科普丨海上风电机组如何防腐？

近年来，海上风电发展势头强烈，各项优势都显示着海上风电将是未来风电的大势所趋。然而，与陆上风电相比，海上风电所处环境更为复杂，海洋大气区高湿度、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。

海上风电机组

海上风电机组主要由水下基础、塔架、机舱、轮毂和叶片等部分组成，具体构造上不同厂家的风机存在一些区别，大部分厂家将主轴、轴承座、齿轮箱、联轴器、机械刹车、发电机、变压器、变桨系统、电控系统等集成在机舱和轮毂内部，以减少现场安装工作量。

水下基础从材料角度主要有钢结构基础和钢筋混凝土结构基础；从结构形式分主要有重力式基础、单桩基础、群桩基础、导管架基础、吸力式筒形基础等固定式基础和漂浮式基础等。

目前海上风机的高度一般在80～110m的范围内，按部位划分，风机基础结构处于浪花飞溅区、潮差区、全浸区及海泥区， 风机的机舱、 轮毂、 叶片和塔架等处于海洋大气区范围内。

（资料图：中船海装）

海上风电机组的腐蚀环境

海上风电场处于严酷的应用环境之中，不仅有着腐蚀问题，还会有物理性的撞击和海洋生物的影响等。从环境的不同特点出发，海上风机总体处于5个不同的部分，分别为海洋大气区、浪花飞溅区、潮差区、全浸区和海泥区。

1、海洋大气区

高湿、高盐是海洋大气的特点，海洋大气中的水蒸气在毛细管作用、吸附作用和化学凝结作用等的影响下，容易附着在钢铁表面形成一层肉眼看不到的水膜，水膜中有溶解氧、氯离子、 硫酸根离子和其它一些盐分， 是导电性很强的电解质溶液。钢铁表面的不均匀使得表面形成腐蚀电池， 从而引起钢铁腐蚀。研究结果表明，钢在湿度 70% 时腐蚀最为严重。另外昼夜的干湿交替，对腐蚀有加速作用。

水膜中氯离子具有穿透作用，它能加速钢铁的点蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀，使得钢铁表面难以形成长期稳定的致密锈层，导致腐蚀率上升。

2、浪花飞溅区

在浪花飞溅区，海水膜润湿时间长、干湿交替频率快、海盐离子大量积聚，同时飞溅的海浪粒子冲击和海风等使得供氧充分，是造成腐蚀速度加剧的重要因素。飞溅海水中的气泡会冲击破坏材料表面， 使得该部分的防腐涂层很容易脱落。因此在整个海洋环境中，浪花飞溅区是腐蚀最为严重的区域。

3、潮差区

钢结构基础的水下区与潮差区部分由于氧含量不同而形成氧浓差电池，潮差区部分由于供氧充分而成为宏观电池的阴极区，水下部分则变为阳极向阴极区提供保护电流，而使得潮差区部分腐蚀较轻。

海洋生物能够栖居在潮差区结构的表面，如果附着生物均匀分布，会在结构表面形成保护膜从而减轻腐蚀，如果局部附着，则会因供氧不同而导致附着物下面的钢表面腐蚀严重。

4、全浸区

在全浸区，以电化学和生物腐蚀为主，又分为浅水区（低潮位以下20～30米以内） 、 大陆架全浸区 （30～200米水深区）和深水区（200 米以下）。

浅水区海水流速大，存在近海化学和泥沙污染，溶解氧和二氧化碳处于饱和状态，生物活跃，水温较高，是全浸区腐蚀较为严重的部分。

随着水深的增加，海水流速降低，水温下降，含气量降低，生物活动减少，腐蚀以电化学腐蚀为主，相对浅水区较轻。随着深度进一步增大，压力增大，矿物盐的溶解量下降，水温、含气量、水流进一步降低。腐蚀以电化学腐蚀和应力腐蚀为主，相对较轻。

5、海泥区

海泥区位于全浸区以下，主要由海底沉积物构成。海底沉积物的物理性质、化学性质和生物性质随海域和海水深度的不同而不同。海泥实际是饱和了海水的土壤，它既有土壤的腐蚀特点，又有海水的腐蚀行为。相对来讲，海泥区的腐蚀较轻。当海泥中存在硫酸盐还原菌时，它会在缺氧环境下生长繁殖，对钢材造成比较严重的腐蚀。

碳钢在海洋环境中的不同区带表现出不同的腐蚀特征，在海水中的腐蚀主要包括物理、化学和生物的影响，应结合不同的特征采取针对性地防腐蚀措施。

海上风电机组腐蚀类型

海上风力发电机组在海洋环境中面临着严重的腐蚀问题。根据不同的腐蚀形态和原因，可以将腐蚀分为以下几种主要类型：

1. 海水腐蚀：海水是一种复杂的电解质，含有高盐度、微生物和溶解气体等成分。这些成分对海上风力发电机组产生强烈的腐蚀作用。

2. 海洋微生物腐蚀：海洋微生物在代谢过程中产生各种化学物质，这些物质可能与金属表面发生化学反应，导致严重的腐蚀。

3. 疲劳腐蚀：由于风力发电机组在运行过程中经历周期性的载荷变化，导致金属表面产生疲劳裂纹，最终导致腐蚀断裂。

4. 应力腐蚀：由于运行过程中承受的应力和腐蚀介质共同作用，使金属材料产生应力腐蚀开裂。

5. 生物污损腐蚀：海洋生物附着在风力发电机组表面，它们的生命活动和死亡后留下的残骸加速了材料的腐蚀。

（资料图：广纳纳米）

海上风电机组防腐技术

海上风电机组不同于海上钻井平台，受到腐蚀时可以随时修补，海上风电机组由于其特殊的地理环境和技术要求，维修费用极高。由于上述原因，很容易使海上风电电力传输设施发生短路故障，甚至酿成火灾等安全重大事故。因此，海上风机的防护，需要进行系统化的设计、规划、实施。

塔架的防腐设计

海上风机塔架按照机型可分为近海和沿海滩涂的底座式和近海和深海的浮体式两种。风电塔架的腐蚀保护主要是基于其腐蚀环境ISO12944C5-M，对于浸水区域按I㎡。推荐的干膜厚度为320~500μm(大气腐蚀环境C5-M)和400~1000μm(海水浸泡环境I㎡)，可以达到15年以上的无需维修使用寿命周期。

对于近海的钢结构还有2003年发布的ISO20340标准《色漆和清漆用于近海建筑及相关结构的保护性涂料体系的性能要求》，这个标准是通用型的，对不同的腐蚀环境都适用，而实际的腐蚀环境更为复杂，涂装时更要注重微观腐蚀环境和腐蚀因素。

（资料图：天顺风能）

叶片的防腐设计

JB/T10194－2000中指出，设计和制造叶片时要考虑环境因素的影响，应进行耐环境设计，采取相应措施，使其具有较高的环境适应性。

叶片在一定程度上暴露在腐蚀性环境条件下并且不容易接近。由于运行条件的原因，在许多情况下不可能重做防腐层，因此重视设计、材料选择和防腐保护措施特别重要，防腐和减轻腐蚀的结构设计对防腐的实施、效果和可修理性具有重大的影响。

对于不能通过涂层或镀层来防腐的部位，可以选用适当的材料。复合材料叶片应采用胶衣保护层，但没有相应的指标规定。标准认定的环境条件包括温度、湿度、盐雾、雷电、沙尘、辐射六项。在“MW级风力发电机组风轮叶片原材料国产化”的“863”计划中，要求叶片表面保护涂料能提高叶片耐紫外线老化、耐风沙侵蚀以及耐湿热、盐雾腐蚀能力，适应我国南北方不同极端气候条件下风电场的使用需求，保证风轮叶片20a的设计使用寿命。

（资料图：中国铁建港航局）

其他部件的防腐设计

（1）底座、轮毂、轴承的防腐设计一般采用与塔架内壁相同的防腐涂料体系。

（2）塔架基础的防腐设计塔架基础埋地钢筋同样面临腐蚀，但一般被忽视而未采取防腐措施，一旦出现问题则难以处置。其防腐方法可采用一般建筑用钢筋防腐涂料，或者针对性设计和选择涂料品种，在基础浇注前进行防腐涂装。

（3）机舱罩、整流罩的防腐设计一般采用风机叶片涂料体系。

（4）变压器的防腐设计一般为落地箱式，北方寒旱环境下沙尘、冰冻、紫外线腐蚀比较严重，南方盐雾湿润腐蚀严重，要采用塔架外防护涂料体系。海上风机的箱式变压器采用绝缘树脂浇注实现变压器铁芯防腐蚀。

（5）控制柜、开关柜的防腐设计配电箱/电器柜等钣金结构件目前一般使用粉末涂料，主要是采用提高防护等级隔绝空气来实现整体防腐蚀。

（6）发电机、齿轮箱的防腐设计双馈型风机，因其转速较高，因此发电机采用常规的密闭冷却散热系统，内部构造无需考虑防腐，只需利用结构件防腐方法解决外表防腐问题。永磁直驱型风机，将铁芯设计为防腐蚀材料，而转子线包则采用真空浸漆工艺配合氟硅橡胶材料加强防腐，确保散热和防腐达到一种平衡。

海上风电机组防腐要求

我们以GB/T 33630-2017《海上风力发电机组 防腐要求 》为例，来看一下海上风电的测试要求：

一、海上风力发电机组腐蚀环境区域按照严酷等级划分如下：

二、根据以上的腐蚀环境，我们来具体看看风力发电机组各部分结构的防护层的性能要求：

1.钢制结构件防护涂层性能要求

2.叶片防护涂层性能要求

3.机舱罩、导流罩胶衣涂层性能要求

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。

（资料图：东方风电）

海上风机钢结构防腐措施

正值风电设备更新换代之际，大型机组不仅需要优质钢材，更需要较高的处理工艺，以确保在海风、海浪中保持坚固的结构和表面的耐腐蚀性，具有一定技术门槛。

1、耐候钢

耐候钢是一种介于不锈钢和普通碳素钢之间的特殊材料，其最大特点在于耐锈蚀和抗腐蚀性，使用寿命远超普通钢材。在工程实践中，耐候钢无需涂装即可使用，作为结构材料表现出色，能有效降低钢结构（如桥梁）在整个寿命周期内的总成本。在实际应用中，耐候钢能有效抵抗长期风吹雨打带来的腐蚀和氧化，适合用于制造风电塔和桅杆等部件。

2、热浸镀锌技术

热浸镀锌是将钢材浸入熔融状态的液态锌中，在其表面形成一层合金保护层的防腐方法。锌的作用在于既可以在钢材表面形成一层致密的保护涂层，阻隔空气与钢材接触，并利用牺牲阳极的原理来保护钢材本体。由于锌的腐蚀速率远低于钢材，因此能有效保护钢材，大大提高钢材的耐腐蚀性，从而延长其使用寿命至数十年。通常，热镀锌工艺被用于塔筒内部结构件的防腐处理。

3、防腐涂层

涂层保护的工作原理是在钢结构的表面涂覆一层或多层防腐涂料，以此隔绝海水和空气的直接接触，从而延缓腐蚀进程。该技术的关键是除锈和涂料的选择。常用的涂料类型包括环氧树脂、聚氨酯和含锌涂料等，其具备出色的黏附力和耐化学性，能够有效地阻挡腐蚀侵袭。

近年来，纳米技术在防腐涂层领域的应用取得显著进展。通过将纳米氧化锌和纳米二氧化钛等纳米材料加到传统涂料中，可提升涂层的防腐蚀和抗紫外线性能。例如，加入了纳米粒子的环氧树脂涂料，在模拟海洋环境的测试中比传统涂料高出50%的耐腐蚀性。此外，正在研究开发的智能涂层技术能够在初期通过颜色变化进行警示，及时提醒维修。

海上钢结构防腐涂料喷涂步骤

4、热喷涂防腐技术

热喷涂防腐工艺的原理是通过在钢材表面喷涂耐腐蚀的金属或合金层，以为材料提供更持久且均匀的保护层。此工艺常用于海上风电偏航轴承的防腐处理，目的在于隔绝轴承基体与外界环境的直接接触。

5、阴极保护技术

我国在海上钢结构中大量采用了阴极保护技术，其基本原理是电化学保护。当直流电流被引入海水中时，会使海上风电设施的金属结构成为阴极，同时使海水中的其他金属离子变为阳极。因为阴极的金属结构不会发生腐蚀，所以这种技术可以有效地防护海上风电设施不受海水侵蚀。

（资料图：申能海南CZ2海上风电示范项目）

海上风电防腐应注意的问题

根据近几年东海大桥海上风电场、江苏如东海上风电场的反馈，钢结构基础的腐蚀问题呈普遍性逐步增多趋势，主要体现在防腐方案不合理、涂层失效、阴极保护系统缺陷、防腐材料及施工质量不过关等方面， 因此， 在海上风电的防腐蚀设计、建造及运行维护等方面应注意以下问题：

1、设计标准问题

对于塔筒结构及钢桩基础的防腐，主要参照海洋工程钢结构的防腐方法，国内外相关的标准规范较多，目前最常用的如下 ：

ISO12944色漆和清漆——防护漆体系对钢结构的腐蚀防护 ；

ISO20340 色漆和清漆——用于近海建筑及相关结构的保护性涂料体系的性能要求；

NORSOKM501表面处理和防护涂料；

DNV RP B401阴极保护设计；

DNV OS J101海上风电机组设计。

ISO 12944是目前国际上应用最广泛的钢结构防腐蚀涂装规范，ISO 20340 和NORSOK M501对海上风电防腐蚀涂料体系的性能测试和施工技术等做出了规定。

2、施工质量问题

海上风电由于其特殊性，安装完成投入运行后，再进行涂层维护很难，且费用相当高，通常按25年的长期寿命进行涂层体系设计， 因此， 防腐涂料及施工质量要求也相对较高。“三分涂料，七分施工”，选择了质量满足要求的涂料产品之后，涂层施工质量的好坏，就决定了最终的保护效果。表面处理是涂装工作的第一步，一般要求喷砂除锈达到Sa2级，同时对砂料、施工环境气候条件、压缩空气等都有相关规定，应严格执行。在表面处理达到要求后，方可进行涂装施工。应严格按照涂料使用说明书的要求进行储存、配料、施工，为保证质量，当湿度和温度条件不满足时，严禁施工。为方便施工监理，对每道涂层的颜色一般都有明确规定。

3、运行中的监检测问题

海上风电的钢结构基础通常采用涂层和阴极保护防腐，这种情况下，阴极保护系统运行效果如何，就需要通过监检测系统来获取相关信息进行判定。阴极保护无论是牺牲阳极还是外加电流方式，都需要安装参比电极、电流密度探头等，以获取保护电位、保护电流密度等信息。针对涂层和生物腐蚀问题，国外还有电化学阻抗、生物腐蚀、腐蚀速率等探头在海上风电的应用情况。所有探头信息通过数据采集仪定时记录，由于海上风电的特殊性，数据记录仪应具备网络接入功能，传感器的数据应能及时上传网络，并自动保存在监测系统或计算机中。

来源综合自：腐蚀防护之友、SGS工业服务、风能产业、万里风行、 云奇新材料、水漆助手