海上升壓站涂層老化在線監(jiān)測系統(tǒng)設計研究

聶晉峰，金緒良，殷愛鳴，張 麗，張 毅，曹祥康，董澤華

(1.中國大唐集團科學技術(shù)研究總院有限公司華北電力試驗研究院，北京 100040；2.武漢科思特儀器股份有限公司，湖北 武漢 430074；3.華中科技大學化學與化工學院，湖北 武漢 430074)

0 前 言

隨著“碳中和”國家戰(zhàn)略的提出及實施，利用綠色能源替代傳統(tǒng)化石能源成為大勢所趨[1]。海上風電是綠色能源的重要組成部分，已在我國沿海地區(qū)得到廣泛應用[2，3]。海上風電機組的工作原理是先通過大型風機將風能轉(zhuǎn)化為電能，然后匯流到海上升壓站進行升壓處理，再向陸上城市進行遠程供電。然而風機、塔筒和升壓站鋼管樁、導管架基礎大都由碳鋼＋防腐涂層建造，在惡劣的海洋環(huán)境中容易發(fā)生腐蝕破壞，因此需要對其進行重防腐處理[4]。

以海上升壓站為例，在出廠前其各部件均涂裝重防護涂層，并同步采用鋁鋅犧牲陽極的陰極保護方案來防止海水沖刷對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕[5]。受日光照射、海水浸泡、溫濕度變化等海洋綜合腐蝕環(huán)境的影響[6，7]，尤其是海水浪濺區(qū)和潮差區(qū)，干濕交替和夾帶泥沙的海浪沖擊會加速涂層的老化失效[8-10]，產(chǎn)生磨蝕、裂縫、脫層、起泡、剝落和變色等損傷，大大降低了防腐涂層的保護作用，導致鋼管樁和導管架等承力結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕[11]，嚴重威脅海上風電機組的安全運行。

由于海上風電機組離岸運行，基本處于無人值守狀態(tài)，難以對涂層的早期破損進行及時預警和維護。通過開發(fā)遠程涂層老化快速評價技術(shù)可以對鋼管樁和導管架涂層的早期缺陷進行及時排查，并利用大數(shù)據(jù)云平臺實時監(jiān)測[12，13]，根據(jù)涂層老化后的特征數(shù)據(jù)對涂層的完好性和老化程度進行可視化分析[14]，進而有效和精準地指導涂層后續(xù)的維護、保養(yǎng)和大修，降低維護成本并減少維修時間[15，16]。

本工作結(jié)合電化學在線監(jiān)測及涂層損傷圖像識別技術(shù)，開發(fā)了一套海上升壓站涂層的老化監(jiān)測系統(tǒng)。通過在海上升壓站鋼管樁及導管架上不同位置的涂層表面布置電化學腐蝕監(jiān)測傳感器和攝像頭，實現(xiàn)涂層老化狀態(tài)的在線監(jiān)測及損傷圖像識別。借助數(shù)據(jù)傳輸和服務器，運維人員通過岸上監(jiān)控中心可實時查看海上升壓站基礎不同區(qū)域的涂層老化數(shù)據(jù)。依據(jù)統(tǒng)計分析方法，還可對海上升壓站基礎涂層的服役狀態(tài)進行分級和剩余壽命評估，并在涂層防護狀態(tài)出現(xiàn)異常時報警，提醒及時維修更換。

1 試驗方法

1.1 涂層阻抗探頭設計

單電極涂層老化監(jiān)測探頭如圖1 所示，其中心為φ3～5 mm 棒狀碳鋼或不銹鋼金屬電極，探頭內(nèi)置環(huán)形強磁鐵將其吸附在鋼管樁涂層表面，且其表面有保水絨布，用于降低探頭內(nèi)的電極與鋼管樁涂層之間的接觸電阻。探頭固定方式則結(jié)合了強磁鐵吸附、鍍鋅管配合剛性卡箍固定等2 種方式，且根據(jù)鋼管樁的曲率半徑確定探頭的弧面半徑，以使涂層探頭盡量貼合進行測試。該金屬圓盤作為輔助電極(CE)接入阻抗測試儀(圖1b 中未表示出)，而鋼管樁的露鐵點則接入到阻抗測試儀的工作電極(WE)，形成兩電極阻抗測試回路。當探頭貼合在鋼管樁表面時，來自輔助電極的電流穿過涂層并進入底部的鋼管金屬表面，并通過工作電極回流到阻抗測試儀中。由于鋼管樁面積與輔助電極面積的比值近似為無窮大，其電流線彌散較遠，如圖1b，因此對于水下涂層腐蝕監(jiān)測，需要對探頭周邊與鋼管樁涂層之間采用密封膠進行密封，防止電流線通過海水傳導至遠處。而對于大氣區(qū)，由于涂層表面海水液膜很薄且不連續(xù)，電流無法彌散到遠處，因此無需對探頭周邊與鋼管樁涂層之間進行密封。

圖1 單電極涂層阻抗監(jiān)測探頭示意圖Fig.1 Schematic diagram of single electrode coating impedance monitoring probe monitoring

為了測試涂層樣品的老化速率，還設計一種雙電極探頭，電極材質(zhì)選用與鋼管樁相同的低碳鋼材質(zhì)。2個電極之間采用環(huán)氧樹脂灌注并密封，僅露出其碳鋼環(huán)工作面，如圖2 所示。在雙電極涂層探頭表面涂刷具有一定厚度的涂層，固化后安裝在海上風電樁基的易受損部位，用于考察特定涂層在海浪侵蝕下的老化行為，為鋼管樁模擬涂層的評價提供原位真實老化數(shù)據(jù)。

圖2 雙電極涂層阻抗監(jiān)測探頭Fig.2 Two-electrode impedance probe for coating degradation monitoring

由于雙電極探頭中的輔助電極和工作電極均嵌入在探頭本體中，極化電流是在涂層下面的2 個碳鋼環(huán)之間流動，因此電極極化面積是固定的，無需考慮電流線彌散的問題，但雙電極探頭無法直接測量鋼管樁的涂層阻抗。

1.2 涂層阻抗測試

涂層阻抗監(jiān)測電路采用兩電極模式，以頻率為1.0×(102～103) Hz、幅值為10 ～100 mV 的正弦波對兩電極之間進行恒電位模式下的交流極化，同時采集兩電極之間的電流信號，通過相關(guān)積分算法計算電位與電流信號的相位差和幅值比，最終計算出兩電極之間的涂層阻抗Z[17]?？紤]到高阻涂層的電阻值極高(＞1011Ω·cm2)，通過測量涂層的電容來反映涂層的老化狀態(tài)[18]。在涂層阻抗測試時，選擇電化學性質(zhì)穩(wěn)定的材料作為對電極，如選用不銹鋼電極。同時，電化學測試還需要導電通路，可利用保水絨布或海綿提供電解質(zhì)，并用甘油鎖住水分，以便監(jiān)測探頭在戶外的長期監(jiān)測。阻抗虛部ZIm見式(1):

式中，Rc為涂層電阻，ω為角頻率，Cc為涂層電容。

進而可以計算涂層電容Cc，見式(2):

式中，f為測試頻率。

為了簡化，可將兩電極間的涂層電容Cc簡化為平板電容，其電容值見式(3):

式中，A為涂層面積，d為涂層厚度，ε為涂層介電常數(shù)，ε0為初始介電常數(shù)，為8.86×10-14F/cm。

由于涂層電容Cc主要與涂層介電常數(shù)ε呈正相關(guān)，而涂層的相對介電常數(shù)則與其水吸收率呈正相關(guān)，因此涂層吸水率δv可由式(4)計算:

式中，Cc(0)為涂層的初始電容，Cc(t)為涂層浸泡t時間后的涂層電容，εw是水的介電常數(shù)，為78 F/m。

而涂層電阻Rc則和涂層中的孔隙溶液的電阻率ρ相關(guān)，見式(5):

式中，ρ是孔隙溶液的電阻率，Ad是涂層剝離面積，Rc0是涂層初始電阻。

當前，涂層老化主要是基于GB/T 1766-2008“色漆和清漆涂層老化的評級方法”目測分級，通過涂層電阻和涂層電容也可建立一套涂層老化指數(shù)無損評價方法。例如采用涂層電容隨時間的變化來計算，如式(6):

式中，δv(0)和δv(t)分別代表初始和t時刻的涂層電容對數(shù)值。

涂層水含量隨時間和涂層深度的變化規(guī)律，可以用于分析涂層失效機理和計算涂層失效動力學過程。結(jié)合相應的涂層老化預測方程，可預警該涂層失效的時間和涂層使用壽命。

1.3 雙電極涂層探頭前處理

將涂層探頭電極先用320 號砂紙打磨至金屬光澤，后用乙醇超聲清洗除油，冷風干燥后備用。以底漆制備流程為例，將20 mL 高固態(tài)環(huán)氧漆880(灰色)倒入燒杯中，加入4 mL 91-92 型稀釋劑，電磁攪拌10 min，接著加入6.5 mL 環(huán)氧固化劑，繼續(xù)電磁攪拌5 min，隨后真空抽氣10 min，最后刷涂在探頭表面，30 ℃鼓風干燥4 h 后準備中間漆涂裝。用測厚儀測量涂膜厚度，用細砂紙打磨涂層，使涂層減薄至500 μm 左右。中間漆和面漆的制備方法與底漆類似，根據(jù)GB/T 13452.2-2008“色漆和清漆漆膜厚度的測定”在所完成的漆層表面選取3 個點進行厚度測量，每個點測量3 次，測厚結(jié)果取平均值，保證探頭表面涂層厚度與升壓站涂裝工藝一致。

雙電極探頭均采用3 層涂刷，即底漆:高固態(tài)環(huán)氧漆880(灰色)；中間漆:高固態(tài)環(huán)氧漆880(黃色)；面漆:聚氨酯面漆550(信號黃)。根據(jù)給定的涂布率來確定涂料使用總量，以控制涂膜厚度，3 層干膜厚度需分別控制為500，500，60 μm。

為了考察不同缺陷狀態(tài)下涂層的耐蝕性能變化，在雙電極涂層探頭表面用刻刀進行模擬劃傷，利用微米級分辨率測厚儀來控制缺陷深度，缺陷劃傷深度分別控制為A 型0(完整涂層)，B 型(300±20) μm，C 型(600±20) μm，得到不同梯度的缺陷深度。

為了監(jiān)測風電基礎鋼管樁不同區(qū)域涂層的耐蝕性能，兼顧考慮不同深度的缺陷對涂層老化行為的影響，沿鋼管樁從下到上依次選擇4 個高度裝配監(jiān)測探頭，橫跨風電基礎鋼管所處的浸沒區(qū)、潮差區(qū)、浪濺區(qū)、暴曬區(qū)4 大特征環(huán)境，依次裝配AB 型、AC 型、AB 型、AC型涂層探頭，裝配示意圖如圖3 所示。

圖3 涂層探頭裝配示意圖Fig.3 Schematic diagram of coating probe installation locations

1.4 涂層損傷圖像識別

涂層病害視頻評估系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場攝像機(DH-SD-49D825-HNY-XB-YH)、涂層損傷監(jiān)測計算平臺和涂層損傷監(jiān)測應用軟件。其中攝像機的技術(shù)參數(shù)為:800 萬像素、25 倍光學變焦、3 840×2 160 分辨率、100 m(紅外補光)以及電子透霧功能。

現(xiàn)場攝像機主要負責現(xiàn)場設備的視頻圖像采集，攝像機的數(shù)量和安裝位置根據(jù)監(jiān)視點位的數(shù)量、現(xiàn)場安裝環(huán)境來決定，攝像機采集的視頻圖像應清晰，攝像機設置了巡檢路徑，可以在一天內(nèi)多個不同時段對固定監(jiān)測點位進行巡檢，避免一些特殊情況導致的漏檢，圖像中的涂層損傷能目視可辨識[19，20]。涂層損傷監(jiān)測計算平臺為配有圖像處理器(GPU)圖像加速處理板的通用計算機，可根據(jù)現(xiàn)場工作環(huán)境采用工控機或商用機。涂層損傷監(jiān)測應用軟件可集成現(xiàn)場監(jiān)控視頻瀏覽、涂層損傷檢測、損傷數(shù)據(jù)分析和管理軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過標準的視頻流傳輸協(xié)議，采用定時巡察的工作方式，按照用戶制定的調(diào)度計劃，依次采集現(xiàn)場的視頻圖像數(shù)據(jù)。

海上升壓站涂層損傷監(jiān)測模型由以下5 個部分組成:(1)基礎特征提取網(wǎng)絡，主要通過已有樣本提取初級視覺特征，通過該卷積網(wǎng)絡進行處理，可以獲得全局的初級視覺特征圖；(2)候選區(qū)域推薦網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡能夠?qū)Τ跫壱曈X特征進行處理，凸顯缺陷所在的潛在區(qū)，通過該網(wǎng)絡處理，可以輸出圖像中疑似缺陷區(qū)域，并給出疑似區(qū)的位置和存在缺陷的概率；(3)精細特征提取網(wǎng)絡，主要用來提取缺陷疑似區(qū)中具有更高語義的不變特征，這些特征有利于缺陷的識別；(4)目標分類識別器，主要利用精細特征提取網(wǎng)絡獲得的局部細化特征對候選區(qū)是否存在缺陷以及缺陷的類型進行判別，并給出更準確的位置信息。(5)目標檢測結(jié)果處理，利用非極大值抑制(NMS，Non-Maximum Suppression)算法，對檢測得到的冗余框進一步處理。損傷分辨率主要取決于攝像頭的分辨率(3 840×2 160)以及放大倍數(shù)(25 倍)。

利用視覺分析處理技術(shù)，對涂層損傷進行檢測和識別，如果發(fā)現(xiàn)涂層損傷，系統(tǒng)將產(chǎn)生報警提示，并將損傷圖片、損傷類型、損傷位置、損傷程度和檢測時間的相關(guān)信息進行存儲，供用戶調(diào)閱和確認。圖4 為涂層病害視頻評估系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)組成。

圖4 涂層病害視頻評估系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)組成Fig.4 Logic structure composition of coating disease video evaluation system

2 試驗結(jié)果與討論

服役環(huán)境是影響涂層防腐效果的重要因素，如過高的溫度會促進涂層聚合物中高分子鏈段的老化斷裂，而過低的溫度則會導致涂層脆性增大，更容易出現(xiàn)微裂紋缺陷。濕度的影響同樣值得注意，在高濕度條件下，NaCl 顆粒會隨著霧氣在涂層表面產(chǎn)生高濃度腐蝕性溶液，沿著涂層的孔洞缺陷滲入到金屬基體中，進而造成涂層的鼓泡和金屬基體的腐蝕[21]。圖5 為升壓站現(xiàn)場溫濕度監(jiān)測曲線，由圖5 可知，前期溫度在20 ～25 ℃間波動，隨著夏季的來臨(監(jiān)測時間為300 h 左右)，溫度有所上升，接近30 ℃。由于監(jiān)測傳感器安裝在海上升壓站上，監(jiān)測的濕度數(shù)據(jù)在大部分時間都穩(wěn)定在100%，在部分時間段出現(xiàn)下降趨勢，但監(jiān)測時間段內(nèi)，濕度均高于70%，這充分說明涂層處于高濕的服役環(huán)境。

圖5 升壓站現(xiàn)場溫濕度監(jiān)測曲線Fig.5 On-site temperature and humidity monitoring curve at power booster station

2.1 不同區(qū)域涂層的耐蝕性監(jiān)測

電化學阻抗技術(shù)具有靈敏度高，非破壞性等優(yōu)點，在涂層老化監(jiān)測領域得到廣泛應用。本工作采用中高頻定頻阻抗測量涂層的電容值，可以反映涂層含水率和耐蝕性變化，抗噪音能力強，適合戶外監(jiān)測[22]。因此，本工作中選用103Hz 的定頻阻抗對涂層進行長期監(jiān)測，重點考察涂層在暴曬區(qū)、浪濺區(qū)、潮差區(qū)、浸沒區(qū)這4 種典型海上服役環(huán)境中耐蝕性的變化，結(jié)果如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)對于同種涂層，在不同區(qū)域的耐蝕性變化有所不同。涂層在暴曬區(qū)和潮差區(qū)的耐蝕性接近，均在1 300 Ω·cm2上下波動，涂層在浸沒區(qū)的耐蝕性次之，在1 150 Ω·cm2附近波動，而涂層在浪濺區(qū)的耐蝕性最差，小于1 000 Ω·cm2。涂層的耐蝕性主要受服役環(huán)境的影響，浪濺區(qū)的溶解氧量充足，且伴隨海水的持續(xù)性沖刷，在腐蝕和外力的作用下，涂層更容易發(fā)生老化破壞，導致耐蝕性降低。而在暴曬區(qū)的涂層表面干燥，老化速率相對較小，浸沒區(qū)的涂層則只受海水浸泡這單一因素的影響，相對而言，處于該區(qū)的涂層的老化狀態(tài)介于其他區(qū)域之間。

圖6 涂層在不同海上服役環(huán)境中的定頻阻抗監(jiān)測曲線Fig.6 Constant frequency impedance monitoring curves of coatings in different marine service environments

2.2 不同深度缺陷下涂層的耐蝕性監(jiān)測

涂層在服役過程中難免出現(xiàn)損傷，必然會加速涂層的老化失效，因此，如何評估這些帶傷服役涂層的服役壽命值得進一步研究。本工作采用2 種不同深度缺陷的涂層來模擬涂層損傷，并同樣將其置于不同區(qū)域中進行電化學阻抗監(jiān)測，結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可知，模擬損傷涂層的耐蝕性變化與上一節(jié)的現(xiàn)象類似，即使涂層帶有損傷，但主要還是受到服役環(huán)境區(qū)域的影響，涂層在不同區(qū)域的耐蝕性排序依然是潮差區(qū)≈暴曬區(qū)＞浸沒區(qū)＞浪濺區(qū)，這可能是因為服役涂層的厚度較厚(1 060 μm)，即使出現(xiàn)不同程度的損傷，在短期內(nèi)的耐蝕性變化并不明顯，需要后續(xù)的長期監(jiān)測反饋，同時也說明帶傷涂層在一段時間內(nèi)仍能夠提供較好的防護效果，不會短期內(nèi)快速失效。

2.3 涂層損傷圖像識別

想要從涂層影像中準確識別涂層出現(xiàn)的劃傷、銹蝕、鼓泡、剝離等損傷，需要采用合適的算法。本工作使用大津展之圖像處理算法(OTSU 方法)[23]，將損傷區(qū)域從檢測框中提取出來，再量化涂層損傷的程度。該算法的理論依據(jù)是:假定圖像包含2 類像素(前景像素和背景像素)，直方圖為雙峰直方圖，然后計算出能使2 類像素分開的最佳閾值(類內(nèi)方差)，或與之等價的類間方差最大的閥值。

針對涂層損傷存在的形式，采用損傷面積比來度量涂層損傷的損害程度。而損傷區(qū)域的面積，即在圖像上占像素點的數(shù)量。對于剝落和點蝕損傷，在涂層表面會形成較大的塊狀損傷區(qū)域，對這些區(qū)域可以通過圖像分割和二值化處理從而獲得損傷連通域，對損傷連通域的像素進行統(tǒng)計，作為損傷面積的估計值。由于采用相對面積比更容易表征涂層損傷，可以用相對值表示損傷面積，該相對值即損傷區(qū)域的面積占框選區(qū)域大小的比例。采用深度特征提取網(wǎng)絡對本工作中制作的損傷數(shù)據(jù)集進行訓練和測試，從數(shù)據(jù)集中的475 張圖片中隨機選出425 張圖片作為訓練集，50 張圖片作為測試集，測試集50 張圖片中包含69 處腐蝕，測試結(jié)果表明，本工作提出的涂層表面損傷圖像識別方法的檢測準確率在80%以上。

2.4 腐蝕在線監(jiān)測云平臺

基于上述的涂層老化在線監(jiān)測技術(shù)及涂層表面損傷圖像識別方法，建立一套涂層損傷在線監(jiān)測云平臺，其中包括腐蝕程度、綜合分析、監(jiān)測點腐蝕情況匯總、鋼管架示意圖、涂層老化警報、圖像分析警報、設備統(tǒng)計等部分。整個云監(jiān)測系統(tǒng)中包含電化學阻抗測量數(shù)據(jù)和每日定時損傷視頻監(jiān)測圖像。系統(tǒng)通過分布式高清攝像頭獲取信息，再進行機器學習，從而對涂層缺陷進行評級，可有效指示鋼管樁不同區(qū)域的涂層老化情況。此外，該系統(tǒng)還整合了探頭監(jiān)測涂層阻抗變化信息，可實時反饋涂層的老化狀態(tài)。風電機組運維人員可根據(jù)該系統(tǒng)實時監(jiān)測服役涂層的老化狀態(tài)，減少人工巡檢次數(shù)，且能及時發(fā)現(xiàn)涂層的缺陷。此外，可對涂層的老化狀態(tài)進行分級并預測涂層的剩余服役壽命，由此來決定涂層的維護或更換。

3 結(jié) 論

本工作利用原位監(jiān)測探頭和電化學阻抗測量原理實現(xiàn)了海上升壓站鋼管樁涂層老化狀態(tài)的無損在線監(jiān)測，重點研究了不同海平面高度及不同缺陷類型對涂層長期服役性能的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論:

(1)在海洋工況條件下，涂層在浪濺區(qū)的耐蝕性最差，在大氣暴曬區(qū)的耐蝕性最好，且涂層表面非穿透性損傷在短期內(nèi)不會顯著降低涂層的阻抗值。此外，針對海上升壓站涂層缺陷的機器識別問題，利用圖像處理技術(shù)能實現(xiàn)對涂層缺陷的自動識別和報警。現(xiàn)場實測表明本工作提出的涂層缺陷檢測方法具有較高的精度，在復雜工況條件下也有較好的適應能力。

(2)將現(xiàn)場涂層老化的電化學阻抗檢測數(shù)據(jù)與涂層損傷圖像識別結(jié)果進行歸一化整合，建立了一套海上升壓站鋼管樁涂層老化的在線監(jiān)測云系統(tǒng)，實現(xiàn)海上風電樁防護涂層老化的在線監(jiān)測與失效預警。