海上风机钢结构腐蚀机理及防腐措施

2024-01-08 11:48:18 作者：腐蚀与防护来源：腐蚀与防护分享至：

海上风电机组矗立在海洋中，而海洋环境是一种极其复杂的腐蚀环境。在这种环境中，海水本身是一种强的腐蚀介质，同时波、浪、潮、流又对金属构件产生低频往复应力和冲击，加上海洋微生物、附着生物及它们的代谢产物等都对腐蚀过程产生直接或间接的加速作用。对于使用钢材料的风电设备而言，“抗腐蚀”成为海上风电运行后最大的考验。

目前，海上风电运维人员对防腐的重视程度认识不高，因为水下钢结构看不见摸不着，觉得离形成重大隐患较远，殊不知危险已悄然存在；另一方面，对海上防腐知识欠缺，两者叠加起来，形成了防腐“说起来重要做起来次要”的局面。但防腐越早治理，对设备的后期运维越好，所以海上钢结构的防腐十分重要。

海上风机钢结构的腐蚀机理

腐蚀环境

腐蚀是材料在环境作用下发生变质并导致破坏的过程。几乎所有材料的使用过程中，在环境作用下都会发生腐蚀。引起材料腐蚀的环境有两类：一类是自然环境，如大气、海水和土壤等；另一类是非自然环境，如酸、碱、盐及其他工业生产中的介质等，也称工业环境。金属材料在自然环境中的腐蚀过程，实质上就是金属在腐蚀介质中通过电化学反应被氧化成正的化学价态，这也就是金属腐蚀的电化学本质。

海上风机钢结构腐蚀区域划分

海上风机矗立在海上，基础和塔筒是处于海洋环境下的钢结构，在海洋中的腐蚀行为情况随其暴露条件的不同而发生很大的变化。从腐蚀角度上一般将海洋环境自上而下划分为海洋大气区、浪花飞溅区、潮差区、海水全浸区（包括浅海区、大陆架区和深海区）和海底泥土区5个腐蚀区带。风电设备一般运行在海洋大气区内，主要以潮的大气腐蚀为主，不同区域的腐蚀速率存在着明显差别。浪花飞溅区的腐蚀速率最高，潮差区次之。

钢结构在大气中的腐蚀机理

腐蚀机理

钢结构在常温下的大气腐蚀，主要是由于暴露在常温大气环境中使用，受空气中的水分和其他污染物的化学、电化学的作用而引起的腐蚀。这种腐蚀是在金属表面极薄的一层水膜下进行的，这些水膜或是由于水分的直接沉降或者由于大气温度的突然变化而产生的凝露。这些水膜中又能溶入大气中的气体（如O₂、CO₂、SO₂、H₂S等）、盐类、尘土及其他污染物，再加上生产制造、运输及使用过程中人为污染因素，所有这些都会共同作用提高水膜的导电性而促进腐蚀过程的加速，当金属表面形成连续的电解液层时，便形成电化学腐蚀过程。

一方面，含O₂水膜中由于氧的去极化作用产生吸氧腐蚀，其总的反应公式为：

2Fe+O₂+2H₂O=4Fe(OH)₂

4Fe(OH)₂+2H₂O+O₂=4Fe(OH)₃

整个过程表现为阴极得电子O₂+2H₂O+4e→4OH^-，在阳极铁被氧化成Fe²⁺，Fe-2e→Fe²⁺，形成Fe(OH)₃，脱水为Fe₂O₃，这是形成红褐色的铁锈的主要成分。

另一方面，金属表面电解质溶液中会溶有一定量的CO₂、SO₂、H₂S等，加上水的电离便产生析氢反应，即：

H₂O=H++OH^-

CO₂+H₂O=H₂CO₃=H⁺+HCO₃^-

铁及其杂质在H⁺、OH^-、HCO₃^-等离子溶液中形成腐蚀电池，Fe-2e→Fe²⁺，Fe²⁺+2OH^-=Fe(OH)₂，水膜中的H⁺从阴极中获得电子生成H2放出，即2H⁺+2e→H2。产物Fe(OH)₂继续氧化形成的Fe(OH)₃及脱水后形成Fe₂O₃。

上述进行的腐蚀表明，金属都是作为阳极发生氧化反应而遭受到腐蚀，整个过程具有由以下三个环节组成：

(1) 在阳极金属失去电子变成金属离子进入溶液，Fe-2e→Fe²⁺；

(2) 电子由阳极流向阴极；

(3) 在阴极，流来的电子被溶液中能吸收电子的物质接受生成还原物质（2H⁺+2e→H₂，O₂+2H₂O+4e→40H^-）。

在这三个环节中进行最慢的一个环节将决定整个腐蚀过程的速度。

影响钢结构大气腐蚀的环境因素

大气的相对湿度：由于大气腐蚀是一种发生在液膜下的电化学反应，空气中水分在金属表面凝聚而产生水膜，和空气中氧气通过水膜抵达金属表面是发生大气腐蚀的基本条件，水膜的形成与大气中的相对湿度相关，故空气中相对湿度是影响大气腐蚀的主要因素之一。金属表面形成水膜所需相对湿度的最低值称为腐蚀临界湿度，当大气的相对湿度超过临界湿度时，其腐蚀速度会快速增加。

表面润湿时间：金属表面能引起大气腐蚀的电解质膜，以吸附或液态膜形式覆盖在金属表面的时间称为表面润湿时间，实际上就是金属表面发生电化学腐蚀的时间。表面润湿时间越长，腐蚀总量就越大。

气温：大气温度及其变化是影响大气腐蚀的重要因素。因为它影响金属表面水蒸气的凝聚、水膜中各种腐蚀气体和盐类的溶解度、水膜的电阻以及腐蚀电化学反应的速度。温度的影响需与大气的相对湿度综合起来考虑。

海洋微生物腐蚀

微生物腐蚀是指微生物附着在金属、合金等复合材料表面形成生物膜，影响金属表面的电化学过程。微生物腐蚀主要是一些细菌作用。腐蚀性的细菌种类很多，但分布广、作用大的腐蚀性细菌都与自然界的硫元素相关，其中主要的是硫化细菌和硫酸盐还原菌。海洋细菌不管在有氧环境中还是无氧状态下，都对金属有腐蚀作用。

海上风机钢结构防腐措施

耐候钢

耐腐蚀性能优于一般结构用钢的钢材称为耐候钢。工程实践中，耐候钢不涂装就可以使用，是极好的结构用材，并且可以将钢结构（如桥梁）寿命期内的总费用降到最低。

热浸镀锌技术

钢结构热浸镀锌是将表面净化处理后的钢构件浸入460～469 ℃融化的锌液中，使钢构件表面附着锌层，其厚度对5 mm以下薄板不得小于65 μm，对厚板不小于86 μm。钢结构件采用这种保护方式具有耐蚀性好，使用寿命长，且基本不用维护等优点，因而其应用越来越广泛。

防腐涂料技术

防腐涂料作为钢结构最常用的防腐蚀原料，具有成本低、工艺简单、场地要求不严格等优点，但是其防腐蚀性一般不如长效防腐蚀技术，用于户外时维护成本偏高。该技术的关键是除锈和涂料的选择。优质的涂层依赖于彻底的表面预处理，在相同的涂层防护条件下有效预处理的涂层使用寿命相差将近一半。因此一般多用喷砂喷丸除锈，钢构件表面必须露出金属的光泽，并且除去所有的锈迹和油污，现场施工的涂层可用手工除锈。选择涂料应考虑钢构件表面的预处理情况最终外观（光泽或者颜色）、单层还是多层涂装、使用温度、表面现状及其类型等。

海上钢结构防腐涂料喷涂步骤

热喷涂防腐技术

热喷涂是在对钢构件表面作喷砂除锈，使其表面露出金属光泽并打毛的基础上，采用燃烧火焰、电弧等作为热源，将喷涂材料加热到塑态和熔融状态，并用压缩空气将材料呈雾化的颗粒束吹附到基体表面上，随之激冷并不断层积而形成涂层的工艺方法。这种工艺的优点是对构件尺寸适应性强，构件形状尺寸几乎不受限制，同时其热影响区是局部的，热变形较小，但是表面喷涂质量受人为因素、环境因素影响大。热喷涂技术作为长效防腐蚀措施，重点强调在产品设计和制作中采用镀锌、喷铝复合涂层进行长效防护，已成功应用于国民经济的各个部门。

阴极保护技术

对于需要在水下或地下使用的钢结构，一般采用阴极保护的防腐蚀方式，共分外加电流式和牺牲阳极式两种形式。我国在海上钢结构中大量采用了阴极保护技术。牺牲阳极阴极保护是一种防止金属腐蚀的方法，即将还原性较强的金属（牺牲阳极）作为保护极，与被保护金属（钢结构）相连构成原电池，还原性较强的金属将作为负极发生氧化反应而消耗，被保护的金属作为正极就可以避免腐蚀。

海上风机常用的防腐措施

1）叶片、轮毂罩、机舱罩是由玻璃钢制成，材料的本身具有防腐蚀性能。

2）塔架、轮毂、主机架、齿轮箱、发电机等金属部件，多采取的是喷涂油漆的防腐方案，机组外部防腐等级C5-M，内部C4。

3）整个机舱为密闭结构，为实现机舱内的空气与外界进行热量的交换，在机舱中可设置了空气冷却通道和换热器装置，保证只有少量的含有盐分的空气进入机舱，减小空气中的盐分对机舱内部件的腐蚀。

4）机舱外表直接暴露在空气中的金属零部件，如水冷散热器支架、航空灯支架等均可采用不锈钢材料，以增加抗腐蚀能力。

5）在高湿度地区，发电机、控制柜等电气元件等处可增加加热除湿系统，在湿度传感器发出信号后，控制各部位的加热器进行加热除湿，避免潮湿环境对机组的影响。发电机也可以采用特种绝缘材料，提高发电机滑环室的防护等级。电气线路板采用防腐涂层，电气母排采用镀镍工艺，提高防腐等级。

6）针对沿海的气候条件特点，在齿轮箱、液压系统等重要部件上，配置了高精度的空气过滤器，最大限度减少盐雾进入箱体内部的可能；并在润滑油液压油的选择上，选用油水分离性能更好的型号，使得混入箱体的含盐水溶液难以融入油液，并迅速被大容量、高精度的油液过滤器所拦截，以防止含盐水溶液混入油液后加剧对齿面、轴承、液压元器件的磨损。

7）使用锌铬膜（达克罗）涂层工艺技术对各连接件进行处理。铬酸在处理时使工件表面形成不易被腐蚀的稠密氧化膜，而且，由于达克罗干膜中铬酸化合物不含结晶水，其抗高温性及加热后的耐蚀性能也很好。

8）海上风机水下构筑物采用阴极保护。

海上风机水下钢结构防腐检测

海上风机水下钢结构的牺牲阳极的检测，均为潜水员水下作业，包括电连续性检测、阳极消耗量检测以及保护电位检测。

电连续性检测

使用电阻测试仪测试不同连接部位之间的连接电阻，测试时确保测试仪测试端子与结构物金属本体良好连接，有必要的情况下需局部打磨后进行测试。依据GB/T 33423-2016《沿海及海上风电机组防腐技术规范》中要求钢结构各部件之间应实现电连接，接触电阻小于0.1 Ω。

阳极消耗量检测

阳极消耗量的检测可以确定阳极的消耗速度，评价阳极使用寿命。为减少水下作业频次，降低作业安全风险，必要时可将保护形式由牺牲阳极保护改为外加电流保护。

水下牺牲阳极检查的选择，首先整体观察所有阳极组的完好情况，根据现场情况选择两组消耗最大的牺牲阳极进行检查，如果整体相差不大，则上下两层阳极组各选取一块进行检查。

观察牺牲阳极表面溶解状况、腐蚀类型，是否有严重的局部腐蚀乃至断裂的情况，记录牺牲阳极表面的状态。全程水下录像，及关键部位拍照。

下图为常用牺牲阳极示意图，阳极的A方向上选取至少5个测试面，每个测试面测试阳极的B1、B2、C的值，取平均值确定阳极的剩余尺寸，进而推算阳极的剩余质量。

牺牲阳极示意图

阴极保护电位检测

检测钢结构的阴极保护电位，可作为评价该结构所处环境腐蚀性的参数。电位检测利用高内阻数字万用表（内阻大于10 MΩ）、巴氏水下电位检测仪以及参比电极等设备工具进行检测。

潜水员携带电位仪及其他工具从甲板入水，根据潜水监督指引抵达检测点位置。用钢刷或铲刀彻底清理钢结构待测点的海洋生物、污垢、锈皮、残渣等。确认电极触头与结构接触后，仪器读数能迅速变成负值。否则，应进一步清理待测点或重新校正电极。从水面开始对风机钢桩的钢结构每3米作为一个测量截面，每个测量截面上每隔120°进行一次电位测量，并记录下数据。

牺牲阳极阴极保护电位范围