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环氧富锌底漆和环氧玻璃鳞片防腐涂料在海上风电防腐设施中的应用

文章来源:本站   作者:管理员  发布时间:2015-12-22 9:55:16  浏览量:702

风电作为快速发展的绿色可再生能源,已逐渐成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分。世界海上风电技术日趋成熟,进入大规模开发阶段,已有国外企业开始设计和制造8-10兆瓦风电机组。在我国,尽管近年来国内的风电产业发展如火如荼,但海上风电领域仍在起步阶段。

中国气象科学研究院初步探明,我国可开发和利用的陆地上风能储量2.53亿千瓦,近海可开发和利用的风能储量有7.5亿千瓦,海上风能储量远远大于陆上,有广阔的发展空间。但与陆上风能相比,海上风电运行技术要求更高,施工难度更大并且海上风电的运行环境更为复杂:高湿度、高盐分的海风,盐雾,海水浸泡,海浪飞溅形成的干湿交替区等,从而对海上风电设备的防腐提出了更高的技术、性能要求。

表1  海洋环境中风电机组的腐蚀区域划分

对于海洋环境下钢结构腐蚀,无论是海洋环境下长钢尺挂片试验,还是在实际生产实践应用中,都具有很强的规律性。

图1和图2是金属和钢桩在海洋环境中的腐蚀状况及分区示意图。

图1 钢桩在海洋环境中的腐蚀状况示意图

图2在海洋环境中金属腐蚀分区示意图

海上风电钢铁结构的腐蚀在海洋大气环境下与内陆大气环境下有着腐蚀因素和腐蚀速率的不同。对于暴露在海洋大气环境中的金属部分,因海洋大气环境中相对湿度大、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。经相关研究和试验证明,海洋大气环境比内陆大气环境对钢铁的腐蚀程度高4~5倍。

海洋飞溅区的腐蚀,除了海盐含量、相对湿度、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。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,碳钢在飞溅区的腐蚀速率要远大于其他区域。在飞溅区,碳钢会出现一个腐蚀峰值,在不同地区的海域,其腐蚀峰值也就在平均高潮位的距离有所不同。腐蚀较严重的部位是在平均高潮位以上的飞溅区,在这一区域,由于含氧量比其他区域高,氧元素的去极化作用促进了碳钢的腐蚀,与此同时,飞溅的浪花冲击也有力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更快,造成局部腐蚀十分严重,从而促使腐蚀速率加大。

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铁腐蚀加剧,在有浮游物体和冬季流冰的海域,潮差区的钢铁还会受到撞击。

全浸区的钢结构全浸于海水中,如风塔管架平台的中下部位,长期浸泡在海水中,钢铁的腐蚀会受到溶解氧、海水流速、盐度、污染物和海生物等因素的影响,由于钢铁在海水中的腐蚀反应受到氧的氧化还原反应所控制,所以溶解氧对钢铁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间带出现腐蚀最低值,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要比浸在海水中的水线下方钢表面充分得多,而且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,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。

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,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,会在缺氧的环境下生长繁殖,会对埋入海泥区的钢铁造成比较严重的腐蚀。

海生物的污损,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,能对碳钢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,使碳钢表面形成缺氧环境,有利于硫酸盐还原菌的生长,从而促使碳钢产生腐蚀。

根据实验室的防腐涂层测试、海上挂片试验,以及海上平台成熟的防腐涂层方案,提出海上风电钢结构防腐涂层设计基本原则:底漆对基层材料的附着力和防锈能力要强,并具有阴极保护功能;中间漆对底漆和面漆的层间附着力必须牢固,并有较好的屏蔽作用,以便有效地阻止氧、水汽及其腐蚀介质的渗入;面漆必须具有很好的耐候性,耐老化性和耐腐蚀性能,并具有一定的耐沾污性,从而降低维护频率

当前国内对于海上风电机组的防腐蚀并无相关标准或规定。海上风电机组防腐蚀,是一个系统的问题,对于机组的每一部分,在设计上、材料上、密闭性上,都应该考虑到防腐蚀问题。对于海上风电的防腐工作,合理选材是防止和控制设备腐蚀的普通和有效的方法之一。选材务必做到:①了解环境因素和腐蚀因素,包括介质的种类、浓度、温度、压力、流动状态、杂质种类和数量、含氧量,以及有无固体悬浮物和微生物等;②研究有关资料数据;③按实际条件进行模拟试验,以获得选材的可靠数据。由此了解材料的耐蚀性能及其工艺特性;④综合考虑材料的耐蚀性和经济性;⑤考虑合适的防腐蚀措施。

对于基础中的钢结构,大气区的防腐蚀一般采用涂层保护或喷涂金属层加封闭涂层保护;如塔筒外壁,可以采用常用的防腐涂料体系,中间漆采用环氧云铁漆,即环氧富锌底漆 环氧云铁漆 脂肪族聚氨酯面漆的三层复合防腐涂层系统。

浪溅区和水位变动区的平均潮位以上部位的防腐蚀一般采用重防蚀涂层或喷涂金属层加封闭涂层保护,亦可采用包覆玻璃钢、树脂砂浆以及包覆合金进行保护;塔筒的桩基基础部分处在潮差区和浪溅区是防腐的重点区域,采用环氧玻璃鳞片涂料或者无溶剂环氧涂料,干膜厚度在1500μm左右,玻璃鳞片涂料在控制漆膜下的腐蚀蔓延稍差一些,但是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。

根据海上平台的防腐应用经验,完全可以达到25a以上的防腐防护寿命水位变动区平均潮位以下部位,一般采用涂层与阴极保护联合防腐蚀措施;水下区的防腐蚀应采用阴极保护与涂层联合防腐蚀措施或单独采用阴极保护,当单独采用阴极保护时,应考虑施工工期的防腐措施;

对于深入海泥区的基础钢结构,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,但涂层厚度在500μm左右,设计上不用太厚。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,焊接在钢铁结构物上,形成原电池而阻止腐蚀。这两种方法都需要由腐蚀介质做为原电池导电回路,因此适用于海水区、海泥区的钢结构材质防腐。

对于混凝土墩体结构,可以采用高性能混凝土加采用表面涂层或硅烷浸渍的方法;可以采用高性能混凝土加结构钢筋采用涂层钢筋的方法;也可以采用外加电流的方法。对于混凝土桩,可采用防腐涂料或包覆玻璃钢防腐。




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