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本文对海上风电及其所处环境进行了介绍,分析了海洋环境不同区域的腐蚀特征,并结合海洋风电机组的各部分,介绍了相应的防腐蚀解决方案, 并对海上风电防腐提出了应注意的相关问题。
在当前煤炭、石油等化石能源资源日益匮乏,温室气体排放威胁人类生存环境的严峻形势下,风能作为自然界中能够不断再生、可持续利用的绿色能源资源,以其蕴藏量巨大、分布广泛、无污染等优势,越来越受到世界各国的重视。自1991 年世界首座海上风电场在丹麦建成以来 , 海上风电已经成为世界可再生能源发展的重点领域。经过 20 多年的发展,海上风电技术日趋成熟,已进入大规模开发阶段。到 2014 年底,欧洲 11 个国家共建设了 84 个海上风电场,总装机容量11,027MW。我国 2010 年并网发电的东海大桥 100MW 海上风电场是亚洲第一个大型海上风电项目,到 2013 年底我国海上风电总装机容量达到 428.58MW。据报道,我国可开发和利用的陆地上风能储量 2.53 亿千瓦,近海可开发和利用的风能储量有 7.5 亿千瓦,海上风能储量远远大于陆地,有广阔的发展空间。同时,我国东部沿海地区经济发达,能源紧缺,开发丰富的海上风能资源将有效改善能源供应结构。因此,尽管我国海上风电起步较晚,但发展潜力巨大。
与陆上风电相比,海上风电所处环境更为复杂,海洋大气区高湿度、高盐雾、长日照,浪花飞溅区干湿交替,水下区海水浸泡、生物附着等,腐蚀环境非常苛刻,对海上风电设备的腐蚀防护提出了严峻挑战,同时海上风电由于其特殊的地理环境和技术要求,维修费用极高。因此,海洋腐蚀不但给海上风电机组带来巨大安全隐患,缩短机组运营寿命,也大大增加了风电的建设投资和运行维护成本。防腐蚀是海上风电必须考虑的突出问题, 防腐蚀设计成为海上风电场设计的重要环节之一。
海上风电机组
海上风电机组主要由水下基础、塔架、机舱、轮毂和叶片等部分组成,具体构造上不同厂家的风机存在一些区别,大部分厂家将主轴、轴承座、齿轮箱、联轴器、机械刹车、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。
水下基础从材料角度主要有钢结构基础和钢筋混凝土结构基础;从结构形式分主要有重力式基础、单桩基础、群桩基础、导管架基础、吸力式筒形基础等固定式基础和漂浮式基础等。
我国东海大桥海上风电场采用的是群桩承台基础。
目前海上风机的高度一般在 80 ~ 110m 的范围内,按部位划分,风机基础结构处于浪花飞溅区、潮差区、全浸区及海泥区, 风机的机舱、 轮毂、 叶片和塔架等处于海洋大气区范围内。
单桩基础的海上风电结构图
海上风电机组的腐蚀分析
海上风电机组一般位于离岸 15Km 以内的近海,从机组、塔架到水下基础,相应处于海洋大气、浪花飞溅、潮差、全浸及海泥五个区,每个区的腐蚀环境不同,其腐蚀特征也不同。下面对每个区的腐蚀特征分别进行介绍。
1、海洋大气区
高湿、高盐是海洋大气的特点,海洋大气中的水蒸气在毛细管作用、吸附作用和化学凝结作用等的影响下,容易附着在钢铁表面形成一层肉眼看不到的水膜,水膜中有溶解氧、氯离子、 硫酸根离子和其它一些盐分, 是导电性很强的电解质溶液。钢铁表面的不均匀使得表面形成腐蚀电池, 从而引起钢铁腐蚀。研究结果表明,钢在湿度 70% 时腐蚀最为严重。另外昼夜的干湿交替,对腐蚀有加速作用。
水膜中氯离子具有穿透作用,它能加速钢铁的点蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀,使得钢铁表面难以形成长期稳定的致密锈层,导致腐蚀率上升。
2、浪花飞溅区
在浪花飞溅区,海水膜润湿时间长、干湿交替频率快、海盐离子大量积聚,同时飞溅的海浪粒子冲击和海风等使得供氧充分,是造成腐蚀速度加剧的重要因素。飞溅海水中的气泡会冲击破坏材料表面, 使得该部分的防腐涂层很容易脱落。 因此在整个海洋环境中,浪花飞溅区是腐蚀最为严重的区域。
钢桩在海洋环境各区域的腐蚀速率示意图
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