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风力发电装备的防腐蚀问题

发布时间:2021-04-03 10:00:00
信息摘要:
   风力发电装备是一个较大型的综合体,其稳定运行受多种因素的制约,其中由腐蚀导致的故障需要引起特别的关注。风力发电装备的主要部分处于露天环境下运行,环境气候的影响显著,其面临的环境气候类型主要分为:

   风力发电装备是一个较大型的综合体,其稳定运行受多种因素的制约,其中由腐蚀导致的故障需要引起特别的关注。风力发电装备的主要部分处于露天环境下运行,环境气候的影响显著,其面临的环境气候类型主要分为:海岸;近海离岸;草原;沙漠。其中海岸和近海离岸条件下盐分的侵蚀问题特别突出,由此产生的故障可能发生在设备的任何部位,包括基座、塔架、电机、传动系统、控制系统、输电系统等。全球首个大型海上风电场荷斯韦夫在投入运行后不久,部分风机机组的变压器、发电机即开始出现技术故障,经过技术分析,普遍认为离岸的气候条件、空气中盐份侵蚀是重要的因素。由于腐蚀环境的不良影响,给装备的稳定运行带来佷大影响,同时使得运行维护成本上升。


  

   当风力发电装备安装于沙漠和草原地区时,设备的露天部分可能遭受沙尘暴的侵袭,也会带来相应的严重腐蚀问题(磨损和冲刷),威胁设备的正常运行。此外,应力的影响也不容忽视。在设备运行过程中,设备的某些部分受到各种来源的恒定应力或交变应力的作用,这些应力因素可能与环境协同作用,产生应力腐蚀和腐蚀疲劳问题,严重威胁设备的安全运行。昼夜温差巨大也会给设备带来一系列腐蚀问题,造成设备故障(例如:内腔凝露造成腐蚀)。


   风力发电装备有相当部分由钢铁材料构成,特别是承力部分以钢铁为主。钢结构由于自重轻、承载能力高、抗震性能好和施工安装便利等优点,在各类工程中被大量应用,但是由此带来的的腐蚀问题也非常严重,腐蚀成为影响结构安全性的重要因素。由于腐蚀造成的经济损失也是一个惊人的数字,有人通过对国内5个行业的调查分析得出每年由于腐蚀造成的损失占国民经济的5%-6%。各国腐蚀防护专家普遍认为,如果能够正确了解腐蚀机理,有针对性地合理使用腐蚀防护技术,会降低因腐蚀造成的经济损失25%-30%。对于风力发电装备来说,则能够直接保证其长期安全运行。


  由于钢结构暴露在大气中,其主要的腐蚀为大气腐蚀。金属在大气中的腐蚀主要是金属表面形成的电解质液态膜与空气中的去极化剂同时作用的结果。存在电解质液态膜时,阳极氧化反应将金属溶解,而阴极反应通常被认为是氧的还原反应。
大气环境下的钢结构受阳光、风沙、雨雪、霜露及一年四季的温度和湿度变化作用,其中大气中的氧和水分是造成户外钢铁结构腐蚀的重要因素,引起电化学腐蚀。工业气体含有SO2CO2NO2Cl2H2SNH3等,这些成份虽然含量很小,但对钢铁的腐蚀危害都是不可忽视的,其中SO2影响最大,Cl2可使金属表面钝化膜遭到破坏。这些气体溶于水中呈酸性,形成酸雨,腐蚀金属设施。
   海洋大气的特点是含有大量的盐,主要是NaCl,盐颗粒沉降在金属表面上,由于它具有吸潮性及增大表面液膜的导电作用同时Cl-本身又具有很强的侵蚀性,因而加重了金属表面的腐蚀。钢结构离海岸越近腐蚀也越严重,其腐蚀速度比内陆大气中高出许多倍。
根据碳钢在大气中腐蚀的主要影响因子,有人提出腐蚀速率的经验计算公式:
M=0.484T+0.701W+0.075H+8.202S-0.022Y-52.67

    式中:M—碳钢在大气中的腐蚀量,mg/(dm2•d) 
    T—地区气温,℃; 
    W—地区湿度,% 
    H—海盐粒子量,mg/L 
    S—SO2量,mg/(dm2•d) 
    Y—降水量,mm. 
  从以上分析可以看出,对暴露在空气中的钢结构,腐蚀相关因素为气温、湿度、海盐粒子量(主要为氯离子腐蚀)和SO2量。 
国内一些科研单位对碳钢及耐候钢在我国不同地区经8年自然暴晒试验的数据如下(µm/a):
城市
北京
青岛
武汉
江津
广州
琼海
万宁
腐蚀速率
7-12
12-63
7-14
15-56
10-27
11-110
12-216

  由上表可见,海洋大气环境的腐蚀远大于内陆环境,南方潮湿环境大于北方干燥环境。普遍认为大气腐蚀的因素中湿度(湿润时间)、SO2和氯化物污染水平最为关键。按照国际标准化组织的腐蚀分类体系,ISO12944标准将腐蚀类型分为以下几类:
ISO12944标准腐蚀定义和环境(仅作参考的温性气候下的典型环境):
腐蚀类型
低碳钢
    
    
质量损失
g.m-2
厚度损失
μm
C1
很低

≤10

≤1.3


加热建筑物内部,空气洁净,如办公室、商店、学校和宾馆等
C2

10200

1.325

大气污染较低,大部分是乡村地带

未加热的地方(如库房/体育馆)冷凝有可能发生
C3

200400

2550

城市和工业大气,中等的二氧化硫污染,低盐度沿海区域

高湿度和有些污染空气的生产场所,如食品厂、洗衣厂、酒厂牛奶厂等
C4

400650

5080

高盐度的工业区和沿海区域

化工厂、游泳池、海边和船厂等
C5I
很高(工业)

6501500

80200

高盐度和恶劣大气的工业区域

总是有冷凝和高湿的建筑和地方
C5II
很高(海洋)

6501500

80200

高盐度沿海和近岸地带

总是处于高温高湿的建筑物或其他地方

   沿海区域的风力发电装备所处的环境属于上表中的C4C5分类,是严重受腐蚀环境。虽然钢结构是工程结构中工业化程度最高的一种,但是也不能否认,钢结构还存在着缺陷和隐患,对于钢材本身的材质问题以及耐候性、耐火性、耐腐蚀性,还存在着大量的研究课题。同时,大量的事故表明,钢结构构件由于强度高,所用截面相对小,也就容易失去稳定。有人总结出,钢结构存在的三大隐患为失稳、腐蚀和火灾,我们在采用钢结构时,要时刻警惕,并应采取相应的措施。失稳一般由载荷变化、支撑情况等导致;火灾则降低材料的力学性能;腐蚀则是慢性病。普通钢材的抗腐蚀性能较差,尤其是处于湿度较大、有侵蚀性介质的环境中,会较快地生锈腐蚀,削弱了构件的承载力。例如钢铁厂转炉车间的钢屋架,平均腐蚀速度为每年0.10-0.16mm.。据统计,全世界每年钢铁年产最的30%~40%因腐蚀而失效,净损失约10%。我国在一次钢筋混凝土屋架、木屋架、钢木屋架和钢屋架等的事故统计中发现,钢屋架出现倒塌事故占38.62%,而由于腐蚀并缺乏维修的原因占比重很大。风力发电装备长期暴露于露天环境,因此必须对腐蚀可能带来的危害给予足够的重视。


   海上风力发电场可能是未来我国风力发电行业的发展方向。以丹麦为例,丹麦在风力发电领域占有领导地位,目前丹麦有世界上最大的海上风电场。出于对环境的考虑,丹麦只关心那些偏远的水深在[font=ˎ̥]5[font=ˎ̥]11米之间区域的容量,其原因是所选的这些地区必须在国家海洋公园、海运路线、微波通道、军事区域等之外,距离海岸线[font=ˎ̥]7[font=ˎ̥]40千米,使岸上的视觉[font=ˎ̥]影响降到最低。最近,对风机基础深入的研究表明,在[font=ˎ̥]15水深处安装风机比较经济。总的说来,海上风机比邻近陆地风场风机的输出要高出[font=ˎ̥]50%,所以,海上风机更具有吸引力。根据丹麦的经验,设备的设计寿命定位为[font=ˎ̥]50年,采用较低的塔架,疲劳载荷相对较小,但是遭受海浪和海水气雾的威胁加大,对于发电机的防护要求随之上升。另一方面,由于远离海岸,在天气条件比较恶劣的情况下,维修人员很难接近风机,风机得不到正常检修和维护,造成安全隐患。所以,确保海上风机高可靠性显得尤其重要,而设备的综合防腐蚀效果是保证高可靠性的重要因素。为了保证风力发电装备的正常运转,必须对设备腐蚀问题给予充分重视,把防腐蚀理念贯穿于设计、制造、安装、使用、维护全过程,尽量减少维护需求,保证设备高效运行。


   因此,关于风力发电装备,应该关注的腐蚀类型主要归结为:海水和海洋气候导致的腐蚀问题;沙尘导致的冲刷磨损问题;由应力因素参与而导致的力-化学腐蚀问题。虽然人们对于户外和海岸及近海大中型半永久构筑物和装备的腐蚀防护已经积累了相当经验,但是对于风力发电装备而言仍显不足。在这一领域,除了其特有的需求之外,高效、低成本、长期免维护应该是被追求的目标。因此,依靠防腐技术的简单移植无法解决根本问题,有必要研究和开发符合其自身特点的专有技术。


综合上述各方面,针对风力发电装备特点,在此提出需要深入研究的关键问题:
1.揭示关键材料和结构(如基座、塔架、浆页、电机、轴承、电路结构等)在对应环境介质中(如海水、海浪、海岸大气、沙尘气候、高低温剧变等)的腐蚀/冲蚀行为和失效机理,建立腐蚀模型,并提出高效的耐腐蚀/冲刷表面处理策略;
2.研究相应关键材料和部位的应力腐蚀和腐蚀疲劳行为,取得关键数据,明确腐蚀行为与腐蚀介质的相关性,并提供切实有效的防腐蚀对策;
3.研究各种相关材料与金属结构等异种材料接触界面及零件之间连接部位的接触腐蚀规律,各种失效形式(包括微动磨损、应力腐蚀、塑性变形、剪切破坏、热致失效等)发生的条件、失效成因、影响因素与特性,建立热力学、力学、电化学综合影响理论模型,探讨结构设计原则和表面强化的机理与策略;

4.发展先进高效的防腐蚀涂、镀原理和相应技术,应当具有防护环境介质腐蚀的长期效果(例如:20年,应与装备寿命相匹配);先进高效的应力腐蚀防护技术;高效的耐冲刷表面涂、镀技术;针对设备内部空间的高效的长效防潮密封、绝缘技术


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