我国不同区域风电场的腐蚀环境及防腐技术分析

2020-08-18 01:34:49 hualin 16

摘 要 :分析了我国“三北”地区、东南沿海地区以及黄河以南内陆地区风电场的气候特点和腐 蚀环境,并针对性地提出不同区域的气候环境下风力发电设备的不同零部件、不同部位应采取不同 的防腐技术,为大规模发展风电场提供借鉴。


引言


随着石化能源的日渐枯竭,低碳和绿色环保的 呼声日益高涨,以及世界各国对气候变化的重视和 关注,以风能为代表的可再生能源因其资源丰富、易 于转换和利用、分布广泛及无污染等特性,近年来在 世界范围内得到了广泛开发和利用,特别是我国风 电的发展尤为迅速,中国风电开发和利用规模已处 于世界领先地位。开发和利用风能等可再生能源既 是我国当前调整能源结构、节能减排、合理控制能 源消费总量的迫切需要,也是我国未来能源可持续 利用和转变经济发展方式的必然选择。国家能源局 于 2012 年 8 月发布了《可再生能源发展“十二五”规 划》,该《规划》确定了可再生能源发展的基本原则 : 市场机制与政策扶持相结合、集中开发与分散利用 相结合、规模开发与产业升级相结合、国内发展与 国际合作相结合。“十二五”时期可再生能源发展的 总体目标是 :到 2015 年可再生能源年利用量达到 4.78 亿 t 标准煤,其中商品化可再生能源年利用量达 到 4 亿 t 标准煤,在能源消费中的比重占 9.5% 以上。


其中到 2015 年,累计并网风电装机达到 1 亿 kW,年 发电量超过 1 900 亿 kW·h,其中海上风电装机达到 500 万 kW,基本形成完整的、具有国际竞争力的风 电装备制造产业。到 2020 年,累计并网风电装机达 到 2 亿 kW,年发电量超过 3 900 亿 kW·h,其中海上 风电装机达到 3 000 万 kW,风力发电成为电力系统 结构的重要能源。由于我国地域辽阔,各地气候环境 差别大,而且不同地区风电场的腐蚀环境大相径庭, 因此针对不同区域的风电场安装和运行的风电设备 所要求的防腐技术和涂装体系也不相同。为了更好 地保护不同区域风电场的风力发电设备免遭腐蚀侵 害,提高风力发电设备服役期的可靠性和发电量,本 文针对我国不同区域风电场的腐蚀环境和腐蚀因素 进行具体分析,并就不同区域风电场的风力发电设 备相应的防腐技术和涂装体系进行阐述。


1 风电场的腐蚀环境分析及防腐技术应用 首先,从风力发电设备安装和运行的区域环境


来看,近年来,我国安装和运行的风电场主要分布在“三北”(东北、西北、华北)地区、东南部沿海地区(山 东、江苏、上海、浙江、福建、广东和海南等沿海地 区)以及风能资源丰富的黄河以南的内陆地区(包括 云贵、广西、江西、安徽、河南、湖南、湖北等)。


其次,从风力发电设备的结构来说,大型风力发 电设备是将风能转换成机械能,再将机械能转换为 电能,输送和并入电网。在风能转换成机械能再转换 成电能的过程中,一套风力发电设备为了实现其功 能的转换而由若干个系统、结构和零部件组成。而其 零部件大多数采用碳钢、铸铁等金属材料,还有电气 设备的电气元器件等,因此解决风力发电设备的防 腐蚀问题首先必须从风力发电设备的安装运行环境 和腐蚀介质入手,其次必须从风电设备的结构和所 使用材料的特性进行具体剖析和针对性地处理。虽


然大型风力发电设备的结构比较复杂,但是其基本 结构大体上由风轮(叶片、轮毂)、风轮轴、调速装置、 发电机、制动系统、液压系统、机舱、偏航系统、塔 架、支撑结构基础、控制系统等部分组成。


对于不同区域风电场安装和运行的风力发电设 备,从防腐涂装的角度来说,风力发电设备的机舱 系统(包括发电机、齿轮箱、偏航和液压系统等)、 叶轮系统(叶片和轮毂系统)、桩基基础及支撑结 构(塔架),以及电气系统和电气元器件等都是防腐 防护的重点,有些系统和零部件也是防腐防护的难 点。一般风电场的腐蚀环境按照不同区域的划分是 根据 ISO 12944—2《色漆和清漆 :防护涂料体系对 钢结构的防腐保护 - 环境分类》来进行的。具体如1所示。

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风力发电设备的可靠性和耐久性是衡量风力发 电设备的投资回报期和经济效益的一个重要依据。依据 ISO 12944 标准的相关规定,一般风力发电设备 要求其防腐防护年限在 15 a 以上,达到风力发电设 备相同的 20 a 寿命要求。而针对在海洋环境下的风 力发电设备,由于安装和调试时间长,其设备的防腐 防护年限要求在 25 a 以上,特别是针对海上风电导 管架钢结构基础,其防腐防护目标要求达到 30 a 的 寿命。


1.1 “三北”地区风电场的腐蚀环境及防腐技术 我国“三北”(东北、西北、华北)地区基本上包


括东北三省(黑龙江、吉林、辽宁)、京津地区、内蒙 古、山西、新疆及陕甘宁地区,这些地区的风能资源 丰富,十分有利于风力发电。但是由于“三北”地区 的地域广阔,纬度跨度大,温度和湿度的差别大。在 冬季低温天气下,空气密度增大,风力发电设备在同 等风速下的输出功率增大,如果控制系统处理不当, 容易出现超发甚至超负荷的情况,给设备带来危害。另外一个不容忽视的因素是冬、春季雾多和雪多,空 气湿度大,再加上温度降低,在饱和气温 -20°C以下 时,容易出现所谓“雾凇”现象,风机叶片表面会“结 晶”,有时甚至在叶片表面会附着不规则冰凌,增加方法。具体工艺是先对零部件(轴承、法兰)表面进 行喷砂除锈,表面喷砂处理要求达到 Sa 3 级,粗糙度 一般为 50~100 μm,使基材表面完全露出金属光泽。再在乙炔 - 氧焰加热或电加热情况下将不断送出的 锌(铝)丝融化,并用压缩空气将融化的锌(铝)颗粒 吹附到零部件表面,以形成一层蜂窝状的锌(铝)喷 涂层(一次厚度可达 50~100 μm),其喷锌(铝)层表 面宜加涂膜厚小于 30 μm 左右的有机封闭漆,从而确 保封闭漆渗入到喷涂金属层且封闭孔隙。


安装于“三北”地区陆上及沙漠地区的风机叶片 容易遭受到沙尘和冰雪的磨蚀,由于风机叶片直接 关系到风力发电设备的发电效率及使用寿命,因此 设计的叶片防护涂层体系不仅要能满足风电叶片的 耐磨蚀、耐老化,以及提高设备使用寿命的要求,并 且要能实现少维护、延长维护周期,从而提高风机叶 片的可靠性,“三北”地区风机叶片的防护涂层体系 一般设计如表 2 所示。

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风机叶片防护涂层适用于辊涂、空气喷涂及高压 无气喷涂设备的施工,固化时成膜快,实现底涂和面 涂的一体化,从而减少涂装作业时间,提高施工效率。

 

1.2 东南沿海地区风电场的腐蚀环境及防腐技术


我国东南沿海地区,其海域包括渤海、黄海、东 海、南海四大海域,这些海域地区涵盖山东、江苏、 上海、浙江、福建、广东和海南等沿海省份,其分别 属于温带(山东)、亚热带(江苏、上海、福建、广东)、 热带(海南及广东雷州半岛)海洋性气候区,年平均 气温大都在 10°C或 25°C以上。盛行的海陆风把含有 盐分的水气吹向风电场与设备元器件大面积接触,叶片表面粗糙度,导致叶片翼型和重心的改变,降低 翼型的气动性能,甚至有可能导致设备损毁和风机 倒塌等事故。在此情况下必须停机运行和检修维护, 从而降低风机的输入功率和导致发电量损失。特别 是在西北和内蒙古的局部地区,容易发生沙尘暴、冰 雹和冰冻等自然灾害,沙尘暴对叶片表面涂层破坏 很大,而且玻璃纤维、环氧树脂部分受紫外线照射会 产生老化,这些都对风力发电设备的安全运行造成 严重的威胁。


根据 ISO 12944—2 标准的腐蚀环境分类,位于 “三北”地区的风力发电设备的机舱和叶轮(轮毂和 叶片)外部、以及基础环和塔架筒体外表面属于 C3 腐蚀类型,机舱和轮毂及塔筒内部属于 C2 腐蚀类 型。按照 C3-C2 的腐蚀环境等级及 15 a 防腐防护寿 命要求,风力发电设备的防腐涂层参考 ISO 12944— 5 来设计膜厚。“三北”地区的风力发电设备内部和 内表面,采用的涂层体系为 :环氧富锌底漆 + 环氧 云铁中间漆 + 聚氨酯面漆,也可采用环氧富锌底 漆 + 环氧面漆的 2 层涂层结构,其干膜总厚度一般 为 180 μm 左右。“三北”地区的风力发电设备外部 和外表面采用的涂料体系为 :环氧富锌底漆 + 环氧 云铁中间漆 + 聚氨酯面漆,其干膜总厚度一般设计为240 μm左右。对于风力发电设备的整流罩和机舱罩的钢结构支架、塔筒内的电缆桥架、钢结构梯子、扶栏以及其 他结构和形状比较复杂的管件和钢构件等可采用热 浸镀锌技术进行保护,热浸镀锌技术一般被用于受 大气腐蚀较严重且不需维修的风电机组零部件的防 腐防护中。


对于风力发电设备的高强度连接螺栓(一般针 对 8.8 级以上螺栓螺母垫片),如基础锚固螺栓、叶片 与轮毂的连接螺栓、每节塔筒的连接螺栓等通常采 用达罗克技术(或无铬锌铝涂层技术)来进行防腐蚀 处理。达克罗(锌铬涂层)技术是目前应用比较普遍 的一种金属表面防腐处理技术。与电镀锌、热浸镀锌 等工艺技术相比,锌铬涂层具有防腐性优良、不产生 氢脆等特点。其镀层厚度一般为 2~12 μm。


风力发电设备的轴承、塔筒的连接法兰等采用 热喷锌(锌 / 铝合金)涂层,这是一种长效的防腐蚀盐雾中高浓度的 NaCl 迅速分解为 Na+ 离子和 Cl- 离 子,与金属材料发生化学反应生成强酸性的金属盐, 在叶片表面形成覆盖层,严重影响了叶片的气动性 能 ;并经过一系列的化学反应后使设备原有的强度 遭到破坏,生成氧化物使电气触点接触不良,导致电 气设备故障或毁坏,使风力发电机组承受最大载荷 的能力大大降低,不能达到设计运行要求,给设备安 全运行带来严重后果,给风场的安全、经济运行造成 很大的影响。


海上风电基础大致上分为两种,即在沿海滩涂 和潮间带的混凝土底座式基础,以及在近海地区的 导管架式基础。底座式风机由管桩上浇筑钢筋混凝 土承台,承台上固定风机塔筒。其中混凝土承台部分 由于在海上现场施工,环境复杂,气候恶劣,盐雾多, 湿度大,潮汐间隔短,施工难度大,后续维修困难, 所以其防腐涂层质量要求更为严格,防腐周期越长 越好。导管架式基础类似于船舶和海工平台。但是, 由于深海海上风电场是无人居住的,并且严格限制 人员的接近,因此海上风电设施相比海上平台更难 做到定期对防腐涂层进行检修,因此其腐蚀保护的 要求更严格。海上风力发电设备的主机、塔架和导管 架基础腐蚀情况又可根据其部位所处的环境不同分 为水上部位及水下部位。


与浸于海水中的钢铁腐蚀不同,海洋环境对金 属的腐蚀同其它环境中的大气腐蚀一样是由于潮湿 的气体在物体表面形成一个薄水膜而引起的。这种 腐蚀大多发生在海上的船只、海上平台以及沿岸码 头设施上。海洋大气中相对湿度较大,同时由于海 水飞沫中含有氯化钠粒子,所以对于海洋钢结构来 说,空气的相对湿度都高于它的临界值。因此,海洋 环境中的钢铁表面很容易形成有腐蚀性的水膜。薄 水膜对钢铁的作用而发生大气腐蚀的过程,符合电 解质中电化学腐蚀的规律。这个过程的特点是氧特 别容易到达钢铁表面,钢铁腐蚀速度受到氧极化过 程控制。空气中所含杂质对大气腐蚀影响很大,海 洋大气中富含大量的海盐粒子,这些盐粒子杂质溶 于钢铁表面的水膜中,使这层水膜变为腐蚀性很强 的电解质,加速了腐蚀的进行。与干净大气的冷凝 水膜相比,被海雾周期饱和的空气能使钢的腐蚀速


度增加几倍。在距离海岸近的,特别是在距海岸 200 m 以内的大气区域中的金属材料,强烈地受到海洋大 气的影响。离海岸 24 m 处的钢铁腐蚀比 240 m 处大 12 倍。


除了海盐、湿度、温度等大气环境腐蚀因素,风 机塔架基座还受到海浪的飞溅,飞溅区的下部经常 受到海水短时间的浸泡,干湿交替频繁,该部位海盐 含量远高于大气区,而且氧在飞溅区含量较高,其去 极化作用促进了钢桩的腐蚀。此外,海浪的冲击对保 护涂膜也具有相当的破坏力,使腐蚀加速。因此,碳 钢在飞溅区的腐蚀速度要远大于其他区域。海上风 机塔架底部处于飞溅区,一般采用无机环氧或玻璃 鳞片环氧涂层保护体系。


从高潮位到低潮位的区域称为潮差区。在潮差 区的风机塔架钢铁表面经常与饱和空气的海水相接 触,加剧了钢铁的腐蚀。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。


承台下部到海面部位属于潮差区和飞溅区,是 海上风机防腐的重点。风机导管架平台的中下部位 及钢桩等长期浸泡在海水中,溶解氧、海流、盐度、 污染和海生物等因素对钢铁造成多方面腐蚀影响, 其中,溶解氧和海盐对该部位的腐蚀起着主导作用。海生物,如苔藓虫、石灰虫、藤壶和海藻等的污损, 对风机塔架碳钢的腐蚀影响较大。在此一般采用环 氧底漆 + 玻璃鳞片环氧涂层系统。


浅海和沿海滩涂的底座式风机需将钢桩打入海 泥区内,海泥区主要由海底沉积物以及饱和海水的 土壤所构成,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 高,电阻率低,但由于氧浓度十分低,其对塔架钢构 的腐蚀速度比全浸区要低。此外,海泥中含有的硫酸 盐还原菌在缺氧环境下生长繁殖,也成为钢材腐蚀 的影响因素之一。在这里,通常是在钢桩位于流水线 以下的外壁上焊接锌块而采用牺牲阳极的阴极保护 来防止腐蚀。也可结合采用防腐涂料,涂层一般不需 太厚。


根据 ISO 12944—2《色漆和清漆 :防护涂料体系 对钢结构的防腐保护 - 环境分类》的规定,按照东南 沿海地区的海上风电机组结构特点及区域范围,海上风电塔筒、主机(机舱系统和叶轮系统)的外部属于 海洋大气区 C5-M 腐蚀类别 ;其内表面属于 C4 腐蚀 类别。海上风电导管架基础根据其结构所处的部位分 别处于海洋大气区、海水浪溅区、潮差区及海水浸泡(海泥)区,其环境腐蚀类别为 C5-M 及 Im2。对于主机机舱和轮毂及塔架内外部金属零部件的防腐防护,除了注重在材质选择上的特殊要求外, 还应根据钢铁及铸件零部件的材料性质、所处的部 位和结构特点分别采用热浸锌、热喷锌、渗锌(铝)、 达克罗等防腐技术以及涂装复合涂层结构的重防腐 技术,从而能够很好地保护零部件免受海洋环境下 腐蚀介质的侵蚀。主要防护措施:使用锌铬膜涂层 工艺技术对金属设备进行表面处理,在材料端面形 成保护膜 ;经常巡查,发现设备出现腐蚀情况后及时 进行处理,阻止氯等物质对金属的侵蚀 ;对电气元器 件集中区域进行密封防潮、降温保护以减缓腐蚀速 度。主机机壳和塔架的设计应充分考虑该风电场的 热带海洋大气环境,其涂层设计符合 ISO 12944—2、 ISO 12944—5 标准规定,满足耐盐雾腐蚀、耐霉变、 耐紫外线老化、耐雨水和风化、耐高温、良好的附着 力等要求。


海上风机塔筒大部分处于海洋大气区,塔筒外 表面防腐涂料体系一般采用富锌底漆 + 环氧云铁中 间漆 + 脂肪族聚氨酯面漆,其涂层干膜厚度一般为 360~400 μm。其中,采用玻璃鳞片涂料体系时底漆不 能太厚,面漆也可选用耐久性更好的聚硅氧烷涂料。底层外壁也可采用电弧喷锌或锌 / 铝合金,面层可采 用耐候性优良的聚氨酯面漆 / 氟碳面漆。塔筒内表面 由于不直接接触海洋大气环境和外界阳光直射,腐 蚀环境相对也弱于外表面,内壁选用聚氨酯面漆,其 3 层的涂层干膜厚度一般为 280~300 μm。


主要是季风环流,即夏季多吹偏南风,冬季多吹偏北 风。年平均气温在 13~15°C之间,自南向北递减。具有 四季分明、雨热同期、气象灾害频繁、复杂多样的特 点。主要的气象灾害有旱灾、雨涝、风雹灾、低温冻 害和雪灾,受灾面积以干旱最多,占 46% ;雨涝次之, 占 25% ;风雹第三,占 12% ;低温冻害和雪灾面积较 小,分别占 3% 和 2%。其中风雹灾、低温冻害和雪灾 均会对风机运行产生不利影响。根据ISO12944—2《色 漆和清漆 :防护涂料体系对钢结构的防腐保护 - 环境 分类》的规定,按照黄河以南地区的风电机组结构特 点及气候区域划分,风电塔筒、主机(机舱系统和叶 轮系统)的外表面和外部零部件属于 C4 腐蚀类别 ; 其内表面和内部零部件属于 C3 腐蚀类别。


机舱 / 轮毂及塔筒外壁和外部零部件通常采用 : 环氧(或无机)富锌底漆 + 环氧云铁中间漆 + 聚氨酯面 漆的 3 层涂层结构,涂层干膜厚度一般为 280~300 μm。这种防腐涂层结构的底漆由于高金属含量锌粉提供 了很好的阴极保护 ;厚浆型环氧云铁中间漆的片状云 母氧化铁所形成的“迷宫”效应,能够隔绝水分子、盐 雾分子向金属零件表面渗透和腐蚀 ;改性聚氨酯面漆 不仅具有防太阳光及紫外线老化的能力,而且能够耐 风沙、雨雪的侵蚀。塔筒内壁和机舱 / 轮毂内部的零部 件由于不接触到外界的阳光直射,耐光老化性相对外 壁要弱,一般采用 :环氧富锌底漆 + 环氧厚浆漆 + 聚 氨酯面漆,总干膜厚度一般为 240~260 μm 左右。


2 风力发电设备防腐技术的应用前景和展望


由于陆地上风能资源基本开发完成、以及土地 和风能利用效率等因素的驱动,海上风电已成为全 球风电行业未来建设和发展的重点。我国已于 2010 年年初出台《海上风电开发建设管理暂行办法》,并 启动了首批海上风电特许权招标,海上风电的发展 将对风电防腐防护和保护涂料提出新的挑战。


海洋环境下在风电机组的防腐蚀方面也可采用不易发生腐蚀的金属材料,如使用不锈钢、铜或合金等耐腐蚀性材料。但是这种方法导致材料成本大大增加,在满足技术和经济要求的前提下才会选择。目前,我国风电场主要分布已达24个省(市)

 

1.3 黄河以南内陆地区风电场的腐蚀环境及防腐技术 我国黄河以南的内陆地区,根据其地域范围和气 候特点,其分别属温带、亚热带大陆季风气候及高原 性气候(云贵高原),影响此区域气候形成的大气环流


区),风机生产商近 80 家,叶片生产企业 50 多家,塔 筒生产企业则超过 100 家。而根据中国电力企业联 合会的统计,国家发改委和能源局 2020 年装机规模 1~1.5 亿 kW 的目标,在未来几年间,中国风机市场每


年的增长空间均在 1 000 万 kW 以上,同时风电装备 出口也已逐步成为风电行业新的增长点之一。巨大 的风电市场无疑为风电保护涂料开辟了一个稳定而 广阔的市场空间。预计 2020 年前,我国风电保护涂 料的年均需求量将超过1万t,其中塔架防腐涂料需 求超过 8 000 t/a,叶片涂料需求超过 2 000 t/a。2010 年,我国推出了《新能源产业振兴规划》,这进一步 推动了风电装备产业及风电涂料产业的发展。


最近,风机涂装所用涂料体系的发展方向是改 善面漆的性能,采用氟碳树脂、聚硅氧烷树脂或有机 硅改性丙烯酸树脂来提高耐候性及一些基本特性, 尤其是氟碳树脂及有机硅树脂可大大提高面漆的耐 候性及耐磨性。另外,近年聚脲新材料已逐渐用于国 家重大工程,如高铁工程。聚脲除了保护混凝土,也 可用于铁材(风机塔筒)的防腐保护。


3 结语


(1)对于风力发电设备的防腐防护,不仅应重 视防腐方案设计和防腐涂层系统选择,更应加强和 重视实际的防腐施工过程和质量控制。在开发和利 用风能资源的同时,也应关注和进行风力发电设备 的防腐蚀技术等关键性技术的应用和研究,从而更 好地推动风电领域的建设和发展。


(2)针对不同区域风电场的腐蚀环境及15 a以 上防腐寿命要求,一般内陆及沿岸风机塔筒的防腐


蚀涂装设计体系为 :环氧富锌底漆 + 环氧中间漆 + 脂肪族聚氨酯面漆。从经济性和合理性出发,不同区 域风电场的防腐设计和施工采用不同的防腐方法和 涂层厚度。


(3)近来年,风力发电设备的涂装设计和施工 也向环保、水性化、高固体分、低VOC(挥发性有机 化合物)、高膜厚、施工简便化的 2 道涂层甚至 1 道涂 层方向发展。另外,借鉴桥梁和建筑业的先进经验, 氟碳面漆或聚硅氧烷面漆等高性能的防腐涂料产品 在风电领域也逐渐被采用,使面漆更耐沙尘、雨雪和 风力磨蚀,抗撞击及抗紫外线,保光保色性更好。


(4)海上风电涂料继陆上风电和沿海风电后, 对防腐技术和涂层提出了更新、更高的要求。将作为 风电涂料产业未来的重点发展方向,从而推动风电 涂料产业的进一步发展。