中國海岸線長達(dá)1.8萬km,海上風(fēng)能資源十分豐富。根據(jù)中國氣象局風(fēng)能資源詳查初步成果,我國近海水深5~25 m區(qū)域、海平面以上50 m高度范圍內(nèi),風(fēng)電可裝機(jī)容量約2億kW,水深5~50 m、海平面以上70 m高度范圍內(nèi),風(fēng)電開發(fā)潛力約5億kW。其中,固定式風(fēng)電容量為1 400 GW,漂浮式風(fēng)電容量為1 582 GW。截至2022年底,我國累計(jì)海上風(fēng)電裝機(jī)量為31.44 GW,占亞太地區(qū)總裝機(jī)量的92%,全球總裝機(jī)量的48%[1]。 

隨著海上風(fēng)能資源逐步開發(fā),海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（以下稱風(fēng)機(jī)）的服役環(huán)境由近海環(huán)境步入深遠(yuǎn)海環(huán)境,風(fēng)機(jī)常受到高溫、高濕、高鹽霧、長日照、海泥、浮冰等惡劣海上氣候條件的影響,在多種環(huán)境因素耦合作用下材料腐蝕加速,使海上風(fēng)機(jī)存在安全隱患[2]。 

海上風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)壽命通常為25 a,風(fēng)機(jī)防腐蝕系統(tǒng)的壽命與機(jī)組設(shè)計(jì)壽命相同,通常為25~27 a。海上風(fēng)機(jī)防腐蝕系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由環(huán)境條件、服役年限、施工和維護(hù)性綜合決定,總體采用差異化防腐蝕技術(shù)方案,主要包括有機(jī)/無機(jī)涂層、金屬鍍層[3-4]、耐蝕材料、陰極保護(hù)[5]、氣相防銹、環(huán)境控制、預(yù)留腐蝕裕量[6]、聚合物包覆[7]等。 

由于特殊的地理環(huán)境和技術(shù)要求,海上風(fēng)機(jī)的維修費(fèi)用極高[8]。海洋腐蝕不但給海上風(fēng)機(jī)帶來巨大安全隱患,縮短風(fēng)機(jī)運(yùn)營壽命,也大大增加了風(fēng)機(jī)建設(shè)投資和運(yùn)行維護(hù)成本。因此,及時(shí)掌握海上風(fēng)機(jī)全生命周期內(nèi)腐蝕環(huán)境變化趨勢(shì)及防腐蝕系統(tǒng)服役狀態(tài)至關(guān)重要[9]。與人工巡檢腐蝕方式不同,腐蝕傳感器可通過監(jiān)測(cè)海洋大氣腐蝕環(huán)境和防腐蝕系統(tǒng)服役狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕狀態(tài)的智能感知,在不破壞鋼結(jié)構(gòu)情況下完成海上風(fēng)機(jī)的腐蝕監(jiān)測(cè),傳感器的傳輸信號(hào)不易受干擾,大幅節(jié)約了通訊、電纜布線成本,整體提高了風(fēng)電設(shè)備智能測(cè)控水平,實(shí)現(xiàn)了海上風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程化、無人化、實(shí)時(shí)化腐蝕在線監(jiān)控,為風(fēng)機(jī)預(yù)防性維修保養(yǎng)提供判斷依據(jù),保障海上風(fēng)機(jī)能夠可靠運(yùn)行[10-11]。 

作者利用電阻探針傳感器（TER）開發(fā)了海上風(fēng)機(jī)腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并將該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝于南海海域某海上風(fēng)電項(xiàng)目中,對(duì)海上風(fēng)機(jī)腐蝕情況和腐蝕環(huán)境進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),評(píng)估了該項(xiàng)目海上風(fēng)機(jī)外、內(nèi)部腐蝕速率及腐蝕環(huán)境等級(jí),為海上風(fēng)機(jī)腐蝕環(huán)境準(zhǔn)確識(shí)別積累了一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 

1.   海上風(fēng)機(jī)腐蝕在線監(jiān)測(cè)

1.1   工程概況

項(xiàng)目位于廣東省湛江市某海上風(fēng)場(chǎng),地處北回歸線以南的低緯度地帶,項(xiàng)目地點(diǎn)離岸距離為27 km,屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,長夏無冬,熱量充足、干濕季節(jié)分明,空氣濕潤,雨量充沛。根據(jù)項(xiàng)目地附近氣象站資料,項(xiàng)目地全年平均氣溫為23.3 ℃,平均相對(duì)濕度為84%,平均降雨量為1 379 mm,平均日照時(shí)數(shù)為2 120 h。 

1.2   海上風(fēng)機(jī)腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.2.1   電阻探針傳感器

電阻探針傳感器（TER）主要是通過測(cè)量腐蝕過程中金屬絲或薄膜的電阻增量計(jì)算金屬損失量,然后根據(jù)截面積與電阻的線性關(guān)系得出腐蝕速率,特別適用于監(jiān)測(cè)均勻腐蝕[12]。電阻探針傳感器容易受到溫度干擾,因此在傳感器內(nèi)部設(shè)置了溫度補(bǔ)償傳感器,提高電阻探針測(cè)試的準(zhǔn)確性,消除系統(tǒng)性環(huán)境誤差[10]。 

1.2.2   監(jiān)測(cè)平臺(tái)

海上風(fēng)機(jī)腐蝕監(jiān)測(cè)平臺(tái)由外腐蝕監(jiān)測(cè)平臺(tái)和內(nèi)腐蝕監(jiān)測(cè)平臺(tái)兩部分組成。外腐蝕監(jiān)測(cè)平臺(tái)被安裝固定在風(fēng)機(jī)外平臺(tái)格柵板上,采用太陽能供電,測(cè)量參數(shù)包括風(fēng)機(jī)外腐蝕量、測(cè)量電阻、腐蝕速率、溫度、濕度等；內(nèi)監(jiān)測(cè)平臺(tái)通過壁掛方式安裝于機(jī)艙內(nèi),采用機(jī)艙內(nèi)電源供電,測(cè)量參數(shù)包括機(jī)組內(nèi)腐蝕量、測(cè)量電阻、腐蝕速率、溫度、濕度等[13]。選用絲狀電阻探針作為腐蝕傳感器,該傳感器采用恒流源雙向激勵(lì),開爾文四端測(cè)試法測(cè)試。該測(cè)試方法具有極高的分辨率和動(dòng)態(tài)范圍,電阻探針腐蝕總量為1 000 μm,減薄分辨率為0.1 μm,電阻探針材料為Q235鋼,其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：≤0.17%C,≤1.4%Mn, ≤0.35%Si,≤0.040%S, ≤0.040%P）。同時(shí),采用參比電阻測(cè)量,降低溫度效應(yīng)引起的測(cè)量誤差。溫度傳感器測(cè)量范圍為－40~85 ℃,測(cè)量誤差±0.5 ℃,相對(duì)濕度（RH）傳感器測(cè)量范圍為0~100%,測(cè)量誤差≤±3%。 

1.2.3   數(shù)據(jù)傳輸

腐蝕數(shù)據(jù)平臺(tái)傳輸采用4G網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)傳輸過程見圖1。根據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝位置,機(jī)組上布置2個(gè)DTU通信模塊,其中1個(gè)DTU安裝于機(jī)組外（基礎(chǔ)外平臺(tái)處）,另1個(gè)DTU安裝于機(jī)組內(nèi)（機(jī)艙內(nèi)平臺(tái)處）, DTU與腐蝕監(jiān)測(cè)設(shè)備通過RS485兩線連接并傳輸數(shù)據(jù),傳輸協(xié)議為Modbus協(xié)議。通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至云服務(wù)器以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和展示。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可通過網(wǎng)頁或者手機(jī)App訪問的形式在任何有網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中查看。 

圖  1  海上風(fēng)機(jī)腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸

Figure  1.  Date transmission of on-line corrosion monitoring system for offshore wind turbine

2.   結(jié)果與討論

該在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間為2022年7月1日到2023年6月30日,監(jiān)測(cè)周期為1 a,測(cè)量參數(shù)主要有腐蝕速率、腐蝕量、溫度、相對(duì)濕度等。以下將對(duì)這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 

2.1   服役環(huán)境數(shù)據(jù)分析

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)溫度、濕度傳感器回傳數(shù)據(jù)見圖2。海上風(fēng)機(jī)內(nèi)外環(huán)境均為典型的海洋大氣環(huán)境,呈現(xiàn)明顯的干-濕交替周期變化規(guī)律。白天溫度較高,相對(duì)濕度較低；夜晚相對(duì)濕度較高,溫度較低。同時(shí),由于機(jī)艙內(nèi)部安裝了除濕機(jī),機(jī)艙內(nèi)相對(duì)濕度整體保持在較低水平,均處于金屬腐蝕臨界相對(duì)濕度（鐵65%,鋅70%,鋁76%）以下。 

圖  2  由在線腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)得到環(huán)境數(shù)據(jù)(2022-07)

Figure  2.  Environmental data monitored by on-line corrosion monitoring system (2022-07): (a) outside wind turbine; (b) inside wind turbine

風(fēng)機(jī)內(nèi)外全年環(huán)境數(shù)據(jù)見表1。海上風(fēng)機(jī)外部處于海洋大氣腐蝕環(huán)境,年最高氣溫出現(xiàn)在7月,為39.20 ℃,年最低氣溫出現(xiàn)在1月,為11.90 ℃,實(shí)測(cè)年均氣溫為24.56 ℃。風(fēng)機(jī)外環(huán)境濕度較高,年均相對(duì)濕度為87.22%,月平均潤濕（相對(duì)濕度大于85%）時(shí)間為20.94 d,4月與11月潤濕概率（潤濕時(shí)間/總時(shí)間）均超過90%。風(fēng)機(jī)內(nèi)安裝了配電柜、控制柜等電控柜體,致使風(fēng)機(jī)內(nèi)部溫度高于外部。由表2可見,風(fēng)機(jī)內(nèi)年最高溫度出現(xiàn)在5月,可達(dá)44.5 ℃,年最低溫度出現(xiàn)在12月,為15.3 ℃,年平均溫度為32.09 ℃。風(fēng)機(jī)內(nèi)部環(huán)境的濕度較為穩(wěn)定,年平均相對(duì)濕度為50.51%。 

2.2   腐蝕速率分析

環(huán)境參數(shù)與風(fēng)機(jī)內(nèi)外腐蝕速率關(guān)系見圖3和圖4。由圖3和圖4可見,海上風(fēng)機(jī)直接服役于海洋大氣環(huán)境,當(dāng)機(jī)外環(huán)境溫度超過25 ℃時(shí),溫度、濕度參數(shù)呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān),環(huán)境溫度越高,濕度越低,而機(jī)內(nèi)環(huán)境溫度超過35 ℃時(shí)同樣呈現(xiàn)這一特點(diǎn)。同時(shí),海上風(fēng)機(jī)內(nèi)外腐蝕速率最大值均出現(xiàn)在腐蝕初期。腐蝕初期電阻探針表面無腐蝕產(chǎn)物覆蓋,腐蝕速率較大；隨著服役時(shí)間延長,腐蝕產(chǎn)物逐漸在電阻探針表面堆積,且其耐蝕性略高于基材,可以對(duì)基材起到了一定的保護(hù)作用,從而降低腐蝕速率[14]。 

圖  3  風(fēng)機(jī)外腐蝕速率(2022-07~2023-06)

Figure  3.  External corrosion rate of wind turbine (2022-07－2023-06)

圖  4  風(fēng)機(jī)內(nèi)腐蝕速率(2022-07~2023-06)

Figure  4.  Internal corrosion rate of wind turbine (2022-07－2023-06)

2.3   腐蝕量-時(shí)間冪函數(shù)計(jì)算模型

針對(duì)廣東省湛江市某海上風(fēng)電項(xiàng)目測(cè)試周期內(nèi)腐蝕環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)風(fēng)機(jī)外腐蝕量-時(shí)間進(jìn)行了非線性回歸分析[15-16],相關(guān)冪函數(shù)計(jì)算模型見圖5,得到了腐蝕量與時(shí)間冪函數(shù)計(jì)算模型,如式（1）所示,其擬合度為0.994,該冪函數(shù)計(jì)算模型可用于同項(xiàng)目其他機(jī)位點(diǎn)服役周期內(nèi)腐蝕量預(yù)測(cè)[17-18]。 

式中：D為腐蝕量,μm；t為腐蝕時(shí)間,月。 

圖  5  腐蝕量-時(shí)間冪函數(shù)模型(風(fēng)機(jī)外)

Figure  5.  Corrosion volume vs. time power function model (outside wind turbine)

2.4   Spearman相關(guān)系數(shù)分析

根據(jù)廣東省湛江市某海上風(fēng)電項(xiàng)目溫度、相對(duì)濕度、腐蝕速率、腐蝕量等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況,按月取極大值、極小值、均值等進(jìn)行了Spearman相關(guān)系數(shù)分析,分析結(jié)果見圖6。由計(jì)算結(jié)果可知,在海洋大氣腐蝕環(huán)境中,影響風(fēng)機(jī)腐蝕速率（最大腐蝕速率CR_max、最小腐蝕速率CR_min、平均腐蝕速率CR_mean）因素較多,腐蝕過程與環(huán)境因素（溫度T、相對(duì)濕度RH、潤濕時(shí)間Time_over85）均存在正相關(guān)性。由Spearman相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果可知,腐蝕速率（最大腐蝕速率、最小腐蝕速率、平均腐蝕速率）與溫度相關(guān)性較大,而腐蝕量（C_volume）與相對(duì)濕度相關(guān)性較大。同時(shí),海上風(fēng)機(jī)外部腐蝕環(huán)境復(fù)雜,還受到其他腐蝕因素的影響,如SO2沉降和Cl－濃度等；風(fēng)機(jī)內(nèi)部通過除濕機(jī)及空氣過濾裝置進(jìn)行環(huán)境控制,致使風(fēng)機(jī)內(nèi)腐蝕性氣體含量和環(huán)境相對(duì)濕度遠(yuǎn)低于風(fēng)機(jī)外部,因而風(fēng)機(jī)內(nèi)部腐蝕反應(yīng)主要受到溫度、相對(duì)濕度等因素影響。 

圖  6  Spearman相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果

Figure  6.  Spearman correlation coefficient analysis results: (a) outside wind turbine; (b) inside wind turbine

2.5   防腐蝕系統(tǒng)等級(jí)及耐久性設(shè)計(jì)

圖7為海上風(fēng)電項(xiàng)目風(fēng)機(jī)內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)分布情況直方圖。其中柱形面積代表該區(qū)間數(shù)據(jù)發(fā)生概率。表3為風(fēng)機(jī)內(nèi)外腐蝕速率統(tǒng)計(jì)結(jié)果。根據(jù)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況及歷史數(shù)據(jù),廣東省湛江市某海上風(fēng)電項(xiàng)目機(jī)組外部位于海洋大氣腐蝕環(huán)境,腐蝕速率整體處于C4~C5等級(jí),最大瞬時(shí)腐蝕速率可達(dá)161.28 μm/a,機(jī)組內(nèi)部腐蝕速率處于C1~C2等級(jí)。海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)壽命通常為25 a,其防腐蝕系統(tǒng)耐久性要求與機(jī)組同壽命。綜上所述,海上機(jī)組外鋼結(jié)構(gòu)及外附件（如輪轂、塔架、運(yùn)維吊機(jī)）等部位的防腐蝕系統(tǒng)應(yīng)按照C5-VH以上等級(jí)設(shè)計(jì),內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)及內(nèi)附件應(yīng)按照C2-VH以上等級(jí)設(shè)計(jì)[19-20]。 

圖  7  風(fēng)機(jī)內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)分布

Figure  7.  Distribution of environmental data: (a) outside wind turbine; (b) inside wind turbine

3.   結(jié)論

（1）廣東省湛江市海上風(fēng)電項(xiàng)目風(fēng)機(jī)內(nèi)外均為典型的海洋大氣腐蝕環(huán)境,呈現(xiàn)明顯的干-濕交替周期變化規(guī)律。白天環(huán)境溫度相對(duì)較高,濕度相對(duì)較低；夜晚濕度相對(duì)較高,溫度相對(duì)較低。 

（2）風(fēng)機(jī)內(nèi)外腐蝕速率最大值均出現(xiàn)在腐蝕初期,并隨著服役時(shí)間延長逐漸降低最后趨于穩(wěn)定。隨著服役時(shí)間延長,腐蝕產(chǎn)物逐漸在電阻探針表面堆積,且表面銹層耐蝕性略高于基材,從而減緩了腐蝕的發(fā)生。 

（3）根據(jù)腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),得到了項(xiàng)目地腐蝕量與時(shí)間冪函數(shù)模型,D=4.13·t1.16,擬合度為0.994,并進(jìn)行了Spearman相關(guān)系數(shù)分析。 

（4）根據(jù)該風(fēng)機(jī)內(nèi)外歷史數(shù)據(jù)分布情況,風(fēng)機(jī)外部位于海洋大氣腐蝕環(huán)境,腐蝕速率整體處于C4~C5等級(jí),風(fēng)機(jī)內(nèi)部腐蝕速率處于C1~C2等級(jí)。風(fēng)機(jī)外鋼結(jié)構(gòu)及外附件的防腐蝕系統(tǒng)應(yīng)按照C5-VH等級(jí)設(shè)計(jì),內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)及內(nèi)附件應(yīng)按照C2-VH等級(jí)設(shè)計(jì)。

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)