0 引言
随着全球石化能源的日益枯竭及生态环境的日益恶化，人类社会的可持续发展受到严重威胁。以创建新的经济增长点、实现能源供应多元化和应对全球气候变化为动力，世界上众多国家将风能、太阳能等可再生能源的开发和利用作为国家可持续发展战略的重要组成部分，并制定了宏伟的发展规划和目标。为此，研究与开发风能、太阳能等可再生能源成为当今世界各国能源政策的发展重点。其中风能因其资源丰富、技术较为成熟、产业基础基本具备、商业开发模式已形成等优势而得到利用和发展。积极地开发和利用风能对于改善能源结构、缓解能源危机、保护生态环境具有深远的意义。早期的风能开发主要集中在陆地上，目前陆地上的风能开发已经基本成熟。但随着陆地上风能开发规模的扩大，其受土地资源、风能资源、噪声与环境等因素的制约越来越明显。
按照国家发改委能源研究所等机构的研究分析，中国近海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，与陆地上的风能资源相比毫不逊色，因此海洋风能的开发和利用逐渐成为风能开发的新方向。我国拥有十分丰富的近海风能资源，近海风能的可开发值大约是陆地上风能的3 倍，因而具有广阔的开发和利用前景。然而在海洋风能资源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点问题，其中海上风电机组的腐蚀与防护是面临的难点之一，因为海上风电场处于严酷的海洋大气环境，不仅存在着高盐雾、高湿度环境条件下的腐蚀问题，还存在物理性的撞击损伤，如船舶靠泊、浮冰和漂浮物的撞击等。此外，还有各种海洋生物的附着腐蚀，包括海洋动物、贝类、藻类植物等。海上风电机组从基础结构到塔筒，从叶轮到机舱，从风电机组内部的各类机械零部件到电气元器件，都要面对海洋大气腐蚀环境的严酷考验，甚至有些腐蚀介质对机组的危害是致命的，严重影响到海上风电机组的安全运行和使用寿命，因此建设海上风电场对风电机组的防腐技术提出了更高的要求。
本文针对海上风电机组的结构和运行环境特点，提出了相应的防腐技术和创新性解决方案，旨在促进海上风电机组防腐蚀等关键性技术的应用和突破，从而推动海洋风能的开发和利用。
1 海上风电场的腐蚀环境分析
在海洋环境气候下，盐雾悬浮在空气中，含有氯化钠（NaCl）的微细液滴的弥散系统是海洋性大气运动的显著特点之一。沿海地区及海上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。在含盐浓度高的海边，其沉积率也很大，高浓度的盐雾自然成为NaCl 溶液的载体。陆地上的盐雾沉降量一般小于0.8 mg/（m2·d），而海上则高达12.3~60.0 mg/（m2·d），为陆地上的20~80 倍，高浓度盐雾下金属的腐蚀速率非常高。盐雾不仅会腐蚀和破坏海上风电机组的基础结构，而且会造成海上风电机组的钢构件、螺栓紧固连接件等零部件的强度降低，叶片气动性能下降，电气零部件的触点接触不良和发生短路，导致风电机组的传动系统、叶片、电气控制系统的故障发生率大幅增加，从而引起风电机组的停机检修，影响发电量和经济效益，甚至更为严重的是，有可能由于风电机组结构件发生腐蚀而导致风机整体倒塌等灾难性后果。
海洋环境下，大型构筑物处在不同的区域就会受到不同的腐蚀因素和腐蚀介质的影响，一般按照水位变动情况来划分不同的腐蚀控制区域。海上风电机组结构主要由水下基础、水上承台、塔筒、机舱、轮毂和叶片等部分组成。根据所处海洋腐蚀环境和水位的变动情况，海上风电机组的风塔及基础结构可以分成5 个腐蚀区域：海洋大气区、浪溅区、潮差区、全浸区和海泥区（见表1）。按照ISO 12944—2（环境分类），海洋大气区处于C5-M 的海洋大气腐蚀环境，飞溅区、潮差区和全浸区与海水接触，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挂片试验，还是在海洋工程的实际应用中，腐蚀发生的区域都具有很强的规律性。其腐蚀区域见图1。
1.1 海洋大气区的腐蚀分析
对于暴露在海洋大气环境中的风电机组钢构件，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电介质，同时由于钢结构成分中有少量碳原子的存在，极易形成无数个原电池，这是电化学腐蚀的有利条件，从而使金属物体表面产生腐蚀而生锈，导致其材料的结构和性能出现变化而被破坏。经相关研究和试验表明，海洋大气环境比内陆大气环境对钢构件产生的腐蚀程度高4~5 倍。
1.2 浪溅区的腐蚀分析
1.2 浪溅区的腐蚀分析
海洋浪溅区的腐蚀，除了海盐含量、湿度、温度等海洋大气环境中的腐蚀因素外，还要受到海浪飞溅的影响，且在浪溅区的下部还要受到海水短时间的浸泡。浪溅区的海盐含量远高于海洋大气区，由于海水浸润时间长，干湿交替频繁，碳钢在飞溅区的腐蚀速率要远大于其它区域。在飞溅区，碳钢会出现一个腐蚀峰值，在不同地区的海域，其腐蚀峰值，即与平均高潮位的距离有所不同。腐蚀严重的部位是在平均高潮位以上的浪溅区，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，飞溅的浪花冲击也严重地破坏了碳钢表面的保护膜或覆盖层，所以钢表面的保护层在这一区域剥落得更快，造成局部腐蚀十分严重，从而导致该区域的腐蚀速率加大，这也是在海洋环境下必须重点进行防腐控制的区域。
1.3 潮差区的腐蚀分析
从平均高潮位到平均低潮位的区域称为潮差区，在潮差区的钢铁表面经常会与含有饱和氧气的海水接触，由于海洋潮差变化的原因而使钢构件腐蚀加剧，在有浮游海生物和冬季流冰的海域，潮差区的钢件还会受到撞击。相对于海上风电来说，其基础承台的下部处于潮差区的腐蚀环境中。
1.4 全浸区的腐蚀分析
全浸区的钢构件完全浸没于海水中，如风塔管架平台基础的中下部位，长期浸泡在海水中，钢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，由于钢件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到主导作用。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差带出现腐蚀低值，其值甚至小于在海水全浸区和海底土壤的腐蚀率。这是因为风塔钢桩在这一潮差带的海洋环境中，随着潮位的涨落，水线上方湿润的钢表面供氧总比浸在海水中的水线下方钢表面充分得多，且相互彼此构成一个回路，由此形成一个氧浓差腐蚀电池。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，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。
1.5 海泥区的腐蚀分析
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，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。海泥区含有的硫酸盐还原菌会在缺氧的环境下生长繁殖，其所具有的氢化酶能够移去阴极区的氢原子，促进腐蚀过程中的阴极去极化反应，因此它会对埋入海泥区的钢构件造成较为严重的腐蚀。
1.6 海水中海生物的腐蚀分析
风电基础浸泡于海水或海泥中的钢构件由于海生物的附着和污损，如苔藓虫、石灰虫、藤壶和海藻等，对碳钢的腐蚀影响较大。虽然碳钢表面的污损海生物能阻碍氧分子向腐蚀表面扩散，对碳钢的腐蚀有一定的保护作用，但是由于污损层的渗透性差和外污损层中嗜氧菌的呼吸作用，使碳钢表面形成缺氧环境，有利于硫酸盐还原菌等厌氧性细菌的繁殖生长，从而促使碳钢等金属材料产生腐蚀。
2 海上风电设施的防腐技术和涂层体系
海上风电场的机组维护不仅受到海洋性气候条件的影响和限制，而且海上风电机组没有类似海洋石油平台建有人员居住的条件而是无人居住的，并且严格限制人员和船舶接近风电机组；海洋石油平台的防腐涂层更容易进行有计划的检查和维护，而海上风电场机组很难做到这一点，这就对海上风电机组的防腐体系设计、涂层结构、防腐年限、免维修等提出了更高的技术要求。为此，在参考ISO 12944《防护涂料体系对钢结构的腐蚀防护》、ISO 20340《近海及相关结构防护涂层体系的性能要求》、NORSOKM-501《表面处理和保护涂料》和NACE SP0108《防护涂层对近海结构的腐蚀控制》等相关标准的同时，创新性地提出自己的设计思路和方案。
在 ISO 12944 标准中C5-M 海洋环境下的总干膜厚度要求为320 μm，是基于15 a 的防腐防护寿命，而要达到海上风电机组25 a 以上不对防腐涂层进行维修的要求，就需要采用更好的涂层体系以及更高的漆膜厚度。海上风电机组零件外表面的防腐涂层，设计干膜厚度要达到450 μm 左右，采用金属热喷涂层加上有机复合涂层的方案，是佳的防腐方案。底漆对基层材料的附着力和防腐蚀能力要高；中间漆对底漆和面漆的层间附着力必须牢固，并有很好的屏蔽腐蚀介质作用，以便有效地阻止氧、水汽及各种腐蚀介质的渗入；面漆必须不易粉化，具有优异的耐候性、耐老化性和耐腐蚀性。
2.1 海洋大气区的风电钢构件防腐设计
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，面漆采用保色保光性优良的脂肪族聚氨酯面漆、氟碳面漆或聚硅氧烷面漆，即环氧富锌底漆（喷锌）+ 环氧云铁中间漆+ 脂肪族聚氨酯面漆的3 层复合防腐涂层体系。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，要注意底漆不能太厚，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防盐雾侵蚀及防护紫外线能力。若底漆采用金属热喷涂体系，可以得到更为长效的防腐效果，但是其喷涂施工工艺控制要求和涂装成本更高。
2.1.1 塔筒内、外壁及外露的钢构件
塔筒外壁的底层采用热喷锌铝合金，热喷锌铝合金好采用电弧喷涂施工，其防腐效果大大优于单独的热喷锌或喷铝。理论上，当热喷锌铝合金中的铝质量含量达到30% 时，防腐蚀性佳；本方案中锌与铝的体积比为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20 μm+ 环氧云铁中间漆180 μm+ 氟碳面漆/ 聚硅氧烷面漆80 μm（总厚度440~430 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，热浸镀锌能渗透到管件内部，由于是管状及不规则钢结构，底层采用热浸锌方法，可以很好地防护盐雾等的渗透腐蚀，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+ 环氧云铁中间漆240 μm+ 氟碳面漆/ 聚硅氧烷面漆80 μm（总厚度400 μm）。塔筒内壁因不受外界阳光直射，耐光老化性要求相对外壁要弱，可以采用保色保光性优良的脂肪
族聚氨酯面漆，也可使用厚浆环氧面漆。与内壁焊接在一起的附件与内表面一起进行涂漆防腐。其涂层结构为：环氧富锌底漆70 μm + 环氧云铁中间漆150 μm + 聚氨酯面漆60 μm（总厚度280 μm）。
2.1.2 铸件内、外表面以及塔筒、机舱和轮毂内部的钢构件
2.1.2 铸件内、外表面以及塔筒、机舱和轮毂内部的钢构件
机舱弯头铸件相对于钢构件来说，其遭受腐蚀程度较轻，设计的外露铸件的外表面涂层结构为：环氧富锌底漆70 μm+ 环氧云铁中间漆230 μm+ 聚氨酯面漆60 μm（总厚度360 μm）；外露铸件的内表面及机舱和轮毂内部结构的钢构件采用环氧富锌底漆60 μm+ 环氧云铁中间漆160 μm+ 聚氨酯面漆60 μm（总厚度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，还要根据钢铁及铸件零部件的材料性质、所处的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。
2.1.3 塔架及机舱和轮毂内部电气控制元器件
针对塔筒内部、机舱罩和整流罩内部电气控制设备，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（粉末涂料）处理，并采取通风降温、干燥吸潮等特殊处理措施，能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（粉末涂料）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”三防要求。
2.1.4 风机叶片
2.1.4 风机叶片
风机叶片直接关系到风力发电机组的发电效率及使用寿命，海上风机叶片需要承受海洋气候环境下的高盐雾、高湿热、风雨的侵蚀，采用叶片防护涂层技术不仅能满足海上风机叶片的防腐蚀防护、提高使用寿命的要求，更能实现少维护、延长维护周期、提高风机叶片的可靠性。设计的海上风电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，固化成膜快，实现底面一体化，减少作业时间，提高喷涂施工效率，其防护涂层体系见表2。
2.2 浪溅区和潮差区的风电基础防腐设计
海洋环境下浪溅区和潮差区的腐蚀，除了海盐含量、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，且在浪溅区的下部还要受到海水短时间的浸泡，在潮差区的基础混凝土和钢结构基础表面经常会与含有饱和氧气的海水接触，由于海洋潮差变化的原因促使腐蚀速率加剧，处在潮差区/ 浪溅区的部位是防腐的重点区域。
2.2.1 海上风电钢构件基础的防腐防护
针对浪溅区和潮差区的钢构件腐蚀加剧的特点，为了达到长效防腐及耐久性的要求，一般考虑预留腐蚀裕量的方法，即根据金属材料的年腐蚀速率以及构件的预期使用年限要求，在符合结构安全性的基础上增加金属材料的厚度，以保证风电基础防腐防护达到预期寿命年限的方法；也可在钢结构基础管桩的表面包覆不饱和聚酯和环氧树脂玻璃钢、热收缩PE 材料（聚乙烯）、耐腐蚀性金属膜。对于风机钢管桩结构设计采用中科院海洋研究所侯保荣院士发明的PTC 复合涂层防护技术，即由防蚀膏、防蚀带、聚乙烯泡沫和玻璃钢防蚀保护罩4 层紧密相连的保护层组成，可达到30 a 以上的防护效果。同时设计采用重防腐涂装方法，采用环氧玻璃鳞片涂料或无溶剂环氧涂料，干膜厚度在1 500 μm 左右。玻璃鳞片涂料在控制漆膜下的腐蚀蔓延方面稍差些，但可以采用具有良好阴极保护作用的环氧富锌底漆作为底涂层。根据海上石油平台的防腐应用经验，该防腐体系完全可以达到25 a 以上的防腐防护寿命。
2.2.2 海上风机钢筋混凝土基础的防腐防护
2.2.2 海上风机钢筋混凝土基础的防腐防护
浪溅区和潮差区的钢筋混凝土基础的防腐蚀与该区域钢构件的防腐蚀一样是比较难以解决的问题，长期以来，人们多从提高混凝土本身的性能上进行钢筋腐蚀的防护。经过工程实践表明，单一的措施不能从根本上解决钢筋混凝土结构的腐蚀问题。提高钢筋混凝土耐久性首先考虑的是，通过在混凝土中掺入粉煤灰水泥、矿渣水泥、硅灰粉以及添加高性能外加剂等提高混凝土抗海水中氯离子的渗透性、抗开裂性和抗碳化性等。在高性能混凝土的配方设计时，为了保证混凝土结构的耐久性，通常还采取添加阻锈剂、硅粉等一些辅助性防护措施，并且在混凝土表面添加覆盖层，如涂装防护涂料、涂覆聚合物树脂砂浆或有机硅烷渗透剂等来提高混凝土结构的耐久性。针对混凝土裂缝是由于钢筋锈蚀胀裂而造成的，采用耐腐蚀钢筋、环氧粉末涂层钢筋也是一种有效的防腐方法。
海上风电混凝土基础的防腐设计方案如下：基础螺栓采用达克罗+ 环氧涂层防腐体系：螺栓整体达克罗处理1 级以上（涂层厚度2~10 μm）+ 环氧厚浆漆涂层（干膜厚度60~80 μm）。为了保证基础螺栓安装时的预应力和提高防腐性，除了按照上述防腐方案处理外，对预埋在混凝土中的螺杆部分需在螺杆外部套Φ67×Φ61 PVC（聚氯乙烯）套管，套管长度根据螺栓的螺杆设计长度确定，套管两端与锚栓、螺栓连接部分有热缩套管密封。混凝土基础承台外露表面采用环氧混凝土封闭漆（50 μm）+ 厚浆环氧云铁漆（450 μm）+ 丙烯酸聚氨酯面漆（80 μm）进行防腐处理。
对于深入海水和海泥区的钢构件基础，可以不考虑涂装防腐涂层，只依靠阴极保护措施或者两者相组合的防腐方法，但设计涂层不用太厚，防腐涂层厚度在500 μm 左右。这种阴极保护方法属于电化学防腐，分为外加电流的阴极保护和牺牲阳极的阴极保护，前者主要用高硅铸铁作为阳极材料，被保护的钢铁作为阴极，在外加电流的影响下，形成电位差进而阻止腐蚀；后者主要用锌、铝等活性比铁高的阳极材料，焊接在钢构件上，形成原电池而阻止腐蚀。这两种方法都需要由腐蚀介质作为原电池导电回路，适用于海水区、海泥区的海上风电钢构件的防腐。
3 结语
海上风电是继陆地上风电、沿海岸风电和潮汐带风电后迅速发展起来的，在海洋环境的影响下对其防腐技术提出了更新更高的要求。对于海上风电的防腐防护，不仅在防腐方案设计和防腐体系选择上，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。我们应该意识到：对于海上风电设施来说，如果防腐技术和问题没有得到很好的处理，一方面由于腐蚀引起风电机组故障频发而影响到机组的发电运转效率，另一方面甚至造成风电机组发生大面积故障甚至被迫拆除，国外有很多这方面的经验和教训，我们不能重蹈覆辙。在开发和利用海上风电的同时，应进一步加强和开展海上风电机组的防腐蚀技术等关键性技术的应用和研究，更好地促进海上风电防腐蚀技术的应用和发展，从而大力推动海上风电的建设和发展进程。
