海上風(fēng)電場(chǎng)防腐蝕標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析與適用性研究

勞景水，邳 帥，毛會(huì)爾，董文科，楊泰鴻

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司清潔能源分公司，天津 300459；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 安全與海洋工程學(xué)院，北京 102249)

0 前 言

海上風(fēng)電由于靠近能源負(fù)荷中心且對(duì)環(huán)境友好、發(fā)展?jié)摿薮蠖鴤涫荜P(guān)注。海上風(fēng)電面臨海洋環(huán)境中的高風(fēng)速、強(qiáng)海浪、腐蝕性氣候和海水侵蝕等挑戰(zhàn)，而陸地風(fēng)電則受到陸地氣候、地形和土壤等因素的影響，服役環(huán)境相對(duì)友好。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命方面，陸地風(fēng)電的設(shè)計(jì)壽命通常為20 a 左右，海上風(fēng)電所面臨的環(huán)境條件較為嚴(yán)酷，設(shè)計(jì)壽命一般為20～30 a，甚至更長(zhǎng)，因此風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)與塔筒等結(jié)構(gòu)的耐久性要求更高。而在設(shè)備維護(hù)的難度方面，海上風(fēng)電由于遠(yuǎn)離陸地，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的維護(hù)和檢修工作需要依靠船只和專業(yè)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行，運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本也更高。海上環(huán)境中存在鹽霧、高濕度、腐蝕性氣體以及海水等強(qiáng)腐蝕性因素，極易導(dǎo)致風(fēng)電設(shè)備受損，設(shè)備結(jié)構(gòu)變?nèi)酰黾影踩[患，嚴(yán)重可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)葉片脫離，塔架傾倒等事故，對(duì)周圍環(huán)境和人員構(gòu)成威脅，同時(shí)，還會(huì)帶來(lái)維護(hù)和修復(fù)成本增加的問題，這就要求海上風(fēng)電防腐蝕系統(tǒng)能夠經(jīng)受住多種復(fù)雜環(huán)境因素的持續(xù)性的影響?，F(xiàn)行海上風(fēng)電場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系和結(jié)構(gòu)框架不完善且更新較慢，還存在著不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)與同一種設(shè)備及工況有著不同的規(guī)定，導(dǎo)致設(shè)計(jì)和制造人員在選擇標(biāo)準(zhǔn)中面臨著很大的困難[1，2]。

本工作從ISO 12944-2-2017“Paints and Varnishes-Corrosion Protection of Steel Structures by Protective Paint Systems-Part 2: Classification of Environments”、Norsok M501-2017“Surface Preparation and Protective Coating”、NACE SP 0108-2012 “Corrosion Control of Offshore Structures by Protective Coatings”、JTS 153-2015“水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”、GB/T 31817-2015“風(fēng)力發(fā)電設(shè)施防腐涂裝技術(shù)規(guī)范”、NB/T 31006-2011“海上風(fēng)電場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”等國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范入手開展關(guān)于海上風(fēng)電場(chǎng)的防腐蝕標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比工作，從涂層表面處理、涂層材料、配套涂層方案和陰極防護(hù)等方面綜合考慮各種標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)出適合于我國(guó)海域海上風(fēng)電場(chǎng)的防腐蝕推薦使用標(biāo)準(zhǔn)。

1 海上風(fēng)電設(shè)備腐蝕環(huán)境分析

國(guó)家材料環(huán)境腐蝕平臺(tái)下的海洋大氣試驗(yàn)站分別位于青島、舟山、瓊海、萬(wàn)寧和西沙。這些檢測(cè)站長(zhǎng)期觀測(cè)得到的環(huán)境數(shù)據(jù)可以反映出各個(gè)海洋大氣環(huán)境的特點(diǎn)[3]，見表1。例如，青島站的SO2沉積率比其他站高出2 個(gè)數(shù)量級(jí)以上，反映了黃海海洋大氣的高污染程度；舟山站其水域pH 值明顯低于其他站，表現(xiàn)出了明顯的酸雨特性；西沙站具有高溫、高濕、高鹽霧(Cl-沉積率)的特征，但SO2沉積率卻相對(duì)較低。以上環(huán)境因素將對(duì)金屬的腐蝕程度、機(jī)理和壽命產(chǎn)生決定性的影響。需要根據(jù)不同海洋環(huán)境的特點(diǎn)采取相應(yīng)的防護(hù)措施，以盡可能降低風(fēng)電設(shè)備的腐蝕程度，保證設(shè)備的安全使用。

表1 各個(gè)海洋大氣試驗(yàn)站的環(huán)境數(shù)據(jù)Table 1 Environmental data for each marine atmosphere test station

ISO 9223-2012 “Corrosion of Metals and Alloys Corrosivity of Atmospheres Classification，Determination and Estimation”基于全球氣候類型共128 個(gè)地區(qū)的暴露試驗(yàn)結(jié)果和環(huán)境數(shù)據(jù)，提出了以相對(duì)濕度、溫度、SO2沉積速率、Cl-沉積速率4 項(xiàng)環(huán)境因子的年均值對(duì)碳鋼、鋁、鋅、銅4 種標(biāo)準(zhǔn)金屬第1 年腐蝕速率的預(yù)測(cè)方程。其中碳鋼腐蝕速率的預(yù)測(cè)方程為:

式中，rcoor為碳鋼第1 年腐蝕速率，μm/a，Pd為年平均SO2沉積速率，mg·100 m2/d；Sd為年平均Cl-沉積速率(濕燭法)，單位為mg·100 m2/d；RH為年平均相對(duì)濕度，%；fst為溫度系數(shù)，當(dāng)年平均溫度t≤10 ℃時(shí)，fst＝0.150(t -10) ，其他情況下，fst＝0.054(t -10) 。

將表1 中觀測(cè)的數(shù)據(jù)按照式(1)計(jì)算腐蝕速率，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果將各海域的海洋大氣試驗(yàn)站進(jìn)行腐蝕等級(jí)劃分，劃分結(jié)果見表2，腐蝕等級(jí)最高的是西沙和青島站，為5 級(jí)以上，主要原因是這2 個(gè)站具有高溫、高濕和高鹽霧或高污染的特點(diǎn)。舟山站雖然只被分為3級(jí)，但值得注意的是它明顯表現(xiàn)出酸雨特性，原因是ISO 9223-2012 標(biāo)準(zhǔn)在腐蝕環(huán)境劃分中沒有充分考慮到酸雨等因素。雖然萬(wàn)寧站和瓊海站腐蝕等級(jí)均為3級(jí)或者4 級(jí)，由于萬(wàn)寧站雨水pH 值顯著低于瓊海站，實(shí)際上萬(wàn)寧站的大氣腐蝕強(qiáng)度明顯高于瓊海站。因此，在不同海洋環(huán)境中，需要針對(duì)不同的環(huán)境特點(diǎn)采取相應(yīng)的措施來(lái)保護(hù)設(shè)備免受腐蝕的損害。

表2 各個(gè)海洋大氣試驗(yàn)站腐蝕等級(jí)Table 2 Corrosion levels of each marine atmosphere test station

對(duì)于海水腐蝕的評(píng)價(jià)，基于GB/T 19485-2004“海洋工程環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則”要求的單因子污染標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)法，朱相榮等[4]提出了海水腐蝕性評(píng)價(jià)因子和海水腐蝕性分級(jí)意見，其中海水腐蝕性評(píng)價(jià)因子見式(2):

式中:Yi是3 個(gè)影響程度較大的環(huán)境因素(溫度、海生物附著、pH 值)，fi是3 個(gè)影響程度較大的環(huán)境因素對(duì)腐蝕深度的關(guān)聯(lián)度。

2 海上風(fēng)電設(shè)備防腐蝕標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析與適應(yīng)性分析

海上風(fēng)電設(shè)備防腐蝕對(duì)比分析和適應(yīng)性分析是為了確保海上風(fēng)電設(shè)施的可持續(xù)發(fā)展，提高其運(yùn)營(yíng)效率以及延長(zhǎng)其使用壽命，在確保設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行、降低維護(hù)成本和維修費(fèi)用、減少對(duì)環(huán)境的污染、提高設(shè)備的耐久性和可靠性等方面都有著重大的意義。

2.1 海洋腐蝕環(huán)境對(duì)標(biāo)分析

海上風(fēng)電場(chǎng)典型結(jié)構(gòu)示意圖和腐蝕環(huán)境分類示意圖如圖1 所示。海上風(fēng)電場(chǎng)的裝備及結(jié)構(gòu)見圖1a，主要包括海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、海上升壓站與塔架和機(jī)艙部件，也包括外圍的輸變電系統(tǒng)。

ISO 12944-2-2017 標(biāo)準(zhǔn)自1998 年推出就有廣泛且成功的應(yīng)用，是現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中使用最為廣泛的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一，標(biāo)準(zhǔn)將大氣腐蝕環(huán)境分為C1 ～CX 6 個(gè)等級(jí)，將水下腐蝕環(huán)境分為Im1～I(xiàn)m4 4 個(gè)等級(jí)。

JTS 153-2015 將海上鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕環(huán)境劃分為大氣區(qū)、浪濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)、泥下區(qū)5 種。根據(jù)ISO 19244-2-2017 的分類，海水中的全浸區(qū)和泥下區(qū)的環(huán)境腐蝕性等級(jí)為Im2/Im4 和Im3/Im4，如圖1b 所示。此外，浪濺區(qū)和潮差區(qū)的環(huán)境腐蝕性等級(jí)可定義為Im2/CX。而大氣區(qū)則直接暴露在海洋大氣中，屬于外部海洋腐蝕環(huán)境C5-CX。

將ISO 12944-2-2017 與JTS 153-2015 2 部規(guī)范中規(guī)定的腐蝕等級(jí)進(jìn)行對(duì)標(biāo)，得到表3。

表3 海上腐蝕環(huán)境對(duì)比分析Table 3 Comparative analysis of offshore corrosion environment

2.2 防腐蝕措施對(duì)標(biāo)分析

2.2.1 鋼結(jié)構(gòu)表面前處理

在涂裝構(gòu)建過(guò)程中，底材表面在涂覆前的處理對(duì)于整個(gè)涂裝系統(tǒng)的防腐蝕性能和防護(hù)壽命具有重要的影響。從多年工程實(shí)踐來(lái)看，超過(guò)70%的防腐蝕體系提前失效是表面前處理不恰當(dāng)所致。表面前處理主要包括對(duì)表面的粗糙度和清潔度進(jìn)行控制。這些處理措施十分重要，可以確保涂裝系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的使用壽命。

在底漆為富鋅底漆的情況下，JTS 153-2015 要求鋼結(jié)構(gòu)在涂裝前必須進(jìn)行表面預(yù)處理，并給出了不同涂料表面清潔度的最低等級(jí)要求；ISO 19244-5-2018“Paints and Varnishes—Corrosion Protection of Steel Structures by Protective Paint Systems—Part 5: Protective Paint Systems”將基材的腐蝕等級(jí)分為A、B、C 和D 4 個(gè)等級(jí)，并給出了表面預(yù)處理的最低要求；Norsok M501-2017 要求對(duì)基體材料涂裝前進(jìn)行噴丸處理，并給出了噴射處理的詳細(xì)要求:噴涂磨料的材質(zhì)不應(yīng)含有氯化物，并且要求經(jīng)噴射處理后基體表面清潔度最低等級(jí)是Sa2.5。關(guān)于表面粗糙度在JTS 153-2015 和Norsok M501-2017 有涉及到，但是ISO 19244-5-2018 沒有涉及到表面粗糙度的相關(guān)要求，對(duì)比分析結(jié)果詳見表4。

表4 表面前處理標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析Table 4 Comparative analysis of surface pretreatment standard

2.2.2 鋼結(jié)構(gòu)涂層系統(tǒng)

在涂裝底層時(shí)，首先需要涂上和金屬表面直接接觸的底漆。該底漆密實(shí)地填塞施工區(qū)域內(nèi)的氣孔、麻面和凹槽中，以增強(qiáng)金屬表面與主要涂料之間的粘結(jié)力。底漆應(yīng)具備以下要求和作用:(1)良好的附著力；(2)有效的防腐能力。而底漆的作用主要體現(xiàn)在3 個(gè)方面:一是屏蔽作用；二是顏料的鈍化作用和緩蝕；三是具有陰極保護(hù)的作用。良好的底漆選擇和合理噴涂，可以確保涂裝系統(tǒng)的耐久性和保護(hù)性能達(dá)到預(yù)期要求。

ISO 12944-5-2018 給出了2 種類型的底漆，并給出了在不同腐蝕等級(jí)下的具體推薦參數(shù)。NACE SP 0108-2012“Corrosion Control of Offshore Structures by Protective Coatings”給出了3 種類型的底漆:(1)屏蔽型底漆；(2)富鋅底漆；(3)有機(jī)緩蝕型底漆。

現(xiàn)行關(guān)于海上結(jié)構(gòu)物防腐蝕的標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都給出了一些自己的在不同腐蝕區(qū)域的涂層體系推薦表。對(duì)比、匯總之后得到表5。

表5 不同標(biāo)準(zhǔn)中的配套涂層設(shè)計(jì)對(duì)比Table 5 Benchmarking table of coating matching design in different standards

2.2.3 陰極保護(hù)系統(tǒng)

實(shí)際工程中，海洋潮差區(qū)及全浸區(qū)結(jié)構(gòu)表面犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)均依據(jù)規(guī)范給出，基于不同規(guī)范進(jìn)行陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，僅在部分參數(shù)的選取上略有區(qū)別，而總體思路是一致的。表6 對(duì)比了DNV 規(guī)范和NACE 規(guī)范在進(jìn)行陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的主要區(qū)別[5]。

表6 DNV 規(guī)范與NACE 規(guī)范主要區(qū)別Table 6 Main differences between DNV standards and NACE standards

2.3 風(fēng)電設(shè)備防腐蝕適應(yīng)性分析

海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電設(shè)備包括了海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、海上升壓站與塔架和機(jī)艙部件[6]，針對(duì)不同部件可能需要采取不同的防腐蝕措施，進(jìn)行風(fēng)電設(shè)備防腐蝕的對(duì)標(biāo)分析和適用性分析可以幫助設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)營(yíng)商更好地了解現(xiàn)有的技術(shù)和市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)。

2.3.1 風(fēng)機(jī)葉片

隨著風(fēng)機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，風(fēng)機(jī)葉片的制造材料、結(jié)構(gòu)和形態(tài)都經(jīng)歷了巨大的變化，典型風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)形式如圖2 所示。隨著單臺(tái)風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量的提高，風(fēng)機(jī)葉片的直徑也隨之增加。相關(guān)研究表明[7]，每當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片的直徑增加6%，就能帶來(lái)約12%的風(fēng)能利用率的提高?，F(xiàn)今2 MW 級(jí)別的風(fēng)機(jī)葉片的直徑已經(jīng)可以達(dá)到80 m 之長(zhǎng)。

圖2 風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)形式Fig.2 Wind turbine blade structure

目前風(fēng)機(jī)葉片幾乎全部使用復(fù)合材料，并且以聚氨酯類、環(huán)氧樹脂類為主，主要是因?yàn)榫郯滨?、環(huán)氧樹脂類的復(fù)合材料質(zhì)輕、性能穩(wěn)定并且可以降低磨耗，提高風(fēng)機(jī)電能轉(zhuǎn)化效率。風(fēng)機(jī)葉片會(huì)因環(huán)境因素的侵蝕而損傷，其主要的腐蝕形式包括光熱氧化腐蝕、鹽霧腐蝕、紫外線輻射和磨損腐蝕等。在海洋海島等高鹽度環(huán)境下運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)機(jī)葉片會(huì)面臨更嚴(yán)峻的鹽霧腐蝕問題。葉片內(nèi)部腐蝕主要包含如纖維增強(qiáng)塑料(FRP)基體或樹脂降解老化、水分滲入、疲勞應(yīng)力等?；瘜W(xué)腐蝕產(chǎn)生的層狀松散的腐蝕物容易被空氣中的顆粒磨損后暴露出內(nèi)部金屬層，并迅速再次發(fā)生腐蝕。工業(yè)風(fēng)機(jī)和風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的金屬部件同樣也容易被顆粒物、水分及侵蝕性介質(zhì)磨損、腐蝕。這種情況下，腐蝕會(huì)加速磨損，而磨損反過(guò)來(lái)也會(huì)加速腐蝕，導(dǎo)致設(shè)備損壞和壽命縮短。

位于海洋大氣區(qū)的風(fēng)機(jī)葉片是由聚氨酯玻璃鋼材質(zhì)或環(huán)氧玻璃鋼等復(fù)合材料制成，通常采用膠衣或聚氨酯涂料進(jìn)行防腐，聚氨酯樹脂具有優(yōu)良的耐油性、耐磨性、耐化學(xué)藥品性以及較強(qiáng)的附著能力，使其至今仍然廣泛用于風(fēng)機(jī)葉片的防護(hù)。GB/T 31817-2015“風(fēng)力發(fā)電設(shè)施防護(hù)涂裝技術(shù)規(guī)范”要求葉片防腐涂層至少2層，且對(duì)每層漆的具體厚度都做了規(guī)定，推薦采用底漆+聚氨酯面漆的組合，最低干膜厚度為(180+60)μm。

2.3.2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)

(1)鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 海上風(fēng)機(jī)使用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)有單樁、重力式、三角架式、導(dǎo)管架式、多樁式和漂浮式等類型。其中，除了漂浮式結(jié)構(gòu)，其他基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)通常采用鋼質(zhì)建造。針對(duì)不同的腐蝕控制需求，采用涂層和陰極保護(hù)作為聯(lián)合防護(hù)機(jī)制，可以有效抵御泥下區(qū)和全浸區(qū)的腐蝕[8]；對(duì)于浪濺區(qū)和潮差區(qū)，采用預(yù)留腐蝕余量和涂層聯(lián)合保護(hù)的方式進(jìn)行腐蝕控制，在一定程度上潮差區(qū)也可采用陰極保護(hù)手段[9]。在浪濺區(qū)，各種標(biāo)準(zhǔn)通常要求最小總膜厚在600 μm 以上，并使用聚氨酯涂料、丙烯酸、氟碳等作為最外層面漆，增強(qiáng)涂層系統(tǒng)對(duì)紫外線的抵抗能力。在全浸區(qū)，內(nèi)外部涂層最小總膜厚要求在350 μm 以上。針對(duì)海泥區(qū)的腐蝕環(huán)境常采用涂層保護(hù)和陰極保護(hù)的措施。對(duì)于陰極保護(hù)防腐蝕標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在世界范圍內(nèi)DNV-RPB-401-2011“Cathodic Protection Design”，NACE SP0176-2022“Corrosion Control of Submerged Areas of Permanently Installed Steel Offshore Structures Associated with Petroleum Production”標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的應(yīng)用范圍和時(shí)間最長(zhǎng)，可為我國(guó)海域所用。

海洋大氣區(qū)常使用防腐涂層系統(tǒng)進(jìn)行腐蝕控制，在ISO 12944-5-2018 標(biāo)準(zhǔn)中，腐蝕環(huán)境等級(jí)為C5 的涂層方案采用了富鋅底漆、環(huán)氧中間漆和聚氨酯面漆的組合方式，總膜厚達(dá)到320 μm；而針對(duì)CX 腐蝕環(huán)境等級(jí)的涂層配套體系在ISO 12944-9-2018 和Norsok M501-2017 標(biāo)準(zhǔn)中都采用富鋅底漆、環(huán)氧中間漆和聚氨酯面漆的組合作為防腐蝕涂層系統(tǒng)，總膜厚為280 μm?？梢园l(fā)現(xiàn)盡管CX 環(huán)境腐蝕性等級(jí)高于C5，但該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于涂層配套的要求較低，缺乏邏輯上的嚴(yán)謹(jǐn)性，因此該標(biāo)準(zhǔn)在后續(xù)修訂中需要對(duì)此部分進(jìn)行修正和完善。

(2)混凝土基礎(chǔ) 混凝土腐蝕是指混凝土中的鋼筋遭受環(huán)境因素的侵蝕而致使力學(xué)性能下降的現(xiàn)象。其主要原理是由于混凝土具有相對(duì)較高的堿性，一旦鋼筋裸露在環(huán)境中，就容易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，形成電池產(chǎn)生電流，從而引起鋼筋的陽(yáng)極溶解和陰極還原2 種反應(yīng)，最終導(dǎo)致鋼筋斷裂或者鋼筋與混凝土間的結(jié)合力下降。厚的保護(hù)層可以減緩鋼筋的銹蝕速度，但如果保護(hù)層破損或有缺陷，則會(huì)大大加速混凝土鋼筋的銹蝕。此外，Cl-、SO2、NOx等有害物質(zhì)也是混凝土腐蝕的重要原因之一，它們會(huì)進(jìn)一步破壞混凝土表面的保護(hù)層，并促進(jìn)鋼筋發(fā)生更嚴(yán)重的腐蝕。參考NB/T 31133“海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組混凝土基礎(chǔ)防腐蝕技術(shù)規(guī)范”、GB/T 3873-2018“海工裝備及其結(jié)構(gòu)物海洋環(huán)境耐蝕、換熱與隔熱設(shè)計(jì)技術(shù)要求”、GB 50010-2010“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范”、ISO 12944-5-2018“Paints and Varnishes-Corrosion Protection of Steel Structures by Protective paint Systems - Part 5: Protective Paint Systems”等7 部標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，可制定如下防護(hù)方案:

①可以在海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土表面涂覆防水層，從而有效防止海水滲透和侵蝕。常用的防水層材料包括聚氨酯、瀝青、乳膠漆等。

②也可以在混凝土表面噴涂或涂刷涂層，能夠增強(qiáng)混凝土的耐腐蝕性能，提高其抗壓強(qiáng)度。一些可用于混凝土表面涂層的材料包括硅烷聚合物涂層、環(huán)氧涂層以及特種碳纖維復(fù)合材料等。

③在混凝土原材料處理時(shí)可以加入一定比例的耐蝕小石子或纖維等，并進(jìn)行充分篩選后，與混凝土配合進(jìn)行施工，以提高混凝土的強(qiáng)度和耐磨性，降低混凝土表面因受海浪侵蝕而破損、產(chǎn)生裂縫等損傷的風(fēng)險(xiǎn)。鋼鐵暴露在潮濕及有氧的環(huán)境下，將趨于回到原來(lái)的化合物穩(wěn)定態(tài)，會(huì)產(chǎn)生鐵銹，成分類似于赤鐵礦。

對(duì)混凝土鋼筋施加涂層系統(tǒng)保護(hù)，可以阻擋外界腐蝕介質(zhì)滲透進(jìn)入鋼筋，從而保護(hù)混凝土不受到侵蝕。我國(guó)各海域可采用GB 50010-2010“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范”進(jìn)行防腐蝕設(shè)計(jì)。而對(duì)于海上的復(fù)雜環(huán)境，在滿足GB 50010-2010 的要求之外，還應(yīng)參考GB/T 3873-2018“海工裝備及其結(jié)構(gòu)物海洋環(huán)境耐蝕、換熱與隔熱設(shè)計(jì)技術(shù)要求”規(guī)范，針對(duì)混凝土基礎(chǔ)耐蝕、熱交換等方面有更詳盡的應(yīng)對(duì)措施。

2.3.3 塔架與機(jī)艙

塔架和機(jī)艙處在海洋大氣區(qū)，分為內(nèi)部和外部，海洋大氣區(qū)外部指的是和海洋空氣直接接觸的機(jī)艙外殼、機(jī)艙和塔架連接部件以及其他輔助部件。在塔架上部和機(jī)艙-風(fēng)輪組件所處的海洋大氣區(qū)的鋼質(zhì)部件需要采取防腐蝕措施以延長(zhǎng)其使用壽命。防腐涂料、陽(yáng)極氧化等方法都可用于防腐蝕處理。對(duì)于防腐涂料及復(fù)合涂層的設(shè)計(jì)，可參考Norsok M501-2017 以及GB/T 31817-2015、NB/T 31006-2011 這3 部標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在國(guó)內(nèi)大氣區(qū)C5 腐蝕環(huán)境等級(jí)中，可以采用富鋅底漆+環(huán)氧中間漆+聚氨酯面漆的方案進(jìn)行涂裝，總膜厚為320 μm。塔架靠水面一側(cè)處于浪濺區(qū)與全浸區(qū)，對(duì)浪濺區(qū)，各種標(biāo)準(zhǔn)通常要求最小總膜厚在600 μm 以上，并使用聚氨酯涂料作為最外層面漆，增強(qiáng)涂層系統(tǒng)對(duì)紫外線的抵抗能力。對(duì)全浸區(qū)，內(nèi)外部涂層最小總膜厚要求在350 μm 以上。

海洋大氣區(qū)內(nèi)部環(huán)境指的是風(fēng)機(jī)內(nèi)部環(huán)境，對(duì)應(yīng)腐蝕環(huán)境為C4，在風(fēng)機(jī)內(nèi)部C4 環(huán)境腐蝕性等級(jí)的區(qū)域，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)沒有規(guī)定面漆的內(nèi)容，最小總膜厚和國(guó)外相同。環(huán)境控制是控制風(fēng)機(jī)內(nèi)部環(huán)境(例如溫度、濕度、鹽霧等參數(shù))以達(dá)到防腐蝕目的的一種手段，環(huán)境控制的具體要求可參考GB/T 33630-2017“海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防腐規(guī)范”。

2.4 海上風(fēng)電腐蝕監(jiān)檢測(cè)技術(shù)

海上風(fēng)電的健康監(jiān)測(cè)是為了降低故障風(fēng)險(xiǎn)，識(shí)別故障發(fā)生，并通過(guò)對(duì)風(fēng)電結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析來(lái)改善風(fēng)機(jī)的工作性能的腐蝕檢測(cè)技術(shù)。在海上風(fēng)電設(shè)備運(yùn)行期間，根據(jù)挪威船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)DNV-OS-J101 “Design of Offshore Wind Turbine Structures”的海上風(fēng)電運(yùn)行設(shè)備防腐檢查要求，每5 a 應(yīng)安排1 次無(wú)損檢測(cè)。針對(duì)涂層系統(tǒng)，根據(jù)ISO 19244-2-2017 的要求，需要對(duì)涂料的黏度、密度、不揮發(fā)物含量、硬度、彎曲度、耐磨性、附著力、耐老化性進(jìn)行檢測(cè)。涂層附著力檢測(cè)可參考GB/T 5210-2006“色漆和清漆拉開法附著力試驗(yàn)”。涂層耐磨性可參考GB/T 1768-2006“色漆和清漆-耐磨性的測(cè)定旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法”。

海上風(fēng)電機(jī)組數(shù)量多、位置分散，采用人工方式逐臺(tái)進(jìn)行陰極保護(hù)系統(tǒng)日常檢測(cè)，很難在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問題，較大面積的風(fēng)電場(chǎng)工作量也相當(dāng)巨大，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成檢測(cè)工作。安裝遠(yuǎn)程在線腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖3 所示，能夠節(jié)省大量人力、物力和時(shí)間，實(shí)施對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕控制的有效管理。陰極保護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的原理是通過(guò)檢測(cè)參比電極與被保護(hù)結(jié)構(gòu)之間的電位是否處于合理的保護(hù)電位范圍內(nèi)，判斷被保護(hù)結(jié)構(gòu)的陰極防護(hù)效果。系統(tǒng)主要構(gòu)成為檢測(cè)元件、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控元件、中央控制元件，根據(jù)水位不同，設(shè)計(jì)參比電極采集電信號(hào)，由在線監(jiān)檢測(cè)軟件處理數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)電位的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、電位超限報(bào)警等功能。根據(jù)DNV-RPB-401-2011 規(guī)范要求，對(duì)于安裝陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)施，應(yīng)做到每1 a 一次人工檢測(cè)或者安裝自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。

圖3 在線腐蝕檢測(cè)系統(tǒng)組成示意圖Fig.3 Schematic diagram of the composition of the online corrosion detection system

3 總結(jié)與展望

目前海上風(fēng)電防腐蝕標(biāo)準(zhǔn)在保障設(shè)備穩(wěn)定性和安全性方面已經(jīng)取得了一定的成效，但還存在以下一些缺陷:

(1)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一 目前各個(gè)國(guó)家和地區(qū)對(duì)于海上風(fēng)電防腐蝕標(biāo)準(zhǔn)的制定和要求有所不同，缺乏全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范；

(2)技術(shù)落后 在某些特殊情況下，當(dāng)前使用的海上風(fēng)電防腐蝕技術(shù)可能無(wú)法完全滿足實(shí)際需求。例如，深水區(qū)域、海洋熱涌等極端環(huán)境都需要更進(jìn)一步探索和研究。隨著海上風(fēng)電的不斷發(fā)展和完善，防腐蝕標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求也在不斷提高；

未來(lái)，對(duì)于海上風(fēng)電防腐蝕標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求可能會(huì)更加嚴(yán)格和細(xì)致化，以確保設(shè)備在惡劣海洋環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)作的可靠性和安全性。此外，為了適應(yīng)不同國(guó)家和地區(qū)的環(huán)境差異以及技術(shù)進(jìn)步，海上風(fēng)電防腐蝕標(biāo)準(zhǔn)將需要進(jìn)一步地細(xì)化和更新技術(shù)內(nèi)容，以提供全球范圍內(nèi)的技術(shù)交流和合作平臺(tái)?？傊?，未來(lái)海上風(fēng)電防腐蝕標(biāo)準(zhǔn)有必要在技術(shù)創(chuàng)新、環(huán)境適應(yīng)性、標(biāo)準(zhǔn)化等方面得到更加廣泛和深入的研究和應(yīng)用。