離岸風力發(fā)電防蝕法六-輪機工程學系課件

國立海洋大學機械所105學年度

「海洋環(huán)境腐蝕與防制」課程

Ch1.課程簡介授課老師：邱善得1海洋腐蝕與防制授課老師：邱善得上課時間：(三)9：20~12：10

上課地點：機械系教室03/10/15ME70492MarineCorrosionandProtectionLecturer:Dr.San-DerChyou(邱善得老師)ClassHours:Wednesday9:20-12:10Room:國立臺灣海洋大學機械系教室Textbook:1.PrinciplesandPreventionofCorrosion–byDennyAJones2ndedition1996,ISBN0-13-359993-0Scoring(計分方式)Midtermexamin.期中考：30%Finaltermexamin.期末考：40%平時：30%homeworks作業(yè)(資料查閱研讀)(20%)attendance出席率(10%)03/10/15ME70494海洋防蝕課程大綱

Chapter1

Introduction海洋環(huán)境腐蝕海大造船所/機械所邱善得教授一、船艦鍋爐腐蝕

二、船艦冷卻水腐蝕監(jiān)測

三、船艦與海中構(gòu)造物之海生物腐蝕

四、海水污染物造成之腐蝕五、離岸風力發(fā)電防蝕法六、海岸工程防蝕法澎湖跨海大橋施工方式及工法全橋以防蝕鋼筋及二型水泥施置，目的在預防鹽害之侵蝕。全橋以防蝕鋼筋及二型水泥施置，目的在預防鹽害之侵蝕。鋼筋混凝土承臺碼頭海港工程部負責維修港灣108個鋼筋混凝土承臺碼頭。承臺碼頭長期在海洋環(huán)境的影響下，鋼筋銹蝕情況非常嚴重。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐用程度主要視乎鋼筋的狀況而定。潮間區(qū)及浪濺區(qū)的水和氧含量不斷變化最易使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋受到侵蝕。鐵銹有鋼本身體積的四倍左右，體積擴大的強大力量導致鋼面的混凝土剝落和出現(xiàn)裂縫。根據(jù)經(jīng)驗，新碼頭建成約15年後，碼頭平臺混凝土會因鋼筋受侵蝕而開始剝落和出現(xiàn)裂縫。傳統(tǒng)的修補混凝土方法(即清理損壞混凝土後，以小塊修補、噴漿或部分模板鑄造方法修復)屬短期性質(zhì)，只能暫時保持結(jié)構(gòu)完整性；預計相關(guān)構(gòu)件需在不到七年內(nèi)再行修補。而且反覆修補亦無法避免損害碼頭平臺橫樑的長期結(jié)構(gòu)完整性。為長遠解決碼頭平臺鋼筋受侵蝕的問題，本案設(shè)計陰極防蝕系統(tǒng)，並在指定的碼頭安裝本系統(tǒng)。本方法預期可大幅減少碼頭維修次數(shù)，並可獲致長期之成本效益。陰極防蝕系統(tǒng)設(shè)有陽極，透過混凝土把陰極保護性電流輸送至鋼筋在混凝土內(nèi)有氯化離子、氧及水的情況下，鋼面的鈍化薄膜受到破壞。澎湖跨海大橋曾是遠東第一座海上大橋的「澎湖跨海大橋」，橫跨於白沙、西嶼兩島間的吼門海道上，為兩島間唯一連絡(luò)通道。原橋包括兩端路堤全長2478公尺，其中路堤長319公尺，橋長2159公尺，橋面寬5.1公尺，有7處8公尺寬避車道，大小橋孔76孔。54年3月動工興建，59年12月竣工通車，建造費為新臺幣壹億肆佰伍拾萬元。廿餘年來，因橋址所在海流湍急，潮汐變化迅速及長年東北季風吹襲、腐蝕嚴重，又交通量快速成長，原有車道已不敷使用。73年起，分年分段編列經(jīng)費改建，85年1月竣工通車。改建後全長為2494公尺，其中路堤1519公尺，橋梁975公尺、橋面全寬13公尺?？傆嬓屡_幣壹拾億貳仟捌佰萬元整。金門港區(qū)浮動碼頭腐蝕現(xiàn)況資料來源：第38屆海洋工程研討會暨科技部計畫成果發(fā)表會論文集國立臺灣大學2016年12月Proceedingsofthe38thOceanEngineeringConferenceinTaiwanNationalTaiwanUniversity,December2016金門港區(qū)浮動碼頭腐蝕現(xiàn)況調(diào)查之研究，柯正龍，陳桂清，

交通部運輸研究所港灣技術(shù)研究中心研究員船艦設(shè)計防蝕材料之選用MElec-Ch5-15PowerboatZincs6ZincsTrimTabMElec-Ch5-16BetweenBoatsTwodifferentmetalsAluminumvssteel(orothermetal)Immersedincurrent-carryingsolutionSeawaterInterconnectedbycurrent-carryingconductorACground(green)wireMElec-Ch5-17IndirectCathodicProtectionUsedwhendirectcontactnotpossibleZincboltedtooutsideofhullInsideboatconnectwithinsulatedAWG#8toRudderPostShaft(requiresshaftbrush)MElec-Ch5-18ResultsofStrayCurrentCorrosionOffshorewindturbinesoftenoperateunderharshconditions

thatrequire

solidtechnologyandrobustoperations.

Corrosionproblemisancriticalissueontheengineering

designforconstructingstructureofoffshorewindturbines.

OffshoreWindTurbines2020試驗設(shè)備最高操作溫度：760℃，壓力：400bar，

流量：400kg/hr?？晒┏R界水質(zhì)與材料相關(guān)試驗，協(xié)助電廠選用材料、品質(zhì)驗證或電廠水處理及監(jiān)測，有助新機組規(guī)範訂定及確保長期可靠運轉(zhuǎn)。

水質(zhì)處理控制及亞臨界試驗單元超臨界水化學與材料試驗單元超臨界煱爐材料防蝕技術(shù)研究21冷卻水系統(tǒng)腐蝕監(jiān)測冷卻水系統(tǒng)腐蝕監(jiān)測試驗

22碳鋼在4種不同條件之廠用冷卻水中，歷時19天之腐蝕電位隨時間變化之結(jié)果。碳鋼在4種不同條件之電廠冷卻水中，經(jīng)過約19天腐蝕試驗後之表面形貌。<###>Page:23澳洲海洋牧場產(chǎn)量:2,000頓蝦/年明蝦養(yǎng)殖海洋牧場國外案例介紹大藻養(yǎng)殖做成餌料位在北部queensland具臺電特色的海洋牧場再生能源可循環(huán)資源藻類固碳與水產(chǎn)養(yǎng)殖整合25AlgalbiomassWastewaterINPUTSOUTPUTSProteins‘Polished’waterLightChemicalsLiquidfuelsO2Nutrients(N,P..)800MWwith1%CO2captured=3.5ton/hrDrymicroalage

8MWwith100%CO2captured=3.5ton/hrDrymicroalageCO2海洋牧場把廢水作為藻類養(yǎng)殖營養(yǎng)源我國擁有150億噸CO2封存潛能?

CCSU技術(shù)可大幅降低燃煤電廠碳排放量26CCS候選廠址27臺灣離岸風電計畫離岸風電為我國未來最重要的再生能源之一，臺電負責我國電力開發(fā)與永續(xù)能源發(fā)展，預計於2020年前於彰濱開發(fā)離岸風力發(fā)電廠，初期設(shè)置108MW離岸風機，年發(fā)電可達3.56億度，民間業(yè)者福海風電也預計在彰濱北側(cè)建置30臺，以及海洋風電在苗栗竹南外海建置32臺?？剂颗_灣地理環(huán)境特殊，為颱風與地震等天然災害高潛勢地區(qū)，國際間雖已有水深20公尺離岸風場開發(fā)經(jīng)驗，但面對臺灣特殊的環(huán)境，先進國家離岸風力發(fā)展經(jīng)驗難以直接轉(zhuǎn)移供國內(nèi)使用。我國風電開發(fā)應借重外力，結(jié)合國內(nèi)業(yè)者，開發(fā)最適合臺灣地理環(huán)境的離岸風力機組。臺電有風電的運維經(jīng)驗，可供未來離岸風機借鏡。臺電離岸風力發(fā)電計畫臺灣離岸海洋環(huán)境之特殊性離岸風機的腐蝕問題海岸風電設(shè)施隨時會曝露在風砂、鹽霧、紫外線輻射、高低溫度變化、下雨、冰雪等各種惡劣環(huán)境中。離岸風機的使用環(huán)境更是嚴苛，長期處在海水和鹽霧環(huán)境威脅中，受到鹽份的侵蝕和海浪的衝擊，腐蝕問題是工程設(shè)計的一大挑戰(zhàn)。為了保證海岸及離岸風電設(shè)備20年的服務(wù)壽命要求，有必要採取高標準的海域防蝕工程設(shè)計。何謂高耐蝕防護？高耐蝕防護是指應用於嚴酷環(huán)境領(lǐng)域，具有長效壽命的表面處理技術(shù)。嚴酷環(huán)境意指高腐蝕性的環(huán)境，根據(jù)ISO12944-2的定義，是指大氣環(huán)境為C4(高)、C5-I(很高，工業(yè)區(qū))、C5-M(很高，海洋)及浸於海水或含鹽分的水中的腐蝕環(huán)境。長效壽命並無明確定義，一般認為要大於5年以上的使用壽命，即ISO12944-5規(guī)定的中等或高等的塗膜使用壽命。過去己有百年海洋平臺的防腐蝕經(jīng)驗，可以作為目前離岸風機防蝕所參考。長期以來海上油氣田開採工業(yè)已有相當成熟且不斷發(fā)展的防腐蝕標準與規(guī)範。但隨著新材料的開發(fā)和防蝕技術(shù)之進步，近年來隨著海上平臺與海上風機的快速發(fā)展而不斷進展中。目前NORSOK，M501及ISO20340是最重要的防蝕塗裝技術(shù)規(guī)範。

常用防蝕工程技術(shù)

從腐蝕機制看，可以採取的防腐蝕原理分為有三種：隔離防蝕、電化學防蝕及本質(zhì)防蝕。海洋防蝕工程常用的技術(shù)主要有下列三種：(一)有機塗覆法這種防蝕原理屬於隔離防蝕，主要適用於大氣區(qū)、浪濺區(qū)及水位變動區(qū)。大多數(shù)海洋結(jié)構(gòu)物防蝕都採用此種方法。常用的防蝕塗料有等，輔助材料為固化劑。其有效防蝕年限大約為10～12環(huán)氧瀝青、富鋅環(huán)氧、聚酯類塗裝、環(huán)氧玻璃鋼年，其保護效果約為80～95%。最新的研究成果則顯示，新型高耐蝕塗裝的防蝕年限可達20年以上，甚至可達到50年。Degradation&FailureMechanismofOrganicCoating

FeO.Fe2O3.4H2OFe(OH)2.2Fe(OH)3FeO.H2O2Fe(OH)3Fe2(OH)6Fe2O3.3H2OPassiveFilmsvs.Oxides離岸風機高耐蝕有機塗膜設(shè)計參考

(二)金屬熱噴塗法膜

金屬熱噴塗的原理是利用各種形式的熱源，將金屬噴塗材料加熱，使之形成熔融狀態(tài)的微粒，這些微粒在動力的作用下，以一定的速度衝擊並沉附在被保護構(gòu)造物表面，形成具有一定特性的金屬覆層?？捎渺督饘賴妷T的材料很多，例如鋅、不銹鋼等是最常用。其中不銹鋼塗覆層較耐磨損且保護週期較長，鋅覆層不僅具有覆蓋、耐腐蝕作用，更重要的是鋅還具有犧牲陽極功能。

(三)金屬熱浸鍍及電鍍膜

金屬熱浸鍍及電鍍膜屬於隔離防蝕的一種，主要適用於大氣區(qū)、浪濺區(qū)及水位變動區(qū)。多數(shù)海洋結(jié)構(gòu)物的小型附屬零組件或連接部件採用此種方法。常用的防蝕鍍層有鍍鋅、鍍鉻等。從實施工法可分為熱浸鍍法及電鍍法兩種。其中熱浸鍍法是將結(jié)構(gòu)件經(jīng)過酸洗鈍化等表面處理後，整體浸入高溫狀態(tài)的鍍層鹽溶液中，經(jīng)過一定時間的置換反應，構(gòu)件表面形成設(shè)計厚度的金屬保護層。電鍍法採用外加電流進行電解置換的工法，工程上常用的是熱浸鍍法。

(四)陰極保護法

陰極防蝕法屬於電化學防蝕，分為外加電流的與犧牲陽極兩種保護方式。外加電流原理是利用高矽鑄鐵或鈦鍍白金等隋性陽極材料，把被保護物體作為陰極，在外加電流的影響下，形成電位差，進而防止腐蝕。犧牲陽極主要利用鋅、鋁等活性比鐵高的鑄造陽極材料，銲接在結(jié)構(gòu)物上，優(yōu)先消耗，形成保護電位差阻止被保護體腐蝕。兩種陰極防蝕法均需要海水作為電解質(zhì)溶液，供離子導電而形成導電迴路，因此只適用於海水平面下、或泥水覆蓋的區(qū)域。離岸風機之高耐蝕具體解決方案根據(jù)實驗室塗鍍測試、海上掛片試驗以及吸收海上平臺成熟的防蝕作法，專家對於在離案風機推薦使用的高耐蝕防護膜層系統(tǒng)如【表1】所示。如果採用金屬熱噴塗層加上有機塗層的方案，將是最佳方案。大氣環(huán)境中，如塔筒外壁，可以採用常用之防蝕系統(tǒng)，即富鋅底漆/環(huán)氧雲(yún)鐵/脂肪族聚氨酯面漆。採用玻璃鱗片塗料系統(tǒng)時，注意底漆不能太厚，可以選用環(huán)氧，當然亦可以選用耐久性更好的聚矽氧烷塗料。採用金屬熱噴塗系統(tǒng)時，可以得到更為長效的防蝕效果。塔筒內(nèi)壁不接觸外界陽光直射，腐蝕環(huán)境相對外壁要弱，因此可以不採用保色保光性優(yōu)良的脂肪族聚氨酯或聚矽氧烷面漆。甲板平臺包括內(nèi)外平臺是工作場所，並且會有海浪的沖刷，因此採用與飛濺區(qū)相同的環(huán)氧玻璃鱗片，如果需要面漆調(diào)顏色，可以選用聚氨酯罩面。潮差區(qū)及飛濺區(qū)是防蝕的重點區(qū)域，採用環(huán)氧玻璃鱗片系統(tǒng)，乾膜厚度至少要求在800μm以上。如果要達到30年以上的使用壽命，根據(jù)現(xiàn)有的海洋平臺方面的經(jīng)驗，乾膜厚度需達1500μm以上。由於玻璃鱗片塗料在控制塗膜下的腐蝕蔓延要差一些，因此採用具有良好陰極保護性能的環(huán)氧底漆打底，比直接做玻璃鱗片塗料效果更好。海泥區(qū)可不做防蝕塗膜，靠陰極保護即可，亦可兩者相結(jié)合，膜層厚度在設(shè)計上無需太厚。離岸風機防蝕小結(jié)離岸風電機組防腐蝕，是一個系統(tǒng)的問題，對於機組的每一部分，在設(shè)計上、材料上、密閉性上，都應該考慮到耐蝕性的問題。防蝕問題處理不好，小則使個別風電機組故障頻頻，影響機組運轉(zhuǎn)效率，大則使機組大面積故障，被迫拆除。就投資的立場來看，優(yōu)異的保護措施能確保風力發(fā)電機組有更長的使用壽命，無需頻繁地進行維修，順暢的運轉(zhuǎn)及減低維修成本可爭取到更大的獲利率。Howcorrosionoccursinthemarineenvironments

4.1Thereactionofametalwithelectrolyte

4.2Theelectrochemicalnatureofcorrosion

4.2.1thereactionofametalwithitsenvironment

4.2.2themixedpotentialtheory

4.2.3polarizationandcorrosionrate

4.2.4passivationanditsbreakdown

4.3Thecharacteristicsofmarineenvironments

4.3.1corrosivityofseawater

4.3.2corrosivityofmarineatmospheres

4.4Factorsaffectingmarinecorrosion

4.4.1salinityandchlorinity

4.4.2temperature,dissolvedgases,velocity,pH,pollutants,biologicalorganisms

4.4.3relativehumidity,airbornecontaminantsetc.

Commonformsofmarinecorrosion

4.5.1

uniformcorrosion

4.5.2

galvaniccorrosion

4.5.3

dealloying

4.5.4

crevicecorrosion

4.5.5

pittingcorrosion

4.5.6

intergranularcorrosionandwelddecay

4.5.7

exfoliation

4.5.8

stresscorrosioncracking

4.5.9

hydrogenrelateddamages

4.5.10erosioncorrosionandcavitationdamage

4.5.11microbiologicallyinfluencedcorrosion(MIC)

4.5.12straycurrentcorrosion

4.5.13biofouling

Howtocontrolandpreventcorrosion

5.1Materialsselectionforcorrosionprevention

5.2Designagainstcorrosion

5.3Theoryandpracti