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良时智能海上风电塔筒如何预防腐蚀?

 

良时海上风电塔筒如何预防腐蚀?

 

  随着国际能源危机的不断攀升以及低碳经济的日益凸显,作为一种新兴的清洁能源,海洋风电技术日益成熟,风电产业也日益稳定,风能已成为可再生能源的重要选择。我国海岸线辽阔,海上资源储备丰富,水深5-50米海域,100米高度的海上风能资源开放量为5亿千瓦。然而,与陆地风电相比,海上风电所处的高湿度、高盐雾、长日照、海水、海泥、漂浮物、浮冰等恶劣的海洋环境,必然使海上风机面临严峻的腐蚀考验,腐蚀与防护问题已成为海上风电遇到的技术难题之一,如何进行防腐蚀设计是重中之重。

 

1 腐蚀环境

  海上风电设计寿命一般在25年以上,其防腐蚀设计寿命也应超过25年,同时腐蚀控制系统也必须能够承受各种环境的考验,比如海泥、海水、浪花飞溅、海洋大气以及持续的机械损伤、磨损等,结合海洋腐蚀环境分区及海上风电结构所处的位置,以单桩基础的风机为例,海上风电结构可分为四个环境分区(见图1),而环境分区、腐蚀环境分区与环境腐蚀性三者之间的关系见表1。

  注:Im2表示海水或微咸水环境,Im3表示土壤环境,Im4表示受阴极保护结构所处的海水或土壤环境,C4、C5、CX表示具有不同腐蚀性的大气环境。

  从图1和表1中可以看出,区域1对应于内外部海洋腐蚀环境的全浸区和海泥区,其环境腐蚀性等级可定义为Im2/Im4和Im3/Im4。区域2对应于内外部海洋腐蚀环境的飞溅区、潮差区和低水位区,然而对于该区域,不同的标准中有不同的划分方法,IEC 61400-3-1和DNVGL-RP-0416中定义为飞溅区,其上限为重现期为1年的最高静水位加上重现期为1年的有以波高的波峰高度,其下限为重现期为1年的最低静水位减去重现期为1年的有义波高的波谷深度;而NB/T 31006中定义为浪溅区,其上限可按照式(1)计算,下限可按照式(2)计算。区域3对应于海洋腐蚀环境的大气区,该区域直接与外部海洋大气直接接触,IEC 61400-3-1和DNVGL-RP-0416中规定该区域的环境腐蚀性等级为C5或CX。区域4也为海洋腐蚀环境的大气区,但该区域位于塔架、机舱-叶轮内部,不与外部海洋大气直接接触,IEC 61400-3-1中规定该区域的环境腐蚀性等级为C4,但采取腐蚀环境控制措施的机舱内部,其环境腐蚀性可达到C3或以下。

  式中:U1等于0.6H1/3,H1/3为重现期100年有效波高的1/3,单位为m;U2为最高天文潮位,单位为m;U3为基础沉降,单位为m。

  式中:L1等于0.4H1/3,H1/3为重现期100年有效波高的1/3,单位为m;L2为最低天文潮位,单位为m。

 

2 海上风机

   2.1 基础

   海上风机常用的基础形式有单桩基础、重力式基础、三角架式基础、导管架式基础、多桩式基础、导管架式基础和漂浮式基础。单桩基础、三角架式基础、导管架式基础、多桩式基础、导管架式和漂浮式基础通常为钢质结构,所处环境分区为区域1~区域3,区域1一般采用涂层和阴极保护联合保护的方式进行腐蚀控制,区域2通常采用腐蚀预留和涂层联合保护的方式进行腐蚀控制,阴极保护也能对该区域的腐蚀控制起一定作用,区域3一般采用涂层进行腐蚀控制。涂层可参考ISO 12944-5、ISO 12944-9、Norsork M-501、GB/T 31817或NB/T 31006进行设计(见表2),从表2中可以看出,国内大气区C5腐蚀环境等级的涂层配套的标准主要参照了国外标准ISO 12944-5,具体方案是富锌底漆+环氧中间漆+聚氨酯面漆,总膜厚320μm;国内的标准未体现CX腐蚀环境等级的涂层配套,而ISO12944-9和Norsok M-501标准中采用富锌底漆+环氧中间漆+聚氨酯面漆,总膜厚280μm,CX环境腐蚀性比C5高,但涂层配套却比C5要求低,逻辑上不是很严谨,期望后续标准更新时能解决该问题;飞溅区内外部的涂层厚度一般要求600μm以上,并采用聚氨酯面漆可以增强涂层抗紫外线的能力;全浸区内外部的涂层厚度一般要求350μm以上;海泥区一般不采用涂层。阴极保护通常采用牺牲阳极阴极保护,也有采用外加电流阴极保护的情况,阴极保护常参考DNV-RP-B401、NACE SP0176、GB/T 33423、NB/T 31006、JTS 153-3等进行设计,腐蚀预留可参照DNVGL-RP-0416或NB/T 31006选取。重力式基础一般采用钢筋混凝土结构,可采用涂料体系进行腐蚀控制。

 2.2塔架和机舱-风轮组件

     塔架和机舱-风轮组件所处的环境为区域3和区域4,区域3钢质部件所采取的腐蚀控制措施包括防腐涂料、热喷涂、热浸镀锌、复合涂层(热喷锌/热浸镀锌+涂料)、达克罗、耐蚀材料、阳极氧化、电镀等,防腐涂料及复合涂层配套可参考ISO 12944-5、ISO 12944-9、Norsok M-501、GB/T 31817、GB/T 33630、NB/T 31006进行设计(见表2),从表2中可以看出,国内大气区C5腐蚀环境等级的涂层配套的标准主要参照了国外标准ISO 12944-5,具体方案是富锌底漆+环氧中间漆+聚氨酯面漆,总膜厚320μm,塔筒外表面也可以采用热喷锌+封闭漆+环氧中间漆+聚氨酯面漆涂层配套方案,总膜厚340μm;对于风机内部C4环境腐蚀性等级的区域,国内标准取消了面漆,但总膜厚基本与国外标准一致。热喷涂、热浸镀锌、达克罗应分别符合ISO 2063-1、ISO 1461和ISO 10683中的要求,耐蚀材料一般采用不锈钢或铝合金,为增强其防腐性能或外观需要,可在耐蚀材料外表面采用涂料进行涂装;区域3的叶片为环氧玻璃钢或聚酯玻璃钢材质,通常采用胶衣或聚氨酯涂料进行防腐,对于叶片涂层的性能要求可参考ISO TS 19392-1,叶片涂层设计可参考GB/T 31817。区域4除了区域3所用到的腐蚀控制措施外,还可以采用控制风机内部环境(如温度、湿度、盐雾)的方式来控制腐蚀,环境控制的要求可参考GB/T 33630,典型的环境控制系统如图2所示,总体设计是塔筒、机舱尽量密封,然后采用盐雾过滤器和除湿机设备过滤盐雾、除湿和通风散热,并形成微正压,使得内部空气往外流,从而控制内部环境,一定程度上降低环境腐蚀性。电气/电控设备一般处于环境区域4,但这些设备的外壳往往很薄(≤4mm)而不能采用喷砂表面处理后涂装油漆,因此,对于这些设备的外壳,可采用不锈钢材质或者粉末静电喷涂防腐。

 

3 海上升压站

    海上升压站所处的环境分区为区域1~区域3,海上升压站平台一般由多层钢结构平台组成,包含甲板、立柱、栏杆、爬梯护笼、梁、斜撑管等部件,以及配合设备安装的管件、紧固件、支架,主要参考海洋平台的防腐标准进行腐蚀控制设计,各环境分区的主要腐蚀控制方法与海上风机类似,涂层主要参考ISO 12944-5、Norsok M-501、NACE SP0108等进行设计,阴极保护可参考DNV-RP-B401、NACE SP0176、NB/T 31006等进行设计,还有采用热喷锌、热浸镀锌、复合涂层、不锈钢、铝合金等腐蚀控制方法。对于海上升压站的变压器,内壁可采用耐油耐高温的环氧酚醛涂料防腐,外壁可采用环氧富锌+环氧玻璃鳞片漆+聚氨酯面漆防腐,散热器可采用环氧玻璃鳞片漆+聚氨酯面漆防腐。海缆通常由铜芯、绝缘层、阻水层、护套层、铠装层、外被层等结构组成,而金属材质的铠装层一般仅由沥青带组成的外被层保护,时间一长容易受到海缆所处的海泥微生物、海水环境的侵蚀,同时,外被层一旦破坏,金属铠装中的电流也会造成电腐蚀,从而加速铠装层的腐蚀,因此,加强海缆尤其是铠装层的腐蚀控制尤为重要,可改进外被层的涂层防腐工艺或采用阴极保护的方式进行腐蚀控制。

 

4 结语及展望

    腐蚀问题是海上风电面临的一项重要挑战,做好防腐蚀工作既有利于降低全生命周期度电成本,也有利于提高风电设备的可靠性和安全,因此尤为重要,目前国内外虽然制定了一些标准规范来指导海上风电的防腐蚀设计,但尚未形成ISO海上风电防腐蚀标准且标准体系亟待完善,而防腐蚀技术主要集中在涂层、阴极保护和耐蚀材料技术,随着海上风电技术及防腐蚀技术的日益成熟,可以预见未来海上风电的防腐蚀技术将会有以下发展趋势:

    (1)防腐蚀方案逐渐环保化,随着全球对环保意识越来越高、对环保要求越来越严,防腐涂料的VOC排放将会是制约防腐行业的一大重要因素,近年来环保型的水性涂料、无溶剂涂料不断涌现,但环保型的涂料从防腐性能上却比传统的溶剂型涂料差,不过随着环保型涂料技术的进步,未来必然会替代或部分替代传统的溶剂型涂料。

    (2)逐步实现全生命周期腐蚀控制,从全生命周期的角度考虑防腐蚀问题是海上风电设备全生命周期成本最优的要求,需要从设计、制造、运输、贮存、安装、运维、延寿/报废等全生命周期全过程全方位做好防腐蚀工作,提高设备可靠性,降低全生命周期腐蚀成本。

    (3)建立全球完善的海上风电防腐蚀标准体系,目前海上风电的防腐蚀标准主要是欧洲各国家制定的国家标准,比如挪威、德国,但尚未形成全世界普遍认同的ISO标准,另外,这些标准还主要集中在海上风电机组上,而国内的行业、国家标准主要参考国外标准制定。随着海上风电行业的不断发展,技术逐步成熟,可以预见,未来势必会形成完善的海上风电场的防腐蚀ISO标准体系。

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