海上风电机组立于海洋之中，海洋环境极为复杂且属于腐蚀环境。海水本身是强腐蚀介质，波、浪、潮、流会对金属构件产生低频往复应力与冲击，并且海洋中的微生物、附着生物及其代谢产物等，都会对腐蚀过程产生直接或间接的加速作用。在海上风电运行后，对于使用钢材料的风电设备而言，“抗腐蚀”是最大的考验。

目前，海上风电运维人员对防腐的重视程度不够。因为水下钢结构难以直接看到和触摸到，他们觉得离形成重大隐患还比较远，然而实际上危险已经在悄然滋生。另一方面钢结构防腐措施，他们对海上防腐知识有所欠缺。这两方面因素叠加在一起，导致了防腐“说起来重要做起来次要”的局面。但如果越早进行防腐治理，对设备后期的运维就越好，所以海上钢结构的防腐是非常重要的。

海上风机钢结构的腐蚀机理

[id_1805078195]

[id_1440411506]

腐蚀是材料在环境作用下发生变质且导致破坏的过程。在几乎所有材料的使用过程中，材料在环境作用下都会出现腐蚀现象。引起材料腐蚀的环境分为两类，一类是自然环境，像大气、海水以及土壤等；另一类是非自然环境，比如酸、碱、盐以及其他工业生产中的介质等，也被称作工业环境。金属材料在自然环境中发生腐蚀。其过程实际上是金属在腐蚀介质里，通过电化学反应被氧化成正的化学价态。这就是金属腐蚀的电化学本质。

02

海上风机钢结构腐蚀区域划分

海上风机矗立在海上。基础和塔筒是钢结构，处于海洋环境中。其在海洋中的腐蚀行为情况会因暴露条件的不同而有很大变化。从腐蚀角度来看，一般将海洋环境自上而下划分成 5 个腐蚀区带，分别是海洋大气区、浪花飞溅区、潮差区、海水全浸区（包括浅海区、大陆架区和深海区）和海底泥土区。风电设备通常在海洋大气区内运行，其主要的腐蚀类型是以潮的大气腐蚀为主。不同区域的腐蚀速率有着明显的差异，其中浪花飞溅区的腐蚀速率是最高的，潮差区的腐蚀速率则次之。

钢结构在大气中的腐蚀机理

03

腐蚀机理

钢结构在常温大气环境中使用，暴露于常温下。空气中的水分以及其他污染物会对其产生化学、电化学作用，从而引发常温下大气腐蚀。这种腐蚀在金属表面极薄的一层水膜下进行，这些水膜要么是水分直接沉降形成的，要么是大气温度突然变化产生凝露而形成的。这些水膜能够溶入大气里的气体，像 O2、CO2、SO2、H2S 等。同时，还能溶入盐类、尘土以及其他污染物。并且，在生产制造、运输及使用过程中，存在人为污染因素。所有这些因素会共同发挥作用，提高水膜的导电性，从而促进腐蚀过程的加速。当金属表面形成连续的电解液层时，就会形成电化学腐蚀过程。

含 O2 的水膜中，因为氧具有去极化作用，所以会产生吸氧腐蚀。其总的反应公式为：

2Fe+O2+2H2O=4Fe(OH)2

4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3

阴极得电子，过程表现为 O2+2H2O+4e→4OH-。阳极铁被氧化成 Fe2+，即 Fe-2e→Fe2+。进而形成 Fe(OH)3，之后脱水变为 Fe2O3，而这正是形成红褐色铁锈的主要成分。

金属表面在电解质溶液中会溶解一定量的 CO2、SO2、H2S 等物质。同时，水会发生电离。由于这些因素的共同作用，便会产生析氢反应，也就是：

H2O=H++OH-

CO2+H2O=H2CO3=H++HCO3-

铁及其杂质在含有 H+、OH-、HCO3-等离子的溶液中会形成腐蚀电池。其中发生反应：Fe 失去 2 个电子变为 Fe2+，即 Fe - 2e → Fe2+；Fe2+与 2 个 OH-反应生成 Fe(OH)2，即 Fe2+ + 2OH- = Fe(OH)2；水膜中的 H⁺从阴极获得电子生成 H2 并放出，也就是 2H+ + 2e → H2；产物 Fe(OH)2会继续氧化形成 Fe(OH)3，并且脱水后会形成 Fe2O3。

上述腐蚀表明，金属会作为阳极发生氧化反应从而遭受腐蚀，整个过程包含以下三个环节：一是金属作为阳极；二是发生氧化反应；三是遭受腐蚀。

阳极金属会失去电子，从而变成金属离子进入溶液，例如 Fe 会发生反应 Fe - 2e → Fe²⁺；

(2) 电子由阳极流向阴极；

在阴极，流来的电子被溶液中某些能够吸收电子的物质所接受。这些物质接受电子后会生成还原物质。例如，2H++2e 会生成 H₂，O₂+2H₂O+4e 会生成 4OH-。

在这三个环节中进行最慢的一个环节将决定整个腐蚀过程的速度。

04

影响钢结构大气腐蚀的环境因素

大气的相对湿度：大气腐蚀是在液膜下的电化学反应。空气中的水分会在金属表面凝聚形成水膜，同时空气中的氧气能通过水膜抵达金属表面，这是发生大气腐蚀的基本条件。水膜的形成与大气中的相对湿度有关，所以空气中的相对湿度是影响大气腐蚀的主要因素之一。金属表面形成水膜所需相对湿度有一个最低值，这个最低值被称为腐蚀临界湿度。当大气的相对湿度达到并超过这个临界湿度时，其腐蚀速度就会快速地增加。

金属表面能引发大气腐蚀的电解质膜，以吸附或液态膜的形式覆盖在金属表面，这一过程所经历的时间被称作表面润湿时间。实际上，这个时间也就是金属表面发生电化学腐蚀的时间。并且，表面润湿时间越长，腐蚀的总量就会越大。

大气温度及其变化会影响大气腐蚀。它会影响金属表面水蒸气的凝聚。它会影响水膜中各种腐蚀气体和盐类的溶解度。它会影响水膜的电阻。它会影响腐蚀电化学反应的速度。温度的影响需与大气的相对湿度综合起来考虑。

05

海洋微生物腐蚀

微生物腐蚀指微生物附着于金属、合金等复合材料表面形成生物膜，进而影响金属表面的电化学过程。微生物腐蚀主要由一些细菌发挥作用。腐蚀性细菌的种类繁多，然而分布广泛且作用较大的腐蚀性细菌都与自然界的硫元素有关，其中主要的有硫化细菌和硫酸盐还原菌。海洋细菌无论是在有氧环境中还是无氧状态下，都具备对金属的腐蚀作用。

海上风机钢结构防腐措施

01

耐候钢

耐候钢的耐腐蚀性能比一般结构用钢要好。在工程实践里，耐候钢即便不进行涂装也能够使用，它是极为出色的结构用材，还能够让钢结构（例如桥梁）在寿命期内的总费用降至最低。

02

热浸镀锌技术

钢结构热浸镀锌这种工艺，是把经过表面净化处理的钢构件放进 460 到 469℃融化的锌液里。这样能让钢构件的表面附着上锌层。对于 5 毫米以下的薄板，锌层厚度不得小于 65 微米；对于厚板，锌层厚度不小于 86 微米。钢结构件采用这种保护方式，具有耐蚀性良好、使用寿命长以及基本无需维护等优点，所以它的应用越来越广泛。

03

防腐涂料技术

防腐涂料是钢结构最常用的防腐蚀原料，它具有成本低的优点，工艺也比较简单，对场地的要求也不严格。然而，它的防腐蚀性通常不如长效防腐蚀技术，用于户外时维护成本会偏高。该技术的关键在于除锈以及涂料的选择。优质的涂层依赖于表面进行彻底的预处理，在相同的涂层防护条件下，经过有效预处理的涂层使用寿命会相差将近一半。因此通常会采用喷砂喷丸的方式进行除锈。钢构件的表面需要露出金属的光泽，同时要除去所有的锈迹和油污。现场施工时的涂层可以使用手工除锈。在选择涂料时，应该考虑钢构件表面的预处理情况、最终外观（包括光泽或者颜色）、是单层涂装还是多层涂装、使用温度、表面现状以及其类型等因素。

海上钢结构防腐涂料喷涂步骤

04

热喷涂防腐技术

热喷涂的操作是先对钢构件表面进行喷砂除锈，让其表面露出金属光泽并打毛。接着采用燃烧火焰、电弧等作为热源，把喷涂材料加热到塑态和熔融状态。然后用压缩空气将材料吹成雾化的颗粒束，再将这些颗粒束吹附到基体表面上。最后材料在基体表面上激冷并不断层积，从而形成涂层。这种工艺具有对构件尺寸适应性强的优点，构件的形状尺寸几乎不受限制。同时，它的热影响区是局部的，热变形较小。然而，其表面喷涂质量容易受到人为因素和环境因素的较大影响。热喷涂技术作为长效防腐蚀措施，重点在于在产品设计和制作过程中采用镀锌、喷铝复合涂层来进行长效防护，并且已经在国民经济的各个部门成功应用。

05

阴极保护技术

对于在水下或地下使用的钢结构，通常会采用防腐蚀的方式即阴极保护。这种阴极保护方式分为外加电流式和牺牲阳极式这两种形式。在我国，海上钢结构大量运用了阴极保护技术。牺牲阳极阴极保护是一种防止金属腐蚀的方式。把还原性较强的金属当作保护极，也就是牺牲阳极，让它与被保护的金属即钢结构相连，从而构成原电池。由于还原性较强的金属会作为负极钢结构防腐措施，进而发生氧化反应并被消耗，而被保护的金属作为正极，就能够避免腐蚀。

海上风机常用的防腐措施

叶片是由玻璃钢制成，这种材料本身具有防腐蚀性能；轮毂罩是由玻璃钢制成，这种材料本身具有防腐蚀性能；机舱罩是由玻璃钢制成，这种材料本身具有防腐蚀性能。

塔架等金属部件采取喷涂油漆的防腐方案，轮毂等金属部件也采取喷涂油漆的防腐方案，主机架等金属部件同样采取喷涂油漆的防腐方案，齿轮箱等金属部件亦是采取喷涂油漆的防腐方案，发电机等金属部件也采取喷涂油漆的防腐方案。机组外部防腐等级为 C5 - M，内部防腐等级为 C4。

整个机舱是密闭结构。为让机舱内的空气能与外界进行热量交换，可在机舱中设置空气冷却通道和换热器装置。这样能保证只有少量含盐分的空气进入机舱，从而减小空气中的盐分对机舱内部件的腐蚀。

机舱外表直接暴露在空气中的金属零部件，例如水冷散热器支架、航空灯支架等，都可以选用不锈钢材料，这样就能增强抗腐蚀的能力。

在高湿度的地区，可在发电机、控制柜等电气元件处增加加热除湿系统。当湿度传感器发出信号后，能控制各部位的加热器进行加热除湿，以此避免潮湿环境对机组造成影响。同时，发电机可以选用特种绝缘材料，以提高发电机滑环室的防护等级。并且，电气线路板采用防腐涂层，电气母排采用镀镍工艺，来提高防腐等级。

针对沿海的气候条件特点，在齿轮箱等重要部件上配置了高精度空气过滤器，这样能最大限度减少盐雾进入箱体内部的可能性；在润滑油液压油的选择方面，选用了油水分离性能更好的型号，使得混入箱体的含盐水溶液难以融入油液，并且能迅速被大容量、高精度的油液过滤器所拦截，从而防止含盐水溶液混入油液后加剧对齿面、轴承、液压元器件的磨损。

使用锌铬膜（达克罗）涂层工艺技术来处理各连接件。在处理过程中，铬酸会使工件表面形成一种稠密的氧化膜，这种氧化膜不易被腐蚀。并且，达克罗干膜中的铬酸化合物不含结晶水，所以它的抗高温性以及加热后的耐蚀性能都很好。

8）海上风机水下构筑物采用阴极保护。

海上风机水下钢结构防腐检测

海上风机水下钢结构的牺牲阳极检测需潜水员进行水下作业。检测内容包括电连续性检测、阳极消耗量检测以及保护电位检测。

01

电连续性检测

使用电阻测试仪来测试不同连接部位之间的连接电阻。在测试过程中，要确保测试仪的测试端子与结构物的金属本体能够良好连接。如果有必要，需在局部进行打磨后再进行测试。依据 GB/T 33423-2016《沿海及海上风电机组防腐技术规范》中的要求，钢结构的各部件之间应该实现电连接，并且接触电阻要小于 0.1Ω。

02

阳极消耗量检测

阳极消耗量的检测能够明确阳极的消耗速度，也能对阳极的使用寿命进行评价。为了降低水下作业的频次，同时降低作业过程中的安全风险，在必要的时候，可以把保护形式从牺牲阳极保护转变为外加电流保护。

如果整体阳极组的消耗情况相差不大，那么就上下两层阳极组各选取一块进行检查。

观察牺牲阳极的表面溶解状况，观察其腐蚀类型。查看是否存在严重的局部腐蚀情况，甚至是否有断裂的情况。记录牺牲阳极表面的状态。全程进行水下录像，并且对关键部位进行拍照。

下图是常用牺牲阳极的示意图。在阳极的 A 方向上，要选取至少 5 个测试面。接着，对每个测试面都测试阳极的 B1、B2、C 的值。然后，取这些值的平均值，以此来确定阳极的剩余尺寸。最后，根据剩余尺寸推算阳极的剩余质量。

牺牲阳极示意图

03

阴极保护电位检测

检测钢结构的阴极保护电位，能够作为评价该结构所处环境腐蚀性的参数。电位检测是通过使用高内阻数字万用表（其内阻大于 10 MΩ）、巴氏水下电位检测仪以及参比电极等设备工具来进行的。

潜水员携带电位仪和其他工具从甲板进入水中。他们依据潜水监督的指引，到达了检测点的位置。接着，使用钢刷或铲刀，将钢结构待测点上的海洋生物、污垢、锈皮、残渣等彻底清理干净。在确认电极触头与结构接触之后，仪器的读数能够迅速变为负值。倘若读数没有变为负值，就应当进一步清理待测点或者重新校正电极。从水面开始，将风机钢桩的钢结构每 3 米设定为一个测量截面。在每个测量截面上，每隔 120°进行一次电位测量。并且要记录下这些测量所得的数据。

牺牲阳极阴极保护电位范围