海上風(fēng)能開發(fā)與應(yīng)用的技術(shù)問題研究

海上風(fēng)能開發(fā)與應(yīng)用的技術(shù)問題研究

0海上風(fēng)電開發(fā)的前景與問題隨著世界石化能源的日益匱乏和生態(tài)環(huán)境的惡化，人類社會的可持續(xù)發(fā)展受到了嚴(yán)重威脅。為此,研究與開發(fā)可再生能源成為當(dāng)今世界各國能源政策的發(fā)展重點。風(fēng)能是可再生能源的重要組成部分,積極地開發(fā)和利用風(fēng)能對于改善能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、緩解能源危機、保護生態(tài)環(huán)境具有深遠(yuǎn)的意義。早期的風(fēng)能開發(fā)主要集中在陸地上,目前陸上的風(fēng)資源開發(fā)技術(shù)已經(jīng)比較成熟。我國隨著陸上風(fēng)電開發(fā)規(guī)模的擴大,由于開發(fā)陸上風(fēng)電受到土地資源、風(fēng)資源、噪聲與環(huán)境等因素的制約越來越明顯,所以海上風(fēng)電的開發(fā)逐漸成為風(fēng)電開發(fā)的新方向。按照我國權(quán)威研究機構(gòu)的數(shù)據(jù)分析,中國近海10m水深以內(nèi)海域的風(fēng)能資源約1億kW,20m水深以內(nèi)海域的風(fēng)能資源約3億kW,30m水深以內(nèi)海域的風(fēng)能資源約4.9億kW,與陸上風(fēng)能資源相比毫不遜色。中國擁有十分豐富的近海風(fēng)能資源,我國海上風(fēng)能的量值大約是陸上風(fēng)能的3倍,因而海上風(fēng)能具有廣闊的開發(fā)和應(yīng)用前景。然而在海洋風(fēng)能的開發(fā)和利用過程中,我們會遇到許多與陸上風(fēng)能開發(fā)不同的技術(shù)難題。由于海上風(fēng)電場處于嚴(yán)酷的海洋大氣環(huán)境中,不僅存在著高鹽霧、高濕度等腐蝕問題,還會受到影響基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的撞擊,如船舶靠泊、漂浮物的撞擊等,也還遭受到各種海洋生物的影響,如海洋動物、貝類、植物類等。海上風(fēng)電場從風(fēng)機的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)到塔筒,從葉片到機艙,從風(fēng)電機組各類機械零部件到電氣元器件,這些都要面對海洋腐蝕環(huán)境的考驗,有些腐蝕因素甚至是致命的隱患,這就極大地影響到海上風(fēng)電機組的安全運行和使用壽命,因此海上風(fēng)電場的建設(shè)對風(fēng)電機組的防腐提出了更高的要求。本文正是針對海上風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)和運行環(huán)境特點提出了相應(yīng)的防腐解決方案,其目的是為了促進海上風(fēng)電機組防腐蝕等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用和突破,從而推動海洋風(fēng)能的開發(fā)和利用。1高鹽霧腐蝕試驗海上風(fēng)電場的風(fēng)電機組處在海洋環(huán)境氣候下,鹽霧懸浮在空氣中,含有氯化鈉(NaCl)的微細(xì)液滴的彌散系統(tǒng)是海洋性大氣運動顯著特點之一。沿海地區(qū)及海上空氣中含有大量隨海水蒸發(fā)的鹽分,其溶于小水滴中便形成了濃度很高的鹽霧。在含鹽濃度高的海邊,其沉積率也很大,高濃度的鹽霧自然成為NaCl溶液的載體。陸上鹽霧沉降量一般小于0.8mg/(m2·d),海上則高達12.3~60.0mg/(m2·d),為陸上的20~80倍,高鹽霧濃度下金屬的腐蝕速率非?？臁｛}霧腐蝕不僅能腐蝕破壞海上風(fēng)電機組的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),而且造成海上風(fēng)電機組的螺栓等緊固連接件強度降低、葉片氣動性能下降、電氣部件觸點接觸不良,風(fēng)電機組傳動系統(tǒng)、葉片、電氣控制系統(tǒng)故障率大大增加,從而引起風(fēng)電機組停機,更嚴(yán)重的有可能引起風(fēng)電機組倒塌等安全事故。在海洋環(huán)境下不同的區(qū)域有不同的腐蝕影響因素,一般對于海洋結(jié)構(gòu)按照水位變動情況來劃分不同的腐蝕控制區(qū)域。海上風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)主要由水下基礎(chǔ)、塔筒、機艙、輪轂和葉片這幾部分組成,海上風(fēng)電場的風(fēng)塔及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所處海洋腐蝕環(huán)境按照水位的變動情況可以分成5個區(qū)域:海洋大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)(見表1)。按照ISO12944-2環(huán)境分類,海洋大氣區(qū)處于C5-M的海洋大氣腐蝕環(huán)境,飛濺區(qū)、潮差區(qū)和全浸區(qū)與海水接觸,處于IM2的海水腐蝕環(huán)境之下。對于海洋環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)腐蝕,無論是海洋環(huán)境下長鋼尺掛片試驗,還是在實際生產(chǎn)實踐應(yīng)用中,都具有很強的規(guī)律性。圖1是鋼樁在海洋環(huán)境中暴露5a后的腐蝕狀況示意圖。1.1導(dǎo)電材料的腐蝕海上風(fēng)電機組鋼鐵結(jié)構(gòu)的腐蝕在海洋大氣環(huán)境下與內(nèi)陸大氣環(huán)境下有著腐蝕因素和腐蝕速率的不同。對于暴露在海洋大氣環(huán)境中的金屬部分,因海洋大氣環(huán)境中濕度大、鹽分高,腐蝕介質(zhì)長期積累后附著在鋼鐵表面形成導(dǎo)電良好的液態(tài)水膜電介質(zhì),同時由于鋼結(jié)構(gòu)成分中有少量碳原子的存在,極易形成無數(shù)個原電池,這是電化學(xué)腐蝕的有利條件,從而使金屬物體產(chǎn)生腐蝕而生銹,導(dǎo)致其材料的結(jié)構(gòu)和性能出現(xiàn)變化而破壞。經(jīng)相關(guān)研究和試驗證明,海洋大氣環(huán)境比內(nèi)陸大氣環(huán)境對鋼鐵的腐蝕程度要高4~5倍。1.2子含量隨時間的變化海洋飛濺區(qū)的腐蝕,除了海鹽含量、濕度、溫度等海洋大氣環(huán)境中的腐蝕影響因素外,還受到海浪飛濺的影響,在飛濺區(qū)的下部還要受到海水短時間的浸泡。飛濺區(qū)的海鹽粒子含量要大大高于海洋大氣區(qū),由于海水浸潤時間長,干濕交替頻繁,碳鋼在飛濺區(qū)的腐蝕速率要遠(yuǎn)大于其他區(qū)域。在飛濺區(qū),碳鋼會出現(xiàn)一個腐蝕峰值,在不同地區(qū)的海域,其腐蝕峰值也就在平均高潮位的距離有所不同。腐蝕最嚴(yán)重的部位是在平均高潮位以上的飛濺區(qū),在這一區(qū)域,由于含氧量比其他區(qū)域高,氧元素的去極化作用促進了碳鋼的腐蝕,與此同時,飛濺的浪花沖擊也有力地破壞了碳鋼表面的保護膜或覆蓋層,所以鋼表面的保護層在這一區(qū)域剝落更快,造成局部腐蝕十分嚴(yán)重,從而促使腐蝕速率加大。1.3潮差區(qū)域的鋼鐵從平均高潮位到平均低潮位的區(qū)域稱為潮差區(qū),在潮差區(qū)的鋼鐵表面經(jīng)常會與含有飽和氧氣的海水接觸,由于海洋潮差變化的原因而使鋼鐵腐蝕加劇,在有浮游物體和冬季流冰的海域,潮差區(qū)的鋼鐵還會受到撞擊。1.4溶解氧對鋼鐵的腐蝕作用全浸區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)全浸于海水中,如風(fēng)塔管架平臺的中下部位,長期浸泡在海水中,鋼鐵的腐蝕會受到溶解氧、海水流速、鹽度、污染物和海生物等因素的影響,由于鋼鐵在海水中的腐蝕反應(yīng)受到氧的還原反應(yīng)所控制,所以溶解氧對鋼鐵的腐蝕起到主導(dǎo)作用。在位于平均低潮位以下附近的海水全浸區(qū),其風(fēng)塔鋼樁在海水起伏這一潮間帶出現(xiàn)腐蝕最低值,其腐蝕率甚至小于在海水全浸區(qū)和海底土壤的腐蝕率。這是因為風(fēng)塔鋼樁在這一潮差帶的海洋環(huán)境中,隨著潮位的漲落,水線上方濕潤的鋼表面供氧總要比浸在海水中的水線下方鋼表面充分得多,而且相互彼此構(gòu)成一個回路,由此構(gòu)成一個氧濃差腐蝕電池,在這一腐蝕電池中,富氧區(qū)為陰極,相對缺氧區(qū)為陽極,總的來說在這個潮差帶中的每一點分別得到了不同程度的保護,而在平均潮位以下則經(jīng)常作為陽極而出現(xiàn)一個明顯的腐蝕峰值。1.5鹽堿土的深度海泥區(qū)位于全浸區(qū)以下,主要由海底沉積物構(gòu)成。海底沉積物的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和生物特性隨著海域和海水深度的不同而不同。海泥區(qū)實際上是飽和的海水土壤,它是一種比較復(fù)雜的腐蝕環(huán)境,既有土壤的腐蝕特點,又有海水的腐蝕特性。海泥區(qū)含鹽度高、電阻率低,但是供氧不足,所以一般的鈍性金屬的鈍化膜是不穩(wěn)定的。海泥區(qū)含有硫酸鹽還原菌,會在缺氧的環(huán)境下生長繁殖,會對埋入海泥區(qū)的鋼鐵造成比較嚴(yán)重的腐蝕。1.6碳的表面處理海生物的污損,如苔蘚蟲、石灰蟲、藤壺和海藻等,對碳鋼的腐蝕影響較大。雖然碳鋼表面的污損海生物能阻礙氧分子向腐蝕表面擴散,能對碳鋼的腐蝕有一定的保護作用,但是由于污損層的不滲透性和外污損層中嗜氧菌的呼吸作用,使碳鋼表面形成缺氧環(huán)境,有利于硫酸鹽還原菌的生長,從而促使碳鋼產(chǎn)生腐蝕。2海上容量計的防腐涂層試驗2.1海上風(fēng)電場防腐技術(shù)在國際上海洋石油鉆井平臺有著上百年的防腐蝕防護經(jīng)驗,也有著不斷發(fā)展的防腐蝕標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,其中NOPSOKM501和ISO20340是海洋方面最為重要的防腐涂裝技術(shù)規(guī)范,可以作為海上風(fēng)電場防腐技術(shù)借鑒和采用。對于海上風(fēng)電機組鋼結(jié)構(gòu)的防腐涂層,在實驗室中的測試也是參考海洋平臺和其他相應(yīng)的防腐涂層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進行,典型且權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)有ISO12944、ISO20340、NORSOKM501和NACESP0108,其中NOPSOKM501引用了ISO20340中的試驗方法和驗收標(biāo)準(zhǔn)(見表2)。2.2生物防護性能盡管海洋平臺的防腐涂層在過去的上百年中,進行了很多種海洋環(huán)境下的掛片試驗,但是專門針對于海上風(fēng)電機組鋼結(jié)構(gòu)所選擇的具體防腐涂層系統(tǒng)(見表3),目前僅有德國的一個工作小組進行過為期36個月的試驗。測試結(jié)果表明,海洋生物對腐蝕無明顯的影響。對于海上風(fēng)電機組的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來說,不可避免地會有各種不同的海洋生物生長附著。但是如果基礎(chǔ)部分的防腐涂層完好,海洋生物對風(fēng)機基礎(chǔ)的腐蝕不會產(chǎn)生明顯的影響。從表3試驗分析來看,在潮差區(qū)的測試中,3#涂層系統(tǒng)的鋅/鋁(85/15)熱噴涂層+環(huán)氧封閉漆和環(huán)氧厚漿漆,對于包括漆膜附著力測試等性能在內(nèi),顯示出良好的防腐效果。1#涂層系統(tǒng)的環(huán)氧富鋅漆+環(huán)氧漆+聚氨酯面漆在36個月后有著很好的附著力,但是在人工劃痕處的腐蝕蔓延較為嚴(yán)重。在飛濺區(qū)的測試中,采用金屬熱噴涂的法蘭面接合面有明顯的縫隙腐蝕,因而實際應(yīng)用中要考慮用密封劑做進一步防腐處理。涂層系統(tǒng)1#、2#、3#都顯示較好的防腐效果,系統(tǒng)1#采用的聚氨酯面漆只有部分失光,其他系統(tǒng)中環(huán)氧面層稍有發(fā)黃和粉化現(xiàn)象。在全浸區(qū),除了5#涂層系統(tǒng)中鋁/鎂合金失效外,從外觀、附著力測試來看,其他涂層系統(tǒng)顯示出很好的防護性能。試驗結(jié)果同時也說明在水下區(qū)采用陰極保護系統(tǒng)有著良好的保護效果。3復(fù)合涂層的防護根據(jù)實驗室的涂層測試、海上掛片試驗,以及吸收海上平臺成熟的防腐涂層方案,底漆對基層材料的附著力和防銹能力要強;中間漆對底漆和面漆的層間附著力必須牢固,并有較好的屏蔽作用,以便有效地阻止氧、水汽及其腐蝕介質(zhì)的滲入;面漆必須具有很好的耐候性、耐老化性和耐腐蝕性能。對于海上風(fēng)電機組,推薦的防腐涂層系統(tǒng)見表4。在ISO12944標(biāo)準(zhǔn)中C5-M海洋環(huán)境下的總干膜厚度要求為320μm,是基于15a的防腐防護壽命要求,而要達到海上風(fēng)電機組25a以上不對防腐涂層進行維修的要求,就需要采用更好的涂層系統(tǒng)以及更高的漆膜厚度。在國外海上風(fēng)電機組的防腐應(yīng)用經(jīng)驗是干膜厚度達到800μm左右,如果采用金屬熱噴涂層加上有機復(fù)合涂層的防腐方案,也是最佳的防腐方案。對于處在海洋大氣環(huán)境中的鋼結(jié)構(gòu)件,如塔筒外壁,可以采用常用的防腐涂料體系,中間漆采用環(huán)氧云鐵漆,即“環(huán)氧富鋅底漆+環(huán)氧云鐵漆+脂肪族聚氨酯面漆”的3層復(fù)合防腐涂層系統(tǒng);若中間漆采用玻璃鱗片涂料時,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。若底漆采用金屬熱噴涂體系時,可以得到更為長效的防腐效果,但是其噴涂施工工藝和涂裝成本更高。塔筒內(nèi)壁由于不接觸到外界的陽光直射,耐光老化性要求相對外壁要弱,可以不采用保色保光性優(yōu)良的脂肪族聚氨酯面漆或聚硅氧烷面漆。對于塔筒基礎(chǔ)平臺,由于可能受到海浪的沖刷,因此采用與飛濺區(qū)相同的無溶劑環(huán)氧漆或環(huán)氧玻璃鱗片涂層的方案。塔筒外的梯子,由于是管狀及不規(guī)則鋼結(jié)構(gòu),底層采用熱浸鋅方法,可以很好地防護鹽霧等的滲透腐蝕,外面再加上復(fù)合涂層結(jié)構(gòu),能進一步提高其防腐性和耐磨性。塔筒的樁基基礎(chǔ)部分處在潮差區(qū)和飛濺區(qū),是防腐的重點區(qū)域,采用環(huán)氧玻璃鱗片涂料或者無溶劑環(huán)氧涂料,干膜厚度在1500μm左右,玻璃鱗片涂料在控制漆膜下的腐蝕蔓延稍差一些,但是可以采用具有良好陰極保護作用的環(huán)氧富鋅底漆作為底涂層。根據(jù)海上平臺的防腐應(yīng)用經(jīng)驗,完全可以達到25a以上的防腐防護壽命。對于深入海泥區(qū)的基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu),可以不考慮涂裝防腐涂層,只依靠陰極保護措施或者兩者相組合的防腐方法,但涂層厚度在500μm左右,設(shè)計上不用太厚。這種陰極保護方法屬于電化學(xué)防腐,分為外加電流的陰極保護和犧牲陽極的陰極保護,前者主要用高硅鑄鐵作為陽極材料,被保護的鋼鐵作為陰極,在外加電流的影響下,形成電位差進而阻止腐蝕;后者主要用鋅、鋁等活性比鐵高的陽極材料,焊接在鋼鐵結(jié)構(gòu)物上,形成原電池而阻止腐蝕。這2種方法都需要由腐蝕介質(zhì)做為原電池導(dǎo)電回路,因此適用于海水區(qū)、海泥區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)防腐。4海上風(fēng)電的防腐防護海上風(fēng)電是繼陸上風(fēng)電、沿海海岸風(fēng)電和潮間帶風(fēng)電后迅速發(fā)展起來的發(fā)電方式,在海洋環(huán)境的影響下對其防腐技術(shù)提出了更新更高的要求。盡管在其相似領(lǐng)域已經(jīng)有了許多成功的重防腐應(yīng)用經(jīng)驗,但是海上