文/張斌

0 引言

通過分析廣東省珠海市桂山海域海上風(fēng)電機組在海洋環(huán)境中的特點和類型，本文對破損風(fēng)機塔架的形貌、涂膜厚度、附著力、電化學(xué)性能等進行測試分析，分析其發(fā)生老化的原因，得到致使風(fēng)電塔架涂層最容易發(fā)生老化失效的環(huán)境類型，為海上風(fēng)電機組防腐技術(shù)處理提供試驗依據(jù)。

1 海上風(fēng)電塔架環(huán)境分類

我國的陸上風(fēng)電場經(jīng)過多年發(fā)展，建設(shè)速度逐漸放緩。由于海上風(fēng)電擁有風(fēng)資源豐富而穩(wěn)定、發(fā)電效率高、環(huán)保等優(yōu)勢，具有廣闊的前景。隨著“一帶一路”倡議和國家海洋戰(zhàn)略的實施，我國南方沿海、島嶼以及南海海域等廣大區(qū)域的戰(zhàn)略意義日益凸顯，海上風(fēng)電的發(fā)展將受到新能源行業(yè)更大的關(guān)注。但海洋環(huán)境中的高濕度、高鹽分、海洋生物等因素都會對金屬造成嚴(yán)重的腐蝕，海上風(fēng)電機組運行環(huán)境大概分為4種典型區(qū)域：大氣區(qū)、飛濺區(qū)、全浸區(qū)、海泥區(qū)。

大氣區(qū)指的是不會直接接觸海水，所處環(huán)境是海洋大氣的區(qū)域。海上風(fēng)電機組的塔架上部、塔基、塔筒等部位均位于大氣區(qū)。在該區(qū)域運行的塔架涂層所處的環(huán)境特點是濕度和海鹽濃度遠高于內(nèi)陸地區(qū)，涂層表面容易形成含氯離子導(dǎo)電性能極佳的薄液膜，導(dǎo)致發(fā)生電化學(xué)腐蝕。與內(nèi)陸地區(qū)相比，風(fēng)電塔架在海上大氣區(qū)發(fā)生波腐蝕的程度要高得多。

飛濺區(qū)指的是不會被海水長期直接浸泡，但是會被海浪噴濺到的區(qū)域。處于該區(qū)域的海上風(fēng)電機組的塔架涂層受海浪的沖擊，飛起的浪花和潮水使其長期處于干濕交替狀態(tài)，在太陽輻照、海鹽、氧氣等因素綜合作用下，加速了鋼結(jié)構(gòu)涂層的腐蝕老化進程。風(fēng)電塔架在該區(qū)域的腐蝕程度明顯大于其他區(qū)域。另外，也有相關(guān)文獻將潮差區(qū)單獨歸類為一種環(huán)境類型，即隨水位變化周期性暴露在大氣中和浸沒在海水中的區(qū)域，本文將該區(qū)域也歸類于飛濺區(qū)，不另做討論。

全浸區(qū)指的是長時間浸泡在海水中的區(qū)域。該區(qū)域中海水溫度、洋流、鹽濃度、溶氧量、海洋生物、海洋污染物等諸多因素都影響鋼結(jié)構(gòu)涂層的受腐蝕狀況。

海泥區(qū)是指深入海底的區(qū)域。近海海上風(fēng)電機組的底座是將鋼樁打入到海底海泥中，海泥的主要成分是海底的各種沉積物和飽和土壤，其中含有高濃度的海鹽以及腐殖質(zhì)等，同時具有海水腐蝕和土壤腐蝕的特點。海泥區(qū)雖然海鹽濃度較高，但含氧量很低，一般情況下風(fēng)電塔架涂層的受腐蝕程度相對略低。

2 海域海水鹽度及風(fēng)電塔架防腐體系

2.1 海域海水鹽度情況

桂山海域由于島嶼眾多，地形復(fù)雜，同時受上游河川徑流和潮流的影響，水中鹽度分布非常復(fù)雜。

在淺海海灣水域，引起鹽度日變化的主要原因是潮流、潮汐、蒸發(fā)和降水等。其中，由蒸發(fā)和降水日變化所引起的鹽度日變化一般不大，影響工程海域鹽度日變化的最主要原因是潮流、潮汐和河川徑流。鹽度變化曲線與潮汐變化曲線有密切關(guān)系，最高鹽度一般出現(xiàn)于高潮時的底層水，最低鹽度一般出現(xiàn)于低潮時的表層水。鹽度日變化較之水溫日變化要大得多和復(fù)雜得多，夏季鹽度日變化大于冬季，冬季平均鹽度則大于夏季，大潮時大于中、小潮，夏季平均鹽度日較差大于冬季。

據(jù)實測資料統(tǒng)計，桂山海域鹽度的垂線平均水平約為1.10%～2.57%。

2.2 風(fēng)電塔架防腐體系要素

海上風(fēng)機設(shè)計使用壽命為25 a，工程建設(shè)期為2 a，風(fēng)機基礎(chǔ)的防腐設(shè)計使用年限按27 a考慮。

在大氣區(qū)，防腐涂層為環(huán)氧富鋅底漆+環(huán)氧云鐵中間漆+聚氨酯面漆；飛濺區(qū)（包括水位變動區(qū)）的防腐涂層為環(huán)氧富鋅底漆+環(huán)氧玻璃鱗片漆+聚硅氧烷面漆；水下區(qū)的防腐涂層為環(huán)氧重防腐涂料。

風(fēng)電塔架的電化學(xué)防腐采用犧牲陽極陰極保護方法，犧牲陽極材料選用目前最常用的鋁－鋅－銦合金材料，犧牲陽極布置在水下區(qū)，其頂高程應(yīng)至少在最低水位以下1.0 m，底高程應(yīng)至少高于泥面以上1.0 m。

3 外觀及性能檢查

本文所述破損的海上風(fēng)電塔架于2017年安裝在廣東省珠海市桂山海域。

對破損的海上風(fēng)電塔架根據(jù)其服役環(huán)境劃分區(qū)域，分別在大氣區(qū)、飛濺區(qū)、全浸區(qū)、海泥區(qū)等典型區(qū)域進行取樣，如圖1所示，對以上區(qū)域的樣品進行外觀、涂層厚度、附著力、阻抗等進行測試分析，進一步分析和討論不同區(qū)域的塔架涂層腐蝕性能變化。

圖1 破損海上風(fēng)電塔架

3.1 外觀檢查

對海上風(fēng)電塔架典型區(qū)域樣品進行外觀檢查，結(jié)果見圖2。

圖2 海上風(fēng)電塔架典型區(qū)域的外觀

可以看出，由于樣品試用焊槍從塔架上切割，邊緣有明顯的黑色熱影響區(qū)，中間屬于涂層的原貌。大氣區(qū)的中間區(qū)域涂層基本完好，但涂層表面有明顯鼓泡、劃痕；飛濺區(qū)的中間區(qū)域只有少量紅色涂層殘留，面漆大部分脫落或被貝殼等物體覆蓋，涂層出現(xiàn)明顯分層、剝離情況；全浸區(qū)的中間區(qū)域附著大量貝殼等海洋生物，紅色面漆基本完全消失，局部出現(xiàn)剝離現(xiàn)象；海泥區(qū)的樣品涂層基本完好，表面有少量鼓泡、劃痕。

3.2 涂層厚度測試

使用Qnix4500涂層測厚儀對海上風(fēng)電塔架不同區(qū)域的樣品涂層厚度進行測試分析，每個樣品選擇5處測試點，結(jié)果見表1。

表1 海上風(fēng)電塔架典型區(qū)域樣品涂層厚度測試結(jié)果

其中，大氣區(qū)和海泥區(qū)的涂層厚度大部分在705μm～1260 μm之間，飛濺區(qū)和全浸區(qū)的涂層厚度在1 240μm～2 200 μm之間。飛濺區(qū)和全浸區(qū)的涂層厚度明顯高于大氣區(qū)和海泥區(qū)，最高甚至超過2 mm，原因是飛濺區(qū)和全浸區(qū)的涂裝設(shè)計考慮到腐蝕環(huán)境更嚴(yán)苛，涂層厚度加大；另外的原因是，該區(qū)域的涂層長期被海水浸泡膨脹增加了厚度。

3.3 涂層附著力分析

使用DeFelsko PosiTest AT-M拉脫法涂層附著力測試儀對海上風(fēng)電塔架不同區(qū)域樣品的涂層進行測試，每個樣品選擇3個測試點，測試結(jié)果見表2、圖3。

表2 海上風(fēng)電塔架典型區(qū)域樣品涂層附著力測試結(jié)果

圖3 海上風(fēng)電塔架典型區(qū)域樣品經(jīng)拉拔法附著力測試后的涂層形貌

可以看出，大氣區(qū)和海泥區(qū)試驗后脫落的主要是清漆和面漆，說明大氣區(qū)和海泥區(qū)的涂層比較完整，但附著力與涂裝要求有所下降；飛濺區(qū)和全浸區(qū)試驗后脫落的主要是底漆和少量面漆，附著力不到1 MPa，飛濺區(qū)附著力下降非常明顯，說明飛濺區(qū)和全浸區(qū)的涂層已經(jīng)遭到破壞，其防護能力急劇下降。

4 涂層電化學(xué)分析

利用便攜式涂層阻抗測試儀對樣品進行電化學(xué)檢測，將浸透水的紗布覆蓋在涂層處，探頭附在表面測試。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，完好的涂層圖譜較為凌亂，可能是由于初期涂層性能較好，濕紗布上的水難以在短時間內(nèi)滲透，引起的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性差。當(dāng)樣品表面涂層損壞后再次測試，均出現(xiàn)典型的EIS曲線（見圖4）。

可以看出，前面半圓形區(qū)域為高頻區(qū)，該區(qū)域主要為電荷傳遞控制過程，后半部分的斜直線區(qū)域為低頻區(qū)，該區(qū)域主要為擴散控制過程，低頻區(qū)部分直線的斜率偏離45°，這可能是由于測試樣品表面不平整而引起的。從完好的圖譜可以看出海泥區(qū)-中部具有最大的容抗弧半徑，大于破損樣板，說明該涂層具有一定的保護作用。對交流阻抗進行bode圖分析，結(jié)果見圖5。

圖4 海上風(fēng)電塔架典型區(qū)域樣品不同部位交流阻抗圖譜/EIS圖譜

可以看出，海泥區(qū)－中部完好的樣品涂層相位角最大。相位角隨著涂層吸水逐漸變小，阻抗模數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)海泥區(qū)－中部最大，高達3.23×108，表示海泥區(qū)的涂層防護能力最高，涂層完整性最好。

對海上風(fēng)電塔架鋼結(jié)構(gòu)涂層體系失效過程的機理分析表明，由于涂層涂覆過程中的缺陷，或涂層自身表面微孔的存在，水分子滲透導(dǎo)致涂層與金屬界面剝離，氧分子隨缺陷或空隙進入并形成溶解氧，涂層發(fā)生破壞，金屬遭到腐蝕。

圖5 海上風(fēng)電塔架典型區(qū)域樣品不同部位bode圖

5 結(jié)語

通過對海上風(fēng)電塔架處于不同區(qū)域的涂層進行外觀、涂膜厚度、附著力、電化學(xué)等測試分析，發(fā)現(xiàn)海泥區(qū)涂層阻抗、附著力、涂層完整性最高，大氣區(qū)次之；飛濺區(qū)的涂層阻抗極低，附著力基本喪失，遭到破壞最嚴(yán)重，全浸區(qū)沒有長時間與氧氣接觸，再加上附著的海洋生物有一定保護作用，因此涂層受破壞程度比飛濺區(qū)略輕。綜上，建議對飛濺區(qū)涂層體系定期進行維護更新，避免造成更大的損失。