàn)右远栊缘V脂、填料、增強(qiáng)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(zhǎng)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(diǎn)，使STAC系統(tǒng)能適應(yīng)工件的熱脹冷縮，杜絕了有機(jī)涂層老化后易發(fā)生脫落的現(xiàn)象，能長(zhǎng)久的為金屬提供防腐密封保護(hù)?？芍苯釉谒惺┕?，操作簡(jiǎn)單、方便、安全、可靠、經(jīng)久耐用。

STAC夾克是由經(jīng)過(guò)特殊加工的抗紫外線高密度聚乙烯（簡(jiǎn)稱HDPE，下同）材料制成，具有抗紫外線、拉伸強(qiáng)度高、韌性好、抗沖擊機(jī)械強(qiáng)度高的特點(diǎn)，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(hù)層、礦脂油帶及風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)浪濺區(qū)的包覆應(yīng)用實(shí)踐

4.1 工程概況

江蘇如東150 MW海上風(fēng)電場(chǎng)示范工程于2012年11月23日竣工投產(chǎn)，增容50MW項(xiàng)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(yàn)風(fēng)電場(chǎng)，龍?jiān)措娏傃b機(jī)容量達(dá)到232MW，已成為全國(guó)規(guī)模最大的海上風(fēng)電場(chǎng)。

本次STAC復(fù)層包覆技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐中的包覆試驗(yàn)對(duì)象是如東龍?jiān)磫|海上風(fēng)機(jī)電場(chǎng)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(jì)高水位3.02m，設(shè)計(jì)低水位-3.06m，海泥面標(biāo)高+0.3～-3.1m。本次試驗(yàn)的包覆范圍為風(fēng)機(jī)管樁基礎(chǔ)標(biāo)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(biāo)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(tái)等異形構(gòu)件，均為現(xiàn)場(chǎng)的包覆試驗(yàn)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(duì)管樁基礎(chǔ)進(jìn)行表面預(yù)處理時(shí)，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(duì)管樁基礎(chǔ)表面處理要求低，除銹等級(jí)滿足ISO St2標(biāo)準(zhǔn)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(hù)膜，涂刷時(shí)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?zhàn)犹畛湔移健?/p>

圖2 STAC復(fù)層包覆現(xiàn)場(chǎng)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?zhàn)雍髴?yīng)立即纏繞STAC礦脂油帶，以免防腐膩?zhàn)颖缓Ｋ疀_刷掉。對(duì)于大直徑鋼管樁，從底部開始向上進(jìn)行纏繞，這樣搭接處可以形成類似“檐板”的防護(hù)效果。纏繞時(shí)，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(zhǎng)，那樣極易發(fā)生褶皺和產(chǎn)生空隙。因此要求在纏繞的過(guò)程中應(yīng)始終保持一定的拉力，包裹時(shí)可以采用55%寬度的搭邊，以達(dá)到雙層防護(hù)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(duì)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(fēng)機(jī)鋼管樁基礎(chǔ)外形數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)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(hù)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(guò)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(wú)褶皺，上緊螺栓至夾克兩邊固定板條合攏壓緊。

對(duì)于異形部位的形狀和尺寸進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，廠家根據(jù)測(cè)量結(jié)果設(shè)計(jì)和制備異形構(gòu)件護(hù)甲，包覆時(shí)現(xiàn)場(chǎng)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(hù)甲的制作和包覆加工方法主要是以異形構(gòu)件實(shí)物或模型為坯模，采用焊接的方式連接，制成所需形狀的護(hù)甲。

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

經(jīng)驗(yàn)收檢測(cè)，STAC復(fù)層包覆防腐技術(shù)在對(duì)單樁式錐塔形大直徑鋼管樁進(jìn)行的防腐修復(fù)中取得了良好的修復(fù)效果（包覆后的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)照片如圖3（b）所示），并順利通過(guò)項(xiàng)目竣工驗(yàn)收。

5 結(jié)語(yǔ)

海上風(fēng)機(jī)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(yán)重時(shí)將導(dǎo)致風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)發(fā)生不可逆的腐蝕破損，因此，尋求海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)防腐及其修復(fù)的有效方法意義重大。

實(shí)踐證明，STAC復(fù)層包覆防腐技術(shù)在對(duì)單樁式錐塔形大直徑鋼管樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的防腐修復(fù)中，對(duì)風(fēng)機(jī)管樁基礎(chǔ)異形部分和錐塔形樁身實(shí)現(xiàn)了無(wú)間隙密封保護(hù)，表現(xiàn)出可量身定制、對(duì)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。

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