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2024年6月12日 星期三
《风能》对话 | 防腐是海上风电产业链上的关键环节!
所属分类:行业纵览
来源:王芳
作者:《风能》杂志
更新日期:2023-05-11

海洋是最严酷的自然腐蚀环境,侯保荣院士认为,浪溅区、异型构件、精密电子器件的防腐蚀,海洋生物污损,以及防腐涂料的国产化,都是海上风电行业要集中解决的问题。从成本和安全角度考虑,海上风电防腐蚀工作要打好提前量,不能为了追求建设速度而牺牲发展质量,应遵循“主动防腐、科学防腐、绿色防腐、长效防腐”十六字原则。

Q:目前,中国海洋环境的防腐情况如何?技术发展水平怎样?国际上的防腐技术发展到什么阶段?

A:鉴于腐蚀的严重危害性,各个国家,包括美国、英国、日本、俄罗斯都做过腐蚀调查。与发达国家相比,中国腐蚀调查工作开展晚,重视程度低。

2015年,中国工程院启动了重大咨询项目“我国腐蚀状况及控制战略研究”,对中国基础设施、交通运输、能源、水环境、生产制造等五大关键领域、30多个重点行业进行为期两年的专题调研。结果显示,2014年,中国腐蚀成本约占GDP的3.34%,达到21278.2亿元,相当于每年每人要承担超过1555元的腐蚀成本。这是非常惊人的。

近些年,中国海洋环境防腐蚀研究取得了比较丰硕的基础理论成果,海洋防腐蚀技术储备并不落后,甚至很多领域已经实现领跑。现在应该是这些技术成果逐步成熟,向应用转化,在工程建设中大显身手的阶段。海洋是最严酷的自然腐蚀环境,这不仅仅是经济的问题,更是安全的问题。

比如,2013年山东省青岛市黄岛区输油管道爆炸事故,就是由于管道腐蚀引发的。实际上,中国部分海港码头设施建成10~20年后就出现了钢筋锈蚀。据估计,年均腐蚀损失大于1000亿元,其中25%~40%的腐蚀损失是完全可以避免的。

一个典型的对比是日本。日本是一个四面环海的岛国,腐蚀环境非常严苛,但日本的码头没有锈迹斑斑的景象,过街天桥几乎全部使用不锈钢,栏杆使用的是重防腐涂料。这主要是因为国家重视防腐,如果使用低质材料,三年就会生锈,不如使用质量好的防腐材料。

从长远来看,防腐工作做得好,全寿命建设成本会低得多。海洋腐蚀防护的理念需要上升到国家战略层面,进行顶层谋划部署,自上而下建立完整的腐蚀防护机制和体制,以举国之力突破技术瓶颈,才能从根本上提升腐蚀防护水平。

Q:海上风电防腐面临哪些挑战?对材料本身提出了哪些要求?您对海上风电未来的发展有何期待?在防腐领域还需攻克哪些难题?

A:“宜未雨绸缪,勿亡羊补牢!”中国海上风电装机容量已经稳居全球首位,国家支持推动了海上风电快速发展,但在快马加鞭的建设过程中,我们对海洋腐蚀程度的评估是否科学到位?防腐蚀保障技术的设计方面是否能跟得上?

尤其是集中在闽、粤、苏、浙一带的海上风电机组,在高温、高湿、高盐和强日照服役条件下,腐蚀环境异常恶劣,同时又缺乏便捷的人工巡查和维护。这是我们在发展建设过程中需要提前规划应对的问题。

中国每年被腐蚀损耗的钢铁约占全年总产量的十分之一,每生产1吨钢铁排放1.83吨二氧化碳。海上风电基础设施和工程装备很大一部分是由钢结构材料组成的,将海洋腐蚀防护做到位,延长海上风电机组的服役寿命,能大幅提高能源资源利用效率,从源头形成有效的碳排放控制,可对碳达峰碳中和目标作出巨大贡献。

防腐是海上风电产业链上的一个关键环节。风电的建设和运营企业中很少有防腐蚀专业的人力配备,相信随着风电行业的发展成熟,这种现状将得到改变。

近些年,我们团队越来越多地接到各大海上风电企业在腐蚀防护方面的对接需求,对广东、福建、浙江各个典型海域海上风电的腐蚀防护状况开展了调研工作,可以说是喜忧参半。

首先,问题最严重的是浪溅区,其腐蚀速度是其他区带的3~10倍,目前来看投入运行2~3年内就会发生比较严重的涂层脱落和锈蚀污损现象,存在非常严重的安全隐患。随着海上风电机组的大型化,塔筒、基础承受的扭矩和重量非常大,按浪溅区每年腐蚀0.5毫米厚度钢材的速度计算,形势不容乐观,应该马上采取更可靠的复层包覆防腐蚀措施进行保护。

在海洋大气区,涂料的防腐是颇有成效的。然而,据了解,国内所用的基本都是国外品牌的技术,国产防腐涂料在高端海工装备中如何打破市场壁垒,实现国产化是一个值得期待的突破。再就是海上大气区很多法兰、螺栓等异型构件,涉及结构紧固、支撑辅助、消防安全的重要细节,可采用一些柔性矿脂包覆材料进行重点防护。

此外,风电装备的“大脑”精密电子器件的腐蚀隐患较大。国际自动化学会将海上风电服役条件归为电子元器件最高等级大气腐蚀环境,控温控湿并不能彻底解决盐雾侵蚀的问题,可采用气相缓蚀材料防护根除隐患。

最后是海水全浸区的阴极保护,比如牺牲阳极的设计保护寿命是15年,但由于海洋生物的污损附着会导致提前失效,针对这方面的定期巡检和更换变得十分必要。

总体而言,海上风电的腐蚀防护技术要求更高,因为:一方面,海洋腐蚀环境极端恶劣;另一方面,海上风电机组在运行过程中一旦出现腐蚀问题,修复工程要综合考虑离岸距离、风浪等级、海流情况等多个复杂因素,施工难度极大,工艺要求非常苛刻。因此,从成本、安全角度来看,都更需要在装备设计阶段、制造阶段提前做好、做足防腐蚀措施,将腐蚀问题和隐患消除在“萌芽”中。

我们可以借鉴钢筋混凝土防腐蚀领域的五倍定律:在新建阶段每削减1元的防腐蚀措施投入,腐蚀初期阶段就要花费5元去修补,等到腐蚀影响正常运行阶段则需花费25元去修复,当腐蚀严重危及结构安全时要花费125元去解决。

在此特别呼吁,海上风电的防腐蚀工作要打好提前量,不要为了追求建设速度而牺牲发展质量,这也是我们一直强调的海洋腐蚀防护工作应遵循“主动防腐、科学防腐、绿色防腐、长效防腐”的十六字原则。

Q:您将毕生精力投入防腐领域,让您执着于此的动力是什么?您研究的防腐成果主要解决了哪些类型的腐蚀?

A:国家一直鼓励科研人员要敢于坐冷板凳,敢于啃硬骨头。我的想法其实非常简单:响应国家号召,沉下心干好海洋腐蚀与防护这件事,干一行爱一行。我是在1970年(28岁)入职中国科学院海洋研究所的。彼时,中国的腐蚀防护工作才刚刚起步,海洋防腐更是一个冷门学科,资料少、基础弱、设备缺。在老同志的帮助和指导下,我加入专门的海洋腐蚀与防护研究队伍中。

当时,大家认为潮差区腐蚀最严重,但这与我们在工程中观察到的很多现象不相符。为了找出科学答案,我们团队在上海石油化工总厂陈山原油码头海边临时搭建了一个水池开展挂片实验。工作环境、条件特别差,只能在露天环境下吃饭,苍蝇“嗡嗡”地围着人转,一挥手赶走一大群。经过日复一日的实验得出结论,“浪溅区”才是海洋钢结构腐蚀最严重的区域,是腐蚀防护真正的“短板”“痛点”。如何降伏浪溅区这个“吃铁老虎”,成为新的难题。

我们翻阅了大量外籍文献,发现在浪溅区采用包覆防腐蚀技术的效果理想,而当时中国的相关研究尚处于“空白”状态。我们针对数十种润滑脂开展了试验,取得一定效果,但被润滑脂包覆的钢铁表面始终有少量腐蚀。我们又专程请教了高分子专家,并与日本合作,提出在有机大分子极性基团上增加水油置换基团,将金属表面的水分置换出来,使这种改性防护脂的防护性能大大提高。

有了这个突破后,我们集中力量对防护脂配方、缓蚀剂成分同时进行改进,多层复配,最终形成由矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带、密封缓冲层和防蚀保护罩组成的复层矿脂包覆防腐蚀技术(PTC)。采用该技术,表面处理简单,施工方便,可带水带锈施工,不但能够隔绝海水,外层的密封缓冲层和玻璃钢防蚀罩还可以有效抵御机械损伤和外界冲击,兼具防腐、水下施工、环保等多个优点。

Q:目前,科技转化情况如何?您对中国海洋防腐工作有何建议?

A:实验室制备只是第一步,科学技术要服务于社会工程,就必须扩大生产。没有正式的中试实验平台,我们就借用合作公司“四面漏风”的废弃大院,加工了简易的生产设备,热火朝天地做起实验。通过提交“我国海洋工程设施浪花飞溅区防腐蚀工作亟待加强”的院士建议,得到“十二五”国家科技支撑计划项目的支持,由此完成了PTC技术扩大生产的关键一步。

经过数十年的探索,包覆技术生产设备从I型发展到可以批量稳定生产的IV型,设计建立了一套完整的自动化生产线,打破了国外的技术垄断,实现了该技术在国内的首次规模化、标准化生产,确保产品性能达到了国家标准。

目前,该技术已经适用于中国全纬度防腐工程。在国家FAST天眼工程、文昌卫星发射基地、大连北良港码头、上海洋山深水港LNG码头、杭州湾大桥等近50项国家重大工程中得到应用。针对不同工程的特殊性,我们进行了个性化PTC技术升级。利用多片嵌合式防蚀保护罩技术,解决了海上风电超大直径塔筒的现场包覆和陆地预包覆防腐难题,同时还解决了几十座桥梁锚固系统和埋地管道的防护难题,实现了PTC技术在多种场景的应用。

此外,针对海洋大气区异型钢结构的腐蚀防控难题、海工钢筋混凝土的腐蚀防控难题,我们团队成功研发了氧化聚合包覆防腐技术(OTC)、柔韧性钢筋混凝土涂层防腐技术(FCC)等一系列成果,填补了国内的技术空白,并实现产业化。这些成果在110余项重大工程中得到了成功应用。

未来,希望国家能将基础设施和重大装备腐蚀防护安全纳入国家战略,重视海洋腐蚀防护,推动中国海洋防腐蚀产业发展。在海洋防腐防污技术研究的基础上,有必要加快建立海洋腐蚀防护技术的企业、地方及国家标准,引导腐蚀产业健康发展,保障海洋工程设施安全运行,减少经济损失。

各单位应设立专门负责防腐工作的部门,建立腐蚀状况及腐蚀管控情况定期汇报制度,全面提升腐蚀控制和管理水平。同时,特别倡议设立“全国腐蚀防护安全日”,通过教育、媒体宣传、社会公益活动等多种途径进一步增加民众的腐蚀防护知识,让民众、政府部门、企业家认识腐蚀危害与防腐蚀的重要性,推动各行业开展腐蚀防护工作。


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