海上风电材料防护措施报告

中国航天科工集团第六研究院

内蒙古航天亿久科技发展有限责任公司

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名 称 海上风电材料防腐 措施报告

1 引言

海上风电场具有风能资源储量大、开发效率高、环境污染小、不占用耕地等优点，自1991 年世界上首座海上风电场在丹麦建成以来, 海上风力发电已经成为世界可再生能源发展的焦点领域。然而海上风电运行环境十分复杂:高温、高湿、高盐雾和长日照等, 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，防腐蚀成为每个风电场必须考虑的突出问题, 防腐蚀设计成为海上风电场设计的重要环节之一。目前对于海上风电工程基础设施以及风机的防腐蚀措施, 主要来自于海上石油平台、破冰船以及海底管线等方面的防腐蚀经验,海上风电场的防腐尽管可以在很大程度上参考海洋平台现有的防腐经验，但是两者之间也有不同，所以直接借鉴海洋平台防腐经验实现海上风电材料防腐还有很大的困难。

2 海洋环境的腐蚀机理及区域划分

2.1 腐蚀机理

对于暴露在空气中的金属部分，因海上的潮湿空气中盐分和水分均很高，长期积累后附着在物体表面，由于其成分中有少量的碳存在，极易形成无数个原电池，进而使金属表面腐蚀而生锈。

对于浸入海水中的金属部分，表面会出现稳定的电极电势，且由于金属有晶界存在，金属表面上各部位的电势不同，形成了局部的腐蚀电池或微电池，电势较高的部位为阴极，较低的为阳极。电势较高的金属，如铁，腐蚀时阳极进行铁的氧化，释放的电子从阳极流向阴极，使氧在阴极被还原，氢氧根离子经海水介质移向阳极，与亚铁离子生成氢氧化亚铁，进而脱水形成铁锈。金属在海水中的腐蚀，影响因素很多，包括化学、物理和生物等因素，其中化学因素主要有溶解氧、盐度、酸碱度等，物理因素主要有温度、流速、潮差等。从这些机理来看，腐蚀的根源其实就是金属通过接触氧化物产生了电化学腐蚀。

2.2 腐蚀区域划分

海上风电场的钢结构风塔（图1a）按海洋腐蚀环境的特点，可以分成5个部分，海洋大气区、飞溅区、潮差区、全浸区和海泥区。钢结构在海洋环境下的腐蚀，无论是海洋环境下长钢尺的挂片试验，还是实际的生产实践中，都具有很强的规律性。图1b是钢桩在美国kureBeach（基尔海滨）中暴露5 a后的腐蚀示意图。

钢铁结构在海洋环境海洋大气与内陆大气有着明显的不同。海洋大气湿度大，易在钢铁表面形成水膜;海洋大气中盐分多，它们积存钢铁表面与水膜一起形成导电良好的液膜电解质，是电化学腐蚀的有利条件，因此海洋大气比内陆大气对钢铁的腐蚀程度要高4～5倍。

海洋飞溅区的腐蚀，除了海盐含量、湿度、温度等大气环境中的腐蚀影响因素外，还要

受到海浪的飞溅，飞溅区的下部还要受到海水短时间的浸泡。飞溅区的海盐粒子量要远远高于海洋大气区，浸润时间长，干湿交替频繁。碳钢在飞溅区的腐蚀速度要远大于其他区域，在飞溅区，碳钢会出一个腐蚀峰值，在不同的海域，其峰值距平均高潮位的距离有所不同。

a b

图1 a海上风机示意图，b钢桩在滨海试验5a后腐蚀示意图

腐蚀最严重的部位是在平均高潮以上的飞溅区。这是因为氧在这一区域供应最充分，氧的去极化作用促进了钢桩的腐蚀，与此同时，浪花的冲击有力地破坏保护膜，使腐蚀加速。

从高潮位到低潮位的区域称为潮差区。在潮差区的钢铁表面经常和饱和了空气的海水相接触。由于潮流的原因钢铁的腐蚀会加剧。在冬季有流冰的海域，潮差区的钢铁设施还会受浮冰的撞击。

全浸区全浸于海水中，比如导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、流速、盐度、污染和海生物等因素的影响，由于钢铁在海水中的腐蚀反应受氧的还原反应所控制，所以溶解氧对钢铁腐蚀起着主导作用。其次是平均低潮位以下附近的海水全浸区钢桩的腐蚀峰值。然而，钢桩在潮差带出现腐蚀最低值，其值甚至小于海水全浸和海底土壤的腐蚀率。这是因为钢桩在海洋环境中，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，而且彼此构成一个回路，由此成为一个氧浓差宏观腐蚀电池。腐蚀电池中，富氧区为阴极，相对缺氧区为阳极，总的效果是整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。

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。海泥实际是上是饱和了海水的土壤，它是一种比较复杂的腐蚀环境，既有土壤的腐蚀特点，又有海水的腐蚀行为。海泥区含盐度，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。海泥中含有的硫酸盐还原菌，会在缺氧环境下生长繁殖，会对钢材造成比较严重的腐蚀。

3 常规防腐蚀方法及原理

从腐蚀机理看，可以采取的防腐蚀方法分为三大类：隔离防腐、电化学防腐和本质防腐。防腐蚀的技术历经多年的发展，已趋于成熟，只是在具体应用过程中还存在许多问题。海洋工程防腐蚀的常规方法主要有5种。

3.1 涂层法

这种防腐蚀方法属于隔离防腐，主要适用于海洋大气区和飞溅区。大多数海洋结构物防腐采用此种方法。

常用的防腐涂料有环氧沥青、富锌环氧、聚酯类涂层、环氧玻璃钢等，辅助材料为固化剂。其防腐年限为10-20a，其保护效率为80-90%。

从实施的工艺上来看，采用此种方法对结构表面粗糙度要求较高，一般要通过抛丸处理达到Sa2.5级以上。操作时对空气湿度有较为苛刻的要求，涂料配比及喷涂厚度控制也有相当严格的工艺，因此该方法操作难度较大。

金属热喷涂也是涂层法中的一种，其原理是利用某种形式的热源将金属喷涂材料加热，使之形成熔融状态的微粒，这些微粒在动力的作用下以一定的速度冲击并沉附在基体表面上，形成具有一定特性的金属涂层。可用于金属喷涂的材料较多，如锌、不锈钢等。其中不锈钢涂层具有耐磨损及保护中期长的特点；锌涂层不仅具有覆盖、耐腐蚀作用，更重要的具有阴极保护功能。

3.2 镀层法

这种防腐蚀的方法也属于隔离防腐，主要用于海洋大气区、飞溅区和潮差区。多数海洋结构物的小的附属部件或连接部件采用此方法。

常用的防腐镀层有镀锌、镀铬等。

从实施工艺角度看，此方法可分为热浸镀法和电镀法两种。其中热浸镀工艺是将结构件经过酸洗钝化等表面处理后，整体浸入高温状态的镀层盐溶液槽中，进过一定时间的置换反应，构件表面形成设计厚度的金属保护层。而电镀工艺是采用外加电流进行电解置换的工艺。该方法适用于小型构件的防腐蚀处理。

3.3 阴极保护法

这种方法属于电化学防腐，分外加电流的阴极保护和牺牲阳极的阴极保护，前者主要应用的是高硅铸铁阳极材料，被保护物作为阴极，在外加电源的影响下，形成电位差进而阻止

腐蚀；后者主要应用的是锌、铝等活性比铁高的铸造阳极材料，焊接在结构物上，主动消耗，形成保护电位差阻止腐蚀。

3.4 预留腐蚀余量法

有些环境的介质腐蚀程度不是很高，材料的腐蚀环境不是很敏感，且很难采取常规防腐蚀方法，在这种情况下工程上常采用预留腐蚀余量的方法，在一定范围内主动接受腐蚀。采用这种方法通常需要监测结构物被腐蚀的程度。

3.5 选用耐腐蚀的材料

当以上几种方法均无法解决腐蚀问题时，就需要选取本质防腐的方法，从根本上消除腐蚀介质的影响。一般适用于强腐蚀性介质接触的结构物。

耐腐蚀的钢材材料通常在普通钢材的冶炼中加入一定的锰、铬、磷、矾等稀有金属或元素，以提高其抗腐蚀的能力，需要在设备设计及制造过程中充分考虑介质的特性。

4 海上风力发电机组的构造及其主要防腐方法

海上风电机组主要有水下基础、塔架、机舱、轮毂和叶片这几部分组成，从具体构造上讲，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、发动机、变压器、变桨系统、电控系统等集成在机舱和轮毂内部，以减少县城安装工作量。

目前海上风机的轮毂一般在80—110m的范围内，按部位划分，风机基础结构处于飞溅溅区、潮差区、全浸区及海泥区，风机的机舱、轮毂、叶片和塔筒处于海洋大气区范围内，各个部位大致均采用上述的几种常规防腐方法，分别介绍如下。

4.1 风机水下基础防腐

风机水下基础分为几种形式，从材料角度分为钢结构基础和钢筋混凝土结构基础。

钢结构基础防腐与海洋工程的防腐蚀方法大致相同，其中飞溅区和潮差变动区域采用防腐涂层法，在预制场地预制完成后送进抛丸车间进行表面处理，达到表面粗糙度后按照涂装设计程序依次完成设计厚度的底漆、中层漆、面漆喷涂，各层涂料分别采用环氧富锌底漆、聚酰胺环氧中间漆、聚氨酯面漆等，不同厂商的漆型号各自不同，使用方法和配比也有所差别。完成每一层漆的喷涂后都需要测厚仪测量干膜厚度。总涂层干膜厚度一般小于300um，视设计工况确定。而且要对附着力进行试验测试，用来验证设计喷涂工艺的准确性。钢结构基础的水下区一般采用钢结构预制阳极芯。将锌锭进熔炉溶解，利用满足设计要求的模具将锌水和阳极芯铸造成一体。预制好的牺牲阳极按照设计工况均匀焊接布置在钢结构的表面。

钢筋混凝土结构基础对防腐的要求不高，主要影响因素是海水渗透后对其中的钢筋的破

坏，程度也不大，因此没有采取过多的措施。该类结构防腐蚀经验主要来源于沿海桥梁及港口工程。

4.2 塔筒防腐

风机塔筒是海上风电场的重要组成部分,也是目前海上风电设备防腐规范比较健全的部分。塔筒外壁直接暴露在海洋大气环境中, 根据ISO 12944-2 腐蚀环境分类规定, 塔筒外壁处于C5-M 腐蚀环境, 即: 非常高的海洋腐蚀环境。

对于塔筒防腐蚀涂装，世界上各大风电公司都有自己比较成熟的配套体系。这些体系都是以达到长期耐久为目的而设计的, 符合国际标准ISO 12944中有关钢结构在不同的服役环境下达到长期耐久年限的相应规定和要求。一些防腐涂料公司也给出了具体的防腐计划，如美国的PPG针对塔筒在海上不同区域给出具体的防腐方案，如表1-4：

表1 塔筒外表面

腐蚀等级ISO 12944-2 C5-M

设计使用寿命15年以上

表面处理喷射清理到Sa 2 ?，表面粗糙度Rz 40-70微米

涂层产品名称干膜厚度/μm

底漆Sigmazinc 102HS 环氧富锌底漆60

中间漆SigmaCover 410 高固态环氧漆180

面漆SigmaDur 188 聚氨酯面漆80

总厚度320

表2 塔筒内表面

腐蚀等级ISO 12944-2 C4

设计使用寿命15年以上

表面处理喷射清理到Sa 2 ?，表面粗糙度Rz 40-70微米

涂层产品名称干膜厚度/μm

底漆Sigmazinc 102HS 环氧富锌底漆60

中间漆SigmaCover 410 高固态环氧漆100

面漆SigmaCover 456 环氧面漆80

总厚度240

表3塔架-潮差区和飞溅区

腐蚀等级ISO 12944-2 Im2

设计使用寿命25年以上

表面处理喷射清理到Sa 2 ?，表面粗糙度Rz 50-100微米

涂层产品名称干膜厚度/μm

底漆SigmaCover 1000 无溶剂环氧漆750

面漆SigmaCover 1000 无溶剂环氧漆750

总厚度1500

表4 塔架-全浸区和海泥区

腐蚀等级ISO 12944-2 Im2 & Im3

设计使用寿命25年以上

表面处理喷射清理到Sa 2 ?，表面粗糙度Rz 50-100微米

涂层产品名称干膜厚度/μm

底漆SigmaShield 1000 无溶剂环氧漆500

总厚度500

不管哪种防腐方法或者方案都主要是参考了目前国际上风电场钢结构的防腐蚀设计和施工的三个标准:

?ISO 12944- 1998 色漆和清漆--防护漆体系对钢结构的腐蚀防护;

?ISO 20340- 2003 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- 2004--表面处理和防护涂料。

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范。

4.3 风机机舱/轮毂及其防腐蚀方法

机舱和轮毂内部包含了风机的额关键部件，也是防腐蚀的核心区域。因内部部件较多，且包含了结构件、机械部件、电器部件等多个专业，若每个部件都采取较强的防腐蚀措施则会增加很多的成本，为控制成本，每个海上风机厂商均采取了总体防腐结合关键部件加强防

腐的思路

4.3.1 总体防腐蚀措施

一般采用的设计理念是与外界隔离。首先机舱和轮毂的外壳采用玻璃钢材料达到防腐目的，属于本质防腐，而且质量轻，成本低。将这个外壳设计成一个尽可能密闭的空间，再利用带除湿功能的鼓风机使内部对外界形成正压，进而阻止外界腐蚀性空气直接进入，很大程度上降低了机舱和轮毂内部安装的各类部件的腐蚀防护要求，从而改善了腐蚀环境。

4.3.2 关键部件加强防腐措施

机舱和轮毂里的结构部件都不大，有主支撑底座，也有设备支架等，因部分结构需要暴露在外面，而且都是日常维护过程中很难触及的位置，因此该类部件都设计为热镀锌或者涂层加强防腐，在部件预制阶段完成，在装配完成后需要修补。

机械部件主要包括主轴、联轴器、齿轮箱、变浆齿轮等。其中主轴连接面为机加工面，不做防腐，以保证平面度暴露部位采用与结构部件相同的防腐蚀方法；联轴器为高弹性特殊材料，表面无法防腐，靠预留腐蚀余量法解决问题；齿轮箱、偏航轴承以及变浆轴承的外部与结构部件相同，内部充填防腐润滑油实现防腐；偏航齿轮与变浆齿轮因表面要频繁经历齿轮拟合，磨损较大，且需要润滑，因此采用表面涂抹黄油实现隔离空气和润滑的双重作用。

电气部件主要包括发电机、变压器、控制柜/开关柜、各类驱动电机等。提高设备外壳防护等级实现与空气的隔离是电气设备的重要防腐蚀手段，但是因为多数电器设备在运行中需要散热，这是一对矛盾。发电机是持续旋转设备，必须持续高效散热才能正常运行，对于双馈型风机，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，只需要解决外部防腐问题即可；而对于永磁直驱型风机，因无法从结构上实现密闭冷却散热，考虑该类型发电机转速低，一般靠空气自然冷却以达到散热要求，但是这就给定子铁芯以及转子线包带来了强腐蚀，处理起来难度很大，一般讲铁芯设计为耐腐蚀材料，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，工艺设计要求较高，以确保散热和防腐达到一种平衡，海上风机的箱式变压器一般采用干变，散热方式也是直接空气冷却，采用绝缘树脂浇注实现变压器铁芯防腐；控制柜/开关柜散热量较小，因此采用提高防护等级隔绝空气来实现整体防腐蚀，也有部分控制柜散热量较大，通常采用柜体安装小型空调控制柜内温度的方法，各类驱动电机的运转频率较低，且功率较小，采用密闭隔绝空气的方法防止腐蚀，在外壳上增加散热面积达到散热要求。

4.4 叶片涂层防腐

叶片防腐主要采取涂层法。风力发电机组-风轮叶片中（JB/T 10194-2000）指出，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，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，复合材料叶片应采用胶衣保护层，但没有相应的指标规定，从应用情况来看，各厂家应用的胶衣的名称以及应用方法有所区别。

目前叶片防腐涂料主要以进口为主，成本都比较高，且没有明确的作出对海上叶片防腐相应的参考规范。“MW级风力发电机组风轮叶片原材料国产化”的‘863’计划中，只是要求叶片表面保护涂料能提高叶片耐紫外老化、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使用需求，保证风轮叶片20年的设计使用寿命，并没有对海上腐蚀环境不同情况作出指标要求，其具体指标要求是：

附着力≥5MPa；

自然表干/8h，40℃烘干/3h；

耐磨性500g/500转≤20 mg；

耐盐雾≥2000h，无脱落，附着力保持80%；

耐砂尘试验满足GB2423.37-89。

5 小结

针对现有海上风电材料防腐方法而言，风电厂商都有自己的材料防腐方案，整体来讲缺乏对风电运行环境的数据积累和确切定义，缺乏针对性的基础研究，特别是针对微观腐蚀环境的探究和个性化解决方案较少或者没有，就目前的防腐经验可以归纳为以下三点：大气环境中，如塔筒外壁，常用隔离防腐的方法，采用的涂层体系为，富锌底漆+环氧漆+聚氨酯面漆，塔筒内壁由于不接触外界阳光直射，腐蚀环境相对外壁要弱，因此采用较外壁薄的防护漆；处于海水中的钢结构主要采用电化学、隔离防腐法防腐以及本质防腐；对于机舱轮毂以内的部件，主要是采取隔离防腐，即密封的方法，阻止外部腐蚀性气体进入直接腐蚀，叶片主要是采用隔离防腐，即胶衣保护层。

进口或外国涂料价格高，导致风电投入大，成本高，而国产涂料性能有待于进一步提高；浪费多，表现为为了提供更高的耐久性，高等级腐蚀性级别设计的涂料体系用于低腐蚀性级别中。

对塔架的防护规范比较完善，它的材料以及所处环境可以借鉴石油平台等防腐经验，在很大程度上可以参照钢结构的防腐标准，而叶片缺乏相应的防腐规范。