0 引言

开发和利用风能、太阳能等可再生能源既是我国当前调整能源结构、实现节能减排、合理控制能源消费总量的迫切需要，也是我国实现能源可持续利用和转变经济发展方式的必然选择。我国政府一直支持和鼓励包括风能在内的可再生能源的规模开发和利用，并出台了多项扶持政策。我国开发和利用海洋风能拥有众多有利因素，包括丰富的海洋风电资源、更接近用电负荷中心、电力消纳和输送能力强、近海风电的发电成本不断降低等利好条件，因此优质的近海风电资源的建设逐渐成为我国风电开发的新方向。依据我国权威研究机构的调查和数据分析，我国近海10 m 水深以内海域的风能资源约1 亿kW，20 m 水深以内海域的风能资源约3 亿kW，30 m 水深以内海域的风能资源约4.9 亿kW，与陆上风能资源相比毫不逊色。由于拥有十分丰富的近海风能资源，我国海上风能的可开发量值大约是陆上风能的3 倍，因而海洋风能具有巨大的开发和应用前景。然而在海洋风能的开发和利用过程中，我们会遇到许多与陆地上风能开发不同的技术难题。由于近海风电场处于严酷的海洋环境，不仅存在着高盐雾、高湿度等环境的腐蚀问题，还会受到撞击，如船舶靠泊、漂浮物的撞击等，以及各种海洋生物，包括海洋动物、贝类、植物类等的影响。近海风电场从风机的基础结构到塔筒，从叶片到机舱，从机械零部件到电气元器件，这些都要面对海洋腐蚀环境的考验，有些腐蚀因素甚至是设备致命的安全隐患，这就极大地影响到近海风电设备的安全运行，因此，建设近海风电场对设备的防腐技术提出了更高的要求。
本文针对近海风电设备的钢结构及环境特点提出了相应的防腐技术，并对应用于近海风电场的防腐涂料进行了分析和展望，其目的是促进近海风电设备防腐蚀等关键技术的应用和突破，从而更好地推动海洋风能的开发和利用。
 

1 近海风电场的腐蚀环境分析

沿海地区及近海的空气中含有大量随海水蒸发的盐分，其溶于小水滴中便形成了浓度很高的盐雾。近海风电设备处在海洋环境气候下，海洋性大气运动的显著特点是含有氯化钠（NaCl）微细液滴

的弥散系统悬浮在空气中形成盐雾，加之高湿热气候及频繁的海风和海浪加剧了盐雾的扩散。在含盐浓度高的海洋，其沉积率也很大，高浓度的盐雾自然成为氯离子溶液的载体。陆上盐雾沉降量一般小于0.8 mg/（m2·d），海上则高达12.3~60.0 mg/（m2·d），为陆上的20~80 倍，高浓度盐雾下金属设备的腐蚀速率非常高。盐雾不仅能腐蚀破坏近海风电设备的基础结构，而且会造成近海风电设备的螺栓等紧固连接件强度降低、叶片气动性能下降、电气元器件的触点接触不良，机组的传动系统和电气控制系统故障率大大增加，从而引起设备停机，更严重的有可能引起设备的倒塌和损毁等安全事故。

处于海洋环境下不同的区域和海水深度有着不同的腐蚀影响因素。近海风电设备主要由水下支撑基础、塔筒、机舱、轮毂和叶片这几部分组成，根据其所处海洋腐蚀环境，按照水位的变动情况可以划分为5 个腐蚀控制区域：海洋大气区、飞溅区、潮差区、全浸区和海泥区。按照ISO 12944—2（环境分类），海洋大气区属于C5-M 腐蚀环境，海水飞溅区、潮差区的干湿交替和全浸区与海水接触，其处于腐蚀类型Im2 的海水腐蚀环境之下。

1.1 海洋大气区的腐蚀因素

对于海洋环境下的钢构件腐蚀，无论是海洋环境下长钢尺挂片试验，还是在实际应用中，都具有很强的规律性。对于暴露在海洋大气环境中的金属部分，因海洋大气环境中湿度大、盐分高，腐蚀介质长期积累后附着在钢铁表面形成导电良好的液态水膜解质，同时由于钢构件中存在着少量碳原子，极易形成无数个原电池，这是电化学腐蚀的有利条件，从而使金属物体产生腐蚀而生锈，导致其材料的结构和性能出现变化而破坏。经过相关研究和试验证明，海洋大气环境比内陆大气环境对于钢铁的腐蚀程度要高4~5 倍。

1.2 海水飞溅区的腐蚀因素

海水飞溅区的腐蚀，除了盐雾含量、湿度、温度等海洋大气环境中的腐蚀影响因素外，还要受到海浪飞溅的影响，在飞溅区的下部还要受到海水短时间的浸泡。海水飞溅区的海盐粒子含量要大大高于海洋大气区，由于海水浸润时间长，干湿交替频繁，碳钢在海水飞溅区的腐蚀速率要远大于其它区域。在海水飞溅区，碳钢会出现一个突出的腐蚀峰值，在不同地区的海域，其腐蚀峰值在平均高潮位的距离有所不同。而腐蚀严重的部位是在平均高潮位以上的飞溅区，在这一区域，由于含氧量比其它区域高，氧元素的去极化作用促进了碳钢的腐蚀。与此同时，海水飞溅的浪花冲击也有力地破坏了碳钢表面的保护膜或覆盖层，所以钢构件表面的保护层在这一区域剥落更快，造成局部腐蚀十分严重，从而促使腐蚀速率加大。

1.3 潮差区的腐蚀因素

处于平均高潮位到平均低潮位的潮差区的钢构件表面经常会与含有饱和氧气的海水接触，由于海水潮差变化的原因而使钢构件腐蚀加剧，在有浮游物体和冬季流冰的海域，潮差区的钢构件还会受到撞击。钢桩在这一海水潮差带的海洋环境中，随着潮位的涨落，水线上方湿润的钢构件表面供氧总要比浸在海水中水线下方的钢构件表面充分得多，相互彼此构成一个回路，由此构成一个氧浓差腐蚀电池。在这一腐蚀电池中，富氧区为阴极，相对缺氧区为阳极，总的来说在这个潮差带中的每一点分别得到了不同程度的保护，这一区域的腐蚀峰值比飞溅区低。
1.4 全浸区的腐蚀因素

全浸区的钢构件浸没于海水中，如近海风电导管架基础的中下部位，由于长期浸泡在海水中，钢构件的腐蚀受到溶解氧、海水流速、盐度、污染物和海生物等因素的影响，钢构件在海水中的腐蚀反应受到氧的还原反应所控制，所以溶解氧对钢构件的腐蚀起主导作用。在位于平均低潮位以下附近的海水全浸区，其风塔钢桩在海水起伏这一潮间带出现腐蚀低值，其值甚至小于在海水全浸区和海底土壤的腐蚀率。
1.5 海泥区的腐蚀因素

海泥区位于全浸区以下，主要由海底沉积物组成。海底沉积物的物理性质、化学性质和生物特性随着海域和海水深度的不同而不同。海泥区实际上是饱和的海水土壤，它是一种比较复杂的腐蚀环境，既有土壤的腐蚀特点，又有海水的腐蚀特性。海泥区含盐度高、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。海泥区含有硫酸盐还原菌，其会在缺氧的环境下生长繁殖，对埋入海泥区的钢构件造成比较严重的腐蚀。由海生物，如苔藓虫、石灰虫、藤壶和海藻等造成的污损，对钢构件的腐蚀影响较大。虽然钢构件表面的污损海生物能阻碍氧分子向腐蚀表面扩散，对钢构件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，使钢构件表面形成缺氧环境，有利于硫酸盐还原菌的生长，从而促使钢构件发生腐蚀。
 

2 广东湛江徐闻近海风电设备的防腐应用

广东湛江徐闻近海风电场位于广东省湛江市徐闻县新寮岛东部的琼州海峡外罗海域，建设的外罗近海风电场距离湛江市徐闻县新寮岛海岸为9~12 km，海水深度范围为2.5~9 m。一期规划装机容量48 MW，安装16 台明阳SCD3MW 风机。该风力发电场所处的琼州海峡是我国大陆雷州半岛与海南岛的连接水域，是中国三大海峡之一，东西方向连通我国南海北部与北部湾。在自然气候条件方面，受台风、洋流、海潮、大气的影响较大，腐蚀环境较为恶劣。琼州海峡海水的透明度5 m，盐度值约为3.0% 左右，年平均温度25~27℃。50 a 一遇的高潮位为5 m，100 a 一遇的高潮位为5.42 m，海水对处于干湿交变条件下的钢筋混凝土结构具有强腐蚀性，对长期浸入海水中的钢筋混凝土结构具有较强腐蚀性。在地理条件方面，湛江徐闻近海风电场受台风、热带风暴的影响较大。

2.1 近海风电网钢筋混凝土结构的防腐方案

该近海风电场处于广东省徐闻县新寮镇一侧，其中第1 台海上风力发电机组距离海堤1 km，海水深为2 m 左右，其基础为钢筋混凝土承台结构，混凝土基础承台处于潮差区、浪溅区及海水区，由于氯离子对混凝土的侵蚀，氯离子渗透危害严重，夏季氯离子含量为5 602~5 864 mg/L，冬季氯离子含量约为8 220 mg/L，且海水溶解氧浓度约为6.21~8.89 mg/L，属于富氧环境。当含氯离子的海水侵入钢筋混凝土中时，通常生成含铁氯盐，在含铁氯盐的作用下，钢筋混凝土中不稳定产物可生成水化氯铝酸钙，导致混凝土固体体积增大2 倍多。同时，当氯离子渗透到钢筋表面时，钢筋表面局部的碱性保护膜被破坏，使钢筋成为活化态。在氧气和水充足的条件下，活化的钢筋表面形成阳极，未活化的钢筋表面成为阴极，发生电化学腐蚀，从而使阳极金属铁被溶解，形成腐蚀坑。腐蚀过程主要涉及到以下化学反应：

若Fe（OH）3 继续失水就形成水化氧化物Fe2O3（即红锈），一部分氧化不完全的就生成Fe3O4（即黑锈），在钢筋表面形成铁锈层。由于铁锈层呈多孔状，即使锈层较厚，其阻挡进一步腐蚀的效果也不明显，因而腐蚀将不断地向钢筋内部扩散，导致钢筋遭受腐蚀而强度降低。因此，抗氯离子的渗透性是衡量基础表面防腐涂层性能的重要指标。由于琼州海峡是世界强海潮湾之一，平均海水流速2.39 m/s，实测大海水流速5 m/s 以上，粉沙含量高，高含沙量为9.605 kg/m3，平均含沙量为1.249 kg/m3，潮流紊乱，冲刷严重，加之基础设计之初，为了加强对基础承台的冲刷保护，在设计和施工基础承台的表面采用干砌块石进行护坡，从而防止海浪对基础承台的冲刷和撞击。因此该样机基础承台的混凝土表面防护涂层的附着力和耐磨性也是衡量涂层性能的重要指标。根据湛江市徐闻县的近海风电混凝土基础的30 a使用寿命、环境状况等要求，并参考《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTJ 275）等标准的相关规定，设计如下防腐涂装方案：

（1） 对于预埋锚固螺栓，采用达克罗+ 环氧厚浆漆+PVC 套管+ 螺栓保护罩的复合防腐保护方案。

（2） 混凝土基础底部和承台的外表面分别采用环氧混凝土封闭漆+ 环氧厚浆漆+ 聚氨酯面漆的防腐涂装方案。

2.2 近海风电设备钢构件的防腐涂装

对于处在海洋大气环境中的钢构件，如塔筒、主机机舱和轮毂等可以采用复合防腐涂料体系：底漆采用环氧富锌底漆（或喷锌），中间漆采用环氧云铁漆，面漆采用保光保色性优良的脂肪族聚氨酯面漆、氟碳面漆或聚硅氧烷面漆。暴露在海洋大气环境中的风电机组外表面的中间漆采用玻璃鳞片涂料时，注意底漆不能太厚，面漆也可采用耐久性更好的氟碳涂料或聚硅氧烷涂料，外露的零部件表面防护涂层要求具有防盐雾侵蚀及防护紫外线能力。若底漆采用热喷涂金属体系时，可以得到更为长效的防腐效果，但是其喷涂施工工艺控制和涂装成本更高。
2.2.1 塔筒内外壁的防腐涂装

塔筒外壁的底层采用热喷锌铝合金。热喷锌铝合金适宜采用电弧喷涂施工，其防腐效果大大优于单独的热喷锌或喷铝。理论上，当热喷锌铝合金中铝的质量含量达到30% 时，会得到佳的防腐蚀性能；本方案中锌与铝体积比为50∶50 时，铝与锌的质量比约为27.4∶72.6。其涂层结构为：热喷锌/ 铝合金涂层120~150 μm+ 环氧封闭涂层40 μm+ 环氧云铁漆160 μm+ 聚氨酯面漆40 μm+ 氟碳面漆40 μm（共计干膜厚度400~430 μm）。机舱外部零件和塔架门外扶梯（平台、围栏）等直径小于500 mm 的复杂管状零部件采用热浸镀锌方法，能渗透到管件内部，很好地防止盐雾等的渗透腐蚀，外面再加上复合涂层结构，能进一步提高其防腐性和耐磨性，热浸镀锌件表面应粗糙处理后并在尽可能短的时间内涂装。其涂层结构为：热浸镀锌80 μm+（低表面处理）环氧漆40 μm+ 环氧云铁漆200 μm+ 聚氨酯面漆40 μm+ 氟碳面漆40 μm（共计400 μm）。

塔筒内壁虽然不接触到外界的阳光直射，但是塔筒与机舱相通，以及内部需要进行空气交换，也会受到海洋大气的一定影响，因此采用保光保色性优良的脂肪族聚氨酯面漆，其涂层结构为：环氧富锌底漆70 μm+ 环氧云铁漆150 μm+ 聚氨酯面漆60 μm（共计280 μm）。与塔筒内壁焊接在一起的附件按照塔筒内壁的涂层结构进行涂漆防护。

2.2.2 设备铸件及塔筒和机舱/ 轮毂内部钢结构零部件的防腐涂装

机舱弯头材质是铸铁件，相对于钢构件来说，其耐腐蚀性较好，因此设计外露铸铁件外表面的涂层结构为：环氧富锌底漆70 μm+ 环氧云铁漆230 μm+聚氨酯面漆60 μm（共计360 μm）；外露铸铁件的内表面及机舱和轮毂内部的钢构件零部件采用：环氧富锌底漆60 μm+ 环氧云铁漆160 μm+ 聚氨酯面漆60 μm（共计280 μm）的涂层结构进行防腐。对于塔筒、机舱和轮毂内部的裸露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，还根据钢铁及铸铁零部件的材料性质、所处部位和结构性能特点分别采用热浸锌、热喷锌、渗锌（铝）、达克罗等技术，以及涂装环氧富锌底漆、环氧云铁中间漆和丙烯酸聚氨酯面漆的复合涂层结构，能够很好地保护零部件免受腐蚀介质的侵蚀。

2.2.3 塔筒和机舱/ 轮毂内部电气元器件的防腐技术

针对塔筒内部、机舱罩及整流罩内部的电气控制设备，如控制柜、变频器等箱体的薄形钢板材料，内外表面腐蚀防护采用喷塑（环氧粉末涂料）处理，并采取通风降温、干燥吸潮等特殊处理措施，从而更好地满足电气设备的防潮、防盐雾等防腐蚀要求。考虑到绝缘性、防静电性等电气设备的性能要求，柜体的内、外表面按照喷塑（粉）工艺进行，厚度为50~100 μm，表面颜色为RAL7035。柜体内的电气控制元（器）件要满足“防盐雾、防湿热、防霉菌”的三防要求。
2.2.4 叶片表面的防护涂层

风机叶片直接关系到近海风力发电机组的发电效率及使用寿命，近海风电叶片需要承受海洋气候环境下的高盐雾、高湿热、风雨的磨蚀和老化，所采用的叶片防护涂层技术不仅要能满足海洋环境下叶片的防腐蚀、防老化和提高使用寿命的要求，并且要求能实现少维护、延长维修周期、提高叶片的可靠性等，而且近海风电叶片防护涂层要能实现辊涂、空气喷涂和高压无气喷涂等多种施工方法，固化成膜快，实现底面一体化，减少可挥发气体的污染，缩短涂装作业时间，提高涂装施工效率，降低工人的劳动强度等，因此近海风电叶片采用高耐蚀性、耐紫外线老化良好的改性聚氨酯面漆。
 

3 近海风电设备的防腐应用前景

随着我国政府支持和鼓励海洋产业发展的政策出台，近海风电产业将得到迅速发展，然而考虑到我国近海风电场所处环境的复杂性、多样性以及海洋环境腐蚀的严重性，近海风电设备易受到湿热、盐雾侵蚀及海浪的冲击，导致腐蚀的加剧和使用寿命的缩短，因此提高近海风电设备的耐腐蚀等级和提升防腐技术成为当务之急，开发和应用特种重防腐涂料和先进的防腐蚀技术也成为近海风电设备防腐技术发展的重要方向，这也为具有超长的耐候性、极佳的防腐性、优异的耐污性的重防腐涂料提供了广阔的应用前景。

总之，近海风电是继陆地上风电、沿海岸风电和潮间带风电而迅速发展起来的新兴产业，在海洋环境影响下对近海风电设备的防腐技术提出了更新、更高的要求。尽管在其相似领域已经有了许多成功的重防腐涂料应用经验，但是近海风电设备毕竟有其独特的结构和防腐要求。对于近海风电设备的防腐防护，不仅在防腐方案设计和防腐系统选择上，更重要的是在实际防腐施工和防腐质量监控方面下大力气，同时要关注高性能的重防腐涂料新产品的应用前景，并在近海风电相关领域进行推广应用。我们应该在加快促进近海风电行业快速发展的同时，更好地开展近海风电设备防腐技术的研究和应用，努力提高近海风电设备的防腐蚀水平。