海上光伏腐蚀防护系统性解决方案

徐初琪，董建业，彭 儒，胡思堑，黄凯龙

（1.中国船舶集团公司第七二五研究所厦门双瑞船舶涂料有限公司，福建厦门 361101；2.山东电力工程咨询院有限公司，山东济南 250013）

0 引言

近年来，随着全球碳减排进程的加速，可持续发展的清洁能源成为了主角。而在碳达峰、碳中和目标的支撑和推动下，绿色能源行业更是迎来了迅速发展的新周期，光伏市场也迎来愈加火热的行情。

陆上光伏系统一般安装在地面或屋顶，对于地面光伏系统来说，项目的实施需要占用大量土地。我国在西部沙漠、戈壁地区已建成规模化光伏产业，在发电的同时实现了防风固沙和生态修复。而在我国中东部地区，土地资源和相关政策限制正在成为制约光伏规模化发展的关键因素。多个部门针对农田和涉水涉林等新能源用地出台了相关政策，严格管控光伏电站项目建设，而中东部光伏项目又主要以农光、渔光互补类型为主，这严重影响了光伏产业的发展。

海上光伏顾名思义是指在海面上建立的光伏电站。它与陆上光伏最大的不同就在于它不占用农业用地，只利用现有的海面建立发电站。海上光伏具有天然的环境优势，水面开阔没有遮挡物，日照较长且能充分利用水面反射光，可以显著提升发电量。同时，还可以将海上光伏与海洋渔业、滩涂养殖等相结合，形成能源与资源的充分利用。据测算，我国大陆海岸线长1.8 万公里，可以安装海上光伏的海域面积约71 万平方公里，按照1/1 000 的比例估算，安装海上光伏装机规模超过70 GW。海上光伏已经成为一种新的能源利用方式和资源开发模式［1］。

海洋环境与内陆湖泊环境差异主要体现在海洋大气和海水中均含有大量的腐蚀离子Cl-，这是导致金属腐蚀的主要成分。本研究对现有海上光伏的腐蚀环境进行分区，针对不同区域的腐蚀特点，设计相应的腐蚀防护方案，为海上光伏的结构全寿命周期提供安全保障。

1 海洋腐蚀环境与分区

与淡水环境相比，海洋环境是一个复杂、恶劣的自然腐蚀环境。海上光伏处于腐蚀严重的海洋大气环境之中，不仅有着腐蚀问题，而且还会受到物理性的撞击，如船舶靠泊和其它漂浮物的撞击等，以及海洋生物（海洋动物、贝类、植物类等）的附着腐蚀影响［2］。

1.1 腐蚀规律

海洋环境的腐蚀情况可以分成五大区：海洋大气区、飞溅区、潮差区（水位变动区）、全浸区和海泥区。按ISO 12944—2：2017《涂料和清漆 用防护涂料系统对钢结构件进行的防腐蚀保护 第2 部分：环境分类》海洋大气区处于C5 或者CX 的腐蚀级别，飞溅区、潮差区和全浸区海水接触，处于Im4 的腐蚀级别。

无论是在海洋环境下长钢尺的挂片试验，还是实际的生产实践中，海洋环境下的钢结构腐蚀具有很强的规律性。图1 是钢桩在美国Kure Beach（基尔海滨）中暴露5 a 后的腐蚀示意图，图中显示飞溅区是金属腐蚀最严重的区域。

1.2 海洋大气腐蚀

海洋大气与内陆大气有着明显的不同。海洋大气湿度大，易在钢铁表面形成水膜；海洋大气中盐分多，积存钢铁表面与水膜一起形成导电良好的液膜电介质，是形成电化学腐蚀的有利条件，因此海洋大气比内陆大气对钢铁的腐蚀程度要高4～5 倍。

1.3 飞溅区的腐蚀

海洋飞溅区的腐蚀除了来自海盐含量、湿度、温度等大气环境影响因素外，还要受到海浪的飞溅，飞溅区的下部还要受到海水短时间的浸泡。飞溅区的腐蚀离子Cl-含量要远远高于海洋大气区，浸润时间长，干湿交替频繁。碳钢在飞溅区的腐蚀程度远大于其它区域。在飞溅区，碳钢会出一个腐蚀峰值，在不同的海域，其峰值距平均高潮位的距离有所不同。腐蚀最严重的部位是在平均高潮以上的飞溅区，这是因为氧气在这一区域供应最充分，氧的去极化作用促进了钢铁的腐蚀，与此同时，浪花的冲击严重地破坏保护膜，使腐蚀加速。

1.4 潮差区的腐蚀

高潮位到低潮位的区域称为潮差区。在潮差区的钢铁表面经常与饱和了空气的海水相接触，使钢铁的腐蚀加剧。此外，在冬季有流冰的海域，潮差区的钢铁设施还会受到浮冰的撞击。

1.5 全浸区的腐蚀

平均低潮线以下的位置为海水全浸区。钢管桩的中下部位长期浸泡在海水中，钢铁的腐蚀会受到溶解氧、流速、盐度、污染物和海生物等因素的影响，其中溶解氧对钢铁腐蚀起着主导作用。

1.6 海泥区的腐蚀

海泥区位于全浸区以下，主要由海底沉积物构成。海底沉积物的物理性质、化学性质和生物性质随海域和海水深度的不同而不同。海泥实际上是饱和了海水的土壤，它是一种比较复杂的腐蚀环境，既有土壤的腐蚀特点，又有海水的腐蚀行为。海泥中含有的硫酸盐还原菌，会在缺氧环境下生长繁殖，从而对钢材造成较严重的腐蚀。

1.7 海生物的影响

海生物的污损对碳钢的腐蚀影响较大。污损海生物能阻碍氧气向腐蚀表面扩散，从而对钢铁的腐蚀有一定的保护作用。但是由于污损层的不渗透性和外污损层中嗜氧菌的呼吸作用，使钢铁表面形成缺氧环境，这有利于硫酸盐还原菌的生长。

在腐蚀离子、生物污损、疲劳载荷、高温、干湿交替等多重环境因素的长时间作用下，海上光伏系统的服役寿命必然会受到严峻的挑战。

2 海上光伏的类型

海上光伏主要分为桩基式和漂浮式两大类，现阶段海上光伏以桩基式为主（滩涂、潮间带），海上漂浮式光伏建设尚还处在从0 到1 的过程［3］。

2.1 桩基式海上光伏

桩基式海上光伏也称“架高式海上光伏”，常适用于水位较浅、无场地沉陷等地质灾害、水位变化较小的水面场地，如水产养殖池、盐场排淡池等。架高式水面光伏电站的光伏支架基础一般采用预应力钢筋混凝土管桩或者小直径的钢管桩，通常建设在水深小于5 m 的水域。其基础形式采用预应力高强混凝土（PHC）管桩或钢管桩加热镀锌+防腐涂料体系的钢支架的组合，桩顶高度高于水位0.4 m 以上；为方便船只通行，光伏组件下端离最高水位1 m 以上，组件采用最佳倾角安装。此类电站多采用“渔光互补”的建设模式，即利用水产养殖集中地区的池塘海洋资源，开发建设光伏发电项目，采用将海洋发电与水下养殖相结合的模式，实现多产业的互补发展。桩基式海上光伏也是目前最主流的方式，中国目前的海上光伏主要都在近岸。

2.2 漂浮式海上光伏

漂浮式海上光伏是指借助浮体材料与锚固系统使光伏组件、逆变器等发电设备漂浮在海洋上进行发电，适用于水深大于5 m、受台风影响不大的水域。漂浮式海上光伏主要分为浮管式和浮箱式两大类。其中，浮管式包括高密度聚乙烯（HDPE）浮管+支架、薄壁钢管+管内填充物+外防腐涂料+外防腐橡胶+支架、不锈钢+管内填充物+支架等形式；浮箱式包括HDPE 标准浮箱、HDPE 浮箱+支架、不锈钢浮箱+支架、高强复合混凝土浮箱+支架等形式。

漂浮式水上光伏是通过浮体支撑组件于水面上，锚固系统被应用于固定装置。

3 海上光伏面板支撑构件的腐蚀防护系统性解决方案

由前述可知，支撑海上光伏面板组件的管桩、衍架等构件所处的海洋环境几乎涵盖了腐蚀严重的大气区、飞溅区、潮差区和全浸区，因此，其支撑构件的腐蚀防护需要采用系统性方案设计。

3.1 桩基的防腐蚀方案

3.1.1 钢管桩

表1 为钢管桩的防腐蚀方案。

表1 钢管桩的防腐蚀方案Table 1 Anti-corrosion scheme of steel pipe pile

3.1.2 预应力高强混凝土管桩

表2 为预应力高强混凝土管桩的防腐蚀方案。

表2 预应力高强混凝土管桩的防腐蚀方案Table 2 Corrosion prevention scheme of PHC pipe pile

3.2 桁架及相关附件的防腐蚀方案

表3 为桁架及相关附件的防腐蚀方案。

表3 桁架及相关附件的防腐蚀方案Table 3 Corrosion prevention schemes of trusses and related accessories

表3 桁架及相关附件的防腐蚀方案已成功在国能聊城水上光伏项目（图3）、国家电投海阳HG34 近海桩基式海上光伏关键技术研究及示范项目（图4）中应用。

图3 国能聊城水上光伏项目Figure 3 Guoneng Liaocheng aquatic photovoltaic project

图4 国家电投海阳HG34 近海桩基式海上光伏项目Figure 4 Haiyang HG34 offshore pile foundation offshore photovoltaic project of State Power Investment Corporation

在双碳背景下，开发利用清洁型可再生能源是我国的必经之路。光伏技术是新能源发展的重要领域，且具有发展潜力大、综合效益高、生态环境友好等特点，光伏技术的发展和应用势必会贯穿整个未来能源发展的过程，成为未来联合产业发展的重中之重。传统陆上光伏的弊端随着规模扩大逐渐显露，为打破此瓶颈，海上光伏成为新亮点。海上光伏相关构件的腐蚀防护又是海上光伏大规模应用的保证，通过本文的相关腐蚀类型分析，提出不同区域的防腐蚀措施，为海上光伏全寿命周期提供安全保障。