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1、海上风电场钢结构腐蚀剖析及应对策略O引言在“双碳”目标指引下我国海上风电的建设和并网容量不断增加，截至2023年3月，全国海上风电装机已达30.89GWo2022年底国家实施海上风电平价上网以来我国已有7个省份启动海上风电风电场所属地区单桩基础数/台投产日期腐蚀情况WFl南方西部392021 年一股WF2南方西部322019年严重WF3南方东部822021 年一般WF4南方西部322021 年中等WF5南方西部472021 年严重WF6南方东部352021 年一般WF7南方西部432021 年一般WF8南方中部552021 年严重表1研究场址腐蚀概况Tab. 1 Corrosion nditi
2、ons of study sites二层圈梁三层圈梁图1单桩基础套笼立面图Fig. 1 Elevation of single pile foundation cage图2三层圈梁俯视图Fig. 2 Top view of 3dring beam竞配工作，总容量达到16.7GW,海上风电将迎来新一轮发展高峰，且呈现大容量、集中连片和向着深远海发展的新特点。随着大规模海上风电场的不断投入运营，海洋环境下金属腐蚀问题，特别是海上风电场钢结构腐蚀问题日益显现，它将严重影响钢结构件的服役寿命，导致严重的安全事故和巨大的经济损失。关于海洋环境下金属的腐蚀机理以及防腐方法在相关的知识体系中被认为是成熟的，
3、然而实际情况表明其有效性却差强人意，经调查，海上风电场金属腐蚀问题依然严重存在，特别是钢结构件的腐蚀已对风电场全生命周期安全运行构成威胁“Z。为此，以并网发电海上风电场为研究对象，根据不同基础形式、结构件、材料和部位在特定海洋环境中已发生的腐蚀现象进行分析，提出海上风电场钢结构防腐的策略，确保海上风电场钢结构全生命周期的安全运行，为海上风电场的高质量发展保驾护航1调查与判断1.1 研究场址腐蚀情况有关人员对已并网发电的海上风电场钢结构件的腐蚀情况进行调查,情况如表1所示。调查发现：发生腐蚀乃至破坏的主要部位是辅助结构件套笼，且集中在特定位置，WF8风场50多台基础的套笼在三层圈梁的I、2、3、
4、4、5、6（如图L图2所示）节点均不同程度腐蚀，其中1台因腐蚀导致套笼从二层圈梁下部整体脱落坠入海中（如图3所示）。与主体结构连接的爬梯等部位也不同程度腐蚀，腐蚀形态完全符合腐蚀机理，结构件的破坏也因其所在位置以及其部位所起的作用而成为必然。1.2 研究场址腐蚀现状从图4图8发现发生腐蚀的位置都有共同点：焊接处：（2）内（外）应力处；（3）积水处：（4）干湿交替处；（5）破碎浪飞沫降落区；（6）环境温度较高区域:（7）2种不同金属直接接触或焊接处。调研的8个海上风电场不同程度地出现上述情况，特别是单桩基础套笼的三层圈梁、倒管架及升压站平台的爬梯转弯平台等结构件，当这些腐蚀导致结构件超出图3套笼
5、从二层圈梁下部整体脱落现场图片图5积水区域焊缝腐蚀破坏Fig. 5 Corrosion damage of weld in water-logged areaFig. 4 Stress rrosion cracking in water-logged area图6应力腐蚀开裂Fig. 6 Stress corrosion cracking其极限强度时，在有外力作用，或者自身重力作用下就会产生不同程度的破坏。2分析与讨论2.1 海上风电场钢结构件的材料型号及化学成分表2和表3表明，桩基及结构件所用的材料都是碳素钢，碳钢主要是铁元素和碳元素以及少量的其他元素所组成的合金。其中除铁外，碳的含量对钢铁
6、的机械性能起着主要作用，同时也是构成腐蚀的主要元素。表3中金属含碳量的不同决定着其耐腐蚀的能力不同,用在风机基础中的部位也不同。2.2 腐蚀机理及现状分析2.2.1 腐蚀机理1)电化学腐蚀：碳钢中的铁和碳在有电解质和氧环境中形成微电池而引起腐蚀。腐蚀反应的过程可表示为：图7应力腐蚀开裂Fig.7Stresscoosioncracking阳极反应(铁)：Fe-2eFe2+(1)阴极反应(碳)：02+2比0+祀-40”(2)Fe?+是不稳定的，它将继续被氧化：Fe2+-eFe3+(3)腐蚀环境中,O2的浓度是稳定的；Fe却不断被图8导管架基础示意图Fig.8Schematicdiagramofja
7、cketfoundation表2不同基础形式及结构件的用钢型号Tab.2Gradesofsteelusedfordifferentfoundationformsandstructuralcomponents基础形式桩爬梯套笼靠船结构单桩DH36Q235BQ355CQ355C导管架DH36Q235B-Q355C表3不同钢材型号的化学成分Tab.3Chemicalmpositionofdifferentsteelgrades,型号CSiMnPSDH360.140.401.510.0150.7AH360.180.501.6()().0300.030Q235B0.12-0.200.300.30-0.7
8、00.0450.450Q355C0.240.551.600.0350.035氧化（腐蚀）形成铁锈。铁锈是一种疏松而易碎的物质，不能防止铁的进一步腐蚀。因此，钢就不断受到化学腐蚀而破坏。2）应力腐蚀：金属在腐蚀介质环境中，同时还受到机械应力或内应力的作用产生的腐蚀疲劳和应力腐蚀开裂等现象。3）电偶腐蚀：2种不同金属相连接并在腐蚀介质环境中时，通常会发生严重的电偶腐蚀。它是电化学腐蚀的一种形式。2.2.2 影响腐蚀速度的因素I）含盐量：海水中的所含盐分几乎都处于电离状态，因此成为一种导电性很强的电解质溶液。而盐量直接影响电导率的大小，对腐蚀有很大影响。海水中存在着大量的氯离子，对金属的钝化起着破坏
9、作用而加速腐蚀外2）溶解氧：氧是海洋环境腐蚀中的主要元素，直接参加阴极反应，而且氧又是去极化剂，一般情况下，腐蚀介质中，氧含量越高，金属的腐蚀速度就越快。3）PH值：腐蚀介质中PH值对金属的腐蚀速度影响有很大的因素，当PH值很低时，也就是在含有氧的酸性水中，PH值越低，腐蚀速度越快。4）温度：海水温度升高，氧的扩散速度加快，海水导电率增大，这加速了阴极和阳极的反应，即腐蚀的加速。5）钢结构的材质及其制造过程引起的缺陷是腐蚀产生的内部原因，如含碳量、卷板过程引起的内应力、焊接工艺等等。6）防腐措施的有效性与腐蚀速度直接相关2.2.3现状分析根据表1统计分析，南方地区8个海上风电场的结构件的腐蚀情
10、况表现不一是符合实际的，因为8个海上风电场的场址间首尾相距约800多km,场址条件、建设条件与投运时间存在差异。但都存在腐蚀这样一个事实，发生的最严重的情况是因腐蚀导致套笼从二层圈梁下部整体脱落（如图3所示）。而且发生腐蚀的部位基本上都是海上风电场钢结构防腐蚀技术标准M（NB/T31006）“4.2海上风电场钢结构的暴露环境分为大气区、浪溅区、全浸区和内部区。”中所指的“大气区”。“4.2a）大气区为浪溅区以上暴露于阳光、风、水雾及雨中的支撑结构部分”。通常人们认为大气区的腐蚀比浪溅区小，因此，标准提出“大气区宜采取涂料保护或热喷涂金属保护”；大气区应采取以下措施减少需要保护的钢表面积，并易于
11、涂层施工：（W用管型构件代替其他形状的构件：（2）金属构件组合在一起时采用密封焊缝和环缝：（3）尽量避免配合面和搭接面。根据规范I3速求以及称“222”脸械的因素，结合图4图8发生腐蚀的位置，完全可以解释焊接处、具有内（外）应力处、积水处、干湿交替处、破碎浪飞沫降落区、环境温度较高区域、2种不同金属直接接触或焊接处都是腐蚀较严重的区域，而且是综合因素联合作用的结果。分析如下：I）调查的8个海上风电场工程所在海域，属于亚热带季风气候，平均气温2024C。，年平均相对湿度759685%,年平均降水量2.6L,气温高、日照强、相对湿度高，属典型的高温高湿海洋大气环境。湿空气凝结水，降水与破碎浪飞沫形
12、成电解质溶液，大气中的氧气溶入溶液中，如果某些地方空气不同程度污染，大气中二氧化硫等酸性气体同时溶入时使电解质PH降低而形成更强腐蚀性。如果结构件表面因材料本体或者因制作的精度问题凹凸不平而产生积水区，这些电解质就积聚在积水区中。2）在外力的作用下结构件的防腐涂层破坏而暴露金属。3）结构件的焊点毛刺穿破防腐涂层而暴露金属。D3）所描述现象的集合就会构成微电池而产生电化学腐蚀，严重时氢腐蚀和氧腐蚀同时产生（见图4图7）o几个因素同时加速了金属结构件的腐蚀速度：D积水区电解质在晴朗天气时因水的蒸发而不断浓缩，又在雨天中稀释，一浓一稀、一干一湿的过程使原电池的电位变化而加速腐蚀（见图9）。图9干湿交
13、替区域焊点腐蚀Fig.9Conosionofweldingjointsindry-wetalternatingarea2焊接过程焊缝处析碳形成的微电池数远大于基材，在电解质中腐蚀速度明显大于基材（见图5）o3）结构件在制作过程中引起的内应力以及受到机械撞击当其在腐蚀介质环境中就产生腐蚀疲劳和应力腐蚀开裂，应力腐蚀开裂破坏结构件的防腐涂层而加速结构件的破坏（见图4图7）o4）不同金属相接触时，在电解质条件下很容易发生电偶腐蚀。在相连接的电偶中，一种金属是阳极，另一种金属是阴极，两种金属的电位差愈大，则电偶中的阳极金属侵蚀得愈快（见图10）o图10电偶腐蚀现象Fig.10Galvanicrrosi
14、on海洋环境的腐蚀形态主要是局部腐蚀，从构件表面开始，在形成原电池的区域内发生的腐蚀，如电偶腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀等，而这些腐蚀直接影响结构强度而引起“千里之堤毁于蚁穴”的严重后果UL3海上风电场钢结构腐蚀应对策略防止腐蚀的措施应从腐蚀机理入手，海洋环境的腐蚀主要是电化学腐蚀，调研的8个海上风电场中的结构件虽处大气区，但仍然出现不同程度的腐蚀情况,其腐蚀机理一样是电化学腐蚀。自然环境是不可抗力的，防止电化学腐蚀措施首先是合理选择耐蚀材料，从技术经济性考量，我国现行规范对海工建构筑物钢材选择的有关规定是合理的。表2列出了不同结构件用材型号，据此，应该根据结构件所起作用、所处环境，针对设计过程、制
15、造过程、施工安装、运维过程可能产生的各种潜在腐蚀风险，提出应对策略，防止金属结构件的腐蚀破坏。3.1 钢结构腐蚀应对策略3.1.1 设计过程I）应按规范要求最大限度选择管材，明确焊接形式和焊缝处理要求，应有明确的焊缝探伤和表面处理要求，减少积水隐患,减少内应力，减少破坏防腐涂层的因素UL2）对长期有外应力作用的结构件，应根据现实情况仿真分析，针对性地提高部件的结构强度，必要时增加加强环、加强筋等加强件以及抗冲击的缓冲防护件，消除微裂缝引起防腐涂层的破坏而连环腐馒3）高度关注防腐涂料、涂层、新型防腐涂料的性能，特别是其粘结力和抗拉强度；对腐蚀发生严重区（焊点焊缝处、内外应力积聚处、积水区和干湿交替区）应提出重点防护要求和检测要求，必要时对某些关键部位应提高防护等级；出现2种不同金属件连接时，金属间应有绝缘
