中国海上风电行业发展现状及发展趋势分析

作者：王宇飞、苗顺超、潘天国、邢九辉、胡穗兴、赖俊荣、杨嘉然、赵林、何建超、董宝军、吴俊伟、冷雪松

1. 深圳市国能辰泰科技有限公司, 广东深圳 518000;

2. 中广核新能源投资深圳有限公司华南分公司, 广东深圳 518000;

3. 哈尔滨工业大学（深圳）特种环境材料研究所, 广东深圳 518055

0 国内风电产业发展现状

截至2019年底，全球已运营海上风电场146个，累计装机容量27.2吉瓦，同比增长23.4%[1,2]； 截至2019年底，全球在建海上风电项目23个，总计7吉瓦。 其中，中国在建海上风电项目13个，占全球总数的56.5%。 同时，从装机分布来看，我国在建海上风电项目装机容量高达3.7吉瓦，占全球在建海上风电项目容量的52.9%。 可见，我国在海上风电市场的布局正在迅速扩大。 同时，2021年我国风电累计装机容量将达到32848万千瓦，成为第一风电装机大国[3,4]。

与国外主要发展海上风电不同，我国海上风电的发展主要集中在潮间带风电。 潮间带风电具有靠近电力负荷中心、开发成本低的优点，符合我国的基本国情[5]。

1 风电结构及腐蚀特征

与陆上风电相比，海洋风能的开发利用会遇到许多不同且更为复杂的技术问题。 海上风机的腐蚀和防护问题是其中的难点之一。 海上风电处于恶劣的海洋环境中，不仅存在高湿度、高盐雾等腐蚀环境，而且还存在物理碰撞损伤，如漂浮物、浮冰的撞击、船舶的停靠等。 从腐蚀角度来看，海上风电场从基础结构到塔架、机舱、各类机械零部件以及风电机组叶片都面临着严重的海洋腐蚀问题[1]。

海上风机的组成及服役状态如图1所示。涉及的部件主要包括：冷却控制单元和风电系统、主轴承和齿轮箱部件、塔架和梯架部件、立柱内壁和支撑连接部件、船舶停靠场所等。 目前，海上风电机组除叶片外，所有部件均主要采用复合纤维材料制成，而其他部件则主要采用钢材制成。

图1 海上风电结构组成

图1 海上风电结构组成

1.1 风电机组海洋腐蚀环境

图2为风电结构海洋腐蚀趋势示意图[6]。 海洋环境分为海洋大气区、浪花飞溅区、海水潮差区、海水全浸区、海底泥区（海泥区）五个区域。 海洋大气湿度高、盐分含量高，容易发生电化学腐蚀。 一般来说，海洋大气环境中钢构件的腐蚀程度比内陆大气环境中高4～5倍[6]。 飞溅区域的腐蚀速率明显高于其他区域，主要是因为该区域含盐量充足，含氧量最高，干湿交替的条件，日光照射，氧元素的去极化都会促进飞溅区域的腐蚀。钢。 同时，飞溅喷射的冲击强度最高，也会严重破坏钢材表面的保护膜，造成严重的局部腐蚀[7]。 海水潮汐范围内的钢材表面经常与空气饱和的海水接触。 由于潮汐的作用，钢材表面的腐蚀会加剧。 由于海水全浸区钢材的腐蚀反应受氧的还原反应控制，因此溶解氧在钢材构件的腐蚀中起主导作用[8]。 海底泥区含盐量高、电导率低、含氧量低。 它还具有土壤腐蚀和海水腐蚀的特点。 海底泥浆区域的金属钝化膜会不稳定[9]。 另外，在厌氧条件下，硫酸盐还原菌会大量繁殖，其产生的氢化酶可以除去阴极区的氢原子，加速腐蚀过程中阴极区的去极化反应，在阴极区产生钢。土壤。 严重腐蚀。 风力发电机组主要分为叶片、机舱、塔架、基础等[8]。 风力发电机叶片和机舱处于海洋大气环境中，塔架一般处于大气区域。 风电基础包括混凝土结构和钢管桩，环境复杂。 包括海洋大气区、浪花溅射区、海水潮差区、海水全浸区和海泥区。

图2 海洋腐蚀倾向及单桩风力机结构示意图[6]

图2 海洋腐蚀趋势及单桩风机结构示意图[6]

1.2 海上风电场各部件腐蚀类型

目前，我国海上风电机组一旦开始运行，机组很快就会出现局部腐蚀。 如图3所示，某风电场运行2年后，海上风机出现了典型的局部腐蚀现象。

图3 风机运行2年后腐蚀穿孔情况

图3 风电机组运行两年后的腐蚀性能

风电结构的特殊性和海洋腐蚀环境的复杂性导致风电机组运行过程中出现不同类型的腐蚀。 其中，位于海洋大气中的铁塔以及各种海洋环境下的风电基础都使用了大量的钢材。 其结构中焊接、螺栓连接部位较多，因此在使用过程中腐蚀现象最为显着，腐蚀失效的后果也最为严重。 根据腐蚀形貌特征，海上风电结构有均匀腐蚀和局部腐蚀两种类型。 均匀腐蚀主要发生在风电基础的钢管桩部分。 这是由于富含电解质的海水环境和钢结构风电基础形成了腐蚀宏电池效应。 电池的正极和负极交替变化，导致风电基础整个表面几乎均匀腐蚀。 现象。 塔身和基础均发生局部腐蚀。 图4列出了风电塔筒和基础中常见的典型局部腐蚀类型，包括焊缝腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀和涂层下腐蚀。 皮下腐蚀和海洋生物污垢等。

图4 海上风机典型腐蚀类型

图4 海上风机典型腐蚀类型

钢材焊接部位的显微组织、元素分布、应力状态与母材不同，是组织中的薄弱环节。 另外，焊缝表面不平整导致防腐漆涂抹不均匀而产生泄漏，导致热影响区或焊道优先。 发生腐蚀。 此外，螺栓连接和结构间隙是海洋大气环境中电化学腐蚀的高风险位置。 根据前期研究结果，风电基础的点蚀现象应与防腐涂料涂装过程中产生的缺陷以及涂层本身存在的微孔有关。 使用过程中，涂层的上述缺陷使水分子透过涂层与基体钢结构接触，进而导致涂层与金属界面剥落，最终引起局部腐蚀风电基础表面的涂层阴极脱落现象[10]。

2 海上风电防腐措施及设计使用寿命

海上风电腐蚀控制设计及标准要求主要体现在以下几个方面：

(1)设计过程中考虑腐蚀余量；

（2）设计、制造过程中采用耐腐蚀材料（非高强螺栓采用不锈钢）；

(3)采用合适的涂层系统对风机各系统设备进行涂层保护；

（4）结合阴极保护技术进行腐蚀控制（针对海水中的基础金属或混凝土部件）；

(5)对于封闭的内部空间，通过控制湿度和降低溶解氧含量来控制腐蚀速率；

(6)腐蚀防护系统(构件、焊缝、涂层、阴极保护系统等)运行过程中的腐蚀检查和维护。

2.1 腐蚀余量法

该方法是根据金属材料年腐蚀率和构件预期寿命，在保证安全的同时增加金属材料厚度的防腐方法，以保证风电基础达到预期寿命[11]。 但在计算腐蚀余量时，引用均匀腐蚀速率并不能解决局部腐蚀带来的危害。 不经济且部件重量大大增加。 因此，该方法一般不单独作为防腐方法，而主要用于飞溅区风电机组基础钢管桩的腐蚀裕度设计。

2.2 阴极保护法

目前，风电机组基础主要采用阴极保护设计，如图5所示。在风电机组基础设施的水下区域和海泥区域，外加电流法比牺牲阳极阴极保护更有优势，主要是牺牲阳极对钢结构的保护不彻底； 从环境保护的角度来看，牺牲阳极不能用于长期保护。 在循环过程中，腐蚀产物的影响远大于应用电流方法[12]。 另外，外加电流阴极保护安装相对容易，更重要的是可以实现远程监控。

图5 风机基础阴极保护设计

图5 风机基础阴极保护设计

2.3 涂层及涂层防腐方法

涂层在风机钢结构表面形成一层致密的膜，可以将风机钢结构与腐蚀环境隔离，保护钢结构表面免受环境影响，从而防止腐蚀[12]。 铝、铝合金和锌、锌合金材料均可用于热喷涂金属。 热喷涂涂层表面应均匀，基体上无气孔或裸露斑点，否则附着不牢固的熔融金属颗粒会影响涂层的使用寿命。 喷涂材料的力学性能、表面性能和加工性能应符合GB/T 12608[13,14]的要求。 根据风电机组结构特点和海洋腐蚀环境，海上风电需要分析风电机组不同部位的腐蚀特征和腐蚀风险，根据耐久性设计要求选择防护涂层体系和涂层参数，并在安装前结合使用实验室和船舶设备。 使用平板电脑和在线监测方法评估涂层性能。

多层涂层防腐系统由防腐膏、防腐胶带、密封缓冲层和防腐防护罩四层组成。 其中防腐膏和防腐胶带主要含有缓蚀成分，能有效防止腐蚀介质的侵蚀； 密封缓冲层和防腐防护罩主要起到隔离海水、抵抗冲击、抵抗船舶造成的机械损伤的作用[13]。

2.4 多重保护方式设计

目前，针对海洋环境中结构物所处的不同环境区域，除常规腐蚀余量、钢材选用等基本措施外，还需采用以下附加配套技术手段来保护风电机组结构免受腐蚀： 14]：

海洋大气区域：涂层防护、喷涂金属防护、纤维增强复合材料涂层防护。

防溅区：涂层防护、喷涂金属防护、纤维增强复合材料涂层防护。

海水潮差区：涂层防护、喷涂金属防护、纤维增强复合材料涂层防护。

海水总浸没面积：阴极保护与涂层联合保护或单独阴极保护。

海底泥浆区：阴极保护与涂层联合保护或单独阴极保护。

王健等. 文献[15]发现采用阴极保护方法的单管钢管桩结构的保护点存在电位正移，且部分正移速度很快。 潮水侵蚀、牺牲阳极块本身的质量缺陷、涂层质量等导致阳极块加速溶解，杂散电流等因素导致牺牲阳极块过早消耗。 通过对比研究认为，在飞溅区添加涂层材料作为补充措施，并与阴极保护配合，可以延长牺牲阳极的保护时间。

3 海上风电腐蚀监测与检测技术

为了保证海上风电全寿命周期安全运行，腐蚀安全监测检测技术必不可少。 由于海上风电场始终距离大陆较远，如果海上风机容易出现腐蚀和故障，单纯依靠人工勘察和维护不仅会消耗大量的人力物力，而且成本高昂。 另外，人工调查只能定期监测，不利于及时发现问题。 因此，有必要将腐蚀远程监测系统和无损检测技术应用到海上风电机组的服役过程中。 近年来，我国在腐蚀监测/检测技术研究方面取得了较大进展。 基于物联网的快速发展，腐蚀监测/检测、故障诊断和腐蚀控制也逐渐网络化，形成了一些自动化腐蚀监测和检测工具，并开发了海上风电腐蚀监测仪和腐蚀检测仪。 同时，大数据和人工智能的应用也初步提高了我国腐蚀监测/检测的信息化水平和腐蚀管理的技术水平。

3.1 腐蚀检测技术

海上风电设施运行过程中，根据挪威船级社标准DNV-OS-J101对海上风电运行设备的防腐检验要求，每5年安排一次无损检验。 海上风电钢结构基础设施，特别是多管钢管桩，在运行过程中受力复杂，容易出现危险缺陷。 特别是对于运行过程中受力较大的构件，如夹套斜撑上端交线位置，应按照规范要求对焊缝进行无损检测，了解健康状况的钢结构基础。

常规的无损检测方法包括超声波检测、磁粉检测、涡流检测、渗透检测和射线检测。 非常规无损检测方法包括声发射检测、衍射波渡越时间超声检测、泄漏检测、导波检测、热成像/红外、交流场测量、漏磁检测、远场测试和检测方法等。近年来发展起来的脉冲电磁法非常适合海上风力发电机组的无损检测。 超声波检测、磁粉检测等传统方法需要对涂层进行抛光，以保证检测灵敏度。 而脉冲电磁法不需要打磨掉钢结构表面的油漆涂层，就能为缺陷提供清晰直观的检测结果。 它是一种独立的方法。 需要破坏油漆涂层的无损检测方法的工作原理是利用磁化装置对被检部件的表面进行磁化。 当传感器扫描到表面裂纹时，就会产生漏磁场。 检测线圈感应漏磁场并将其转换为电能。 电信号被发送到信号整形和处理单元，在那里进行排序、整流和放大。 超过给定“阈值”的数据信号通过声音和灯光显示。 其主要优点是：检测表面和近表面裂纹，无需对被检部件表面进行清洁、人工磁化和施加磁粉或磁悬浮液； 可搜索疲劳、腐蚀和工艺表面裂纹； 缺陷指示清晰直观。 因此，该方法可用于海上风电场运行机组的无损检测，并能检测出腐蚀疲劳的早期裂纹，具有很大的市场需求。

3.2 腐蚀监测技术

海上风电健康监测是通过对风电结构实测数据的分析，主要采用远程监测技术，降低故障风险、识别故障发生、提高风机性能。 监督控制和数据采集 (SCADA) 系统和状态监测系统 (CMS) 被认为是结构健康监测的两种最常见手段。 早在1994年，研究人员就使用声发射和相干光学两种无损检测方法来监测典型风力涡轮机叶片以及静态测试中的损伤检测。 后来，开发了一种新的结构神经系统，用于风电的大规模结构健康监测[16]。

阴极保护监测和大气腐蚀监测主要用于监测腐蚀环境下设备的使用状态。 目前比较成熟的腐蚀监测产品有空气腐蚀监测仪、电阻探头腐蚀监测仪、涂层阻抗在线监测仪、阴极保护监测仪等[17]。 高宝元等. [18]针对长庆油条输油管道的腐蚀监测问题，开发了阴极保护远程监测系统。 他们利用智能电流、电压和电位器实时采集阴极保护数据，并通过远程终端单元（RTU）模块上传到无线网络，实现远程监控； 吴宇等. [19]基于数值模拟对某浮式生产储卸船整体阴极保护状态进行监测和评估。 他们以保护状态数据库的形式存储收集到的潜在数据，并将其调用到数值模型中。 该分析方法对未来阴极保护状态进行预测和评估，为实现更好的阴极保护提供参考数据。 大气腐蚀监测技术是根据电偶腐蚀原理设计的。 它通过监测腐蚀原电池中液膜产生后的电偶腐蚀电流来监测环境中材料的腐蚀状态。 在线腐蚀监测已广泛应用于油气生产和运输领域，可以提供连续、实时的腐蚀监测数据。 目前需要在数据处理技术方面进行进一步研究，以促进在线监测系统的可持续发展。

在线监测系统结构应具有以下功能：

(1)自动智能诊断

结合长期积累的腐蚀数据，建立庞大的腐蚀数据库，实现系统的自动智能诊断功能。

(2)极高的可靠性

产品通过工业四级电磁兼容测试，可在-20～100℃工作，在恶劣环境下能可靠稳定工作。

(3)兼容性强

该系统兼容油品等传感器的数据分析，并支持和补充相关监测数据的分析。 同时系统软件兼容用户的设备管理系统，可以实时显示设备/设施主要部件的运行状态，方便管理人员对整个设备进行有效的管理和控制/设施。

(4)准确的报警设置

通过分析不同工况下的腐蚀特征和腐蚀数据，自动设置报警值，为现场维护提供更可靠的建议。

4 总结与展望

我国海上风电装机容量大、分布海域广。 典型海上风机的防腐设计寿命达到25年无需维护。 需要采取有针对性的腐蚀防护措施。 螺栓、法兰、塔筒飞溅区、海上升压站腐蚀控制技术的完善和新技术的应用是未来海上风电防腐领域的重点。

目前腐蚀试验方法和腐蚀检测技术多种多样。 试验过程中应采用多种方法相结合，对防腐性能和腐蚀状态进行综合测试和表征。

在线监测技术是未来海上风电设备防腐技术的一个主要发展方向。 但目前国内风电行业腐蚀在线监测技术发展不多。

总体而言，我国对海上风电设备腐蚀与防护的研究还较少，尚无法解决海洋环境造成的海上风电设备严重的腐蚀问题。 需要对此领域进行深入研究，取得突破，解决实际问题。

参考文献： 略