圖 1 海上風機腐蝕在線監測系統的數據傳輸
Figure 1. Date transmission of on-line corrosion monitoring system for offshore wind turbine
分享：海上風機腐蝕監測系統應用與數據分析
中國海岸線長達1.8萬km,海上風能資源十分豐富。根據中國氣象局風能資源詳查初步成果,我國近海水深5~25 m區域、海平面以上50 m高度范圍內,風電可裝機容量約2億kW,水深5~50 m、海平面以上70 m高度范圍內,風電開發潛力約5億kW。其中,固定式風電容量為1 400 GW,漂浮式風電容量為1 582 GW。截至2022年底,我國累計海上風電裝機量為31.44 GW,占亞太地區總裝機量的92%,全球總裝機量的48%[1]。
隨著海上風能資源逐步開發,海上風力發電機組（以下稱風機）的服役環境由近海環境步入深遠海環境,風機常受到高溫、高濕、高鹽霧、長日照、海泥、浮冰等惡劣海上氣候條件的影響,在多種環境因素耦合作用下材料腐蝕加速,使海上風機存在安全隱患[2]。
海上風機設計壽命通常為25 a,風機防腐蝕系統的壽命與機組設計壽命相同,通常為25~27 a。海上風機防腐蝕系統的設計由環境條件、服役年限、施工和維護性綜合決定,總體采用差異化防腐蝕技術方案,主要包括有機/無機涂層、金屬鍍層[3-4]、耐蝕材料、陰極保護[5]、氣相防銹、環境控制、預留腐蝕裕量[6]、聚合物包覆[7]等。
由于特殊的地理環境和技術要求,海上風機的維修費用極高[8]。海洋腐蝕不但給海上風機帶來巨大安全隱患,縮短風機運營壽命,也大大增加了風機建設投資和運行維護成本。因此,及時掌握海上風機全生命周期內腐蝕環境變化趨勢及防腐蝕系統服役狀態至關重要[9]。與人工巡檢腐蝕方式不同,腐蝕傳感器可通過監測海洋大氣腐蝕環境和防腐蝕系統服役狀態,實現對海上風機結構腐蝕狀態的智能感知,在不破壞鋼結構情況下完成海上風機的腐蝕監測,傳感器的傳輸信號不易受干擾,大幅節約了通訊、電纜布線成本,整體提高了風電設備智能測控水平,實現了海上風機的遠程化、無人化、實時化腐蝕在線監控,為風機預防性維修保養提供判斷依據,保障海上風機能夠可靠運行[10-11]。
作者利用電阻探針傳感器（TER）開發了海上風機腐蝕在線監測系統,并將該監測系統安裝于南海海域某海上風電項目中,對海上風機腐蝕情況和腐蝕環境進行在線監測,評估了該項目海上風機外、內部腐蝕速率及腐蝕環境等級,為海上風機腐蝕環境準確識別積累了一定的數據基礎。
1. 海上風機腐蝕在線監測
1.1 工程概況
項目位于廣東省湛江市某海上風場,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氣候,長夏無冬,熱量充足、干濕季節分明,空氣濕潤,雨量充沛。根據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,平均日照時數為2 120 h。
1.2 海上風機腐蝕在線監測系統
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,然后根據截面積與電阻的線性關系得出腐蝕速率,特別適用于監測均勻腐蝕[12]。電阻探針傳感器容易受到溫度干擾,因此在傳感器內部設置了溫度補償傳感器,提高電阻探針測試的準確性,消除系統性環境誤差[10]。
1.2.2 監測平臺
海上風機腐蝕監測平臺由外腐蝕監測平臺和內腐蝕監測平臺兩部分組成。外腐蝕監測平臺被安裝固定在風機外平臺格柵板上,采用太陽能供電,測量參數包括風機外腐蝕量、測量電阻、腐蝕速率、溫度、濕度等；內監測平臺通過壁掛方式安裝于機艙內,采用機艙內電源供電,測量參數包括機組內腐蝕量、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,其化學成分（質量分數）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 數據傳輸
腐蝕數據平臺傳輸采用4G網絡,數據傳輸過程見圖1。根據監測設備的安裝位置,機組上布置2個DTU通信模塊,其中1個DTU安裝于機組外（基礎外平臺處）,另1個DTU安裝于機組內（機艙內平臺處）, DTU與腐蝕監測設備通過RS485兩線連接并傳輸數據,傳輸協議為Modbus協議。通過4G網絡將數據傳輸至云服務器以實現數據收集和展示。監測數據可通過網頁或者手機App訪問的形式在任何有網絡的環境中查看。
2. 結果與討論
該在線監測系統運行時間為2022年7月1日到2023年6月30日,監測周期為1 a,測量參數主要有腐蝕速率、腐蝕量、溫度、相對濕度等。以下將對這些監測數據進行分析。
2.1 服役環境數據分析
在線監測系統溫度、濕度傳感器回傳數據見圖2。海上風機內外環境均為典型的海洋大氣環境,呈現明顯的干-濕交替周期變化規律。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,由于機艙內部安裝了除濕機,機艙內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 由在線腐蝕監測系統監測得到環境數據(2022-07)
Figure 2. Environmental data monitored by on-line corrosion monitoring system (2022-07): (a) outside wind turbine; (b) inside wind turbine
風機內外全年環境數據見表1。海上風機外部處于海洋大氣腐蝕環境,年最高氣溫出現在7月,為39.20 ℃,年最低氣溫出現在1月,為11.90 ℃,實測年均氣溫為24.56 ℃。風機外環境濕度較高,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%。風機內安裝了配電柜、控制柜等電控柜體,致使風機內部溫度高于外部。由表2可見,風機內年最高溫度出現在5月,可達44.5 ℃,年最低溫度出現在12月,為15.3 ℃,年平均溫度為32.09 ℃。風機內部環境的濕度較為穩定,年平均相對濕度為50.51%。
表 1 風機外全年環境數據
Table 1. Annual environmental data outside wind turbine
| 日期 | 溫度/℃ | 相對濕度/% | 潤濕時間/d | 潤濕概率/% | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 最大值 | 最小值 | 平均值 | 最大值 | 最小值 | 平均值 | |||
| 2022-07 | 39.2 | 24.5 | 29.66 | 99.90 | 52.70 | 85.50 | 17.71 | 57.12 |
| 2022-08 | 33.9 | 23.6 | 29.06 | 99.90 | 54.60 | 82.62 | 20.83 | 67.20 |
| 2022-09 | 33.9 | 23.6 | 29.06 | 99.90 | 54.60 | 82.62 | 10.21 | 34.03 |
| 2022-10 | 31.4 | 16.1 | 25.97 | 99.90 | 49.80 | 79.10 | 10.83 | 34.95 |
| 2022-11 | 27.6 | 20.6 | 23.99 | 99.90 | 56.60 | 91.72 | 28.00 | 93.33 |
| 2022-12 | 21.7 | 12.9 | 17.86 | 99.90 | 44.80 | 79.13 | 16.29 | 52.55 |
| 2023-01 | 24.0 | 11.9 | 16.96 | 99.90 | 47.70 | 86.17 | 20.17 | 65.05 |
| 2023-02 | 25.1 | 15.3 | 19.57 | 99.90 | 72.40 | 90.42 | 20.04 | 71.58 |
| 2023-03 | 28.4 | 18.3 | 21.68 | 99.90 | 70.00 | 91.78 | 27.58 | 88.98 |
| 2023-04 | 30.6 | 18.3 | 24.32 | 99.90 | 78.90 | 93.94 | 28.38 | 94.58 |
| 2023-05 | 34.1 | 21.6 | 27.38 | 99.90 | 70.90 | 92.82 | 26.79 | 86.42 |
| 2023-06 | 37.5 | 24.5 | 29.27 | 99.90 | 64.70 | 90.83 | 24.50 | 81.67 |
表 2 風機內全年環境數據
Table 2. Annual environmental data inside wind turbine
| 日期 | 溫度/℃ | 相對濕度/% | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 最大值 | 最小值 | 平均值 | 最大值 | 最小值 | 平均值 | |
| 2022-07 | 41.7 | 30.1 | 35.85 | 65.10 | 38.00 | 54.98 |
| 2022-08 | 40.5 | 32.2 | 35.38 | 59.40 | 41.90 | 54.38 |
| 2022-09 | 42.5 | 31.6 | 35.78 | 59.40 | 33.40 | 49.97 |
| 2022-10 | 41.5 | 28.4 | 34.42 | 58.50 | 22.30 | 42.66 |
| 2022-11 | 38.1 | 27.9 | 31.46 | 58.60 | 25.60 | 53.48 |
| 2022-12 | 34.3 | 15.3 | 26.18 | 65.30 | 17.60 | 42.65 |
| 2023-01 | 31.9 | 21.0 | 25.85 | 57.20 | 22.80 | 45.70 |
| 2023-02 | 36.9 | 24.4 | 28.33 | 57.30 | 29.50 | 48.87 |
| 2023-03 | 40.2 | 22.6 | 29.44 | 65.60 | 31.80 | 51.29 |
| 2023-04 | 40.9 | 28.9 | 32.77 | 58.00 | 36.10 | 51.99 |
| 2023-05 | 44.5 | 28.0 | 34.71 | 66.90 | 35.40 | 54.08 |
| 2023-06 | 41.5 | 29.7 | 34.98 | 66.60 | 44.10 | 56.06 |
2.2 腐蝕速率分析
環境參數與風機內外腐蝕速率關系見圖3和圖4。由圖3和圖4可見,海上風機直接服役于海洋大氣環境,當機外環境溫度超過25 ℃時,溫度、濕度參數呈現明顯的負相關,環境溫度越高,濕度越低,而機內環境溫度超過35 ℃時同樣呈現這一特點。同時,海上風機內外腐蝕速率最大值均出現在腐蝕初期。腐蝕初期電阻探針表面無腐蝕產物覆蓋,腐蝕速率較大；隨著服役時間延長,腐蝕產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作用,從而降低腐蝕速率[14]。
圖 3 風機外腐蝕速率(2022-07~2023-06)
Figure 3. External corrosion rate of wind turbine (2022-07－2023-06)
圖 4 風機內腐蝕速率(2022-07~2023-06)
Figure 4. Internal corrosion rate of wind turbine (2022-07－2023-06)
2.3 腐蝕量-時間冪函數計算模型
針對廣東省湛江市某海上風電項目測試周期內腐蝕環境監測數據,對風機外腐蝕量-時間進行了非線性回歸分析[15-16],相關冪函數計算模型見圖5,得到了腐蝕量與時間冪函數計算模型,如式（1）所示,其擬合度為0.994,該冪函數計算模型可用于同項目其他機位點服役周期內腐蝕量預測[17-18]。
|
|
(1) |
式中：D為腐蝕量,μm；t為腐蝕時間,月。
圖 5 腐蝕量-時間冪函數模型(風機外)
Figure 5. Corrosion volume vs. time power function model (outside wind turbine)
2.4 Spearman相關系數分析
根據廣東省湛江市某海上風電項目溫度、相對濕度、腐蝕速率、腐蝕量等數據統計情況,按月取極大值、極小值、均值等進行了Spearman相關系數分析,分析結果見圖6。由計算結果可知,在海洋大氣腐蝕環境中,影響風機腐蝕速率（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,腐蝕過程與環境因素（溫度T、相對濕度RH、潤濕時間Time_over85）均存在正相關性。由Spearman相關系數分析結果可知,腐蝕速率（最大腐蝕速率、最小腐蝕速率、平均腐蝕速率）與溫度相關性較大,而腐蝕量（C_volume）與相對濕度相關性較大。同時,海上風機外部腐蝕環境復雜,還受到其他腐蝕因素的影響,如SO2沉降和Cl－濃度等；風機內部通過除濕機及空氣過濾裝置進行環境控制,致使風機內腐蝕性氣體含量和環境相對濕度遠低于風機外部,因而風機內部腐蝕反應主要受到溫度、相對濕度等因素影響。
圖 6 Spearman相關系數分析結果
Figure 6. Spearman correlation coefficient analysis results: (a) outside wind turbine; (b) inside wind turbine
2.5 防腐蝕系統等級及耐久性設計
圖7為海上風電項目風機內外環境數據分布情況直方圖。其中柱形面積代表該區間數據發生概率。表3為風機內外腐蝕速率統計結果。根據在線監測數據情況及歷史數據,廣東省湛江市某海上風電項目機組外部位于海洋大氣腐蝕環境,腐蝕速率整體處于C4~C5等級,最大瞬時腐蝕速率可達161.28 μm/a,機組內部腐蝕速率處于C1~C2等級。海上風力發電機組設計壽命通常為25 a,其防腐蝕系統耐久性要求與機組同壽命。綜上所述,海上機組外鋼結構及外附件（如輪轂、塔架、運維吊機）等部位的防腐蝕系統應按照C5-VH以上等級設計,內部鋼結構及內附件應按照C2-VH以上等級設計[19-20]。
圖 7 風機內外環境數據分布
Figure 7. Distribution of environmental data: (a) outside wind turbine; (b) inside wind turbine
表 3 風機內外腐蝕速率統計結果
Table 3. Statistical results of corrosion rate data inside and outside wind turbine
| 序號 | 日期 | 風機外腐蝕速率/（μm·a－1） | 風機內腐蝕速率/（μm·a－1） | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 最大值 | 最小值 | 平均值 | 最大值 | 最小值 | 平均值 | ||
| 1 | 2022-07 | 161.28 | 6.06 | 126.72 | 25.27 | 1.83 | 11.90 |
| 2 | 2022-08 | 77.68 | 63.11 | 69.54 | 7.29 | 3.26 | 4.95 |
| 3 | 2022-09 | 77.68 | 63.11 | 69.54 | 4.17 | 2.07 | 3.35 |
| 4 | 2022-10 | 66.26 | 59.60 | 63.30 | 2.89 | 1.75 | 2.27 |
| 5 | 2022-11 | 76.30 | 65.84 | 72.80 | 2.09 | 1.17 | 1.61 |
| 6 | 2022-12 | 77.43 | 73.33 | 75.93 | 1.63 | 0.79 | 1.11 |
| 7 | 2023-01 | 74.05 | 72.12 | 72.99 | 1.32 | 0.28 | 0.93 |
| 8 | 2023-02 | 74.30 | 72.22 | 73.60 | 1.16 | 0.68 | 0.90 |
| 9 | 2023-03 | 75.70 | 73.71 | 74.36 | 1.13 | 0.57 | 0.90 |
| 10 | 2023-04 | 78.87 | 75.38 | 76.86 | 1.03 | 0.63 | 0.82 |
| 11 | 2023-05 | 79.88 | 78.65 | 79.34 | 0.96 | 0.59 | 0.81 |
| 12 | 2023-06 | 79.16 | 75.09 | 76.97 | 0.95 | 0.21 | 0.56 |
3. 結論
（1）廣東省湛江市海上風電項目風機內外均為典型的海洋大氣腐蝕環境,呈現明顯的干-濕交替周期變化規律。白天環境溫度相對較高,濕度相對較低；夜晚濕度相對較高,溫度相對較低。
（2）風機內外腐蝕速率最大值均出現在腐蝕初期,并隨著服役時間延長逐漸降低最后趨于穩定。隨著服役時間延長,腐蝕產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生。
（3）根據腐蝕監測數據,得到了項目地腐蝕量與時間冪函數模型,D=4.13·t1.16,擬合度為0.994,并進行了Spearman相關系數分析。
（4）根據該風機內外歷史數據分布情況,風機外部位于海洋大氣腐蝕環境,腐蝕速率整體處于C4~C5等級,風機內部腐蝕速率處于C1~C2等級。風機外鋼結構及外附件的防腐蝕系統應按照C5-VH等級設計,內部鋼結構及內附件應按照C2-VH等級設計。
文章來源——材料與測試網
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