近年來，海上風電發展勢頭強烈，各項優勢都顯示著海上風電將是未來風電的大勢所趨。然而，與陸上風電相比，海上風電所處環境更為復雜，海洋大氣區高濕度、高鹽霧、長日照，浪花飛濺區干濕交替，水下區海水浸泡、生物附著等，腐蝕環境非常苛刻，對海上風電設備的腐蝕防護提出了嚴峻挑戰，同時海上風電由于其特殊的地理環境和技術要求，維修費用極高。因此，海洋腐蝕不但給海上風電機組帶來巨大安全隱患，縮短機組運營壽命，也大大增加了風電的建設投資和運行維護成本。

海上風電機組

海上風電機組主要由水下基礎、塔架、機艙、輪轂和葉片等部分組成，具體構造上不同廠家的風機存在一些區別，大部分廠家將主軸、軸承座、齒輪箱、聯軸器、機械剎車、發電機、變壓器、變槳系統、電控系統等集成在機艙和輪轂內部，以減少現場安裝工作量。

水下基礎從材料角度主要有鋼結構基礎和鋼筋混凝土結構基礎；從結構形式分主要有重力式基礎、單樁基礎、群樁基礎、導管架基礎、吸力式筒形基礎等固定式基礎和漂浮式基礎等。

目前海上風機的高度一般在80～110m的范圍內，按部位劃分，風機基礎結構處于浪花飛濺區、潮差區、全浸區及海泥區， 風機的機艙、 輪轂、 葉片和塔架等處于海洋大氣區范圍內。

（資料圖：中船海裝）

海上風電機組的腐蝕環境

海上風電場處于嚴酷的應用環境之中，不僅有著腐蝕問題，還會有物理性的撞擊和海洋生物的影響等。從環境的不同特點出發，海上風機總體處于5個不同的部分，分別為海洋大氣區、浪花飛濺區、潮差區、全浸區和海泥區。

1、海洋大氣區

高濕、高鹽是海洋大氣的特點，海洋大氣中的水蒸氣在毛細管作用、吸附作用和化學凝結作用等的影響下，容易附著在鋼鐵表面形成一層肉眼看不到的水膜，水膜中有溶解氧、氯離子、 硫酸根離子和其它一些鹽分， 是導電性很強的電解質溶液。鋼鐵表面的不均勻使得表面形成腐蝕電池， 從而引起鋼鐵腐蝕。研究結果表明，鋼在濕度 70% 時腐蝕最為嚴重。另外晝夜的干濕交替，對腐蝕有加速作用。

水膜中氯離子具有穿透作用，它能加速鋼鐵的點蝕、應力腐蝕、晶間腐蝕和縫隙腐蝕等局部腐蝕，使得鋼鐵表面難以形成長期穩定的致密銹層，導致腐蝕率上升。

2、浪花飛濺區

在浪花飛濺區，海水膜潤濕時間長、干濕交替頻率快、海鹽離子大量積聚，同時飛濺的海浪粒子沖擊和海風等使得供氧充分，是造成腐蝕速度加劇的重要因素。飛濺海水中的氣泡會沖擊破壞材料表面， 使得該部分的防腐涂層很容易脫落。因此在整個海洋環境中，浪花飛濺區是腐蝕最為嚴重的區域。

3、潮差區

鋼結構基礎的水下區與潮差區部分由于氧含量不同而形成氧濃差電池，潮差區部分由于供氧充分而成為宏觀電池的陰極區，水下部分則變為陽極向陰極區提供保護電流，而使得潮差區部分腐蝕較輕。

海洋生物能夠棲居在潮差區結構的表面，如果附著生物均勻分布，會在結構表面形成保護膜從而減輕腐蝕，如果局部附著，則會因供氧不同而導致附著物下面的鋼表面腐蝕嚴重。

4、全浸區

在全浸區，以電化學和生物腐蝕為主，又分為淺水區（低潮位以下20～30米以內） 、 大陸架全浸區 （30～200米水深區）和深水區（200 米以下）。

淺水區海水流速大，存在近海化學和泥沙污染，溶解氧和二氧化碳處于飽和狀態，生物活躍，水溫較高，是全浸區腐蝕較為嚴重的部分。

隨著水深的增加，海水流速降低，水溫下降，含氣量降低，生物活動減少，腐蝕以電化學腐蝕為主，相對淺水區較輕。隨著深度進一步增大，壓力增大，礦物鹽的溶解量下降，水溫、含氣量、水流進一步降低。腐蝕以電化學腐蝕和應力腐蝕為主，相對較輕。

5、海泥區

海泥區位于全浸區以下，主要由海底沉積物構成。海底沉積物的物理性質、化學性質和生物性質隨海域和海水深度的不同而不同。海泥實際是飽和了海水的土壤，它既有土壤的腐蝕特點，又有海水的腐蝕行為。相對來講，海泥區的腐蝕較輕。當海泥中存在硫酸鹽還原菌時，它會在缺氧環境下生長繁殖，對鋼材造成比較嚴重的腐蝕。

碳鋼在海洋環境中的不同區帶表現出不同的腐蝕特征，在海水中的腐蝕主要包括物理、化學和生物的影響，應結合不同的特征采取針對性地防腐蝕措施。

海上風電機組腐蝕類型

海上風力發電機組在海洋環境中面臨著嚴重的腐蝕問題。根據不同的腐蝕形態和原因，可以將腐蝕分為以下幾種主要類型：

1. 海水腐蝕：海水是一種復雜的電解質，含有高鹽度、微生物和溶解氣體等成分。這些成分對海上風力發電機組產生強烈的腐蝕作用。

2. 海洋微生物腐蝕：海洋微生物在代謝過程中產生各種化學物質，這些物質可能與金屬表面發生化學反應，導致嚴重的腐蝕。

3. 疲勞腐蝕：由于風力發電機組在運行過程中經歷周期性的載荷變化，導致金屬表面產生疲勞裂紋，最終導致腐蝕斷裂。

4. 應力腐蝕：由于運行過程中承受的應力和腐蝕介質共同作用，使金屬材料產生應力腐蝕開裂。

5. 生物污損腐蝕：海洋生物附著在風力發電機組表面，它們的生命活動和死亡后留下的殘骸加速了材料的腐蝕。

（資料圖：廣納納米）

海上風電機組防腐技術

海上風電機組不同于海上鉆井平臺，受到腐蝕時可以隨時修補，海上風電機組由于其特殊的地理環境和技術要求，維修費用極高。由于上述原因，很容易使海上風電電力傳輸設施發生短路故障，甚至釀成火災等安全重大事故。因此，海上風機的防護，需要進行系統化的設計、規劃、實施。

塔架的防腐設計

海上風機塔架按照機型可分為近海和沿海灘涂的底座式和近海和深海的浮體式兩種。風電塔架的腐蝕保護主要是基于其腐蝕環境ISO12944C5-M，對于浸水區域按I㎡。推薦的干膜厚度為320~500μm(大氣腐蝕環境C5-M)和400~1000μm(海水浸泡環境I㎡)，可以達到15年以上的無需維修使用壽命周期。

對于近海的鋼結構還有2003年發布的ISO20340標準《色漆和清漆用于近海建筑及相關結構的保護性涂料體系的性能要求》，這個標準是通用型的，對不同的腐蝕環境都適用，而實際的腐蝕環境更為復雜，涂裝時更要注重微觀腐蝕環境和腐蝕因素。

（資料圖：天順風能）

葉片的防腐設計

JB/T10194－2000中指出，設計和制造葉片時要考慮環境因素的影響，應進行耐環境設計，采取相應措施，使其具有較高的環境適應性。

葉片在一定程度上暴露在腐蝕性環境條件下并且不容易接近。由于運行條件的原因，在許多情況下不可能重做防腐層，因此重視設計、材料選擇和防腐保護措施特別重要，防腐和減輕腐蝕的結構設計對防腐的實施、效果和可修理性具有重大的影響。

對于不能通過涂層或鍍層來防腐的部位，可以選用適當的材料。復合材料葉片應采用膠衣保護層，但沒有相應的指標規定。標準認定的環境條件包括溫度、濕度、鹽霧、雷電、沙塵、輻射六項。在“MW級風力發電機組風輪葉片原材料國產化”的“863”計劃中，要求葉片表面保護涂料能提高葉片耐紫外線老化、耐風沙侵蝕以及耐濕熱、鹽霧腐蝕能力，適應我國南北方不同極端氣候條件下風電場的使用需求，保證風輪葉片20a的設計使用壽命。

（資料圖：中國鐵建港航局）

其他部件的防腐設計

（1）底座、輪轂、軸承的防腐設計一般采用與塔架內壁相同的防腐涂料體系。

（2）塔架基礎的防腐設計塔架基礎埋地鋼筋同樣面臨腐蝕，但一般被忽視而未采取防腐措施，一旦出現問題則難以處置。其防腐方法可采用一般建筑用鋼筋防腐涂料，或者針對性設計和選擇涂料品種，在基礎澆注前進行防腐涂裝。

（3）機艙罩、整流罩的防腐設計一般采用風機葉片涂料體系。

（4）變壓器的防腐設計一般為落地箱式，北方寒旱環境下沙塵、冰凍、紫外線腐蝕比較嚴重，南方鹽霧濕潤腐蝕嚴重，要采用塔架外防護涂料體系。海上風機的箱式變壓器采用絕緣樹脂澆注實現變壓器鐵芯防腐蝕。

（5）控制柜、開關柜的防腐設計配電箱/電器柜等鈑金結構件目前一般使用粉末涂料，主要是采用提高防護等級隔絕空氣來實現整體防腐蝕。

（6）發電機、齒輪箱的防腐設計雙饋型風機，因其轉速較高，因此發電機采用常規的密閉冷卻散熱系統，內部構造無需考慮防腐，只需利用結構件防腐方法解決外表防腐問題。永磁直驅型風機，將鐵芯設計為防腐蝕材料，而轉子線包則采用真空浸漆工藝配合氟硅橡膠材料加強防腐，確保散熱和防腐達到一種平衡。

海上風電機組防腐要求

我們以GB/T 33630-2017《海上風力發電機組 防腐要求 》為例，來看一下海上風電的測試要求：

一、海上風力發電機組腐蝕環境區域按照嚴酷等級劃分如下：

二、根據以上的腐蝕環境，我們來具體看看風力發電機組各部分結構的防護層的性能要求：

1.鋼制結構件防護涂層性能要求

2.葉片防護涂層性能要求

3.機艙罩、導流罩膠衣涂層性能要求

海上風機常用的防腐措施

1）葉片、輪轂罩、機艙罩是由玻璃鋼制成，材料的本身具有防腐蝕性能。

2）塔架、輪轂、主機架、齒輪箱、發電機等金屬部件，多采取的是噴涂油漆的防腐方案，機組外部防腐等級C5-M，內部C4。

3）整個機艙為密閉結構，為實現機艙內的空氣與外界進行熱量的交換，在機艙中可設置了空氣冷卻通道和換熱器裝置，保證只有少量的含有鹽分的空氣進入機艙，減小空氣中的鹽分對機艙內部件的腐蝕。

4）機艙外表直接暴露在空氣中的金屬零部件，如水冷散熱器支架、航空燈支架等均可采用不銹鋼材料，以增加抗腐蝕能力。

5）在高濕度地區，發電機、控制柜等電氣元件等處可增加加熱除濕系統，在濕度傳感器發出信號后，控制各部位的加熱器進行加熱除濕，避免潮濕環境對機組的影響。發電機也可以采用特種絕緣材料，提高發電機滑環室的防護等級。電氣線路板采用防腐涂層，電氣母排采用鍍鎳工藝，提高防腐等級。

6）針對沿海的氣候條件特點，在齒輪箱、液壓系統等重要部件上，配置了高精度的空氣過濾器，最大限度減少鹽霧進入箱體內部的可能；并在潤滑油液壓油的選擇上，選用油水分離性能更好的型號，使得混入箱體的含鹽水溶液難以融入油液，并迅速被大容量、高精度的油液過濾器所攔截，以防止含鹽水溶液混入油液后加劇對齒面、軸承、液壓元器件的磨損。

7）使用鋅鉻膜（達克羅）涂層工藝技術對各連接件進行處理。鉻酸在處理時使工件表面形成不易被腐蝕的稠密氧化膜，而且，由于達克羅干膜中鉻酸化合物不含結晶水，其抗高溫性及加熱后的耐蝕性能也很好。

8）海上風機水下構筑物采用陰極保護。

（資料圖：東方風電）

海上風機鋼結構防腐措施

正值風電設備更新換代之際，大型機組不僅需要優質鋼材，更需要較高的處理工藝，以確保在海風、海浪中保持堅固的結構和表面的耐腐蝕性，具有一定技術門檻。

1、耐候鋼

耐候鋼是一種介于不銹鋼和普通碳素鋼之間的特殊材料，其最大特點在于耐銹蝕和抗腐蝕性，使用壽命遠超普通鋼材。在工程實踐中，耐候鋼無需涂裝即可使用，作為結構材料表現出色，能有效降低鋼結構（如橋梁）在整個壽命周期內的總成本。在實際應用中，耐候鋼能有效抵抗長期風吹雨打帶來的腐蝕和氧化，適合用于制造風電塔和桅桿等部件。

2、熱浸鍍鋅技術

熱浸鍍鋅是將鋼材浸入熔融狀態的液態鋅中，在其表面形成一層合金保護層的防腐方法。鋅的作用在于既可以在鋼材表面形成一層致密的保護涂層，阻隔空氣與鋼材接觸，并利用犧牲陽極的原理來保護鋼材本體。由于鋅的腐蝕速率遠低于鋼材，因此能有效保護鋼材，大大提高鋼材的耐腐蝕性，從而延長其使用壽命至數十年。通常，熱鍍鋅工藝被用于塔筒內部結構件的防腐處理。

3、防腐涂層

涂層保護的工作原理是在鋼結構的表面涂覆一層或多層防腐涂料，以此隔絕海水和空氣的直接接觸，從而延緩腐蝕進程。該技術的關鍵是除銹和涂料的選擇。常用的涂料類型包括環氧樹脂、聚氨酯和含鋅涂料等，其具備出色的黏附力和耐化學性，能夠有效地阻擋腐蝕侵襲。

近年來，納米技術在防腐涂層領域的應用取得顯著進展。通過將納米氧化鋅和納米二氧化鈦等納米材料加到傳統涂料中，可提升涂層的防腐蝕和抗紫外線性能。例如，加入了納米粒子的環氧樹脂涂料，在模擬海洋環境的測試中比傳統涂料高出50%的耐腐蝕性。此外，正在研究開發的智能涂層技術能夠在初期通過顏色變化進行警示，及時提醒維修。

海上鋼結構防腐涂料噴涂步驟

4、熱噴涂防腐技術

熱噴涂防腐工藝的原理是通過在鋼材表面噴涂耐腐蝕的金屬或合金層，以為材料提供更持久且均勻的保護層。此工藝常用于海上風電偏航軸承的防腐處理，目的在于隔絕軸承基體與外界環境的直接接觸。

5、陰極保護技術

我國在海上鋼結構中大量采用了陰極保護技術，其基本原理是電化學保護。當直流電流被引入海水中時，會使海上風電設施的金屬結構成為陰極，同時使海水中的其他金屬離子變為陽極。因為陰極的金屬結構不會發生腐蝕，所以這種技術可以有效地防護海上風電設施不受海水侵蝕。

（資料圖：申能海南CZ2海上風電示范項目）

海上風電防腐應注意的問題

根據近幾年東海大橋海上風電場、江蘇如東海上風電場的反饋，鋼結構基礎的腐蝕問題呈普遍性逐步增多趨勢，主要體現在防腐方案不合理、涂層失效、陰極保護系統缺陷、防腐材料及施工質量不過關等方面， 因此， 在海上風電的防腐蝕設計、建造及運行維護等方面應注意以下問題：

1、設計標準問題

對于塔筒結構及鋼樁基礎的防腐，主要參照海洋工程鋼結構的防腐方法，國內外相關的標準規范較多，目前最常用的如下 ：

ISO12944色漆和清漆——防護漆體系對鋼結構的腐蝕防護 ；

ISO20340 色漆和清漆——用于近海建筑及相關結構的保護性涂料體系的性能要求；

NORSOKM501表面處理和防護涂料；

DNV RP B401陰極保護設計；

DNV OS J101海上風電機組設計。

ISO 12944是目前國際上應用最廣泛的鋼結構防腐蝕涂裝規范，ISO 20340 和NORSOK M501對海上風電防腐蝕涂料體系的性能測試和施工技術等做出了規定。

2、施工質量問題

海上風電由于其特殊性，安裝完成投入運行后，再進行涂層維護很難，且費用相當高，通常按25年的長期壽命進行涂層體系設計， 因此， 防腐涂料及施工質量要求也相對較高。“三分涂料，七分施工”，選擇了質量滿足要求的涂料產品之后，涂層施工質量的好壞，就決定了最終的保護效果。表面處理是涂裝工作的第一步，一般要求噴砂除銹達到Sa2級，同時對砂料、施工環境氣候條件、壓縮空氣等都有相關規定，應嚴格執行。在表面處理達到要求后，方可進行涂裝施工。應嚴格按照涂料使用說明書的要求進行儲存、配料、施工，為保證質量，當濕度和溫度條件不滿足時，嚴禁施工。為方便施工監理，對每道涂層的顏色一般都有明確規定。

3、運行中的監檢測問題

海上風電的鋼結構基礎通常采用涂層和陰極保護防腐，這種情況下，陰極保護系統運行效果如何，就需要通過監檢測系統來獲取相關信息進行判定。陰極保護無論是犧牲陽極還是外加電流方式，都需要安裝參比電極、電流密度探頭等，以獲取保護電位、保護電流密度等信息。針對涂層和生物腐蝕問題，國外還有電化學阻抗、生物腐蝕、腐蝕速率等探頭在海上風電的應用情況。所有探頭信息通過數據采集儀定時記錄，由于海上風電的特殊性，數據記錄儀應具備網絡接入功能，傳感器的數據應能及時上傳網絡，并自動保存在監測系統或計算機中。

來源綜合自：腐蝕防護之友、SGS工業服務、風能產業、萬里風行、 云奇新材料、水漆助手