海上风能开发与应用的技术问题研究

海上风能开发与应用的技术问题研究

0海上风电开发的前景与问题随着世界石化能源的日益匮乏和生态环境的恶化，人类社会的可持续发展受到了严重威胁。为此,研究与开发可再生能源成为当今世界各国能源政策的发展重点。风能是可再生能源的重要组成部分,积极地开发和利用风能对于改善能源系统结构、缓解能源危机、保护生态环境具有深远的意义。早期的风能开发主要集中在陆地上,目前陆上的风资源开发技术已经比较成熟。我国随着陆上风电开发规模的扩大,由于开发陆上风电受到土地资源、风资源、噪声与环境等因素的制约越来越明显,所以海上风电的开发逐渐成为风电开发的新方向。按照我国权威研究机构的数据分析,中国近海10m水深以内海域的风能资源约1亿kW,20m水深以内海域的风能资源约3亿kW,30m水深以内海域的风能资源约4.9亿kW,与陆上风能资源相比毫不逊色。中国拥有十分丰富的近海风能资源,我国海上风能的量值大约是陆上风能的3倍,因而海上风能具有广阔的开发和应用前景。然而在海洋风能的开发和利用过程中,我们会遇到许多与陆上风能开发不同的技术难题。由于海上风电场处于严酷的海洋大气环境中,不仅存在着高盐雾、高湿度等腐蚀问题,还会受到影响基础结构的撞击,如船舶靠泊、漂浮物的撞击等,也还遭受到各种海洋生物的影响,如海洋动物、贝类、植物类等。海上风电场从风机的基础结构到塔筒,从叶片到机舱,从风电机组各类机械零部件到电气元器件,这些都要面对海洋腐蚀环境的考验,有些腐蚀因素甚至是致命的隐患,这就极大地影响到海上风电机组的安全运行和使用寿命,因此海上风电场的建设对风电机组的防腐提出了更高的要求。本文正是针对海上风电机组的结构和运行环境特点提出了相应的防腐解决方案,其目的是为了促进海上风电机组防腐蚀等关键技术的应用和突破,从而推动海洋风能的开发和利用。1高盐雾腐蚀试验海上风电场的风电机组处在海洋环境气候下,盐雾悬浮在空气中,含有氯化钠(NaCl)的微细液滴的弥散系统是海洋性大气运动显著特点之一。沿海地区及海上空气中含有大量随海水蒸发的盐分,其溶于小水滴中便形成了浓度很高的盐雾。在含盐浓度高的海边,其沉积率也很大,高浓度的盐雾自然成为NaCl溶液的载体。陆上盐雾沉降量一般小于0.8mg/(m2·d),海上则高达12.3~60.0mg/(m2·d),为陆上的20~80倍,高盐雾浓度下金属的腐蚀速率非常快。盐雾腐蚀不仅能腐蚀破坏海上风电机组的基础结构,而且造成海上风电机组的螺栓等紧固连接件强度降低、叶片气动性能下降、电气部件触点接触不良,风电机组传动系统、叶片、电气控制系统故障率大大增加,从而引起风电机组停机,更严重的有可能引起风电机组倒塌等安全事故。在海洋环境下不同的区域有不同的腐蚀影响因素,一般对于海洋结构按照水位变动情况来划分不同的腐蚀控制区域。海上风电机组结构主要由水下基础、塔筒、机舱、轮毂和叶片这几部分组成,海上风电场的风塔及基础结构所处海洋腐蚀环境按照水位的变动情况可以分成5个区域:海洋大气区、飞溅区、潮差区、全浸区和海泥区(见表1)。按照ISO12944-2环境分类,海洋大气区处于C5-M的海洋大气腐蚀环境,飞溅区、潮差区和全浸区与海水接触,处于IM2的海水腐蚀环境之下。对于海洋环境下钢结构腐蚀,无论是海洋环境下长钢尺挂片试验,还是在实际生产实践应用中,都具有很强的规律性。图1是钢桩在海洋环境中暴露5a后的腐蚀状况示意图。1.1导电材料的腐蚀海上风电机组钢铁结构的腐蚀在海洋大气环境下与内陆大气环境下有着腐蚀因素和腐蚀速率的不同。对于暴露在海洋大气环境中的金属部分,因海洋大气环境中湿度大、盐分高,腐蚀介质长期积累后附着在钢铁表面形成导电良好的液态水膜电介质,同时由于钢结构成分中有少量碳原子的存在,极易形成无数个原电池,这是电化学腐蚀的有利条件,从而使金属物体产生腐蚀而生锈,导致其材料的结构和性能出现变化而破坏。经相关研究和试验证明,海洋大气环境比内陆大气环境对钢铁的腐蚀程度要高4~5倍。1.2子含量随时间的变化海洋飞溅区的腐蚀,除了海盐含量、湿度、温度等海洋大气环境中的腐蚀影响因素外,还受到海浪飞溅的影响,在飞溅区的下部还要受到海水短时间的浸泡。飞溅区的海盐粒子含量要大大高于海洋大气区,由于海水浸润时间长,干湿交替频繁,碳钢在飞溅区的腐蚀速率要远大于其他区域。在飞溅区,碳钢会出现一个腐蚀峰值,在不同地区的海域,其腐蚀峰值也就在平均高潮位的距离有所不同。腐蚀最严重的部位是在平均高潮位以上的飞溅区,在这一区域,由于含氧量比其他区域高,氧元素的去极化作用促进了碳钢的腐蚀,与此同时,飞溅的浪花冲击也有力地破坏了碳钢表面的保护膜或覆盖层,所以钢表面的保护层在这一区域剥落更快,造成局部腐蚀十分严重,从而促使腐蚀速率加大。1.3潮差区域的钢铁从平均高潮位到平均低潮位的区域称为潮差区,在潮差区的钢铁表面经常会与含有饱和氧气的海水接触,由于海洋潮差变化的原因而使钢铁腐蚀加剧,在有浮游物体和冬季流冰的海域,潮差区的钢铁还会受到撞击。1.4溶解氧对钢铁的腐蚀作用全浸区的钢结构全浸于海水中,如风塔管架平台的中下部位,长期浸泡在海水中,钢铁的腐蚀会受到溶解氧、海水流速、盐度、污染物和海生物等因素的影响,由于钢铁在海水中的腐蚀反应受到氧的还原反应所控制,所以溶解氧对钢铁的腐蚀起到主导作用。在位于平均低潮位以下附近的海水全浸区,其风塔钢桩在海水起伏这一潮间带出现腐蚀最低值,其腐蚀率甚至小于在海水全浸区和海底土壤的腐蚀率。这是因为风塔钢桩在这一潮差带的海洋环境中,随着潮位的涨落,水线上方湿润的钢表面供氧总要比浸在海水中的水线下方钢表面充分得多,而且相互彼此构成一个回路,由此构成一个氧浓差腐蚀电池,在这一腐蚀电池中,富氧区为阴极,相对缺氧区为阳极,总的来说在这个潮差带中的每一点分别得到了不同程度的保护,而在平均潮位以下则经常作为阳极而出现一个明显的腐蚀峰值。1.5盐碱土的深度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、化学性质和生物特性随着海域和海水深度的不同而不同。海泥区实际上是饱和的海水土壤,它是一种比较复杂的腐蚀环境,既有土壤的腐蚀特点,又有海水的腐蚀特性。海泥区含盐度高、电阻率低,但是供氧不足,所以一般的钝性金属的钝化膜是不稳定的。海泥区含有硫酸盐还原菌,会在缺氧的环境下生长繁殖,会对埋入海泥区的钢铁造成比较严重的腐蚀。1.6碳的表面处理海生物的污损,如苔藓虫、石灰虫、藤壶和海藻等,对碳钢的腐蚀影响较大。虽然碳钢表面的污损海生物能阻碍氧分子向腐蚀表面扩散,能对碳钢的腐蚀有一定的保护作用,但是由于污损层的不渗透性和外污损层中嗜氧菌的呼吸作用,使碳钢表面形成缺氧环境,有利于硫酸盐还原菌的生长,从而促使碳钢产生腐蚀。2海上容量计的防腐涂层试验2.1海上风电场防腐技术在国际上海洋石油钻井平台有着上百年的防腐蚀防护经验,也有着不断发展的防腐蚀标准和规范,其中NOPSOKM501和ISO20340是海洋方面最为重要的防腐涂装技术规范,可以作为海上风电场防腐技术借鉴和采用。对于海上风电机组钢结构的防腐涂层,在实验室中的测试也是参考海洋平台和其他相应的防腐涂层标准规范进行,典型且权威的标准有ISO12944、ISO20340、NORSOKM501和NACESP0108,其中NOPSOKM501引用了ISO20340中的试验方法和验收标准(见表2)。2.2生物防护性能尽管海洋平台的防腐涂层在过去的上百年中,进行了很多种海洋环境下的挂片试验,但是专门针对于海上风电机组钢结构所选择的具体防腐涂层系统(见表3),目前仅有德国的一个工作小组进行过为期36个月的试验。测试结果表明,海洋生物对腐蚀无明显的影响。对于海上风电机组的基础结构来说,不可避免地会有各种不同的海洋生物生长附着。但是如果基础部分的防腐涂层完好,海洋生物对风机基础的腐蚀不会产生明显的影响。从表3试验分析来看,在潮差区的测试中,3#涂层系统的锌/铝(85/15)热喷涂层+环氧封闭漆和环氧厚浆漆,对于包括漆膜附着力测试等性能在内,显示出良好的防腐效果。1#涂层系统的环氧富锌漆+环氧漆+聚氨酯面漆在36个月后有着很好的附着力,但是在人工划痕处的腐蚀蔓延较为严重。在飞溅区的测试中,采用金属热喷涂的法兰面接合面有明显的缝隙腐蚀,因而实际应用中要考虑用密封剂做进一步防腐处理。涂层系统1#、2#、3#都显示较好的防腐效果,系统1#采用的聚氨酯面漆只有部分失光,其他系统中环氧面层稍有发黄和粉化现象。在全浸区,除了5#涂层系统中铝/镁合金失效外,从外观、附着力测试来看,其他涂层系统显示出很好的防护性能。试验结果同时也说明在水下区采用阴极保护系统有着良好的保护效果。3复合涂层的防护根据实验室的涂层测试、海上挂片试验,以及吸收海上平台成熟的防腐涂层方案,底漆对基层材料的附着力和防锈能力要强;中间漆对底漆和面漆的层间附着力必须牢固,并有较好的屏蔽作用,以便有效地阻止氧、水汽及其腐蚀介质的渗入;面漆必须具有很好的耐候性、耐老化性和耐腐蚀性能。对于海上风电机组,推荐的防腐涂层系统见表4。在ISO12944标准中C5-M海洋环境下的总干膜厚度要求为320μm,是基于15a的防腐防护寿命要求,而要达到海上风电机组25a以上不对防腐涂层进行维修的要求,就需要采用更好的涂层系统以及更高的漆膜厚度。在国外海上风电机组的防腐应用经验是干膜厚度达到800μm左右,如果采用金属热喷涂层加上有机复合涂层的防腐方案,也是最佳的防腐方案。对于处在海洋大气环境中的钢结构件,如塔筒外壁,可以采用常用的防腐涂料体系,中间漆采用环氧云铁漆,即“环氧富锌底漆+环氧云铁漆+脂肪族聚氨酯面漆”的3层复合防腐涂层系统;若中间漆采用玻璃鳞片涂料时,注意底漆不能太厚,面漆也可采用耐久性更好的聚硅氧烷涂料。若底漆采用金属热喷涂体系时,可以得到更为长效的防腐效果,但是其喷涂施工工艺和涂装成本更高。塔筒内壁由于不接触到外界的阳光直射,耐光老化性要求相对外壁要弱,可以不采用保色保光性优良的脂肪族聚氨酯面漆或聚硅氧烷面漆。对于塔筒基础平台,由于可能受到海浪的冲刷,因此采用与飞溅区相同的无溶剂环氧漆或环氧玻璃鳞片涂层的方案。塔筒外的梯子,由于是管状及不规则钢结构,底层采用热浸锌方法,可以很好地防护盐雾等的渗透腐蚀,外面再加上复合涂层结构,能进一步提高其防腐性和耐磨性。塔筒的桩基基础部分处在潮差区和飞溅区,是防腐的重点区域,采用环氧玻璃鳞片涂料或者无溶剂环氧涂料,干膜厚度在1500μm左右,玻璃鳞片涂料在控制漆膜下的腐蚀蔓延稍差一些,但是可以采用具有良好阴极保护作用的环氧富锌底漆作为底涂层。根据海上平台的防腐应用经验,完全可以达到25a以上的防腐防护寿命。对于深入海泥区的基础钢结构,可以不考虑涂装防腐涂层,只依靠阴极保护措施或者两者相组合的防腐方法,但涂层厚度在500μm左右,设计上不用太厚。这种阴极保护方法属于电化学防腐,分为外加电流的阴极保护和牺牲阳极的阴极保护,前者主要用高硅铸铁作为阳极材料,被保护的钢铁作为阴极,在外加电流的影响下,形成电位差进而阻止腐蚀;后者主要用锌、铝等活性比铁高的阳极材料,焊接在钢铁结构物上,形成原电池而阻止腐蚀。这2种方法都需要由腐蚀介质做为原电池导电回路,因此适用于海水区、海泥区的钢结构材质防腐。4海上风电的防腐防护海上风电是继陆上风电、沿海海岸风电和潮间带风电后迅速发展起来的发电方式,在海洋环境的影响下对其防腐技术提出了更新更高的要求。尽管在其相似领域已经有了许多成功的重防腐应用经验,但是海上