专题ㅣ曲政：用防腐技术“护航”海上风电

2017-04-01 17:15:00 作者：王妮来源：《腐蚀防护之友》分享至：

几百台高高耸立的巨大白色风机，在广阔的黄海上排成队，迎候取之不竭的风资源。绵延数十公里的海上风电场，傲岸多姿，恣肆雄奇，蔚为壮观。我国的海洋面积占国土面积的三分之一左右，海上风电发展方兴未艾。

据报道，我国风电建设始于20 世纪80 年代中期，1994 年起国家提出了风能发展目标，到2001 年风电装机容量仅为399.8MW，2011 年我国风电开发呈现波动、跨越式发展，累计风电装机容量比2007 年翻了11 倍，风电总装机容量达65441.5MW，约占全国发电总装机容量的4.3%。2012 年达到75324.2MW，风电已进入平衡增长的态势。截至2014 年底，全球海上风电装机容量已经达到877 万kW，中国大陆累计海上风电装机容量达到65.8 万kW。2014 年6 月《国家发展改革委关于海上风电上网电价政策的通知》进一步明确了海上风电的阶段上网电价，释放出我国海上风电将加快发展的积极信号。

但在海洋环境中，高湿度、高盐雾、长日照、浪花飞溅区干湿交替，水下区海水浸泡、生物附着等，腐蚀环境非常苛刻，对海上风电设备的腐蚀防护提出了严峻挑战，同时海上风电由于其特殊的地理环境和技术要求，维修费用极高。因此，海洋腐蚀不但给海上风电机组带来巨大安全隐患，缩短机组运营寿命，也大大增加了风电的建设投资和运行维护成本。与陆上风电相比，防腐蚀是海上风电必须考虑的突出问题，防腐蚀设计成为海上风电场设计的重要环节之一。

海上风电抗腐蚀有哪些技术，未来发展有哪些趋势？为此，我们采访了钢铁研究总院青岛海洋腐蚀研究所的书记、副所长曲政。钢铁研究总院青岛海洋腐蚀研究所作为国内从事海洋腐蚀与防护研究的专业机构，自1975 年成立以来，一直从事材料在海洋环境中的腐蚀数据积累和规律研究，积累了大量的海洋环境材料腐蚀数据，研究了材料在海洋环境中的腐蚀规律等，研究成果已在海上采油平台、海上风电等海上设施的腐蚀与防护中得到广泛应用。本期专题请曲书记给我们带来关于海上风电防腐技术的精彩解读。

曲政钢铁研究总院青岛海洋腐蚀研究所高级工程师

记者：您是海上风电防腐蚀领域里的专家，多年从事海上风电防腐蚀研究，请您谈谈目前我国海上风电设备的腐蚀情况如何？

曲政：能源是经济社会发展的重要物质基础。人类对能源的利用，从薪柴到煤炭、石油、天然气等化石能源，再到水能、风能、太阳能等清洁能源发电，每一次变迁都伴随着生产力的巨大飞跃和人类文明的重大进步。

欧洲是全球海上风电发展最快的地区，海上风电场主要分布在丹麦、英国等国家。丹麦风能资源非常丰富，是世界上最早大规模开始风力发电的国家，在风电技术上位于世界领先地位。1990年，丹麦安装了全球第一台示范近海风电机组，到2010 年丹麦的海上风电装机近1000MW。相对于丹麦等欧洲国家，我国海上风电起步较晚，2008 年开始建设第一个大型海上风电场，即东海大桥海上风电场，2010 年并网发电，这同时也是亚洲的第一个大型海上风电场。因此，我谈不上多年从事海上风电的防腐研究，更不敢称海上风电防腐蚀领域的专家，只是对海上风电设备的腐蚀与防护有所接触而已。我们研究所专业从事海洋腐蚀与防护研究至今已四十余年，积累了大量的海洋环境材料腐蚀数据，研究了材料在海洋环境中的腐蚀规律等，这些成果已在海上采油平台、海上风电等海上设施的腐蚀与防护中得到应用。目前，我国海上风电设备防腐主要参照国外成熟应用经验、标准等进行设计，防腐涂料等也多选用国外公司产品，已建成的海上风电设备防腐蚀情况总体良好，但也存在一些问题，主要体现在防腐方案不合理、防腐材料及施工质量不过关、阴极保护系统缺陷等。当然，国外的成功应用经验是否符合我国海域的实际情况，还需要用较长时间来验证。

记者：请您结合自己的科研经历或科研案例谈一下，海上风电设备防腐蚀的关键是什么？海上风电腐蚀与防腐技术研究与应用现状是如何？海上风电防腐蚀技术有哪些独特的特点？

曲政：海上风电设备处于高湿度、高盐分、干湿交替、海水浸渍等严苛的海洋腐蚀环境中，长期经受海洋大气、海水以及海生物的侵蚀，同时还要经受海浪甚至浮冰等的冲击，这种情况下，要保证海上风电设备避免腐蚀，长期安全有效运行是极具挑战性的工作。同时，与海上采油平台等海上设施相比，海上风电场无人居住，且严格限制人员接近，这就使得海上风电设备一旦出现腐蚀问题就面临维修困难甚至无法维修的问题。海上风电设备防腐要求长期可靠，最好是寿命期内免维护，为此，必须对海上风电设备进行全寿命周期的系统设计，即对海上风电设备所涉及到的所有部分，大到基础、塔架、工作平台、机舱等，小到螺栓等紧固件，按全寿命周期评估方案的经济可靠性，提出适用的设计方案。全寿命周期的腐蚀控制系统设计是做好海上风电设备防腐的基础，也是海上风电设备防腐的关键。

当前应用于海上风电防腐的技术主要有：涂层防腐技术、复合包覆防蚀技术、金属热喷涂技术、热浸镀锌技术和阴极保护技术。此外，设计时通过加大腐蚀裕量、选用耐蚀材料等也是提高防腐性能的重要方法。我分别从塔架、钢结构基础、机舱、叶片等几个方面进行逐一介绍。

1、塔架防腐

我们都知道，钢结构塔架处于海洋大气环境，其外部长期处于高湿、盐雾、紫外线等环境，腐蚀性强，内部则腐蚀性相对较轻。通常采用重防腐涂层或热喷涂锌铝合金加涂料封闭等进行防腐保护。方案设计时可借鉴其它海洋工程如海上采油平台、船舶等的成功应用经验和相关标准，同时要考虑到海上风电的难维护、长寿命的特殊性。

2、风电基础防腐

风电基础按材料划分，主要有钢结构基础、混凝土结构基础两种，结构基础材料不同，其防腐保护的方法也有所差异。

钢结构基础处于飞溅区、潮差区、全浸区和海泥区，其中飞溅区腐蚀最为严重，采用重防腐涂层、金属热喷涂加涂层封闭等防腐方案，也有采用复层包覆防蚀技术（PTC）的应用，水位变动区以下普遍采用防腐涂层和阴极保护联合保护方案，也有单独采用阴极保护的应用。对于单桩基础，桩外壁与海水接触，一般采用防腐涂层和阴极保护的联合防护措施，其桩筒内壁的腐蚀往往不被重视，从国外的实际情况来看，桩筒内壁常出现严重的腐蚀，因此，也应采用重防腐涂层与牺牲阳极的联合保护。

混凝土基础结构则主要从混凝土自身的耐久性方面考虑，如采用高性能海工混凝土等，另外对飞溅区和潮差区接触海水部分应采用防腐涂层或硅烷浸渍、涂层钢筋、缓蚀剂等附加保护措施。

3、机舱防腐

机舱和轮毂内部包含了风机的关键部件，也是防腐蚀的核心区域。因部件较多，且涉及多个专业，若每个部件都采取较强的防腐蚀措施则会增加很多的成本，为控制成本，海上风机厂商采取了总体防腐与关键部件加强防腐的解决方案。

各部件尽可能与外界环境隔离以避免腐蚀是主体设计思路。机舱和轮毂的外壳采用玻璃钢材料达到防腐目的，且质量轻，成本低。将外壳设计成一个尽可能密闭的空间，通过鼓风机等使内部对外界形成正压，阻止腐蚀性海洋大气直接进入，或通过特殊过滤装置，阻止海洋大气中的腐蚀性离子进入机舱，很大程度上降低了机舱和轮毂内部安装的各类部件的腐蚀防护要求。

关键部件加强防腐：主支撑底座、机械部件等采用涂层防腐，电器部件按“三防”设计，尽可能避免盐雾、凝露等。

4、叶片防腐

叶片是海上风电机组的重要和关键部件，海洋上空的微小水滴冲击高速运转的叶片，会对叶片表面造成损伤，另外雷击是造成叶片损坏的重要因素。叶片涂层可选用环氧腻子，环氧底漆，聚氨酯面漆或其他合适的叶片涂料的配套方案；目前较多采用国外公司的风机叶片专用涂料。

5、其它附属结构件防腐

针对其它附属结构件，应采用与主体相当的防腐方案，甚至是更高级别的防腐处理。如固定塔架与基础的高强度螺栓，通常采用达克罗技术处理，在条件允许的情况下，可采用包覆技术将其与外部环境完全隔绝，以避免腐蚀的发生。某些附属构件如平台钢格栅、电缆管（内表面）、钢爬梯、爬梯护笼、基础顶法兰上、下表面及法兰孔、桩身牛腿上表面与圈梁底面的导电接触面等可以不涂装防护涂料，采用热喷锌120 ～ 140m。

海上风电设备腐蚀控制是一项系统工程，从结构设计、材料选用、防腐蚀方案选择、施工、检测、运输、安装及后期运行维护等，必须充分考虑其环境特殊性，按全寿命周期进行管理。同时，对于海上风电的配套设备如机舱内齿轮箱、发电机、减速箱、偏航、变浆系统、升降装置、液压、冷却、润滑系统、电器元件等，均应进行环境适应性研究，以期与机组的设计寿命匹配。我国海上风电起步较晚，针对性地腐蚀与防护技术研究也就不到10 年时间，目前研究多集中在防腐涂料方面，如塔架外部重防腐涂料、叶片涂料等，防护技术应用则多是参照国外的应用经验和相关标准，整体来讲，缺乏对风电运行环境的数据积累，缺乏针对性地基础性研究，由于起步晚，对于微观腐蚀环境的研究则开展得更少。近年来，一些风电厂家对海上风电设备腐蚀开展了一些基础性研究，如对机舱、塔筒内的腐蚀环境进行数据积累、评价等。总之，海上风电的防腐蚀研究远没有跟上海上风电快速发展的步伐，大量基础性的研究工作还需要抓紧时间跟上，同时，海上风电发展也不能急于求成，还需要一段摸索和示范的过程。

海上风电与海上采油平台等设施相比，其最大特点是无人居住，且人员轻易不能靠近，难以开展日常地检查与维修工作。一旦出现腐蚀问题，维修困难且成本高昂，对防腐的可靠性要求更高。由此，说起海上风电设备防腐蚀技术的独特之处，我认为主要是考虑到其难以维修的特点，其防腐设计应按照全寿命周期考虑，初期投入相对较大。

记者：请您分享一下您印象深刻的科研经历，以及从事海上风电防腐蚀工作的心得。

曲政：海上风电腐蚀控制是一项系统工程，从结构设计、材料选用、防腐蚀方案选择、施工、检测、运输、安装及后期运行维护我们都参与过。无论是结构设计、还是合理选材、防腐涂层、包覆和金属涂镀层还是电化学保护，必须充分考虑其环境特殊性，按全寿命周期进行管理。特别要注意的是，在项目前期要对海上风电场的环境进行充分调查，了解其环境腐蚀性及拟采用结构、设备的腐蚀特点。调查内容包括：海水的盐度、溶解氧、生物特性等、风电场区域的水文特征、风电场的气象特征、基础结构情况以及风电轮毂、叶片、机舱及附属结构等。

在设计阶段要进行合理的设计，海上风电防腐蚀有涂层、金属涂镀层、包覆及电化学保护等多种方法，另外有适当加大材料腐蚀裕量、选用耐蚀材料等方法。在实际项目中，应根据各部分的环境及结构特点，针对不同部位提出相应地防腐蚀措施，并进行技术经济分析，提出最优化的方案。比如，科学决策腐蚀控制的目标；防腐蚀设计应从全寿命周期评估方案的技术经济性；要对破坏可能性进行分析，并有相应的解决方案；要对方案失效后对风电场运行的影响进行评估；对于已建成工程防腐修复时，也应考虑其寿命周期成本等等。

合理设计是基础，设计的实现是关键。在项目的施工期间，“三分材料，七分施工”，按照相关规范和标准，严格抓好施工期的管理工作，是保证防腐达到预期寿命的重要环节。要对材料进行检查；涂装、金属热喷涂或包覆前的表面处理及检查；涂装、金属热喷涂或包覆施工的环境条件（湿度、温度等）；施工工序间的检查；涂装等完工后的检查与防护；电化学保护（牺牲阳极、外加电流）的施工和检查；完工后的效果检查与跟踪。对于已做好涂层的结构，在运输和安装过程中应根据相关标准要求做好防护工作，一旦出现缺陷，应及时修复。运行后要进行监检测与维护。在机组运行期间，应对防腐涂层、电化学保护等进行定期监检测，防腐涂层主要通过外观、电化学阻抗等检查，电化学保护则主要通过保护电位等对保护效果进行检查。另外，可通过生物腐蚀探头等对风电基础内外进行监控。

从科研角度来说，我认为需求推动了科研的快速发展，近10 年来，大飞机、航母、高铁、核电、跨海大桥以及海上风电等快速发展，推动了相关领域研究的进步，甚至在某些领域，我国已达到国际领先水平。从海上风电防腐蚀来说，目前主要是借鉴国外的成功应用经验和相关标准，虽然国内也开展了一些研究工作，但由于缺乏较长期地应用经验和系统性的基础研究，还难以形成适合我国的海上风电设备防腐蚀技术体系。随着我国海上风电的进一步发展，更多针对性地基础性研究将有条件开展，更多应用经验得以总结，我国的海上风电设备防腐技术水平也一定会得以提升。

记者：我国海上风电防腐产业面临的挑战是什么？

曲政：我认为我国海上风电防腐产业面临的挑战主要来自两个方面，一是技术层面，由于起步晚，国内目前对于海上风电的腐蚀与防护还缺乏系统、长期地研究，特别是针对海洋大气区海上风电机组设备防腐的技术还有待完善，同时，由于海上风电的实际应用经验较少，符合我国国情的海上风电防腐蚀相关标准也有待完善；二是产品层面，重防腐涂料、叶片涂料等占海上风电投资比例较小，目前大多为国外公司产品，国内一些公司虽然自主研发了相关产品，但由于缺乏成功地类似应用经验，其市场推广阻力较大。随着海上风电事业的发展，海上风电场呈现大型化趋势，并且向深海海域发展，海上风电防腐产业将面临更多挑战，对从事海上风电防腐产业的科研、设计、研发等人员将提出更高的要求。

记者：请展望一下，我国海上风电防腐技术面未来的发展方向？

曲政：目前，应用于海上风电设备的防腐技术主要有防腐涂层、金属热喷涂层、阴极保护等，这些防腐技术的发展方向也是海上风电设备防腐未来的方向。我认为主要是两个方向，一是环保，二是数字化。环保主要是指防腐涂料向绿色、低污染、无污染方向发展，阴极保护中高耗能、有一定污染的牺牲阳极技术将逐步被外加电流技术所替代；数字化是指针对腐蚀与防护的监控逐渐完善，通过数据远传、远程控制等技术，实现对海上风电设备腐蚀的完整性管理，同时也为以后海上风电的发展提供技术支撑。

后记：在海上风电防腐的道路上，曲政走出了一串串坚实的足迹：从海上风机基础到塔架，再到机组内部设计，从环境腐蚀分析评价，到热喷涂技术在塔架防腐的应用研究，再到海上风电基础的阴极保护监测技术，曲政在中国风电防腐技术的道路上精益求精，追求卓越，以虚心、恒心、细心和不断追求的执着心诠释着当代风电防腐行业里的工匠精神。

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