李阳

摘要：2016年是中国“十三五”规划的开局之年，也是国家继续支持海洋规划的第三个五年计划。近年来，随着资源、环境、气候问题的日益严峻，国家对于清洁能源的开发和应用日益受到各方的关注。我国的海上风能储量丰富，海上风塔市场前景可观，推进海上风塔建设是企业发展的一个重要战略举措，而海上风电设备所需的防腐技术比较复杂，需要结合产品的服役环境、结构、材料、装配工艺、运输环境等分部分、针对性的进行防腐设计。本文通过电化学原理、热力学理论，将海上风电塔筒所处腐蚀环境进行细化分析，针对各个环境状态下的腐蚀机理，采取不同的腐蚀防护措施。

1.概述

风电作为快速发展的绿色可再生能源，成为许多国家关注的焦点，成为可持续发展战略的重要组成部分。风电设备主要由叶片、机舱及塔筒组成，其中塔筒是风电机组支撑结构，是海上风电场的重要组成部分。我国的海上风能储量丰富，海上风塔市场前景可观，推进海上风塔建设是企业发展的一个重要战略举措，而海上风电设备所需的防腐技术比较复杂，需要结合产品的服役环境、结构、材料、装配工艺、运输环境等分部分、针对性的进行防腐设计。

海上风塔防腐设计要根据海洋环境进行有效的设计。海洋环境是指从海洋大气到海底泥浆这一范围内的任何一种物理状态，诸如温度、风速、日照、含氧量、盐度、PH值以及流速等，一般可分成性质不同的几种类型：海洋大气区、浪溅区、水位变动区、全浸区以及泥下区（见图1），各种环境因素变化很大，对塔筒的腐蚀作用也有所不同，危害也不同，主要的影响因素有：阴、阳离子组成及含量、充气种类及其饱和度、生物活性影响、温度变化、海水流速、海域环境污染、PH值的大小、海域的天然环境和变化等。因此，只有对海上风电塔筒采取有针对性的腐蚀防护设计才能保证海上风电场的安全稳定运行。

2.海洋环境中塔筒的腐蚀机理和对应的防护措施

海上风电塔筒的腐蚀防护措施主要有：增加腐蚀允量、电极防护、镀层、喷涂防腐蚀涂料等方法。海上风电塔筒与陆上风电最大的不同是海上风电塔筒所处的“腐蚀环境”不同，需要从实际出发，深入了解海洋腐蚀的特殊性后，将海上风电塔筒所处腐蚀环境细化，并通过电化学原理、热力学理论，对应分析各个环境状态下的腐蚀机理，从而有针对性地选择腐蚀防护措施。

（1）海洋大气区：涂料防腐

海洋大气是指海面飞溅区以上的大气区和沿岸大气区，在此区域中主要含有水蒸气、氧气、氮气、二氧化碳、二氧化硫以及悬浮于其中的氯化盐、硫酸盐等，具有比普通大气湿度大、盐分高、温度高及干、湿循环效应明显等特点。由于海洋大气湿度很大，水蒸气在毛细管作用、吸附作用、化学凝结作用的影响下，附着在钢材表面形成一层肉眼看不见的水膜，二氧化碳、二氧化硫和一些盐分溶解在水膜中，使之成为导电性很强的电解质溶液。此外，氯离子有穿透作用，它能加速钢材的点蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀。此区域都是ISO12944-2-1988界定的C5-M海洋大气环境

一般采用涂料防腐涂层系统，涂料的类型主要是富锌涂料和聚氨酯涂料，具有较高的品质和耐久性，但海上风电苛刻的腐蚀环境，要求不断提高其综合性能以更好的满足海上风电防腐蚀的需要。在设计涂层方案时，需要综合考虑环境、施工和性能，优先选择施工方便，尽量选用可以使用普通涂装设备进行施工、耐海水性能优异、耐紫外线、抗粉化性能好、耐老化的涂层体系。以ALSTOM的海上风塔为例，IP、Hempel对于海洋大气区的涂装体系设计如表1、表2：

（2）浪花飞溅区、海水潮差区：包覆防腐系统

浪花飞溅区是钢结构设施腐蚀最为严重的区域，也是最严峻的海洋腐蚀环境。主要的原因是，在浪花飞溅区，钢表面受到海水的周期性润湿，处于干湿交替状态，氧供应充分，盐分不断浓缩； 加之阳光、风吹和海水环境等协同作用导致发生最严重的腐蚀。

一般情况下，钢在海洋大气中的平均腐蚀速度约为0.03～0.08mm/a；而浪花飞溅区为0.3～0.5mm/a。同一种钢，在浪花飞溅区的腐蚀速度可比海水全浸区中高出3～10倍。有关实验和调查结果表明，长期在外海暴露的长尺试件，浪花飞溅区的腐蚀速度最高可达1mm/a以上，而在低潮位以下全浸区的腐蚀速度仅为0.1～0.3mm/a。一旦在这个区域发生严重的局部腐蚀破坏，会使整座结构设施大大降低承载力，缩短使用寿命，影响安全生产，甚至导致设施提前报废。在浪花飞溅区，如果采用通常使用的涂料防腐，在海水冲击下容易发生鼓泡和剥落，局部腐蚀十分严重。普通的阴极保护由于不能形成电流回路，在这个部位也不能发挥作用。

PTC复层矿脂包覆防腐系统由4层紧密相连的保护层组成，即矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带、密封缓冲层和增强玻璃钢保护罩。复层矿脂包覆防腐技术具有更好的抗腐蚀性、更持久的抗疲劳强度和冲击强度，包覆范围一般在最低潮位以下1m到浪花飞溅区，可以给暴露在该区带的钢结构提供长寿命半永久性的保护。针对海洋钢结构设施浪花飞溅区保护，从防腐蚀全寿命周期维护的观点来看，复层矿脂包覆技术无疑是最为成熟和最具优势的保护技术。

（3）海水全浸区：牺牲阳极防腐

全浸区是指常年低潮线以下直至海底的区域，根据海水深度不同分为浅海区（低潮线以下20m～30m以内）、大陆架全浸区（在30m～200m 水深区）、深海区（>200m水深区）。三个区影响钢结构腐蚀的因素因水深影响而不同，在浅海区海水流速较大，存在近海化学和泥沙污染，氧气、二氧化碳处于饱和状态，生物活跃、水温较高，因而该区腐蚀以电化学和生物腐蚀为主，物理化学作用为次，在该区钢的腐蚀比大气区和潮差区的腐蚀要严重；在大陆架全浸区随着水的深度加深，含气量、水温及水流速度均下降，生物亦减少，钢腐蚀以电化学腐蚀为主，物理与化学作用为輔，次区域的腐蚀较浅海区轻；在深海区PH<8.2，压力随水的深度增加，矿物盐溶解量下降，水流、温度充气均低，钢腐蚀以电化学腐蚀和应力腐蚀为主，化学腐蚀为次。

电化学腐蚀最主要的特点是伴随有腐蚀电流的产生，使阳极遭到腐蚀。在一般情况下，腐蚀电池很容易形成。例如，当含有杂质的钢板，或成分不均匀的钢板在电解质溶液中时，就会形成腐蚀微电池。因此.利用电化学腐蚀机理，通常会在研制腐蚀涂料过程中通过添加一些比被保护金属电位更低的金属填料，当电解质渗透到防护金属表面发生电化学腐蚀时，涂料中金属填料就作为阳极牺牲而被溶解，从而对母材金属起到了保护作用。

牺牲阳极的阴极保护作用原理如下：

Zn-2e-→Zn2+

O2+2H2O+4e-→4OH-

在全浸区钢除了产生均匀腐蚀外还会产生局部腐蚀如孔蚀。目前国内的海上风电场主要位于浅海区，如何有效防范电化学和生物腐蚀，是近期需要着重解决的问题。通常可以采用阴极保护方式防腐保护，并依据《海上风电场钢结构防腐蚀技术标准》（NB/T 31006-2011），对海上风电场钢结构的腐蚀状况及防腐蚀效果的定期巡视检查和定期检测加以解决。除此之外，还可以通过在塔筒内配备盐雾过滤/除湿系统，提升塔筒防腐能力。

3.海上风塔防腐涂层系统的评价标准

国际防腐评价依据

国际上常用的海上防腐涂料的评价标准有三个，分别为：

（1）ISO 12944-6色漆与清漆——钢结构的防护涂料系统的腐蚀保护（1998），是通用的防腐评价标准，特别是在大气腐蚀环境下的防腐蚀涂料系统的重要标准。

（2）NORSOKM-501表面处理和防护涂料（修订第6版，2012），主要用于海上平台防腐评价，为基体盐分等接受标准和高温抗老化、阴极剥离试验等补充要求的指导准则。

（3）ISO20340色漆和清漆——近海工程及相关结构防护涂料系统的性能要求（2009），是ISO 12944针对海上钢结构防腐蚀涂料的补充性重要参考标准。标准中列出的三项性能测试如下：①ISO 11507紫外线/冷凝循环条件下的防老化测试，ISO 9227标准中的盐雾试验，以及暴露在-20℃的低温性能；②阴极剥离性是根据ISO15711中的方法A来规定；③根据ISO 2812-2中所述的海水浸没试验。

4.海上风塔防腐涂料的性能评价方法

（1）物理性能检测

（2）环境适应性检测

（3）有害物质限量

挥发性有机化合物：仅针对溶剂型涂料，参考船舶涂料有害物质限量。

重金属及其元素：仅测铅、铬（六价铬）、镉等，参考ROHS指令限量值。

有机溶剂：甲苯、乙苯和二甲苯的总量≤500mg/kg。

5.结論

本文从实际出发，在充分分析海洋腐蚀环境的特殊性后，将海上风电塔筒所处腐蚀环境细化，并通过电化学原理、热力学理论，对应分析各个环境状态下的腐蚀机理，从而有针对性地选择腐蚀防护措施，并依据相关标准为涂装系统性能设定评价标准和评价方法，为海上风塔的防腐系统选择提供了更为科学的理论判断依据。