中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：在“雙碳”目標(biāo)的指引下，我國(guó)海上風(fēng)電的建設(shè)和并網(wǎng)容量不斷增加，截至2023年12月，中國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá)到36.5吉瓦。海上風(fēng)電將迎來(lái)新一輪發(fā)展高峰，且呈現(xiàn)大容量、集中連片和向著深遠(yuǎn)海發(fā)展的新特點(diǎn)。
隨著大規(guī)模海上風(fēng)電場(chǎng)不斷投入運(yùn)營(yíng)，海洋環(huán)境下金屬腐蝕問(wèn)題，特別是海上風(fēng)電場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕問(wèn)題日益顯現(xiàn)，它將影響鋼結(jié)構(gòu)件的服役壽命，嚴(yán)重時(shí)或可導(dǎo)致安全事故和產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)損失，為此，必須識(shí)別海上風(fēng)電場(chǎng)因鋼結(jié)構(gòu)制造特性、材料特性和環(huán)境特性而產(chǎn)生的各種潛在風(fēng)險(xiǎn)，采取相應(yīng)精細(xì)化防護(hù)措施消除隱因，提高某些關(guān)鍵部位防護(hù)等級(jí)，確保海上風(fēng)電場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)全生命周期內(nèi)的安全運(yùn)行，為海上風(fēng)電場(chǎng)的高質(zhì)量發(fā)展保駕護(hù)航。
腐蝕機(jī)理及現(xiàn)狀分析
在過(guò)去一段時(shí)間里，我們對(duì)8個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)不同基礎(chǔ)型式、結(jié)構(gòu)件、材料和部位在特定海洋環(huán)境中已發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行了調(diào)查。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，發(fā)生腐蝕乃至破壞的主要部位是輔助結(jié)構(gòu)件套籠，且多集中在焊接處、內(nèi)（外）應(yīng)力處、積水處、干濕交替處、破碎浪飛沫降落區(qū)、環(huán)境溫度較高區(qū)域，以及兩種不同金屬直接接觸或焊接處等特定位置。特別是單樁基礎(chǔ)套籠的三層圈梁、導(dǎo)管架及升壓站平臺(tái)的爬梯轉(zhuǎn)彎平臺(tái)等結(jié)構(gòu)件，當(dāng)腐蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件超出其極限強(qiáng)度，在有外力作用或自身重力作用下，就會(huì)產(chǎn)生不同程度的破壞。
海上風(fēng)電場(chǎng)樁基及結(jié)構(gòu)件所用的材料都是碳素鋼，碳鋼主要是鐵元素、碳元素和少量的其他元素所組成的合金。其中，除鐵外，碳的含量對(duì)鋼鐵的機(jī)械性能起主要作用，同時(shí)也是構(gòu)成腐蝕的主要元素。金屬含碳量決定了其耐腐蝕能力，用在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中的部位也不同。
●電化學(xué)腐蝕
碳鋼中的鐵和碳在有電解質(zhì)和氧環(huán)境中形成微電池而引起腐蝕。腐蝕反應(yīng)的過(guò)程可表示為：
陽(yáng)極反應(yīng)（鐵）: Fe?2e → Fe2+
陰極反應(yīng)（碳）: O2+2H2O+4e → 4OH?
Fe2+是不穩(wěn)定的，它將繼續(xù)被氧化：
Fe2+?e → Fe3+
腐蝕環(huán)境中，O2 的濃度是穩(wěn)定的，F(xiàn)e 卻不斷被氧化（腐蝕）形成鐵銹。鐵銹是一種疏松而易碎的物質(zhì)，不能防止鐵的進(jìn)一步腐蝕，鋼會(huì)不斷受到化學(xué)腐蝕而破壞。
●應(yīng)力腐蝕
金屬在腐蝕介質(zhì)環(huán)境中，同時(shí)還受機(jī)械應(yīng)力或內(nèi)應(yīng)力作用而產(chǎn)生的腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等現(xiàn)象。
●電偶腐蝕
兩種不同金屬相連接并在腐蝕介質(zhì)環(huán)境中時(shí)，通常會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的電偶腐蝕。它是電化學(xué)腐蝕的一種形式。
●影響腐蝕速度的因素
一是含鹽量：海水中的所含鹽分幾乎都處于電離狀態(tài)，因此成為一種導(dǎo)電性很強(qiáng)的電解質(zhì)溶液。而鹽量將直接影響電導(dǎo)率的大小，對(duì)腐蝕有很大影響。海水中存在著大量的氯離子，對(duì)金屬的鈍化起著破壞作用從而加速腐蝕。
二是溶解氧：氧是海洋環(huán)境中腐蝕的主要元素，直接參加陰極反應(yīng)，而且氧又是去極化劑，一般情況下，腐蝕介質(zhì)中，氧含量越高，金屬的腐蝕速度就越快。
三是pH值：腐蝕介質(zhì)中pH值對(duì)金屬的腐蝕速度有很大的影響，當(dāng)pH值很低時(shí)，也就是在含有氧的酸性水中，pH 值越低，腐蝕速度越快。
四是溫度：海水溫度升高，氧的擴(kuò)散速度加快，海水電導(dǎo)率增大，這加速了陰極和陽(yáng)極的反應(yīng)，即腐蝕的加速。
五是鋼結(jié)構(gòu)的材質(zhì)及其制造過(guò)程引起的缺陷：這是腐蝕產(chǎn)生的內(nèi)部原因，如含碳量、卷板過(guò)程引起的內(nèi)應(yīng)力、焊接工藝等。
六是防腐措施的有效性：它與腐蝕速度直接相關(guān)。
海上風(fēng)電場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕應(yīng)對(duì)策略
防止腐蝕的措施應(yīng)從腐蝕機(jī)理入手，海洋環(huán)境的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕。自然環(huán)境是不可抗力，對(duì)于防止電化學(xué)腐蝕的措施，首先應(yīng)合理選擇耐蝕材料，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性考量，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)海工建構(gòu)筑物鋼材選擇的有關(guān)規(guī)定是合理的，應(yīng)該根據(jù)結(jié)構(gòu)件所起作用、所處環(huán)境，針對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程、制造過(guò)程、施工安裝、運(yùn)維過(guò)程可能產(chǎn)生的各種潛在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，提出應(yīng)對(duì)策略，防止金屬結(jié)構(gòu)件的腐蝕破壞。
●設(shè)計(jì)過(guò)程
首先，應(yīng)按規(guī)范要求最大限度選擇管材，明確焊接形式和焊縫處理要求，應(yīng)有明確的焊縫探傷和表面處理要求，減少積水隱患、減少內(nèi)應(yīng)力，減少破壞防腐涂層的因素。
其次，對(duì)長(zhǎng)期有外應(yīng)力作用的結(jié)構(gòu)件，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況仿真分析，針對(duì)性地提高部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，必要時(shí)增加加強(qiáng)環(huán)、加強(qiáng)筋等加強(qiáng)件以及抗沖擊的緩沖防護(hù)件，消除微裂縫引起防腐涂層的破壞而連環(huán)腐蝕。
第三，應(yīng)高度關(guān)注防腐涂料、涂層、新型防腐涂料的性能，特別是其粘結(jié)力和抗拉強(qiáng)度；對(duì)腐蝕發(fā)生嚴(yán)重區(qū)（焊點(diǎn)焊縫處、內(nèi)外應(yīng)力積聚處、積水區(qū)和干濕交替區(qū)）應(yīng)提出重點(diǎn)防護(hù)要求和檢測(cè)要求，必要時(shí)對(duì)某些關(guān)鍵部位應(yīng)提高防護(hù)等級(jí)；出現(xiàn)兩種不同金屬件連接時(shí)，金屬間應(yīng)有絕緣措施。
●制造過(guò)程
要嚴(yán)格落實(shí)執(zhí)行入廠材料的驗(yàn)收要求；嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙要求制造和檢測(cè)，對(duì)圖紙的疑問(wèn)應(yīng)及時(shí)溝通，杜絕自行代材；結(jié)構(gòu)件出廠至安裝現(xiàn)場(chǎng)全過(guò)程中應(yīng)對(duì)防腐涂層進(jìn)行保護(hù)，應(yīng)檢查涂層的完好性，及時(shí)修復(fù)已破損的防腐涂層。
●施工安裝
施工安裝前也需檢查涂層的完好性，及時(shí)修復(fù)已破損的防腐涂層；嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙要求施工，對(duì)圖紙的疑問(wèn)應(yīng)及時(shí)溝通，杜絕自行代材；安裝過(guò)程應(yīng)避免破壞防腐涂層，一旦發(fā)現(xiàn)破損應(yīng)及時(shí)修復(fù)。
●運(yùn)維過(guò)程
施工船和運(yùn)維船靠船位置處必須安裝橡膠護(hù)舷；杜絕大型施工船、敷纜船、錨艇、非正規(guī)平頭運(yùn)維船等噸位超過(guò)運(yùn)維船設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的船只靠船；施工船和運(yùn)維船應(yīng)在海況小于蒲福風(fēng)級(jí)6級(jí)風(fēng)和小于1.5米有效波高時(shí)靠船，且在頂靠過(guò)程中船速不應(yīng)超過(guò)0.5 米每秒；靠船船只應(yīng)按照雙柱頂靠原則，避免單柱頂靠或者單柱斜靠；及時(shí)修復(fù)已破損的防腐涂層。
海洋環(huán)境中金屬腐蝕是永恒的課題，它是多因素構(gòu)成的，任何環(huán)節(jié)的疏忽都可能直接構(gòu)成腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，甚至威脅生命財(cái)產(chǎn)安全，它是可以通過(guò)技術(shù)方法、管理手段來(lái)避免的，特別是對(duì)于一些人為因素造成的腐蝕。
鋼結(jié)構(gòu)材料特性、制造特性、環(huán)境特性是產(chǎn)生腐蝕的內(nèi)因，在復(fù)雜的外因作用下而發(fā)生各種形式的腐蝕現(xiàn)象?？梢愿鶕?jù)結(jié)構(gòu)件所起作用、所處環(huán)境，針對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程、制造過(guò)程、施工安裝、運(yùn)維過(guò)程可能產(chǎn)生的各種潛在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，提出應(yīng)對(duì)策略，防止金屬結(jié)構(gòu)件的腐蝕破壞，確保海上風(fēng)電場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)全生命周期的安全運(yùn)行。
海上風(fēng)電從業(yè)者在海上風(fēng)電事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展中肩負(fù)著重任，海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈中的每一位工作人員都應(yīng)該為海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)健康安全發(fā)展貢獻(xiàn)力量。
