第六章 海上风机基础防腐蚀

江朝华海上风电机组基础防腐蚀第六章：海上风电机组基础防腐蚀主要内容6.1海上风电机组基础的腐蚀分区及特点6.2海上风电机组基础的腐蚀类型及影响因素6.3海上风电机组基础的腐蚀类型及影响因素本章主要内容6.1海上风电机组基础的腐蚀分区及特点6.1.1海水的性质6.1.2腐蚀特点及机理6.1.3腐蚀分区6.2海上风电机组基础的腐蚀类型及影响因素6.2.1钢结构的腐蚀类型及影响因素6.2.1.1钢结构腐蚀类型6.2.1.2钢结构腐蚀影响因素6.2.2混凝土结构的腐蚀类型及影响因素6.2.2.1混凝土结构腐蚀类型6.2.2.2混凝土结构腐蚀影响因素6.3海上风电机组基础的防腐蚀措施及要求6.3.1钢结构的防腐蚀措施及要求6.3.1.1钢结构防腐蚀措施6.3.2混凝土结构的防腐蚀措施及要求6.3.2.1混凝土结构防腐蚀措施6.3.2.2混凝土结构放腐蚀要求主要参考资料[1]JTS153-3-2007海港工程钢结构防腐蚀技术规范[S].北京：人民交通出版社，2007.[2]JTS275-2000海港工程混凝土结构防腐蚀技术规[S].北京：人民交通出版社，2000.[3]GB50010-2002混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社出版，2002.[4]JTS202-2-2011水运工程混凝土质量控制标准[S].北京：中华人民共和国交通运输部，2011.[5]柯伟，杨武.腐蚀科学技术的应用和实效案例[M].北京：化学工业出版社，2006.[6]夏兰廷等.金属材料的海洋腐蚀与防护[M].北京：冶金工业出版社,2003.[7]侯保荣等.海洋腐蚀与防护[M].北京：科学出版社1997.概述中国工程院：1998年，海洋腐蚀损失1000亿侯保荣院士：2009年，腐蚀损失1万亿概述海上风电场与海港码头、海上大桥、海洋采油平台等大型海上构筑物所处的环境条件相似，受到波浪、水流、冰棱等环境因素的作用。此外，由于风电机组运行过程中产生的振动，使得基础容易产生疲劳损伤。因此，采取长期有效的防腐蚀措施，对于确保海上风电机组基础的安全具有十分重要的意义6.1海上风机基础腐蚀特点海水的性质海水的中性特征（pH在7.2-8.6之间）以及大量氧的存在决定了大多数结构金属和合金在海水中的腐蚀历程的特征海水的含盐量高：海水中，除了主要的阳离子（Na+，Mg2+，Ca2+，K+）和阴离子（Cl-，SO42-，HCO3-，Br-）外，海水中含量较少的其他组分在腐蚀方面也有着一定的意义。例如臭氧、游离的碘和溴（强烈的阴极去极化剂和腐蚀促进剂）、硅酸的化合物（可能的缓蚀剂）海水的另一个重要的性质是海水中能很好离解的盐类的总含量很高，这使海水成为一种电导性很高的电解液6.1海上风电机组基础的腐蚀分区及特点6.1.2腐蚀特点及机理由于材料的行为会随暴露条件（海洋环境）的不同而发生很大的变化，海洋腐蚀通常按所涉及的具体环境区域来讨论。这些区域是：海洋大气区、浪溅区、水位变动区、水下区和泥下区，如图6-1所示。从海洋大气到海泥的不同海洋环境区域，各种环境因素变化很大，对钢结构及混凝土结构的腐蚀作用也有所不同。图6-1海洋腐蚀区域示意图6.1海上风电机组基础的腐蚀分区及特点海洋大气区腐蚀研究表明：海洋大气腐蚀环境远比内陆大气环境恶劣海洋大气比内陆大气对钢铁的腐蚀程度要高4-5倍海洋大气是指海面飞溅区以上的大气区和沿岸大气区，具有比普通大气湿度大、盐分高、温度高及干、湿循环效应明显等特点海洋大气湿度大，易在钢铁表面形成水膜，CO2、SO2和一些盐分溶解在水膜中，形成导电良好的液膜电解质，是电化学腐蚀的有利条件6.1海上风电机组基础的腐蚀分区及特点浪溅区腐蚀由于波浪和海水飞溅，海水与空气充分接触，海水含氧量达到最大程度，浪溅区海水的冲击也加剧材料的破坏；此外海水中的气泡对钢表面的保护膜及涂层来说具有较大的破坏性，漆膜在浪花飞溅区通常老化得更快海洋浪溅区是指平均高潮线以上海浪飞溅所能湿润的区段。海洋浪溅区除了海盐含量、湿度、温度等大气环境中的腐蚀影响因素外，还要受到海浪的飞溅，浪溅区的下部还要受到海水短时间的浸泡，干湿交替频繁浪溅区是所有海洋环境中腐蚀最为严重的部位6.1海上风电机组基础的腐蚀分区及特点水位变动区腐蚀此外海洋生物能够栖居在水位变动区内的建筑物表面上，附着均匀密布时能在钢表面形成保护膜减轻建筑物的腐蚀；局部附着时，会因附着部位的钢与氧难于接触而产生氧浓差电池，使得生物附着部位下面的钢产生强烈腐蚀水位变动区是指平均高潮位和平均低潮位之间的区域，该区特点是涨潮时被水浸没，退潮时又暴露在空气中，即干湿交替呈周期性的变化在这一区域，建筑物处于干湿交替状态，淹没时产生海水腐蚀，物理冲刷及高速水流形成的空泡腐蚀作用导致腐蚀加速，退潮时产生湿膜下的同大气区类似的腐蚀6.1海上风电机组基础的腐蚀分区及特点水下区腐蚀在深海区pH8~8.2，压力随水的深度增加，矿物盐溶解量下降，水流、温度充气均低，钢腐蚀以电化学腐蚀和应力腐蚀为主，化学腐蚀为次，钢腐蚀较轻水下全浸区是指常年低潮线以下直至海底的区域，根据海水深度不同分为浅海区(低潮线以下20m-30m以内)、大陆架全浸区(在30m-200m水深区)、深海区（200m水深区）浅海区海水流速较大，存在近海化学和泥沙污染，O2、CO2处于饱和状态，生物活跃、水温较高，该区腐蚀以电化学和生物腐蚀为主，物理化学作用为次，该区钢的腐蚀比大气区和潮差区的腐蚀要严重在大陆架全浸区，随着水的深度加深，含气量、水温及水流速度均下降，生物亦减少，钢腐蚀以电化学腐蚀为主，物理与化学作用为辅，钢腐蚀较浅海区轻6.1海上风电机组基础的腐蚀分区及特点泥下区腐蚀泥下区是指海床以下部分。腐蚀环境十分复杂，既有土壤的腐蚀特点，又有海水的腐蚀行为。这一区域沉积物的物理性质、化学性质和生物性质都会影响腐蚀性。海底的沉积物通常均含有细菌，其中硫酸盐还原菌会生成有腐蚀性的硫化物，加速钢铁腐蚀。但泥下区含氧量少，建筑物腐蚀比海水中缓慢6.1海上风电机组基础的腐蚀分区及特点6.1.2.5泥下区腐蚀海上风机基础结构通常由钢筋混凝土结构（重力式基础的墙身、胸墙以及群桩承桩基础的承台等）和钢结构（导管架、钢管桩等）组成，容易受海水或带盐雾的海洋大气侵蚀。应根据预定功能和各部位所处的海洋环境条件进行海上风电机组基础区域划分腐蚀分区6.1海上风电机组基础的腐蚀分区及特点6.1.2.5泥下区腐蚀海上风电机组基础中钢结构的暴露环境分为大气区、浪溅区、全浸区和内部区。钢结构腐蚀分区大气区为浪溅区以上暴露于阳光、风、水雾及雨中的支撑结构部分；浪溅区为受潮汐、风和波浪影响，支撑结构处于干湿交替状态下的部分；浪溅区以下部位为全浸区，包括水中和海泥中两个部分；内部区为封闭的不予外界海水接触的部分6.1海上风电机组基础的腐蚀分区及特点6.1.2.5泥下区腐蚀浪溅区上限和下限均以平均海平面计，两者的计算公式为：钢结构腐蚀分区zSULSZ式中1U——0.63/1H，3/1H为重现期100年有效波高的31，m；2U——最高天文潮位，m；3U——基础沉降，m。式中1L——0.43/1H，3/1H为重现期100年有效波高的31，m；2L——最低天文潮位，m。划分类别大气区浪溅区水位变动区水下区泥下区按设计水位设计高水位加（）以上大气区下界至设计高水位减之间浪溅区下界至设计低水位减1.0m之间水位变动区下界至海泥面海泥面以下按天文潮位最高天文潮位加0.7倍百年一遇有效波高以上大气区下界至最高天文潮水位减百年一遇有效波高之间浪溅区下界至最低天文潮水位减0.2倍百年一遇有效波高之间水位变动区下界至海泥面海泥面以下m0.1003/1H3/1H0%1H表6-1海上风机基础的部位划分注：值为设计高水位时的重现期50年（波列累计率为1%的波高）波峰面高度。6.1海上风电机组基础的腐蚀分区及特点混凝土结构腐蚀分区根据《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTJ275-2000），海上风电机组基础混凝土结构部位划分为大气区、浪溅区、水位变动区、水下区和泥下区，具体划分见表6-13/1H06.2海上风电机组基础的腐蚀类型及影响因素6.1.2.5泥下区腐蚀钢结构的腐蚀是一个电化学过程。即钢材中的铁在腐蚀介质中通过电化学反应被氧化成正的化学价状态。在电化学腐蚀过程中，钢材中的铁元素作为腐蚀电池的阳极释放电子形成铁离子，经过一系列的反应最终形成铁锈。反应方程式如下：阳极反应：Fe-2e→Fe2+阴极反应：2H++2e→H2；O2+2H2O+4e→4OH-上述反应生成的Fe(OH)2经过后续的一系列反应生成Fe(OH)3，最终脱水生成铁锈的主要成分Fe2O3。铁锈疏松、多孔，体积约膨胀4倍钢结构腐蚀类型6.2海上风电机组基础的腐蚀类型及影响因素6.1.2.5泥下区腐蚀均匀腐蚀系指金属与介质相接触的部位，均匀地遭到腐蚀损坏。这种腐蚀损坏的结果是使金属尺寸变小和颜色改变。由于海洋钢结构的各部位是长期稳定的处于相对海洋环境各个区域内的，所以各部位的钢材都会出现程度不同的英俊腐蚀。均匀腐蚀的危险性相对较小，可以根据腐蚀速度和结构所要求的使用寿命，在设计钢结构构件时增加一定的厚度裕量加以弥补钢结构腐蚀类型局部腐蚀系指金属与介质相接触的部位中，遭到腐蚀破坏的仅是一定的区域（点、线、片）。局部腐蚀大多将会导致结构的脆性破坏，降低结构的耐久性，局部腐蚀危害比均匀腐蚀大得多均匀腐蚀局部腐蚀6.2海上风机基础结构腐蚀类型及影响因素6.1.2.5泥下区腐蚀电偶腐蚀系指两种不同金属在同一种介质中接触，由于它们的腐蚀电位不等，形成了很多原电池，使电位较低的金属溶解速度增加，造成接触处的局部腐蚀，电位较高的金属，溶解速度反而减缓。通常两种金属的电位差愈大，则电偶中的阳极金属侵蚀得愈快。某些钢结构构件由两种不同钢种组成，在其连接处有时会发生电偶腐蚀电偶腐蚀局部腐蚀按照条件、机理和表现特征划分主要有电偶腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀和腐蚀疲劳等6.2海上风机基础结构腐蚀类型及影响因素6.1.2.5泥下区腐蚀由于设计上的不合理或加工工艺等原因，会使许多构件产生缝隙：法兰连接面、螺母压紧面、焊缝气孔等与基体的接触面上会形成缝隙，另外泥沙、积垢、杂屑、锈层和生物等沉积在构件表面上也会形成缝隙缝隙腐蚀缝隙腐蚀指金属与金属或金属与非金属之间形成特别小的缝隙，使缝隙内的介质处于滞流状态，引起缝内金属的加速腐蚀6.2海上风机基础结构腐蚀类型及影响因素6.1.2.5泥下区腐蚀金属表面局部区域内出现向深处发展的腐蚀小孔称为点蚀。蚀孔一旦形成，具有“探挖”的动力，即向深处自动加速进行的作用，因此点蚀具有极大的隐患性及破坏性点蚀6.2海上风机基础结构腐蚀类型及影响因素6.1.2.5泥下区腐蚀在循环应力和腐蚀介质的联合作用下，一些部位的应力会比其他部位高得多，加速裂缝的形成，称之为腐蚀疲劳。腐蚀疲劳时已产生滑移的表面区域的溶解速度比表面非滑移区要快得多。出现的微观缺口会在更大的范围内产生进一步滑移运动，使局部腐蚀加快。这种交替的增强作用最终导致材料开裂腐蚀疲劳6.2海上风机基础结构腐蚀类型及影响因素6.1.2.5泥下区腐蚀钢对海水的流速是很敏感的。当速度超过某一临界点时，便会发生快速的侵蚀。在湍流情况下，常有空气泡卷入海水中，夹带气泡的高速流动海水冲击金属表面时，破坏保护膜，造成金属的局部腐蚀冲击腐蚀6.2海上风机基础结构腐蚀类型及影响因素6.1.2.5泥下区腐蚀若周围的压力降低到海水温度下的海水蒸汽压，海水就会沸腾。在高速状态下，蒸汽泡形成，但海水向下流到某处时气泡又会重新破裂。这些蒸汽泡的破裂而造成反复砰击，促成建筑物表面的局部压缩破坏。碎片脱落后，新的活化建筑物便暴露在腐蚀性的海水中。因此，海水中的空泡腐蚀造成的损坏通常使建筑物既受机械损伤，又受腐蚀损坏，该类腐蚀多呈蜂窝状形式空泡腐蚀6.2海上风机基础结构腐蚀类型及影响因素6.1.2.5泥下区腐蚀材料及其表明因素——不同的钢材其耐腐蚀性不同，改变钢材中合金元素的含量是改善钢材耐腐蚀性的一个重要途径。研究表明铜、磷元素可改善钢材的