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良時智能海上風電塔筒如何預防腐蝕?

 

良時海上風電塔筒如何預防腐蝕?

 

  隨著國際能源?;牟歡嚇噬約暗吞季玫娜找嬙瓜?,作為一種新興的清潔能源,海洋風電技術日益成熟,風電產業也日益穩定,風能已成為可再生能源的重要選擇。我國海岸線遼闊,海上資源儲備豐富,水深5-50米海域,100米高度的海上風能資源開放量為5億千瓦。然而,與陸地風電相比,海上風電所處的高濕度、高鹽霧、長日照、海水、海泥、漂浮物、浮冰等惡劣的海洋環境,必然使海上風機面臨嚴峻的腐蝕考驗,腐蝕與防護問題已成為海上風電遇到的技術難題之一,如何進行防腐蝕設計是重中之重。

 

1 腐蝕環境

  海上風電設計壽命一般在25年以上,其防腐蝕設計壽命也應超過25年,同時腐蝕控制系統也必須能夠承受各種環境的考驗,比如海泥、海水、浪花飛濺、海洋大氣以及持續的機械損傷、磨損等,結合海洋腐蝕環境分區及海上風電結構所處的位置,以單樁基礎的風機為例,海上風電結構可分為四個環境分區(見圖1),而環境分區、腐蝕環境分區與環境腐蝕性三者之間的關系見表1。

  注:Im2表示海水或微咸水環境,Im3表示土壤環境,Im4表示受陰極?;そ峁顧Φ暮K蟯寥闌肪?,C4、C5、CX表示具有不同腐蝕性的大氣環境。

  從圖1和表1中可以看出,區域1對應于內外部海洋腐蝕環境的全浸區和海泥區,其環境腐蝕性等級可定義為Im2/Im4和Im3/Im4。區域2對應于內外部海洋腐蝕環境的飛濺區、潮差區和低水位區,然而對于該區域,不同的標準中有不同的劃分方法,IEC 61400-3-1和DNVGL-RP-0416中定義為飛濺區,其上限為重現期為1年的最高靜水位加上重現期為1年的有以波高的波峰高度,其下限為重現期為1年的最低靜水位減去重現期為1年的有義波高的波谷深度;而NB/T 31006中定義為浪濺區,其上限可按照式(1)計算,下限可按照式(2)計算。區域3對應于海洋腐蝕環境的大氣區,該區域直接與外部海洋大氣直接接觸,IEC 61400-3-1和DNVGL-RP-0416中規定該區域的環境腐蝕性等級為C5或CX。區域4也為海洋腐蝕環境的大氣區,但該區域位于塔架、機艙-葉輪內部,不與外部海洋大氣直接接觸,IEC 61400-3-1中規定該區域的環境腐蝕性等級為C4,但采取腐蝕環境控制措施的機艙內部,其環境腐蝕性可達到C3或以下。

  式中:U1等于0.6H1/3,H1/3為重現期100年有效波高的1/3,單位為m;U2為最高天文潮位,單位為m;U3為基礎沉降,單位為m。

  式中:L1等于0.4H1/3,H1/3為重現期100年有效波高的1/3,單位為m;L2為最低天文潮位,單位為m。

 

2 海上風機

   2.1 基礎

   海上風機常用的基礎形式有單樁基礎、重力式基礎、三角架式基礎、導管架式基礎、多樁式基礎、導管架式基礎和漂浮式基礎。單樁基礎、三角架式基礎、導管架式基礎、多樁式基礎、導管架式和漂浮式基礎通常為鋼質結構,所處環境分區為區域1~區域3,區域1一般采用涂層和陰極?;ち媳;さ姆絞澆懈純刂?,區域2通常采用腐蝕預留和涂層聯合?;さ姆絞澆懈純刂?,陰極?;ひ材芏愿們虻母純刂破鷚歡ㄗ饔?,區域3一般采用涂層進行腐蝕控制。涂層可參考ISO 12944-5、ISO 12944-9、Norsork M-501、GB/T 31817或NB/T 31006進行設計(見表2),從表2中可以看出,國內大氣區C5腐蝕環境等級的涂層配套的標準主要參照了國外標準ISO 12944-5,具體方案是富鋅底漆+環氧中間漆+聚氨酯面漆,總膜厚320μm;國內的標準未體現CX腐蝕環境等級的涂層配套,而ISO12944-9和Norsok M-501標準中采用富鋅底漆+環氧中間漆+聚氨酯面漆,總膜厚280μm,CX環境腐蝕性比C5高,但涂層配套卻比C5要求低,邏輯上不是很嚴謹,期望后續標準更新時能解決該問題;飛濺區內外部的涂層厚度一般要求600μm以上,并采用聚氨酯面漆可以增強涂層抗紫外線的能力;全浸區內外部的涂層厚度一般要求350μm以上;海泥區一般不采用涂層。陰極?;ねǔ2捎夢艏跫;?,也有采用外加電流陰極?;さ那榭?,陰極?;こ2慰糄NV-RP-B401、NACE SP0176、GB/T 33423、NB/T 31006、JTS 153-3等進行設計,腐蝕預留可參照DNVGL-RP-0416或NB/T 31006選取。重力式基礎一般采用鋼筋混凝土結構,可采用涂料體系進行腐蝕控制。

 2.2塔架和機艙-風輪組件

     塔架和機艙-風輪組件所處的環境為區域3和區域4,區域3鋼質部件所采取的腐蝕控制措施包括防腐涂料、熱噴涂、熱浸鍍鋅、復合涂層(熱噴鋅/熱浸鍍鋅+涂料)、達克羅、耐蝕材料、陽極氧化、電鍍等,防腐涂料及復合涂層配套可參考ISO 12944-5、ISO 12944-9、Norsok M-501、GB/T 31817、GB/T 33630、NB/T 31006進行設計(見表2),從表2中可以看出,國內大氣區C5腐蝕環境等級的涂層配套的標準主要參照了國外標準ISO 12944-5,具體方案是富鋅底漆+環氧中間漆+聚氨酯面漆,總膜厚320μm,塔筒外表面也可以采用熱噴鋅+封閉漆+環氧中間漆+聚氨酯面漆涂層配套方案,總膜厚340μm;對于風機內部C4環境腐蝕性等級的區域,國內標準取消了面漆,但總膜厚基本與國外標準一致。熱噴涂、熱浸鍍鋅、達克羅應分別符合ISO 2063-1、ISO 1461和ISO 10683中的要求,耐蝕材料一般采用不銹鋼或鋁合金,為增強其防腐性能或外觀需要,可在耐蝕材料外表面采用涂料進行涂裝;區域3的葉片為環氧玻璃鋼或聚酯玻璃鋼材質,通常采用膠衣或聚氨酯涂料進行防腐,對于葉片涂層的性能要求可參考ISO TS 19392-1,葉片涂層設計可參考GB/T 31817。區域4除了區域3所用到的腐蝕控制措施外,還可以采用控制風機內部環境(如溫度、濕度、鹽霧)的方式來控制腐蝕,環境控制的要求可參考GB/T 33630,典型的環境控制系統如圖2所示,總體設計是塔筒、機艙盡量密封,然后采用鹽霧過濾器和除濕機設備過濾鹽霧、除濕和通風散熱,并形成微正壓,使得內部空氣往外流,從而控制內部環境,一定程度上降低環境腐蝕性。電氣/電控設備一般處于環境區域4,但這些設備的外殼往往很?。?le;4mm)而不能采用噴砂表面處理后涂裝油漆,因此,對于這些設備的外殼,可采用不銹鋼材質或者粉末靜電噴涂防腐。

 

3 海上升壓站

    海上升壓站所處的環境分區為區域1~區域3,海上升壓站平臺一般由多層鋼結構平臺組成,包含甲板、立柱、欄桿、爬梯護籠、梁、斜撐管等部件,以及配合設備安裝的管件、緊固件、支架,主要參考海洋平臺的防腐標準進行腐蝕控制設計,各環境分區的主要腐蝕控制方法與海上風機類似,涂層主要參考ISO 12944-5、Norsok M-501、NACE SP0108等進行設計,陰極?;た剎慰糄NV-RP-B401、NACE SP0176、NB/T 31006等進行設計,還有采用熱噴鋅、熱浸鍍鋅、復合涂層、不銹鋼、鋁合金等腐蝕控制方法。對于海上升壓站的變壓器,內壁可采用耐油耐高溫的環氧酚醛涂料防腐,外壁可采用環氧富鋅+環氧玻璃鱗片漆+聚氨酯面漆防腐,散熱器可采用環氧玻璃鱗片漆+聚氨酯面漆防腐。海纜通常由銅芯、絕緣層、阻水層、護套層、鎧裝層、外被層等結構組成,而金屬材質的鎧裝層一般僅由瀝青帶組成的外被層?;?,時間一長容易受到海纜所處的海泥微生物、海水環境的侵蝕,同時,外被層一旦破壞,金屬鎧裝中的電流也會造成電腐蝕,從而加速鎧裝層的腐蝕,因此,加強海纜尤其是鎧裝層的腐蝕控制尤為重要,可改進外被層的涂層防腐工藝或采用陰極?;さ姆絞澆懈純刂?。

 

4 結語及展望

    腐蝕問題是海上風電面臨的一項重要挑戰,做好防腐蝕工作既有利于降低全生命周期度電成本,也有利于提高風電設備的可靠性和安全,因此尤為重要,目前國內外雖然制定了一些標準規范來指導海上風電的防腐蝕設計,但尚未形成ISO海上風電防腐蝕標準且標準體系亟待完善,而防腐蝕技術主要集中在涂層、陰極?;ず湍褪床牧霞際?,隨著海上風電技術及防腐蝕技術的日益成熟,可以預見未來海上風電的防腐蝕技術將會有以下發展趨勢:

    (1)防腐蝕方案逐漸環?;?,隨著全球對環保意識越來越高、對環保要求越來越嚴,防腐涂料的VOC排放將會是制約防腐行業的一大重要因素,近年來環保型的水性涂料、無溶劑涂料不斷涌現,但環保型的涂料從防腐性能上卻比傳統的溶劑型涂料差,不過隨著環保型涂料技術的進步,未來必然會替代或部分替代傳統的溶劑型涂料。

    (2)逐步實現全生命周期腐蝕控制,從全生命周期的角度考慮防腐蝕問題是海上風電設備全生命周期成本最優的要求,需要從設計、制造、運輸、貯存、安裝、運維、延壽/報廢等全生命周期全過程全方位做好防腐蝕工作,提高設備可靠性,降低全生命周期腐蝕成本。

    (3)建立全球完善的海上風電防腐蝕標準體系,目前海上風電的防腐蝕標準主要是歐洲各國家制定的國家標準,比如挪威、德國,但尚未形成全世界普遍認同的ISO標準,另外,這些標準還主要集中在海上風電機組上,而國內的行業、國家標準主要參考國外標準制定。隨著海上風電行業的不斷發展,技術逐步成熟,可以預見,未來勢必會形成完善的海上風電場的防腐蝕ISO標準體系。

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