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中国电气工程学报【2020年第11期】

  • ID:275016
  • 浏览:316
  • 学科:文化科学
  • 更新时间:2021-06-10 09:09:07
  • 期刊: 中国电气工程学报
内容简介
《中国电气工程学报》由中国机械工业联合会主管,机械工业信息研究院主办。杂志主要刊登电力工程等方面的文章。

海上风电设备防腐设计研究

2021-06-10 09:12:57 文化科学 陈子根,邱健
资料简介

摘要:近年来,随着资源、环境、气候问题的日益严峻,国家对于清洁能源的开发和应用日益关注。我国的海上风能储量丰富,但是基于我国对海上风电的防腐技术的研究相对于陆上风电依然处于较低的水平,这在一定程度上限制了海上风电设备的研发和应用。由于海上环境的特殊性,海上风电设备所需的防腐技术比较复杂,需要结合产品的服役环境、结构、材料、装配工艺、运输环境等分部分、针对性的进行防腐设计。


海上风电设备防腐设计研究

陈子根 邱健

东方电气新能科技(成都)有限公司 四川 德阳 618000

摘要:近年来,随着资源、环境、气候问题的日益严峻,国家对于清洁能源的开发和应用日益关注。我国的海上风能储量丰富,但是基于我国对海上风电的防腐技术的研究相对于陆上风电依然处于较低的水平,这在一定程度上限制了海上风电设备的研发和应用。由于海上环境的特殊性,海上风电设备所需的防腐技术比较复杂,需要结合产品的服役环境、结构、材料、装配工艺、运输环境等分部分、针对性的进行防腐设计。

关键词:海上风电;腐蚀环境;防腐设计

引言

随着国内首批投运机组进入10年在役期,海上风电设备的腐蚀严重性日益突显。如何在严峻环境下采用合适的防腐技术,以保证风电机组顺利达到设计使用寿命,成为海上风电运营方倍加关注的问题。

1海上风场的腐蚀环境分析

1.1风电平台设备腐蚀环境介绍

海上风电平台设备长期暴露在阳光直射、风雨冲蚀、盐雾弥盖、海水冲击、温湿度持续交替变化复杂的腐蚀环境中,腐蚀速率较快。然而,受海洋泥沙接触量、海水浸没的深度、海浪波及高度、海洋空气弥漫的范围不同,平台的腐蚀行为和特点差异也比较明显。根据环境的腐蚀速率和腐蚀特点的不同,海上风电平台在海洋环境中可分为海底泥土区、全浸区、潮差区、飞溅区、大气区、5大腐蚀区域。

1.2盐雾腐蚀机理分析

海洋盐雾腐蚀环境比较复杂,但主要腐蚀成分是海洋中的氯化物盐—氯化钠。

氯化钠混合物溶液在海浪、海风冲蚀下,氯离子(Cl-)穿透金属表面的喷涂保护层与金属本体发生电化学反应从而产生腐蚀作用。同时氯离子(Cl-)与水化合产生一定的水合能,容易吸附在金属表面的缝隙里并取代涂装工艺保护层中的氧,把难溶性的氧化混合物变成可溶性的氯化混合物,使设备表面的钝化态变成了活化态,进而导致设备表面腐蚀破损。

2海上风电发展现状

随着全球气候变暖、环境恶化、化石能源日益枯竭和人们环保意识的增强,世界各能源消耗大国都在大力发展绿色可再生能源。风资源十分丰富,据测算,全球可开发的风能资源是可开发的水能的10倍。

欧洲海上风电起步较早,在海上风电领域居于世界领先地位。1991年丹麦建设了全球第一个海上风电场-Vendeby海上风电场,经过20多年的发展,欧洲海上风电已颇具规模。2017年欧洲新增装机容量达3.148GW,增长率达到了101%,截至2017年年底,欧洲海上风电总装机容量已达157.8GW,我国风资源比较丰富,我国可开发利用的风能资源初步估算约为1000GW,其中海上可开发和利用的风能储量约750GW。我国海上风电建设起步较晚,2008年开始建设我国第一个大型海上风电场-上海东海大桥海上风电项目,该项目于2010年实现并网发电。根据国家能源局“十四五”海上风电发展规划,到2025年力争并网容量达2000万千瓦,占我国风电总装机容量的比重约6%。

3海上风电设备防腐设计

3.1海上风电设备防腐机理

3.1.1金属热喷涂防腐机理

根据热喷涂金属的种类,金属热喷涂可分为热喷锌、热喷铝或锌铝合金。防腐机理主要包括:物理覆盖、充当牺牲阳极等。热喷涂的铝、锌金属本身的耐蚀性强,且都是化学元素周期表中排序在铁前面的活泼金属,当存在涂层局部破损或有孔隙、露出钢构本体时,热喷涂层成为牺牲阳极,钢构设备则因成为阴极而得到保护。

3.1.2涂层防腐机理

涂料,是一种透明或着色的成膜材料,在钢构表面形成致密的膜,实现钢构与腐蚀环境的隔离,保护钢构表面免受环境影响,从而防止腐蚀。该防腐方法的缺点是易破损、海上修补难度大,不能单独作为防腐措施,需与包覆或阴极保护联合采用,避免产生局部点蚀。

3.1.3阴极保护防腐机理

阴极保护防腐主要针对海水以下位置的海上风电基础,使之与电位更负的金属进行电连接,或者通过强制外加从海水、海泥到海上风电基础的电流,使之阴极极化,从而消除电化学腐蚀。

3.2设计原则介绍

设计人员应考虑到可操作、可维护性,表面易于喷漆喷粉、涂层检测和防腐修缮。容易受到侵蚀应力作用的设备表面应尽量缩小暴露面积。同时设计时应尽量减少特殊结构设计(如搭接、尖角),连接处应尽可能的采用焊接相连,减少用螺纹连接或者铆接工艺。

(1)设计人员设计时应当注意流走物可能造成的影响,规避因结构表面上水淹留和杂质沉积而加大腐蚀应力的情形。

(2)为确保边缘部位可以获得足够的涂层厚度,设计人员设计时需要考虑减少锐边设计,所有锐边更改为倒圆或者倒角,孔周边及边缘毛刺需去除,并且在加工图纸中明确标注。

(3)焊接表面缺陷要求:焊缝应无缺陷(如凹凸不平、气孔、焊渣等),因为此类缺陷很难有效地涂覆防护涂料体系。

(4)螺栓连接要求:选用螺栓防滑连接时,接触面(摩擦面)应在装配前进行喷丸清理,最低等级要达到Sa2.5级,并达到要求的粗糙度,根据使用环境的要求也可以进行喷漆处理。紧固件表面处理工艺应和主体结构一致,达到同等效果的防腐能力。

3.3海上风电塔筒

海上风电塔筒一般采用涂层防腐,完整的涂层体系包括:环氧富锌底漆、环氧云铁中间漆和聚氨酯面漆。涂层干膜总厚度为280~500μm,层数为2~5层。塔筒位于大气区,要面临强烈的紫外线照射,因此面漆多采用抗紫外线性能更好的脂肪族聚氨酯涂层。底漆若采用金属热喷涂体系,其防腐效果更佳,但是喷涂施工要求和成本更高。塔筒内壁属于C4腐蚀环境,一般采用涂层防腐,涂层系统为:环氧富锌底漆,环氧云铁中间漆,聚氨酯面漆或环氧面漆,涂层干膜总厚度280μm左右。

3.4机舱/叶片组件

机舱/叶片同样运行在大气区,其外壁防腐系统可采用塔筒外壁的涂层防腐系统。底漆中锌含量高,可提供良好的阴极保护,环氧云铁中间漆可隔绝水分子和Cl-向金属基体渗透和腐蚀,聚氨酯面漆不仅可以抗紫外线老化,而且耐雨雪、风沙侵蚀。

叶片通常是以玻璃纤维增强树脂制成,表面可以采用聚氨酯面漆或聚硅氧烷面漆进行保护。由于叶片的运行条件原因,叶片不适合做重防腐涂层,因此,结构设计、材料选择和防腐措施显得尤为重要。

4海上风电防腐技术发展方向

海上风电防腐技术面临自然条件严苛、浪溅潮差区腐蚀严重、设备防腐体系完整性保持有难度、现场维护质量难保证、个别单管桩存在硫化氢气体威胁等问题。与海上风电设备防腐安全及使用寿命直接相关的几项关键检测均存在技术上的瓶颈,包括:阴极保护电位检测的及时性和准确性,疲劳腐蚀早期检测的科学性和可靠性,钢构本体厚度测量的普遍应用,防腐远程智能检测技术的应用。根据海上风电防腐技术急需解决的难题,今后的主要研究方向为:

(1)浪溅潮差区风电设备防撞击、防腐蚀、防疲劳、防海生物的综合防护方案研究。

(2)海上风电防腐在线检测技术研究。应对风电机组基础保护电位、有毒气体、环境腐蚀数据、设备腐蚀状态进行在线检测分析,做到实时掌握、提前预警。

(3)钢构基础腐蚀疲劳早期检测研究,包括带油漆检测钢构深层裂纹的研究。

(4)塔筒高性能、耐老化面漆研究,例如开展耐紫外线侵蚀、屏蔽作用好的面漆优化研究。

结语

综上所述,随着深海风电的逐渐开发,对设备防腐技术要求也越来越高。尽管在相似领域已经有许多成功的重防腐的应用经验,但是海上风电柔直传输在国内属于探索阶段,仍需要进一步加强防腐技术的研究,不断改进和创新,提升关键设备运行的可靠性,从而促进我国深海风电事业的不断拓展。

参考文献

[1]林玉珍,杨德钧.腐蚀和腐蚀控制原理[M].北京:中国石化出版社,2010.

[2]王健,海上风电防腐技术[M].北京:中国电力出版社,2018.

[3]GB/T31817-2015.风力发电设施防腐涂装技术规范[S].