中国腐蚀与防护学报, 2026, 46(2): 315-326 DOI: 10.11902/1005.4537.2025.165

综合评述

海上光伏关键结构的腐蚀与防护综述

陈晓华1, 满成1, 甄永泰2, 付龙3, 崔洪芝,1

1.中国海洋大学材料科学与工程学院 青岛 266100

2.广东泉为新能源科技股份有限公司 东莞 523000

3.山东理工职业学院能源与材料工程学院 济宁 272067

Review on Corrosion and Protection of Key Structures for Offshore Photovoltaic Industry

CHEN Xiaohua1, MAN Cheng1, ZHEN Yongtai2, FU Long3, CUI Hongzhi,1

1.College of Materials Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China

2.Guangdong Quanwei New Energy Technology Co. Ltd. , Dongguan 523000, China

3.School of Energy and Materials Engineering, Shandong Institute of Technology, Jining 272067, China

通讯作者: 崔洪芝,E-mail:cuihongzhi@ouc.edu.cn,研究方向为极端环境耐蚀耐磨耐热材料设计、腐蚀磨损损伤防护以及高能束加工、表面强化、增材制造、多孔材料、海水淡化等

收稿日期: 2025-06-03   修回日期: 2025-08-06  

基金资助: 国家自然科学基金.  U2106216
国家自然科学基金.  52331004
山东省重点研发计划项目.  2023ZLGX05
山东省重点研发计划项目.  2023CXGC010406
山东省自然科学基金重点项目.  ZR2022ZD12
山东省自然科学基金重点项目.  ZR2024ZD14
泰山学者攀登计划.  tspd20230603
中国海洋大学-泉为未来新能源技术开发(安徽)有限公司海洋光伏技术联合研发中心项目

Corresponding authors: CUI Hongzhi, E-mail:cuihongzhi@ouc.edu.cn

Received: 2025-06-03   Revised: 2025-08-06  

Fund supported: National Natural Science Foundation of China.  U2106216.  52331004
Key R&D Program of Shandong Province.  2023ZLGX05.  2023CXGC010406
Key Program of Natural Science Foundation of Shandong Province.  ZR2022ZD12.  ZR2024ZD14
Taishan Scholarship of Climbing Plan.  tspd20230603
Project of Joint R & D Center for Marine Photovoltaic Technology between Ocean University of China and Quwei for Future New Energy Technology Development (Anhui) Co. Ltd

作者简介 About authors

陈晓华,女,1991年生,博士生

摘要

海上光伏的建设实现了光伏发电系统由陆向海的转移,为解决陆地上可再生能源利用空间有限的问题提供了途径,为光伏产业的发展创造了新机遇,成为光伏产业一个重要发展方向。然而,海洋环境具有高湿、高盐雾等特性,这给海上光伏产业的发展带来了新的挑战,尤其是光伏组件桁架及桩基材料等关键结构的腐蚀成为制约其大规模发展和应用的关键。基于此,本文围绕海上光伏系统关键结构的腐蚀问题展开论述,根据海上光伏的类型、结构特征、材料种类、服役环境等,分析其在海洋环境下潜在的腐蚀特征,并系统性介绍关键结构的腐蚀防护方案,为海上光伏系统的建设及运维提供参考。

关键词: 海上光伏 ; 结构 ; 腐蚀 ; 防护措施

Abstract

It can be foreseen that the construction of offshore photovoltaic (PV) power generation will facilitate the transfer of green power generation systems from land to sea, expand the space for the development of renewable energy, create new opportunities for the development of the photovoltaic industry, hence it is an important development direction for the photovoltaic industry. However, the marine environment is characterized by high humidity, and high salinity, which poses new challenges for the development of the offshore PV industry. In particular, the corrosion of key structural components such as PV module racks and pile foundations has become a key factor limiting its large-scale development and application. Considering this, herein, the corrosion issues of key structures in offshore PV systems were focused on. Such as the corrosion characteristics of the engineering structures of PV power generation systems may encounter in the marine environment are analyzed in terms of the structure types, structural features, material varieties, and service conditions etc. In addition, systematic countermeasures for corrosion protection of structural components were proposed, therewith providing a reference for the construction, operation and maintenance of offshore PV systems.

Keywords: off photovoltaic ; structure ; corrosion ; protection

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本文引用格式

陈晓华, 满成, 甄永泰, 付龙, 崔洪芝. 海上光伏关键结构的腐蚀与防护综述. 中国腐蚀与防护学报[J], 2026, 46(2): 315-326 DOI:10.11902/1005.4537.2025.165

CHEN Xiaohua, MAN Cheng, ZHEN Yongtai, FU Long, CUI Hongzhi. Review on Corrosion and Protection of Key Structures for Offshore Photovoltaic Industry. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection[J], 2026, 46(2): 315-326 DOI:10.11902/1005.4537.2025.165

近年来,在“双碳”战略的支撑下,我国持续推进产业结构和能源结构调整,大力发展可再生能源[1~3]。太阳能是一种清洁能源形式,太阳能光伏发电作为新能源领域的重要组成部分,具有创新性、灵活性、可再生性、清洁性等重要特性,对推进能源生产和消费革命、促进生态文明建设具有重要意义[4,5]。近年来,在产业政策引导和市场需求驱动的双重作用下,太阳能光伏发电技术的快速创新迭代,全国太阳能光伏产业实现了快速发展,已经成为我国为数不多可参与国际竞争并取得领先优势的产业[6~8]

然而随着陆上光伏项目的高速持续开发,导致可开发利用的土地资源紧张,这将成为限制我国太阳能光伏发电产业发展的重要瓶颈问题。海上光伏的建设实现了光伏发电系统由陆向海的转移,为解决陆地上可再生能源利用空间有限的问题提供了途径,为光伏产业的发展创造了新机遇[9]。据国家海洋技术中心海洋能发展中心表示,中国海岸线长1.8 × 104 km,按照理论研究,可安装海上光伏的海域面积约为7.1 × 105 km2,按照1/1000的比例估算,可安装海上光伏装机规模超过70 GW[10]

目前海上光伏产业处于起步阶段,建设经验积累不足,在太阳能光伏发电站关键结构的选材与防护等方面尚未形成系统性的规范、标准等。同时,海洋环境具有高湿、高盐雾等特性,这给海上光伏产业的发展带来了新的挑战,尤其是光伏组件桁架及桩基材料等关键结构的腐蚀成为制约其大规模发展和应用的关键。基于此,本文围绕海上光伏系统关键结构的腐蚀问题展开论述,根据海上光伏的类别、结构特征、材料种类、服役环境等,分析其在海洋环境下潜在的腐蚀特征,并系统性介绍关键结构的腐蚀防护方案,为海上光伏系统的建设及运维提供参考。

1 海上光伏的类别、结构及材料特征

海上光伏系统主要分为桩基式(固定式)和漂浮式两大类。桩基式海上光伏也称“架高式海上光伏”,其基础形式为采用预应力高强混凝土(PHC)管桩或钢管桩构成的基础桩+热镀锌/防腐涂料体系桁架钢平台的组合(图1a)[11];该结构通常适用于浅水区域及地质稳定、无地面沉降风险的水体环境,常见于水产养殖池、盐田排淡系统等对基础稳定性要求较高的水域工程场景[10]。漂浮式海上光伏系统是通过浮力结构模块与锚泊定位系统协同作用,使光伏阵列、逆变器等发电单元稳定漂浮于海面的创新型发电技术(图1b)[12]。主要分为浮管式架构和浮箱式架构两类,适用于水深条件良好、海洋动力环境相对平缓的海域,具有显著的环境适应性与运维便利性优势[10]

图1

图1   海上光伏的结构类型[11,12]

Fig.1   Types of offshore photovoltaic structures: (a) pile foundation type[11], (b) floating type[12]


现阶段海上光伏以桩基式为主(滩涂、潮间带),其中常见的基础桩包括PHC管桩和钢管桩。PHC管桩是一种采用先张法预应力与离心成型工艺制成的混凝土空心圆筒体等截面构件,具有高强度、高承载力和良好的抗弯性能,目前主要用于0~3 m水深/滩涂地区的海上光伏项目,典型的代表有象山长大涂光伏项目、温州泰瀚渔光互补发电项目。钢管桩通常选择碳素结构钢作为基材,并采用防腐涂层和牺牲阳极等保护措施提高耐久性,其具有强度高、稳定性好等特点,通过采用焊接的方式与桁架钢平台连接,适用于深水区(3~10 m)大模块的海上光伏阵列,代表性项目有海阳HG34近海桩基海上光伏项目。

桁架平台主要包括支架和连接件两个模块。现阶段已建的海上光伏项目中支架选用的材料主要为镀锌钢、锌铝镁钢,从提升耐蚀性的角度,可以考虑选用不锈钢、铝合金、玻璃钢复合材料等材料进行替代。常用的连接方式包括活动连接、焊接与铆接:活动连接主要体现在桁架钢平台和桩顶之间通过焊接空心球的连接[13];焊接与铆接主要体现在钢支架之间的连接及光伏组件的固定与安装,其中铆接用到紧固件材质通常为金属(镀锌钢、不锈钢)和复合材料。

漂浮式海上光伏电站的结构主要包括:漂浮系统、钢框架、锚固系统。其中钢框架的结构特征及材料类型与桩基式基本一致。其中漂浮系统主要包括浮管式和浮箱式,其中浮管式是指采用高密度聚乙烯等树脂基材料(HDPE)或涂有外防腐涂料的薄壁镀锌钢管浮管,并与金属支架相结合构成漂浮系统;而浮箱式漂浮系统的浮力则是由采用HDPE制成的浮箱提供。海上光伏电站可选用锚固系统种类较多,如配重锚固系统、桩锚固系统、悬链线锚固系统等,其中涉及的材料类型主要包括:HDPE、不锈钢、铸铁、高强度合金钢、镀锌铁链、合成材料锚链、超高分子量聚乙烯纤维、化学纤维绳、钢丝绳、铝合金绳和复合绳等。目前漂浮式海上光伏较少,典型的案例是位于山东海阳的深远海风光同场漂浮式500 kW光伏实证项目,其中漂浮系统由浮管加柔性薄膜构成[12]

2 影响海上光伏腐蚀的环境因素

根据海上光伏系统的立体化结构特征,其工程组件涉及水上结构体、过渡连接段及水下支撑系统等多个海洋空间维度。从海洋环境对腐蚀问题影响的角度考虑,沿垂直方向将海洋环境划分为5个不同特性的腐蚀区带,分别是:海洋大气区、浪花飞溅区、海水潮差区、海水全浸区和海底泥土区,如图2所示[14,15]

图2

图2   海洋腐蚀环境区域图[14,15]

Fig.2   Area map of marine corrosive environment[14,15]


2.1 海洋大气区

海洋大气区是海洋腐蚀环境中位于海平面以上,波浪不能直接冲击到的区域[14]。在海洋大气区金属腐蚀行为研究中,气溶胶盐分沉降主导的薄液膜腐蚀机制构成主要失效模式[16],其中,Cl-通过海盐颗粒在大气输运过程中的选择性富集,在金属表面形成具有强吸湿特性的薄液膜电解质系统。当环境温度波动触发露点效应时,薄液膜厚度随相对湿度变化呈现非线性响应,导致界面氧扩散速率与电化学反应动力学参数发生协同演变。尤其在昼夜/季节交替期的干湿交替循环工况下,金属/电解液界面持续经历液膜重构过程,诱发腐蚀产物层破裂形成局部腐蚀微电池,显著加速材料劣化进程[17]。海洋大气区的金属腐蚀还受到多重环境因素影响,主要包括温度变化、降雨强度、结露频率、离海高度、日照强度、粉尘沉积、季节转换、风速风向以及污染物浓度等参数。这些因素通过改变金属表面微环境,共同作用于腐蚀过程。桩基式海上光伏系统中桁架钢平台、光伏组件等结构处于海洋大气区,其中的支架、连接件将发生海洋大气腐蚀。

2.2 浪花飞溅区

浪花飞溅区特指以天文潮基准面为参照、受波浪动力作用形成的周期性干湿交替带,其腐蚀强度远大于海水全浸区[18]。浪花飞溅区的金属腐蚀尤为严重,主要由于该区域环境存在以下特征:金属表面频繁被海水浸湿,海水与空气接触充分(氧气充足、盐分浓度高),叠加波浪冲击带来的机械破坏作用。强风浪引发的剧烈海水运动不仅加剧了腐蚀与磨损的联合破坏,还会持续冲刷腐蚀产物和防护涂层,进一步加速材料劣化[19]。工程实践中,漂浮式海上光伏的支撑结构长期暴露于该区域;桩基式光伏系统的钢架下部及基础桩顶部通常也处于浪花飞溅区范围。

2.3 海水潮差区

海水潮差区指介于平均低潮线与平均高潮线之间的海岸带区域,具有周期性潮水涨落的特点[20]。每日潮汐涨落使材料表面经历浸没-暴露循环,形成独特的薄液膜电化学环境。涨潮时材料处于全浸腐蚀状态(类似海水全浸区),落潮时表面残留高盐薄液膜,氧扩散速率提高[21]。蒸发作用导致液膜盐度提高,引发氯化物结晶应力与浓差电池效应。潮汐动能造成微动磨损、飞溅海水持续更新腐蚀介质和日晒加速氧化反应动力学等导致了潮差区材料较为严重的腐蚀现象[22]。漂浮式海上光伏系统主要依靠海水的浮力作用漂浮在海面上,其与海面的距离取决的浮力的大小,基本不受潮汐作用影响,理论上不存在潮差区;桩基式海上光伏系统中,基础桩的中间部分处于潮差区。

2.4 海水全浸区

海水全浸区为海底泥土之上海水低潮线以下的常年海水覆盖区域,材料在该区域腐蚀的一个重要特点是腐蚀速率随深度增加有所减轻[23]。海洋环境中金属材料的腐蚀程度与海水含氧量密切关联,氧含量垂直分布特征为:表层海水大气溶氧+光合作用供氧,溶解氧浓度高;中层海水氧含量随深度指数衰减;深层海水由于极地高密度富氧水下沉补充,氧浓度回升。氧含量在不同海区造成的腐蚀规律与影响因素不同,浅海区高氧环境加速金属电化学腐蚀;深海区低温低氧减缓腐蚀。漂浮式海上光伏系统中漂浮支架的底部以及桩基式海上光伏系统中基础桩的中部区域处于海水全浸区。

2.5 海底泥土区

海底泥土区,也称为海泥区,是海洋腐蚀环境中位于海水全浸区以下的区域,主要由海底沉积物构成[24]。海泥区的金属腐蚀呈现特殊环境特征包括:(1) 低氧腐蚀基础:沉积物孔隙水中溶解氧低,使得常规电化学腐蚀速率降低[25,26]。(2) 微生物腐蚀主导:硫酸盐还原菌(SRB)等微生物通过代谢活动,将硫酸盐转化为硫化氢,引发硫化物应力腐蚀开裂(SSCC),产生酸性代谢产物,形成生物膜导致氧浓差电池复合腐蚀机制[27]。(3) 微生物腐蚀(MIC)与化学腐蚀的协同作用提高点蚀速率,典型蚀坑深度大[28,29]。桩基式海上光伏系统中基础桩的底部处于海泥区,海泥区对PHC管桩的影响较小,而对于钢制管桩需要考虑微生物对腐蚀行为的影响。

3 海上光伏的结构腐蚀

近年来,随着海上光伏产业的快速发展,海上光伏装备的腐蚀问题逐渐凸显,其中桩基结构和桁架平台的腐蚀问题是现阶段制约海上光伏大规模发展和应用的关键。

3.1 桩基结构的腐蚀特征

目前,桩基式海上光伏的基础桩主要采用预应力高强混凝土管桩和钢管桩两种类型的结构。预应力高强混凝土管桩在海洋环境中的腐蚀主要包括两种类型:一是混凝土自身的腐蚀;二是由Cl-侵蚀引起的钢筋锈蚀。混凝土结构的腐蚀类型主要有以下形式[30]:当Cl-侵入混凝土且钢筋表面Cl-浓度达到临界值时,钢筋表面钝化膜被破坏,钢筋开始锈蚀引起的混凝土耐久性退化主要表现为多种腐蚀机制的协同作用:空气中的CO2通过混凝土孔隙进行扩散,与孔隙液中的氢氧化钙发生中和反应,导致混凝土碱性环境破坏,促使钢筋失钝;同时,水流作用使Ca(OH)2逐渐溶解流失,造成混凝土中胶凝物质减少,从而使得混凝土强度下降;最后,环境中酸、盐等物质与水泥水化产物发生离子置换反应,生成可溶性化合物,导致结构开裂。特别值得注意的是氯离子侵蚀过程(图3):在碱性环境中钢筋表面形成致密氧化膜,但当Cl-/OH-浓度比增大,钝化膜局部破裂引发电化学腐蚀,铁离子水解的腐蚀产物体积膨胀,最终导致混凝土保护层顺筋开裂[31]。钢筋的锈蚀过程通常与混凝土的腐蚀密切相关:一方面,混凝土可以部分阻挡侵蚀性介质与钢筋的直接接触,另一方面混凝土孔隙溶液的高碱性维持了表面的钝化。

图3

图3   混凝土结构在海洋环境中的腐蚀失效机制[31]

Fig.3   Corrosion failure mechanism of concrete structures in marine environments[31]


钢管桩的基体材料通常是碳素结构钢,在海洋环境中极易发生腐蚀,腐蚀形式为电化学腐蚀,其阳极和阴极的反应式为:

阳极:FeFe2++2e-
阴极:O2+2H2O+4e-4OH-

因此,海上光伏系统中的钢管桩需要配合防护涂层使用,其中有机涂层是目前在海洋环境中常用的防护方法,海阳HG34近海桩基海上光伏项目中钢管桩采用了环氧树脂基防护涂层体系。有机涂层的防护机制主要是屏蔽作用,即阻碍腐蚀介质与金属直接接触。有机涂层的腐蚀失效过程始于其固有的微孔缺陷,这些制备缺陷在服役中成为H2O、O2等介质的渗透通道[32,33];通过涂层亲水基团的氢键作用引发聚合物溶胀降解,同时Cl-等离子迁移产生的渗透压加速介质传输。当腐蚀介质突破涂层屏障到达金属界面时,阳极反应与阴极反应形成自催化腐蚀电池。界面处Fe(OH)2氧化产物的体积膨胀引发涂层起泡剥离,暴露的新鲜金属表面使腐蚀速率呈指数增长,形成"介质渗透-界面腐蚀-涂层失效"的恶性循环[34]

桩基式海上光伏系统的基础桩贯穿海洋各腐蚀区带:大气区桩段受海雾携带的氯离子长期侵蚀,虽无直接海水冲刷但存在累积性腐蚀;浪溅区桩体承受高频波浪冲击,腐蚀速率高;潮差区因周期性浸没形成中等强度的腐蚀;全浸区与海泥区环境因缺氧使年腐蚀速率下降。

3.2 桁架平台支架的腐蚀特征

桁架平台的腐蚀问题主要体现在支架和连接部位。现阶段海上光伏系统中桁架平台支架使用的材料主要为热镀锌钢(热镀锌铝镁钢)。热镀锌钢是指表面覆盖热浸镀锌层的钢材,通过在钢材表面镀锌来提高其耐腐蚀性和延长使用寿命。热镀锌层对钢材的保护作用主要体现在以下3个方面[35]:镀锌层作为腐蚀屏障在钢材表面形成致密的氧化膜;镀锌层表面能够形成致密且黏附的腐蚀性产物膜对受损区域产生密封作用;Zn的标准电极电位比铁低,能够对钢基体进行阴极保护。暴露在大气环境中时,热镀锌层首先通过氧化作用形成Zn(OH)2,随后与空气中的CO2反应形成Zn(CO3)2(OH)6;在富含氯化物的海洋环境中,Cl-将参与表面膜层的形成过程,促进Zn5Cl2(OH)8·H2O等含Cl-膜层的形成,其稳定性取决于环境中Cl-浓度及pH[36]。热镀锌钢在海洋环境中首先发生点蚀,随后向均匀腐蚀转变,热镀锌层失效的标志是表面出现红锈[35,37]。需要指出的是热镀锌钢在海洋大气区中具有较好的耐蚀性能,而在海水全浸区、海水潮差区和浪花飞溅区的防护性能不理想[38]。李鑫等[39]通过在青岛海域进行实海挂样,研究了热镀锌钢在海水全浸区、海水潮差区和浪花飞溅区的防护性能,结果表明,热镀锌钢板在海水全浸区、海水潮差区和浪花飞溅区出现红锈的时间分别是3、6和12个月。另外,通过调整热镀锌层的合金成分,能够改善其保护性能[40~42]。于程福等[43]通过盐雾试验对比了光伏支架用后浸镀锌和连续热镀锌铝镁钢的耐蚀性,结果表明ZM275支架生成的腐蚀产物具有良好的保护作用,经历3000 h盐雾后,无明显红锈出现,4000 h出现轻微红锈;65 μm厚浸镀锌支架1000 h就出现轻微浮锈现象,随时间延长红锈加重;85 μm厚浸镀锌支架在3000 h无明显红锈,4000 h出现轻微红锈;100 μm厚浸镀锌支架在1500 h即出现了锈点,但随时间延长(5000 h)锈蚀变化程度较小,且出现红锈面积小于65和85 μm厚浸液支架,如图4所示。

图4

图4   中性盐雾条件下镀锌钢腐蚀不同时间的宏观形貌[43]

Fig.4   Corrosion macroscopic photos of galvanized steel at 0 h (a), 1000 h (b), 1500 h (c), 3000 h (d), 4000 h (e) and 5000 h (f) under neutral salt spray conditions of 0 μm (a1-f1), 65 μm (a2-f2), 85 μm (a3-f3) and 100 μm (a4-f4) coating[43]


3.3 桁架平台紧固件的腐蚀特征

桁架平台上的连接主要包括活动连接、铆接、焊接等形式。连接部位除了发生由材料自身性质引起的腐蚀形式之外,还会发生与结构特征密切相关的腐蚀形式,如缝隙腐蚀、电偶腐蚀、磨损腐蚀等[44,45]。缝隙腐蚀是局部腐蚀中一种常见的局部腐蚀类型,主要发生在金属材料与金属材料或非金属材料之间形成的狭小缝隙之中,其敏感宽度通常为0.025~0.1 mm[46,47]。海上光伏桁架平台的连接位置往往存在金属与金属的连接、金属与非金属的连接等结构类型,这些结构都会形成缝隙,促进缝隙腐蚀发生。电偶腐蚀是指当两种或更多不同的金属或合金在电解质中接触时,由于它们具有不同的电极电位,其中一种金属(较活泼的金属)作为阳极,另一种金属(较不活泼的金属)作为阴极,两个电极之间的电位差是加速腐蚀作用的驱动力,使阳极金属溶解到电解质中,最终导致阳极处的金属腐蚀速度比正常情况下更快,而阴极处的腐蚀则被抑制[48]。海上光伏桁架平台连接时,紧固件与支架材料不同,属异种金属连接(如不锈钢与镀锌钢、不锈钢与铝合金等),具备发生电偶腐蚀的条件[49]。磨损腐蚀是在材料表面磨损与腐蚀介质共同作用下所产生的局部性金属腐蚀[50]。海上光伏桁架平台的活动连接、螺栓铆接等结构在海浪等因素的作用下,产生金属材料之间的相对运动现象,造成机械磨损,促使磨损腐蚀发生。另外,焊接也会对桁架平台的腐蚀行为产生一定的影响[51]:一方面,焊接的热输入将会改变材料的组织结构特征,改变材料的耐蚀性能;另一方面,焊接将会破坏金属材料表面的保护层,如镀锌钢的镀锌层、不锈钢的钝化膜等。

以上从结构特征的角度,论述桩基式海上光伏系统基础桩和桁架平台的腐蚀问题,漂浮式海上光伏系统可能出现的腐蚀问题与之基本一致,但也有所区别,例如漂浮式海上光伏系统中不存在固定式基础桩,不会出现基础桩面临的腐蚀问题,特别是PHC管桩遇到的混凝土腐蚀;漂浮式海上光伏系统的活动性较强,锚固系统浸泡在海水中由于海水冲刷和腐蚀将面临更为严重的磨损腐蚀问题。

4 海上光伏的腐蚀防护方法

目前,海上光伏发展时间较短,尚未有系统的腐蚀防护标准、规范,现阶段的防护方案主要借鉴海上风电、海洋平台、船舶等领域的成熟案例。目前,海上风电钢结构常用的防护技术主要包括涂层保护[52]、阴极保护[53]和材料选择等方法[54]。环氧-聚氨酯复合涂层通过物理屏障效应阻隔Cl-渗透[52,55];热镀锌层不仅可以形成保护层还可以作为牺牲阳极保护金属基体[53,56~58];材料选择方面可以选择更耐腐蚀的材料如不锈钢或合金钢来提高结构[54]。中国科学院海洋研究所侯保荣院士结合固定式桩基在各海洋区带的腐蚀规律,对不同部位宜采取的腐蚀防护手段给予了建议(如图5所示)[59],其中海洋大气区主要采用保护层(有机涂层、镀锌层)、氧化聚合包覆防蚀技术(OTC)等,浪花飞溅区和海水潮差区采用复层矿脂包覆防蚀技术(PTC)、重防腐涂层等,海水全浸区及海泥区采用重防腐涂层、阴极保护(ICCP)及涂层+阴极保护等。

图5

图5   海上光伏整体腐蚀防护建议[59]

Fig.5   Suggestions for overall corrosion protection of offshore PV[59]


4.1 桩基结构的防腐措施

桩基结构所面临的腐蚀环境最为复杂严苛,也是腐蚀防护设计最为关键的部位。基于现有桩基式海上光伏项目的建设经验以及海上风电等海洋工程的案例,预应力高强混凝土管桩的水下部分(海水全浸区、海底泥土区)主要考虑采用重防腐涂层进行防护,海水潮差区和浪花飞溅区可以采用重防腐涂层、复层矿脂包覆防腐系统;钢管桩的水下部分可以采用防腐涂层和牺牲阳极结合保护措施,海水潮差区和浪花飞溅区可以采用重防腐涂层、复层矿脂包覆防腐系统。

目前海洋环境常用的防护涂层体系为:环氧树脂基的底漆、中间漆+聚氨酯面漆。在GB/T 33423-2024中要求,使用年限20~25 a的海上风电桩基防护涂层的干膜厚度一般为320~560 μm[60]。山东电力工程咨询院有限公司联合厦门双瑞公司等单位,通过现场实证试验,证实了环氧重防腐涂料(刮涂型)、环氧玻璃鳞片涂料(喷涂型)两种防腐涂层方案的施工效果及180 d后的现场海洋环境勘测中均满足要求,配合低锌铝合金牺牲阳极(GB/T4948-2025)使用能够对钢管桩腐蚀起到较好的防护作用[61]。此外,侯保荣团队研制的由矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带、密封缓冲层和防蚀保护罩组成的PTC能够在海水潮差区和浪花飞溅区起到理想的防护效果,防护寿命可以达到30 a,该技术在50多项国家重大工程中得到应用[62]表1列出了海上光伏钢管桩涂层防腐方案对比,上述方案均能满足应用需求。

表1   海上光伏钢管桩涂层防腐方案对比[61]

Table 1  Comparatively analysis of different anticorrosion solutions[61]

SolutionEpoxy heavy-duty anti-corrosion coatingEpoxy glass flake coating
PerformanceGoodGood
Application methodKnife coatingSpray coating
Solid content100%84%
Abrasive resistance< 50 mg-
Loss coefficient1.3 low2.0 high
CostLowMedium
MaintainEasyMedium

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4.2 桁架平台支架的防腐措施

桁架平台处于海洋大气区,可以从防护涂层、耐蚀材料设计的角度进行防腐蚀设计。近年来,国内相关单位开展了海上光伏桁架结构防护方案的探索与验证,结果如表2所示[61]。用于桁架平台钢支架的防护涂层主要为:镀锌层、有机涂层、镀锌层+有机涂层等。山东电力工程咨询院有限公司联合厦门双瑞船舶涂料有限公司等单位采用热盐水试验、中性盐雾试验对比了镀锌层、有机涂层、镀锌层+有机涂层3种方案的防护效果,结果表明裸钢样板在168 h盐雾和168 h热盐水环境下出现严重腐蚀;镀层试样在900 h盐雾和920 h热盐水环境下已开始腐蚀,尚未达到20 a的防腐需求;有机涂层、镀锌层+有机涂层试样1822 h热盐水和1793 h盐雾的环境下,其表观始终保持完好无锈迹[10,61]

表2   海上光伏钢桁架防腐方案对比[61]

Table 2  Comparatively analysis of different anticorrosion solutions to steel truss at offshore area[61]

SolutionGalvanizationGalvanization + CoatingCoating
PerformanceMediumExcellentGood
Reference standardNoYesYes
Application speedFastMediumMedium
Repair of welding pointsNoEasyEasy
CostLowMediumMedium

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从耐蚀材料设计的角度进行防护设计是指选用不锈钢、铝合金、复合材料替代现用的碳素结构钢。铝合金支架采用高强度铝合金经热挤压成型工艺制造,表面经阳极氧化处理生成致密Al2O3膜层,兼具轻量化、优异耐候性及装饰性等特性,但其材料与加工成本较普通碳钢支架高,适用于对重量敏感且预算充足的海上光伏项目[63,64]。高性能复合材料主要包括碳纤维、有机纤维、陶瓷纤维及其复合材料,是结构轻量化的首选材料,复合材料作为光伏支架材料最大优势是具有可设计性,甚至可以根据服役环境和结构特点进行优化设计[65,66]。王伟等[66]基于光伏支架的使用要求和经济效益考虑对玄武岩纤维和玻璃纤维增强复合材料进行材料性能监测,结果表明复合材料满足光伏支架的各项基本要求,具有较高的强度及较好的稳定性,同时可以通过建模进行结构设计,优化耐磨耐蚀等应对极端环境的性能。

4.3 桁架平台紧固件的防腐措施

海洋大气环境中,紧固件的防腐设计主要为氟碳涂层、粉末渗锌、达克罗、磷化处理等表面处理方式。

氟碳涂层是以氟碳树脂为基础制成的涂料,也简称氟碳涂料。氟碳树脂是指分子主链或侧链含有氟碳键(F—C)的聚合物,具有超高耐候性、高化学稳定性、高机械强度和韧性、耐热性好、低表面能、低磨损系数等优点。氟碳涂料是以有机氟聚合物为主成膜物质的新型防护材料,其分子结构中的C—F键呈螺旋状排列形成能量壁垒,赋予涂层超耐候性、化学惰性、机械强化特性。对比试验数据显示,在海洋大气环境中氟碳涂层的有效防护周期长于丙烯酸聚氨酯体系,且紫外加速老化后的失光率低,展现卓越的环境稳定性[67]

粉末渗锌是一种基于固态扩散原理的表面强化技术,通过热激活作用使锌基合金元素与钢铁基体发生冶金结合,形成梯度化Zn-Fe合金层。该技术制备的渗锌层具有纳米晶结构和自封闭特性,涂覆性能好且与有机涂层有良好的附着强度。张佃臣等[68]采用盐雾试验研究了粉末渗锌件的耐蚀性能,结果表明经过1000 h的盐雾试验后,渗锌层基本无变化,仅出现少量白锈,由此可见渗锌层能够满足盐雾环境下耐腐蚀的需求,具有较好的应用前景。

达克罗涂层技术是通过水性分散体系将微米级鳞片状锌铝粉末与CrO3等组分复合制备的新型防腐体系。余剑等[69]采用盐雾试验和旋转试验比较了达克罗紧固件与镀锌紧固件的耐磨耐蚀性能,结果表明经过10次旋转磨损后,达克罗紧固件仍能经受480 h盐雾试验,性能优于镀锌件。

磷化处理是指在一定的温度和时间条件下,将按照特定方式配制好的腐蚀溶液,通过浸泡、刷涂、喷淋或喷浸等工艺方法,与金属材料接触,并在其固液界面处发生化学或电化学反应,同时在反应过程中,在金属材料表面磷化物开始沉积,最终形成磷化膜。许冬冬[70]通过电化学实验和浸泡试验评估了磷化低碳钢的耐蚀性,结果表明,磷化处理后低碳钢在3.5% (质量分数) NaCl溶液中的腐蚀电流密度下降至10-5~10-6 A·cm-2量级。

温家浩等[71]对比了以上4种紧固件防腐技术的表面层厚度、硬度、中性盐雾试验、附着强度、结合特性与成本等性质,如表3所示。

表3   4种防腐技术指标对照表[71]

Table 3  Comparison table of four anti-corrosion technical indicators[71]

Surface treatment methodThickness / μmHV hardnessSalt spray test / hAdhesive strengthCombination modeCost (¥/kg)
Fluorocarbon coating25-602-530004Mechanical bonding3
Zinc impregnation5-85350-55096-30001Diffusion metallurgy4
Dacromet5-152-610004Oxidation3
Phosphating5-20500-5501003Chemical oxidation2

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5 结语与展望

海上光伏为解决陆地上可再生能源利用空间有限的问题提供了途径,为光伏产业的发展创造了新机遇。海洋环境具有高湿、高盐雾的特性,海上光伏桩基、桁架等关键结构将面临严重的腐蚀问题,这是限制海上光伏发展的一个瓶颈问题。然而,目前海上光伏尚处于初期阶段,桩基、桁架等关键结构的腐蚀防护尚缺少系统的标准、规范。因此,未来与海上光伏关键结构的腐蚀与防护相关的研究应着重从以下几个方面:

(1) 基于海上光伏关键结构的服役环境特点、腐蚀特性以及设计寿命需求,从耐蚀材料、阴极保护、防护涂层等角度出发,设计适用于海上光伏关键结构腐蚀防护的新材料、新工艺、新方法,例如研发增强复合材料的轻量化边框,开发玻璃纤维增强聚氨酯复合材料支架,研制适用于温差较大的潮间带环境的形状记忆聚合物涂层等。

(2) 发展海上光伏关键结构用腐蚀监检测技术,实现海上光伏关键结构腐蚀状态的实时监测,为海上光伏系统的运行、维护方案设计提供技术支撑,保障海上光伏系统的长期稳定运行。如分布式光纤传感系统,实时监测应变、温度、腐蚀速率等。

(3) 以海上光伏电站建设、运维情况为出发点,结合腐蚀防护的新材料、新工艺、新方法验证试验结果,构建海上光伏关键结构腐蚀防护相关的标准,规范化海上光伏关键结构的防腐设计。如设计制定《海上光伏防腐分级设计规范》,按海域腐蚀等级差异化要求,明确不同海区支架材料具体要求。

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