海上风电场的防腐涂装试验方案与规范
风电是绿色能源，随着行业的发展，海上风电得到了重视与发展，水深也逐渐增加，电场的总容量逐渐扩大，这对技术和环境都提出了更新的要求。5MW级的风电机组具有125m高度的体形庞大。北欧与西欧地区是该领域的先驱者。欧洲风能协会的目标是到2010年海上风电场占据现有风电总装机容量的达到13%；2020年达到39%，总容量为70GW；到2030年之前，欧洲地区的目标是超过50GW。中国还处于起步阶段，有着巨大的发展空间，开发海上风电已经成为我国能源战略的一个重要内容。海上风电场的防腐尽管可以在很大程度上参考海洋平台现有的防腐经验，但是两者之间也有不同。海上风电场是无人居住的，并且严格限制人员的接近。海洋平台上的防腐涂层更容易进行有计划的检查和维修，而海上风电场很难做到这一点。
1.海上风电场的腐蚀环境
海上风电场处于严酷的应用环境之中，不仅有着腐蚀问题，还会有物理性的撞击，如浮冰块，船舶靠泊以及其他漂浮物的撞击等；海洋生物的影响，包括鱼类在内的海洋动物，贝类、植物类等。
1.1腐蚀规律
海上风电场的钢结构风塔（图1）按海洋腐蚀环境的特点，可以分成5个部分，海洋大气区、飞溅区、潮差区、全浸区和海泥区。按ISO12944-2，大气区处于C5-M的海洋大气腐蚀、飞溅区、潮差区和全浸区海水接触，处于Im2的海水腐蚀环境之下。对于海洋环境下的钢结构腐蚀，无论是海洋环境下长钢尺的挂片试验，还是实际的生产实践中，具有很强的规律性。图2是钢桩在美国KureBeach（基尔海滨）中暴露5a后的腐蚀示意图。
图1海上风电场的钢结构风塔示意图
图2钢桩在海滨暴露5a后的腐蚀示意图
1.2海洋大气腐蚀
钢铁结构在海洋环境海洋大气与内陆大气有着明显的不同。海洋大气湿度大，易在钢铁表面形成水膜；海洋大气中盐分多，它们积存钢铁表面与水膜一起形成导电良好的液膜电解质，是电化学腐蚀的有利条件，因此海洋大气比内陆大气对钢铁的腐蚀程度要高4～5倍。
1.3飞溅区的腐蚀
海洋飞溅区的腐蚀，除了海盐含量、湿度、温度等大气环境中的腐蚀影响因素外，还要受到海浪的飞溅，飞溅区的下部还要受到海水短时间的浸泡。飞溅区的海盐粒子量要远远高于海洋大气区，浸润时间长，干湿交替频繁。碳钢在飞溅区的腐蚀速度要远大于其他区域，在飞溅区，碳钢会出一个腐蚀峰值，在不同的海域，其峰值距平均高潮位的距离有所不同。腐蚀最严重的部位是在平均高潮以上的飞溅区。这是因为氧在这一区域供应最充分，氧的去极化作用促进了钢桩的腐蚀，与此同时，浪花的冲击有力地破坏保护膜，使腐蚀加速。
1.4潮差区的腐蚀
从高潮位到低潮位的区域称为潮差区。在潮差区的钢铁表面经常和饱和了空气的海水相接触。由于潮流的原因钢铁的腐蚀会加剧。在冬季有流冰的海域，潮差区的钢铁设施还会受浮冰的撞击。
1.5全浸区的腐蚀
全浸区全浸于海水中，比如导管架平台的中下部位，长期浸泡在海水中。钢铁的腐蚀会受到溶解氧、流速、盐度、污染和海生物等因素的影响，由于钢铁在海水中的腐蚀反应受氧的还原反应所控制，所以溶解氧对钢铁腐蚀起着主导作用。其次是平均低潮位以下附近的海水全浸区钢桩的腐蚀峰值。然而，钢桩在潮差带出现腐蚀最低值，其值甚至小于海水全浸和海底土壤的腐蚀率。这是因为钢桩在海洋环境中，随着潮位的涨落，水线上方湿润的钢表面供氧总要比浸在海水中的水线下方钢表面充分得多，而且彼此构成一个回路，由此成为一个氧浓差宏观腐蚀电池。腐蚀电池中，富氧区为阴极，相对缺氧区为阳极，总的效果是整个潮差带中的每一点分别得到了不同程度的保护，而在平均潮位以下则经常作为阳极而出现一个明显的腐蚀峰值。
1.6海泥区的腐蚀
海泥区位于全浸区以下，主要由海底沉积物构成。海底沉积物的物理性质、化学性质和生物性质随海域和海水深度的不同而不同。海泥实际是上是饱和了海水的土壤，它是一种比较复杂的腐蚀环境，既有土壤的腐蚀特点，又有海水的腐蚀行为。海泥区含盐度，电阻率低，但是供氧不足，所以一般的钝性金属的钝化膜是不稳定的。海泥中含有的硫酸盐还原菌，会在缺氧环境下生长繁殖，会对钢材造成比较严重的腐蚀。
1.7海生物的影响
海生物的污损，如苔藓虫、石灰虫、藤壶和海藻等，对碳钢的腐蚀影响较大。污损海生物能阻碍氧气向腐蚀表面扩散，从而对钢的腐蚀有一定的保护作用。但是由于污损层的不渗透性和外污损层中嗜氧菌的呼吸作用，使钢表面形成缺氧环境，有利于硫酸盐还原菌的生长。
2.防腐涂层系统选择
2.1实验室测试要求
对于海上风电钢结构的防腐涂层，在实验室中的试验，可以参考海洋平台和其他相应的防腐涂层的标准规范进行，典型且权威的如ISO20340（见表1），NORSOKM501，ISO12944和NACESP0108。其中NORSOKM501引用了ISO20340中的试验方法和验收标准（见表2）。
表1海洋防腐涂层系统的测试要求（ISO20340）
表2海上风电钢结构的海洋挂片试验涂层系统
2.2海洋挂片试验
海洋平台的防腐涂层尽管在过去的几十年中，进行很多的海洋挂片试验，但是专门针对于海上风电选定的涂层系统（表2），目前仅有德国的一个工作小组进行了为期36个月的试验。测试结果表明，海洋生物对腐蚀无明显影响。对于静止不动的海上风电结构来说，不可避免地会有不同的海洋生物生长附着。如果涂层完好，海洋生物对腐蚀不会产生明显影响。在潮差区的测试中，锌/铝合金（85/15）热喷涂加上封闭漆和两道环氧涂层系统，包括附着力测试等性能在内，显示出了最好的防腐效果。环氧富锌/环氧/聚氨酯系统在36个月后有着很好的附着力，但是人工划痕处腐蚀蔓延较为严重。飞溅区的测试中发现，采用金属热喷涂的法兰面有明显的缝隙腐蚀，因此在需要考虑用密封剂进行进一步的防腐处理。系统1、2、3和4都显示了较好的结果，系统1采用的聚氨酯面漆，只有部分失光，其他系统有发黄和粉化现象。全浸区，除了铝/镁合金系统失效外，从外观、附着力测试以及横截面来看，其他所有系统都显示出了很好的性能。试验结果同时表明水下区采用阴极保护系统有着良好的保护效果。
2.3海洋平台的经验
有着上百年历史的海洋平台的防腐蚀经验，完全可以为海上风电场所采用。并且海上油气田的开采工业，也有着成熟且不断发展的防腐蚀标准和规范。其中NORSOKM501和ISO20340是最为重要的防腐涂装方面的技术规范。海洋平台的设计使用寿命都要求达到25a，防腐设计也须满足这一要求，重防体腐涂料系统被广泛采用。BrianGoldie介绍并比较了在北海地区七家石油天然气公司（其中包括著名的Shell、BP、Total、ConocoPhillipsNorway和StatoilHydro）所采用的防腐涂层方案。在飞溅区，采用环氧玻璃鳞片和聚酯玻璃鳞片是主要方案，热喷铝涂层加封闭层也有采用。大气区采用的方案，底漆系统有环氧富锌、无机富锌、（改性）环氧、玻璃鳞片到金属热喷涂都有采用；面漆有聚氨酯、水性丙烯酸、聚硅氧烷和环氧丙烯酸等。
3.海上风电场推荐防腐涂层
根据实验室涂层测试、海上挂片试验以及吸收海上平台成熟的防腐方案，对于海上风电推荐的防腐涂层体系如表3。如果采用金属热喷涂层加上有机涂层的方案，将是最佳方案。
表3海上风电推荐防腐涂层体系
大气环境中，如塔筒外壁，可以采用常用防腐涂层体系，即富锌底漆+环氧云铁+脂肪族聚氨酯面漆。采用玻璃鳞片涂料体系时，注意底漆不能太厚，也可以选用环氧，当然也可以选用耐久性更好的聚硅氧烷涂料。采用金属热喷涂体系时，可以得到更为长效的防腐效果。塔筒内壁由于不接触外界阳光直射，腐蚀环境相对外壁要弱，因此可以不采用保色保光性优良的脂肪族聚氨酯或聚硅氧烷面漆。甲板平台，包括内外平台，由于是工作场所，并且会有海浪的冲刷，因此采用与飞溅区相同的环氧玻璃鳞片方案，如果需要面漆调颜色，可以选用聚氨酯罩面。潮差区和飞溅区是防腐的重点区域，采用环氧玻璃鳞片系统，干膜厚度至少要求在800μm以上。如果要达到30a以上的使用寿命，根据现有的海洋平台方面的经验，干膜厚度在1500μm为好。由于玻璃鳞片涂料在控制涂膜下的腐蚀蔓延要差一些，因此采用具有良好阴极保护性能的环氧底漆打底，比直接做玻璃鳞片涂料效果要好。对海泥区，可以不做防腐涂层，单纯依靠阴极保护，也可两者相结合，涂层厚度在设计上不用太厚。
4.结语
海上风电在继陆上风电和沿海风电后，对防腐涂层提出了更新更高的要求。尽管在相似领域已经有了成功的重防腐经验，但是海上风电毕竟有着自己独有的防腐要求。对海上风电钢结构的防腐，不仅在涂层系统的选择上，更要在防腐施工方面和质量监控方面，比陆上风电和沿海风电更为认真严格。
