分享：海上風(fēng)機(jī)腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用與數(shù)據(jù)分析

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)運營壽命,也大大增加了風(fēng)機(jī)建設(shè)投資和運行維護(hù)成本。因此,及時掌握海上風(fēng)機(jī)全生命周期內(nèi)腐蝕環(huán)境變化趨勢及防腐蝕系統(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)測海洋大氣腐蝕環(huán)境和防腐蝕系統(tǒng)服役狀態(tài),實現(xiàn)對海上風(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,傳感器的傳輸信號不易受干擾,大幅節(jié)約了通訊、電纜布線成本,整體提高了風(fēng)電設(shè)備智能測控水平,實現(xiàn)了海上風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程化、無人化、實時化腐蝕在線監(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)測系統(tǒng),并將該監(jiān)測系統(tǒng)安裝于南海海域某海上風(fēng)電項目中,對海上風(fēng)機(jī)腐蝕情況和腐蝕環(huán)境進(jìn)行在線監(jiān)測,評估了該項目海上風(fēng)機(jī)外、內(nèi)部腐蝕速率及腐蝕環(huán)境等級,為海上風(fēng)機(jī)腐蝕環(huán)境準(zhǔn)確識別積累了一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 

1.   海上風(fēng)機(jī)腐蝕在線監(jiān)測

1.1   工程概況

項目位于廣東省湛江市某海上風(fēng)場,地處北回歸線以南的低緯度地帶,項目地點離岸距離為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)項目地附近氣象站資料,項目地全年平均氣溫為23.3 ℃,平均相對濕度為84%,平均降雨量為1 379 mm,平均日照時數(shù)為2 120 h。 

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

1.2.1   電阻探針傳感器

電阻探針傳感器（TER）主要是通過測量腐蝕過程中金屬絲或薄膜的電阻增量計算金屬損失量,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)置了溫度補償傳感器,提高電阻探針測試的準(zhǔn)確性,消除系統(tǒng)性環(huán)境誤差[10]。 

1.2.2   監(jiān)測平臺

海上風(fēng)機(jī)腐蝕監(jiān)測平臺由外腐蝕監(jiān)測平臺和內(nèi)腐蝕監(jiān)測平臺兩部分組成。外腐蝕監(jiān)測平臺被安裝固定在風(fēng)機(jī)外平臺格柵板上,采用太陽能供電,測量參數(shù)包括風(fēng)機(jī)外腐蝕量、測量電阻、腐蝕速率、溫度、濕度等；內(nèi)監(jiān)測平臺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,測量參數(shù)包括機(jī)組內(nèi)腐蝕量、測量電阻、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,開爾文四端測試法測試。該測試方法具有極高的分辨率和動態(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,采用參比電阻測量,降低溫度效應(yīng)引起的測量誤差。溫度傳感器測量范圍為－40~85 ℃,測量誤差±0.5 ℃,相對濕度（RH）傳感器測量范圍為0~100%,測量誤差≤±3%。 

1.2.3   數(shù)據(jù)傳輸

腐蝕數(shù)據(jù)平臺傳輸采用4G網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)傳輸過程見圖1。根據(jù)監(jiān)測設(shè)備的安裝位置,機(jī)組上布置2個DTU通信模塊,其中1個DTU安裝于機(jī)組外（基礎(chǔ)外平臺處）,另1個DTU安裝于機(jī)組內(nèi)（機(jī)艙內(nèi)平臺處）, DTU與腐蝕監(jiān)測設(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)器以實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集和展示。監(jiān)測數(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)測系統(tǒng)運行時間為2022年7月1日到2023年6月30日,監(jiān)測周期為1 a,測量參數(shù)主要有腐蝕速率、腐蝕量、溫度、相對濕度等。以下將對這些監(jiān)測數(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,相對濕度較低；夜晚相對濕度較高,溫度較低。同時,由于機(jī)艙內(nèi)部安裝了除濕機(jī),機(jī)艙內(nèi)相對濕度整體保持在較低水平,均處于金屬腐蝕臨界相對濕度（鐵65%,鋅70%,鋁76%）以下。 

圖  2  由在線腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測得到環(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 ℃,實測年均氣溫為24.56 ℃。風(fēng)機(jī)外環(huán)境濕度較高,年均相對濕度為87.22%,月平均潤濕（相對濕度大于85%）時間為20.94 d,4月與11月潤濕概率（潤濕時間/總時間）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,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 ℃時同樣呈現(xiàn)這一特點。同時,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-時間冪函數(shù)計算模型

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

式中：D為腐蝕量,μm；t為腐蝕時間,月。 

圖  5  腐蝕量-時間冪函數(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)電項目溫度、相對濕度、腐蝕速率、腐蝕量等數(shù)據(jù)統(tǒng)計情況,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、相對濕度RH、潤濕時間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）與相對濕度相關(guān)性較大。同時,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)等級及耐久性設(shè)計

圖7為海上風(fēng)電項目風(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)計結(jié)果。根據(jù)在線監(jiān)測數(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,最大瞬時腐蝕速率可達(dá)161.28 μm/a,機(jī)組內(nèi)部腐蝕速率處于C1~C2等級。海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計壽命通常為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、運維吊機(jī)）等部位的防腐蝕系統(tǒng)應(yīng)按照C5-VH以上等級設(shè)計,內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)及內(nèi)附件應(yīng)按照C2-VH以上等級設(shè)計[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)境溫度相對較高,濕度相對較低；夜晚濕度相對較高,溫度相對較低。 

（2）風(fēng)機(jī)內(nèi)外腐蝕速率最大值均出現(xiàn)在腐蝕初期,并隨著服役時間延長逐漸降低最后趨于穩(wěn)定。隨著服役時間延長,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)測數(shù)據(jù),得到了項目地腐蝕量與時間冪函數(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,風(fēng)機(jī)內(nèi)部腐蝕速率處于C1~C2等級。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等級設(shè)計,內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)及內(nèi)附件應(yīng)按照C2-VH等級設(shè)計。

文章來源——材料與測試網(wǎng)