海上风电发展势头强劲，但海洋腐蚀问题成挑战，维修费用高昂

编辑丨风电头条团队

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近年来，海上风电发展强劲，种种优势预示着海上风电将是未来风电的大趋势。但与陆上风电相比，海上风电运行环境更为复杂，海洋大气湿度高、盐雾高、日照时间长、飞溅区干湿交替、海水浸泡、生物粘附等。 . 在水下区域和腐蚀性环境中。其条件非常恶劣，对海上风电设备的腐蚀防护提出了严峻的挑战。同时，海上风电由于其特殊的地理环境和技术要求，维护成本极高。因此，海洋腐蚀不仅给海上风电机组带来巨大的安全隐患，缩短机组的运行寿命，而且大大增加了风电的建设投资和运行维护成本。

海上风力涡轮机

海上风力发电机主要由水下基础、塔架、机舱、轮毂和叶片组成。不同厂家的风力发电机的具体结构存在一些差异。大多数制造商将主轴、轴承座、齿轮箱、联轴器、机械制动器、发电机、变压器、变桨系统、电控系统等集成在机舱和轮毂内部，以减少现场安装工作量。

从材料上看，水下基础主要包括钢结构基础和钢筋混凝土结构基础；从结构形式上看，主要有重力基础、单桩基础、群桩基础、导管架基础、吸力圆筒基础等固定基础和浮动基础。公式基础等

目前，海上风机高度一般在80～110m范围。根据所处位置，风力机的基本结构分为喷射区、潮差区、全浸区和海泥区。风力涡轮机的机舱、轮毂、叶片和塔架都位于海洋大气中。

（资料图：中船船舶装备）

海上风电机组的腐蚀环境

海上风电场应用环境恶劣，不仅存在腐蚀问题，还存在物理影响和海洋生物的影响。根据环境特点的不同，海上风电机组一般位于海洋大气区、浪花飞溅区、潮差区、全浸区和海泥区五个不同部位。

1. 海洋和大气区域

高湿度和高盐分是海洋大气的特征。在毛细管作用、吸附和化学凝结的作用下，海洋大气中的水蒸气很容易粘附在钢材表面，形成肉眼看不见的水膜。水膜中含有溶解氧、氯离子、硫酸根离子等盐类，是一种高导电电解质溶液。钢材表面的凹凸不平导致表面形成腐蚀细胞，从而引起钢材腐蚀。研究结果表明，当湿度为70%时，钢材腐蚀最严重。另外，昼夜干湿交替对腐蚀有加速作用。

水膜中的氯离子具有穿透作用，能加速钢材的点蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀，使钢材表面难以形成长期稳定的致密锈层，导致腐蚀速率增加。

2. 飞溅区

飞溅区海水膜润湿时间长，干湿交替频率快，海盐离子大量积累。同时，飞溅的波浪颗粒和海风的冲击使氧气供应充足，是导致腐蚀速率增加的重要因素。溅起的海水中的气泡会对材料表面造成冲击和损伤，使该部位的防腐涂层容易脱落。因此，在整个海洋环境中，飞溅区是腐蚀最严重的区域。

3、潮差区

钢结构基础的水下区域和潮差区域由于氧含量的差异，形成氧浓度差电池。潮差区由于氧气供应充足而成为宏电池的阴极区，水下部分则成为阳极为阴极区提供供给。保护电流使潮差区腐蚀较轻。

海洋生物可以栖息在潮汐范围内的建筑物表面。如果附着的生物分布均匀，它们就会在结构表面形成一层保护膜，从而减少腐蚀。如果它们局部粘附，附件下方的钢材表面将由于氧气供应的差异而受到严重腐蚀。 。

4.全沉浸区

全浸区以电化学和生物腐蚀为主，分为浅水区（低潮位以下20～30米以内）、大陆架全浸区（水深30～200米区域）和深水区（200米以下）。

浅水区海水流速高，近海有化学和沉积物污染，溶解氧和二氧化碳处于饱和状态，生物活动活跃，水温高，是充分利用海水的部分。遭受严重腐蚀的浸没区域。

随着水深的增加，海水流速减小，水温降低，气体含量减少，生物活性降低。腐蚀主要是电化学腐蚀，较浅水区域轻。随着深度进一步增加，压力增大，矿物盐溶解量减少，水温、含气量、水流量进一步降低。腐蚀主要是电化学腐蚀和应力腐蚀，较轻。

5.海泥区

海相泥质带位于总淹没带以下，主要由海底沉积物组成。海底沉积物的物理、化学和生物性质随海域面积和海水深度的不同而变化。海泥实际上是被海水浸透的土壤。它既具有土壤的腐蚀特性，又具有海水的腐蚀行为。相对而言，海泥区域的腐蚀较轻。当海泥中存在硫酸盐还原菌时，它们会在缺氧环境中生长繁殖，对钢材造成严重腐蚀。

碳钢在海洋环境的不同区域表现出不同的腐蚀特征。海水中的腐蚀主要包括物理作用、化学作用和生物作用。应根据不同特点采取有针对性的防腐措施。

海上风力发电机腐蚀类型

海上风力发电机在海洋环境中面临着严重的腐蚀问题。根据腐蚀形式和原因的不同，腐蚀可分为以下主要类型：

1、海水腐蚀：海水是一种复杂的电解质，含有高盐度、微生物和溶解气体等成分。这些部件对海上风力发电机具有很强的腐蚀作用。

2、海洋微生物腐蚀：海洋微生物在新陈代谢过程中会产生各种化学物质。这些物质可能与金属表面发生化学反应，造成严重腐蚀。

3、疲劳腐蚀：由于风电机组在运行过程中会经历周期性的载荷变化，金属表面会出现疲劳裂纹，最终导致腐蚀和断裂。

4、应力腐蚀：金属材料在运行过程中由于应力和腐蚀介质的共同作用，会发生应力腐蚀开裂。

5、生物污垢和腐蚀：海洋生物粘附在风力发电机表面，其生命活动和死亡后留下的残骸加速了材料的腐蚀。

（资料图：光纳纳米）

海上风机防腐技术

与海上钻井平台不同，海上风力发电机在腐蚀时可以随时修复。海上风机由于其特殊的地理环境和技术要求，维护成本极高。由于上述原因，海上风电输电设施很容易出现短路故障，甚至引发火灾等重大安全事故。因此，海上风电机组的保护需要系统的设计、规划和实施。

根据模型，海上风机塔架可分为两种类型：用于近海和沿海海滩的基础型和用于近海和深海的浮式塔架。风电塔筒的腐蚀防护主要依据其腐蚀环境ISO12944C5-M，水浸面积为1㎡。推荐干膜厚度为320~500μm（大气腐蚀环境C5-M）和400~1000μm（海水浸泡环境1㎡），可实现15年以上免维护使用寿命。

对于海上钢结构，还有2003年发布的ISO20340标准《海上建筑及相关结构使用的油漆和清漆防护涂层系统的性能要求》。该标准具有通用性，适用于不同的腐蚀环境。实际腐蚀环境较为复杂，涂装时必须更加关注微观腐蚀环境和腐蚀因素。

（资料图：天顺风能）

JB/T10194-2000指出叶片设计和制造时应考虑环境因素的影响，进行耐环境设计并采取相应措施，使其具有较高的环境适应性。

叶片在一定程度上暴露在腐蚀性环境条件下，并且不易接近。由于作业条件的限制，很多情况下无法重做防腐层。因此，注重设计、选材和防腐保护措施就显得尤为重要。防腐和缓蚀的结构设计对防腐的实施、有效性和可修复性具有重大影响。影响。

对于无法通过涂层或电镀来防止腐蚀的区域，可以使用适当的材料。复合材料叶片应采用胶衣保护层，但尚无相应指标。标准认可的环境条件包括温度、湿度、盐雾、雷电、沙尘、辐射六项。 “MW级风电叶片原材料国产化”的“863”计划中要求叶片表面防护涂层，提高叶片的抗紫外线老化、风沙侵蚀、湿热、盐雾腐蚀能力，并适应我国南北差异。风电场在极端气候条件下的使用要求，保证了风电叶片20a的设计使用寿命。

（资料图：中国铁建港航局）

(1)底座、轮毂、轴承的防腐设计一般采用与塔内壁相同的防腐涂层系统。

(2)塔基础防腐设计塔基础埋地钢筋也面临腐蚀，但一般被忽视，没有采取防腐措施。一旦出现问题，就很难处理。防腐方法可采用建筑用钢筋通用防腐涂料，也可有针对性地设计和选择涂料种类，基础浇筑前进行防腐涂料。

(3)机舱罩和整流罩的防腐设计一般采用风机叶片涂层系统。

(4)变压器的防腐设计一般为落地箱式。在北方寒冷干旱的环境下，风沙、灰尘、冰冻、紫外线的腐蚀更为严重。在南方，盐雾和潮湿的腐蚀严重。因此，必须采用塔外防护涂层系统。海上风电机组的箱式变压器采用绝缘树脂浇注，防止变压器铁芯腐蚀。

(5)控制柜、开关柜的防腐设计。配电箱/电气柜等钣金结构件目前普遍采用粉末涂料，主要是通过增加防护等级和隔离空气来实现整体防腐。

(6)发电机和齿轮箱的防腐设计。由于其转速较高，双馈风扇采用传统的封闭式冷却系统。内部结构无需考虑防腐。只能采用结构件防腐的方法来解决外部防腐问题。 。永磁直驱风扇采用防腐材料铁芯设计，转子线包采用真空浸胶工艺和氟硅橡胶材料增强防腐，保证散热与防腐的平衡。

海上风力发电机组的防腐要求

我们以GB/T 33630-2017《海上风电机组防腐要求》为例，来看看海上风电的检测要求：

1、海上风电机组腐蚀环境区域按严重程度划分如下：

2、基于以上腐蚀环境，我们来详细了解一下风力发电机结构各部分防护层的性能要求：

1、钢结构件防护涂层的性能要求

2.叶片防护涂层的性能要求

3. 机舱盖和导流板胶衣涂层的性能要求

海上风机常用的防腐措施

1）叶片、轮毂盖、机舱盖均采用玻璃钢材质，材料本身具有防腐性能。

2）塔架、轮毂、主机架、齿轮箱、发电机等金属件多采用喷漆防腐。机组外部防腐等级为C5-M，内部防腐等级为C4。

3）整个舱室为封闭结构。为了使舱内空气与外界进行热交换，可在舱内安装空气冷却通道和换热装置，以保证只有少量含盐的空气进入舱内，降低空气温度。发动机中的盐分会腐蚀发动机舱内的部件。

4) 客舱外部直接暴露在空气中的金属部件，如水冷散热器支架、航空灯支架等，可采用不锈钢材质，以增加耐腐蚀性。

5）在湿度较高的地区，可在发电机、控制柜等电气元件上增设加热除湿系统。湿度传感器发出信号后，控制各部分加热器进行加热和除湿，避免潮湿环境对机组的影响。发电机还可以采用特殊绝缘材料来提高发电机滑环室的防护等级。电气线路板采用防腐涂层，电气母线采用镀镍工艺，提高防腐水平。

6）针对沿海气候条件特点，在变速箱、液压系统等重要部件上安装高精度空气过滤器，最大限度减少盐雾进入箱体内部的可能性；并且在润滑油和液压油的选择上，选择油水分离性能较好的型号，使混入箱内的含盐溶液很难融入油中，并迅速被大容量拦截。 、高精度滤油器，防止含盐溶液混入油中，加剧损害。齿面、轴承、液压元件的磨损。

7）各连接件采用锌铬膜（达克罗）涂层技术加工。用铬酸处理后，工件表面形成致密的氧化膜，不易被腐蚀。而且，由于达克罗干膜中的铬酸化合物不含结晶水，因此其耐高温性和加热后的耐腐蚀性也很好。

8）海上风机水下结构采用阴极保护。

（资料图：东方风电）

海上风电机组钢结构的防腐措施

在风电设备升级换代的当下，大型机组不仅需要优质钢材，还需要更高的加工工艺，以保证结构坚固、表面在海上风浪中耐腐蚀，具有一定的技术门槛。

1.耐候钢

耐候钢是一种介于不锈钢和普通碳钢之间的特殊材料。其最大的特点是不生锈、耐腐蚀，使用寿命远远长于普通钢材。在工程实践中，耐候钢无需涂漆即可使用，作为结构材料性能良好，可有效降低钢结构（如桥梁）整个生命周期的总成本。在实际应用中，耐候钢能有效抵抗长期风雨造成的腐蚀和氧化，适合制造风电塔架、桅杆等构件。

2、热镀锌技术

热镀锌是将钢材浸入熔融的锌液中，使其表面形成合金保护层的一种防腐方法。锌的作用是在钢材表面形成一层致密的保护镀层，阻挡空气与钢材接触，利用牺牲阳极的原理来保护钢体。由于锌的腐蚀速度远低于钢，因此能有效保护钢，大大提高钢的耐腐蚀性能，从而将其使用寿命延长至数十年。塔器内部结构件的防腐处理通常采用热镀锌工艺。

3、防腐涂层

涂层防护的工作原理是在钢结构表面涂敷一层或多层防腐涂层，隔离海水与空气的直接接触，从而延缓腐蚀过程。该技术的关键是除锈和涂层的选择。常用的涂层类型包括环氧、聚氨酯和锌基涂层，它们具有优异的附着力和耐化学性，可以有效阻挡腐蚀侵袭。

近年来，纳米技术在防腐涂料领域的应用取得了重大进展。通过在传统涂料中添加纳米氧化锌、纳米二氧化钛等纳米材料，可以提高涂料的防腐和抗紫外线性能。例如，在模拟海洋环境的测试中，掺入纳米颗粒的环氧树脂涂料的耐腐蚀性比传统涂料高50%。此外，正在研发的智能涂层技术可以通过颜色变化提供预警并及时维护。

海上钢结构喷涂防腐涂料的步骤

4、热喷涂防腐技术

热喷涂防腐工艺的原理是在钢材表面喷涂一层耐腐蚀的金属或合金层，为材料提供更持久、更均匀的保护层。该工艺常用于海上风电偏航轴承的防腐处理，目的是隔离轴承基体与外界环境的直接接触。

5、阴极保护技术

我国在海上钢结构中广泛采用阴极保护技术，其基本原理是电化学保护。当直流电引入海水中时，会使海上风电设施的金属结构成为阴极，同时使海水中的其他金属离子成为阳极。由于阴极金属结构不腐蚀，该技术可以有效保护海上风电设施免受海水侵蚀。

（资料图：申能海南CZ2海上风电示范项目）

海上风电防腐应注意的问题

据东海大桥海上风电场和江苏如东海上风电场近年来反馈，钢结构基础腐蚀问题逐渐流行，主要体现在防腐方案不合理、涂层失效、阴极保护系统缺陷、 -腐蚀 材料和施工质量不达标。因此，海上风电的防腐设计、施工、运行和维护应注意以下问题：

1、设计标准问题

对于塔架结构和钢桩基础的防腐，我们主要参考海洋工程钢结构的防腐方法。国内外有很多相关的标准和规范。目前最常用的有以下几种：

ISO 12944是世界上使用最广泛的钢结构防腐涂层规范。 ISO 20340和NORSOK M501规定了海上风电防腐涂层系统的性能测试和施工技术。

2、施工质量问题

由于海上风电的特殊性，安装投运后的涂层维护工作难度大、成本高。涂层系统通常是根据25年的长期使用寿命来设计的。因此，对防腐涂料和施工质量要求也比较高。高的。 “三分涂装，七分施工”，选择了质量符合要求的涂料产品后，涂装施工的质量将决定最终的防护效果。表面处理是涂装工作的第一步。一般需喷砂除锈，达到Sa2级。同时，对砂材料、施工环境和气候条件、压缩空气等都有相关规定，应严格执行。表面处理符合要求后，即可进行涂装施工。贮存、配料、施工应严格按照涂料使用说明书的要求进行。为保证质量，在湿度、温度条件不满足的情况下严禁施工。为了便于施工监督，一般都会明确规定每种涂层的颜色。

3、运行过程中的监控问题

海上风电钢结构基础通常采用涂层和阴极保护进行防腐。在这种情况下，需要通过监测检测系统获取相关信息来确定阴极保护系统的运行效果。阴极保护无论是牺牲阳极还是外加电流法，都需要安装参比电极、电流密度探头等来获取保护电位、保护电流密度等信息。关于涂层和生物腐蚀问题，国外也有电化学阻抗、生物腐蚀、腐蚀速率等探头在海上风电的应用。所有探测信息均通过数据收集器定期记录。由于海上风电的特殊性，数据记录仪应具备网络接入功能。传感器数据应及时上传至网络并自动保存在监控系统或计算机中。

综合来源：腐蚀之友、SGS工业服务、风能行业、万里风行、云栖新材、水漆助手

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