4.4.3.1 我国风电的发展概况

    我国的风力发电始于20世纪70年代，80年代后研制并网机组。目前，我国已经成为全球风力发电规模最大、增长最快的市场。

    2014年，全国（除台湾地区外）累计安装风电机组76241台，累积装机容量114609MW。图4-101是我国2004年～2014年风电新增装机容量和累计装机容量。

    2014年，我国各省市区风电新增装机容量中，排名前五的省份有甘肃省新疆、内蒙古、宁夏和山西，占全国新增装机容量的52.6%。2014年，我国风电累积装机容量（除台湾地区外）排名第一的是内蒙古，占全国19.5%。其次为甘肃，占全国9.36%，河北和新疆占比相当，分别为8.61%和8.44%。图4-是2004年～2014年我国各区域风电新增装机容量和累计装机容量。2014年，我国海上风电新增装机61台，容量达到229.3MW，同比增长487.9%，其中潮间带装机容量为130MW，占海上风电新增装机总量的56.69%。截止2014年底，我国已建成的海上风电项目装机容量共计657.88MW。截止2014年底，我国潮间带累积装机容量达到434.48MW，占海上装机容量的65.6%，近海风电装机容量占34.4%，其中规模化项目为东海大桥海上项目（102MW）及其二期项目，龙源如东海上（潮间带）示范风电场，还有江苏如东扩建项目，其余主要为各风电机组制造商安装的试验样机。图4-101是我国截止2014年底海上风电新增和累计装机情况。2015年，我国风电新增装机容量3050万千瓦，同比上升31.5%；累计装机容量1.45亿千瓦，同比上升26.6%。

    4.4.3.2 风电场与风力发电机组

    1.风电场

    风力发电是指利用风力发电机组将风能资源转化为电能的资源利用方式。从风力发电规模和电力传输、利用方式上看，目前的风力发电有小型离网式风电和大型并网式风电之分。小型离网式风电是有单个小型风力发电机组与蓄电池、逆变装置等组成的独立的供电系统。大型并网式风电则是由多个大功率（兆瓦级）风力发电机组，通过电力控制设备将所发电力输入电网系统，从而被终端用户所利用的大型电力系统。

    根据GB/T18451.1-2012《风力发电机组设计要求》的定义，将风的动能转化为电能的系统称为风力发电机组，一台或多台风力发电机组通常称为风电场。目前，已经建成的风电场有陆上风电场和海上风电场。海上风电场多指水深10m左右的近海风电场。与陆上风电场相比，海上风电场的优点主要是不占用土地资源，基本不受地形地貌影响，风速更高，风电机组单机容量更大，年利用小时数更高。但是，海上风电场建设的技术难度也较大，建设成本一般是陆上风电场的2-3倍。

    根据 FD 002-2007《风电场工程等级划分及设计安全标准》（试行）的定义，凡在平原、丘陵、山区及沿海区设置的风电场，统称为陆上风电场。其中，沿海风电场指在滨海狭窄陆地地带、位于平均低潮位以上的风电场。

    2.风力发电机组的组成和分类

    1）风力发电机组的组成

    无论是陆上还是海上风电场，风力发电机组都是风电场的核心组成部分，也是风电场项目中投资最高的部分。根据GB/T31517-2015/IEC61400-3:2009《海上风力发电机组设计要求》和中国船级社 <http://www.doc88.com/p-6083972609510.html>标准《海上风力发电机组认证规范》（2012），海上风力发电机组由风轮-机舱组件和支撑结构组成，支撑结构包括塔架、下部结构和基础塔架连接风轮-机舱组件和下部结构，下部结构从海床向上延伸，连接基础和塔架，基础将作用于支撑结构上的载荷传递到海床中。图4-103表示不同的基础形式和海上风力发电机组的其他部件。根据GB/T18451.1-2012《风力发电机组设计要求》，陆上风电场的支撑结构只包括塔架和基础两大部分。

    2）风力发电机组的分类

    风力发电机组种类繁多，分类方法也多种多样。按照风力机轴的空间位置，可以将风力发电机组分为水平轴式风力发电机组和垂直轴式风力发电机组。水平轴式风力发电机组的风轮围绕一个水平轴旋转，风轮的旋转平面与风向垂直。垂直轴式风力发电机组风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向。

    按照风轮与发电机之间的连接方式，可以将风力发电机组分为直驱式风力发电机组和变速式风力发电机组。按照叶片能否围绕其纵向轴线转动，可以将风力发电机组分为定桨距式风力发电机组和变桨距式风力发电机组。按照发电机组负载形式可以将风力发电机组分为并网型风力发电机组和离网型风力发电机组。按照风力发电机组发电机的类型，可以将风力发电机组分为直流发电机式风力发电机组、同步交流发电机式风力发电机组、异步交流发电机式风力发电机组和交流永磁电机式风力发电机组。按照额定功率的大小，国际上将风力发电机组分为大型（1MW 以上）、中型（100kW～1MW）和小型（1kW～100kW）。我国将容量小于1kW的风力发电机组列为微型。

    目前，水平轴式风力发电机组是世界各国应用最广泛、技术也最成熟的一种形式。水平轴式风力发电机组的风轮-机舱组件主要由风轮、机舱及齿轮传动系统、发电机、调向装置、调速装置、刹车制动装置组成。典型结构如图4-104所示。

    3.风力发电机组主要材料

    风力发电机组使用的主要材料有金属材料、纤维增强塑料、钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土。金属材料可以分为铸造件、焊接件、锻造件、螺栓等标准件几种。风力发电机组使用的铸造件比较多，如前机舱底架、轮毂、轴承座、增速箱箱体、减速机外壳等部件。锻造件的主要是轴、偏航摩擦盘、塔筒法兰，以及主轴承和变桨偏航回转支承的内外齿圈等。使用焊接件的部件很多，主要有发电机外壳、塔筒、基础、基础环、前后底架吊具、后底架、减震环、护栏、提升机机架、主轴楼梯、各种小型支架、走线板、连接架等。纤维增强塑料用于风力机叶片的制造。常用的基体树脂有环氧树脂、不饱和聚酯树脂、乙烯基树脂等，常用的增强材料有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和其他有机或无机材料纤维及其制品。钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土用于基础的制造。

    4.风力发电机组的腐蚀环境

    陆上风电场风力发电机组的风轮-机舱组件和塔架处于大气环境，基础处于土壤环境。海上风电场处于海洋环境中，风力发电机组的风轮-机舱组件处于海洋大气环境，支撑结构处于海洋大气、水位变动、水下和海泥四个区域。

    表4-32 是国际标准ISO12944-2-1998Paintsandvarnishes--Corrosion protection of steel structures by protective paint systems--Part 2： Classification of environments根据低碳钢和锌第一年曝露后的腐蚀损失，对腐蚀环境进行的分类。按照该标准，风电场风力发电机组所处环境的腐蚀类别包括C2、C3、C4、C5-M、Im2和Im3。一般将大气分为乡村大气、城市大气、工业大气与海洋大气。国际标准ISO9223-2012   Corrosion   of   metals   and   alloys-Corrosivity   of atmospheres-Classification，determination and estimation中按金属标准试样暴露第一年的腐蚀速率进行分类，将大气腐蚀性分为6级（C1～Cx），表4-33是碳钢、锌、铜、铝在各级中的腐蚀数据。国家标准 GB/T 15957-1995《大气环境腐蚀性分类》根据碳钢在不同大气环境下第一年的腐蚀速率，将腐蚀环境分为无腐蚀、弱腐蚀、轻腐蚀、中腐蚀、较强腐蚀、强腐蚀六大等级，见表4-34。

    5.风力发电机组的腐蚀与防护

    1）钢结构的腐蚀与防护

    钢结构在风力发电机组中大量使用，如机舱、轮毂和支撑结构，它们处于各种腐蚀环境中，可能发生的腐蚀类型主要有均匀腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、冲击腐蚀、空泡腐蚀、电偶腐蚀、腐蚀疲劳等。

    （1）均匀腐蚀均匀腐蚀是指在金属表面上几乎以相同的速度所进行的腐蚀。

    （2）点蚀点蚀是指在金属表面局部区域出现向深处发展的腐蚀小孔，表面的其余部分则往往无任何明显的腐蚀。蚀孔一旦形成，具有“深挖”的动力，即向深处自动加速进行的作用，因此点蚀具有极大的隐患性和破坏性。暴露在海洋大气中的金属上的点蚀，可能是有分散的盐粒或大气污染物引起的。表面状态或冶金因素，如夹杂物、保护膜的破裂、偏析和表面缺陷，也能引起点蚀。点蚀容易发生在表面生成钝化膜的材料，或表面镀有阴极性镀层的金属。

    （3）缝隙腐蚀部件在介质中，由于金属与金属或金属与非金属之间形成特别小的缝隙，使缝隙内的介质处于滞留状态引起缝内金属的加速腐蚀，这种局部腐蚀称为缝隙腐蚀。缝隙腐蚀通常在海水水下区和飞溅区最严重，海洋大气中也发现有缝隙腐蚀。缝隙腐蚀有些是由于结构设计不合理造成的，也可能是因为海洋生物栖居在表面所致。

    （4）冲击腐蚀在设备和部件的某些特定部位，介质流速急剧增大形成湍流，由湍流导致的磨蚀称为湍流腐蚀。冲击腐蚀是基本上属于湍流腐蚀范畴，它是高速流体的机械破坏与电化学腐蚀这两种作用对金属共同破坏的结果。

    （5）空泡腐蚀流体与金属构件作高速相对运动，在金属表面局部地区产生涡流，伴随有气泡在金属表面迅速生成和破灭，形成与点蚀类似的破坏特征，这种条件下发生的磨蚀成为空泡腐蚀，又称为空穴腐蚀或汽蚀。空泡腐蚀是电化学腐蚀和气泡破灭的冲击波对金属联合作用所产生的。

    （6）电偶腐蚀，当两种不同金属连接并暴露在电解质环境中时，由于两种金属之间存在电位差，就构成腐蚀电偶。较活泼的金属成为阳极溶解，不活泼金属（耐腐蚀性较高的金属）则为阴极，腐蚀很小或完全不腐蚀。这种腐蚀称为电偶腐蚀，或接触腐蚀，亦称为双金属腐蚀。

    （7）腐蚀疲劳金属在腐蚀循环应力或脉动应力和腐蚀介质的联合作用下，所引起的腐蚀称为腐蚀疲劳。海洋环境十分恶劣，风机支撑结构除腐蚀外还承受海浪、风浪、地震等力学因素的作用，因此钢结构的腐蚀疲劳是影响海上风力发电机组风机支撑结构安全的重要因素之一。

    钢结构防腐蚀应在合理选材和进行详细防腐蚀结构设计的基础上，根据所处环境条件，采取相应的防腐蚀措施。钢结构内部通常采用涂料保护，同时还必须保持内部空气的干燥。钢结构外部常用的防腐蚀措施包括涂料保护、金属热喷涂保护、复层矿脂包覆技术和阴极保护。

    （1）涂料保护

    涂料保护是风力发电机组应用最为广泛的防腐蚀保护措施，可以用于风力发电机组的各个部位，应根据环境条件选择相应的涂层体系。参考中国船级社标准《海上风力发电机组认证规范》（2012）给出的不同腐蚀环境等级（ISO12944-2分类方法）钢结构的涂层体系及能源部标准NB/T31006-2011《海上风电场钢结构防腐蚀技术标准》给出的涂层推荐配套方案。

    （2）热喷涂金属保护

    热喷涂金属保护可用于风力发电机组海洋大气区和浪溅区部位的防腐蚀保护。NB/T 31006-2011《海上风电场钢结构防腐蚀技术标准》规定，热喷涂金属可选用锌、锌合金、铝和铝合金材料。

    （3）复层矿脂包覆防腐蚀技术

    复层矿脂包覆防腐蚀技术可用于风力发电机组的塔架和基础。复层矿脂包覆防腐蚀技术是指在钢结构表面涂覆矿脂防蚀膏，并在其上面缠绕矿脂防蚀带，外加防护罩的防腐蚀技术。矿脂防蚀膏是矿脂包覆防腐蚀系统组成中的核心材料，也是位于最内层的部分，具有防蚀性、粘附性、与水和空气隔绝性，并且长期不会变质，能达到长效的防腐蚀效果。矿脂防蚀带是一种浸渍了防蚀材料的人造纤维布，除防蚀作用外，还能提高整体的强度及韧性。防护罩包覆在钢铁设施的外表面，具有隔绝外界腐蚀性介质的作用外，保护矿脂防蚀膏和矿脂防蚀带不被海浪冲刷，起到整体保护决定性作用。防护罩应具有足够的强度和耐冲击能力，具有良好的抗热胀冷缩性能，具有良好的耐酸耐碱性能，可以耐高温，能够抵抗海边昼夜温差大、空气湿度大、盐分大的恶劣环境。

    图4-105是国家标准GB/T 32119-2015《海洋钢铁构筑物复层矿脂包覆防腐蚀技术》给出的使用规则防蚀保护罩的复层矿脂包覆防腐蚀系统结构图。

    （4）阴极保护阴极保护可用于风力发电机组塔架和基础的防腐蚀保护。实施阴极保护可以通过外加电流和牺牲阳极两种方式。外加电流用直流电源给被保护金属通以阴极电流，保护系统主要由直流电源、辅助阳极、参比电极和电缆等组成。牺牲阳极保护是在被保护的金属上连接一种电极电位更负的金属或合金称为牺牲阳极），通过牺牲阳极的自我溶解和消耗，使被保护金属得到阴极电流。外加电流和牺牲阳极保护的基本原理和保护效果都是相同的，但各有优缺点（见表4-35），适用于不同的场合，对两种保护方式的选择主要取决于工程实际情况和现场所具备的具体条件。

    2）混凝土结构的腐蚀与防护

    混凝土结构主要用于风电场的基础，包括钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土结构。正常情况下钢筋周围混凝土为高碱性，钢筋表面会形成一层致密的钝化膜，它对钢筋具有很强的保护能力，使得钢筋不遭受腐蚀。

    混凝土在浇筑和成型养护过程中，混凝土中的水泥发生水化反应，水泥浆体孔隙中形成了含有NaOH、KOH和Ca（OH）2的饱和溶液，pH通常为13.0～13.5，钢筋处于高碱性环境中，在没有任何其他因素影响的前提下，将形成固态的铁的氧化物Fe3O4和Fe2O3或者这些化合物的氢氧化物，并且可能发展成为钢筋表面的一层保护膜，通常称为钝化膜。受多种因素的影响，新浇筑混凝土孔隙液的pH 是会发生变化的，因此，混凝土浇筑过程中钢筋表面钝化膜的形成也会受到影响，在某些条件下，钝化膜可能是不完整或者不牢固的。

    即使在混凝土成型期间钢筋表面形成了良好的钝化膜，混凝土又为钢筋提供了一层厚厚的保护层，但是混凝土结构在使用过程中，环境中的有害介质仍能通过混凝土孔隙或裂缝侵入混凝土，引起钢筋钝化膜的破坏。钢筋钝化膜的破坏可以是由于混凝土热力学条件整体改变而造成的全面破坏，也可以是由于局部化学侵蚀和机械损伤造成的局部破坏。混凝土碳化、氯化物侵蚀分别是导致钢筋钝化膜全面破坏和局部破坏的主要原因。钝化膜不完整或遭到破坏时，只要发生腐蚀的必要条件存在，钢筋就会发生活化腐蚀。

    大气中的二氧化碳通过混凝土中的孔隙扩散到混凝土内部，与水泥石中的水化产物作用生成碳酸钙或其他物质的现象，称为混凝土的碳化，这是一个极其复杂的多相物理化学过程。碳化反应的主要产物碳酸钙属非溶解性钙盐，较原反应物的体积膨胀约17%，因此，混凝土的凝胶孔隙和部分毛细孔隙被碳化产物堵塞，使混凝土的密实度和强度有所提高，一定程度上阻碍了二氧化碳和氧气向混凝土内部的扩散。另外，碳化使混凝土的pH降低，完全碳化混凝土的pH为8.5～9.0。混凝土碳化由表面向内部发展，当碳化深度达到钢筋表面，钢筋周围的混凝土pH小于11.5时，钢筋钝化膜就不再稳定，钢筋开始发生全面腐蚀。在碳化的中性混凝土中，钢筋腐蚀产物较易溶解，可以扩散到混凝土表面，显现出锈渍，而不是沉积在混凝土中产生应力，从而导致混凝土开裂。

    影响二氧化碳向混凝土内部扩散及影响上述化学反应速率的因素都会对混凝土碳化速率产生影响，主要包括环境条件（二氧化碳浓度、温度及湿度）和混凝土品质（水灰比、水泥品种、混凝土掺合料、混凝土抗压强度、施工质量及养护条件）。

    混凝土中含有一定量的氯化物，通常称受到氯化物污染。在混凝土施工和混凝土结构服役期间，混凝土都有可能受到氯化物污染。混凝土施工期间遭受氯化物污染主要是因为原材料中含有氯化物，如拌合水、水泥、骨料、矿物掺合料及各种外加剂等，这些氯化物通常称为混凝土内部的氯化物。混凝土结构服役期间，暴露环境中的氯离子会通过混凝土中的凝胶孔隙和毛细孔及混凝土结构裂缝渗透到混凝土中，使混凝土结构遭受氯化物污染，这些氯化物通常称为混凝土外部的氯化物。混凝土拌合物中掺入氯盐外加剂是混凝土内部氯化物的重要来源，海洋、冬季化雪除冰使用的除冰盐、高氯化物土壤和地下水则是混凝土外部氯化物的重要来源。

    在实际工程中，混凝土结构耐久性不足的现象十分普遍，严重影响混凝土结构的安全使用。混凝土结构的耐久性破坏通常都是从混凝土或钢筋的材料劣化开始的，主要劣化形式包括混凝土碳化、冻融破坏、化学侵蚀、表面磨损、钢筋腐蚀和碱骨料反应。对于暴露于碳化和氯化物环境等腐蚀环境中的混凝土结构，钢筋腐蚀是导致混凝土结构耐久性破坏的最主要的原因。

    从钢筋开始腐蚀到混凝土结构破坏或需要修复，可以用腐蚀开始和腐蚀发展两个阶段表示，如图4-106所示。腐蚀开始阶段即从混凝土结构施工完成到钢筋开始发生腐蚀，所经历的时间取决于介质的传输过程、混凝土的碳化和氯离子的侵入。影响因素包括混凝土质量、混凝土保护层厚度、暴露条件和硫酸盐含量。腐蚀发展阶段即从腐蚀开始到混凝土结构破坏或需要修复，所经历的时间取决于钢筋腐蚀动力学。影响因素包括混凝土质量、湿含量、电阻率、温度、供氧量和孔隙液的pH。

    混凝土结构钢筋防腐蚀有两个层面的含义。一是在混凝土结构建造时就采取一系列的防腐蚀措施，以预防钢筋的腐蚀，延长混凝土结构的使用年限。二是混凝土结构在使用过程中出现因钢筋腐蚀造成的劣化时，再对其采取防腐蚀措施，以阻止钢筋进一步腐蚀或降低钢筋的腐蚀速率，从而达到对混凝土结构进行维修和修复的目的。根据国家标准GB/T50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》，在改善混凝土密实性、增加保护层厚度和利用防排水措施等常规手段的基础上，为进一步提高混凝土结构耐久性所采取的补充措施称为防腐蚀附加措施。目前，防腐蚀附加措施主要包括钢筋阻锈剂、耐腐蚀钢筋、混凝土表面封闭、电化学防腐蚀等。

    根据中国住房和城乡建设部标准JGJ/T 192—2009《钢筋阻锈剂应用技术规程》，钢筋阻锈剂是加入混凝土或砂浆中或者涂刷在混凝土或砂浆表面，能够阻止或延缓钢筋腐蚀的化学物质。按照使用方法的不同，钢筋阻锈剂分为内掺型和外涂型。内掺型是在拌制混凝土或砂浆时加入的钢筋阻锈剂，外涂型是涂于混凝土或砂浆表面，能渗透到钢筋周围对钢筋进行防护的钢筋阻锈剂，又称渗透型或迁移型钢筋阻锈剂。耐腐蚀钢筋通常指耐腐蚀性能优于普通碳钢钢筋的金属钢筋。迄今，开发研制的用于混凝土结构的耐腐蚀钢筋主要有①环氧涂层钢筋，在碳钢钢筋基体上熔融结合环氧涂层的钢筋；②不锈钢钢筋，用不锈钢材料制成的钢筋；③不锈钢包覆钢筋，在碳钢钢芯外包裹一层不锈钢制成的钢筋；④热浸锌涂层钢筋，采用热浸镀锌技术在碳钢钢筋表面形成热浸镀锌层制成的钢筋；⑤MMFX钢筋，美国的一项专利产品，是一种含有9%Cr的低碳钢，具有独特的微观结构；⑥复合涂层钢筋，在钢筋表面实施了多种涂层的钢筋，如Zn/EC钢筋，就是在碳钢钢筋表面电弧喷涂锌后再涂覆环氧涂层的一种复合涂层钢筋。