湿热海上风电电器设备腐蚀防护技术课件.ppt

1、 湿热海上风电电器设备腐蚀防护技术方案n目录目录p湿热海洋环境风电设备腐蚀分析p湿热海洋环境电器设备测试评价技术p湿热海洋环境电器设备腐蚀防护技术p环境技术工作建议 湿热海洋环境电器设备腐蚀分析 n腐蚀失效是我国湿热海上风电大规模建设的关键技术瓶颈国家能源规划，十三五期间，广东、海南、福建等湿热海洋区域海上风电建设规模将超200万千瓦，占全国海上风电建设的50%以上！据中国工程院调研统计，我国在南海等湿热海洋环境下的装备腐蚀损失每年超过千亿元！p我国不同海域风电场地区环境特征东海南海黄海渤海渤海黄海东海南海属于湿热气候的南海、东海海域，其气候、水温明显较其它海域更高。属于湿热气候的南海、东海海

2、域，其气候、水温明显较其它海域更高。海域气温海域气温海域水温海域水温p我国不同海域环境条件差异不同海域主要海洋站观测月（不同海域主要海洋站观测月（2013年）年）平均盐度变化曲线（平均盐度变化曲线（）n位于湿热地区的三亚平均盐度最高，全年均在33左右；位于暖温地区的青岛次之，全年均在30.5左右；三亚、青岛的盐度稳定，而厦门和舟山的盐度波动较大。站名站名Q235mQ235m/年年腐蚀等级腐蚀等级青岛青岛79.079.0C5C5舟山舟山36.336.3C3C3三亚三亚86.886.8C5-MC5-M西沙西沙福建某海域福建某海域87.087.0159.8159.8C5-MC5-MC5-MC5-Mp

3、我国不同海域环境条件差异根据现场测试数据表明，沿海陆地站点腐蚀等级已达到根据现场测试数据表明，沿海陆地站点腐蚀等级已达到C5-MC5-M，海上腐蚀状况海上腐蚀状况更严峻，是沿岸腐蚀速率的更严峻，是沿岸腐蚀速率的2 2倍左右！倍左右！1 1年期的年期的Q235Q235大气腐蚀数据及对应腐蚀等级大气腐蚀数据及对应腐蚀等级月极端最高气温变化曲线图（月极端最高气温变化曲线图（）n我国湿热环境年极端最高气温均超过35，各地冬季月极端最高气温也在25左右，而荷兰德科赫在年极端最高气温则不超过35，冬季极端最高气温低于15。p我国湿热海洋环境与欧洲海洋环境的差异n相对于欧洲，我国湿热地区年极端最低气温大多在

4、0以上,而欧洲地区极端最低温度明显更低。月极端最低气温变化曲线图（月极端最低气温变化曲线图（）p我国湿热海洋环境与欧洲海洋环境的差异n我国湿热环境月平均湿度均在80%左右，与欧洲相当，但是全年总体高温高湿时间较长。月平均相对湿度变化曲线图（）月平均相对湿度变化曲线图（）p我国湿热海洋环境与欧洲海洋环境的差异p湿热海上风电腐蚀情况u湿热海上风电机组受盐雾、高温、高湿等环境影响导致腐蚀问题严重!某新建成海上风电机组塔基及轮毂内腐蚀情况p湿热海洋环境下电器设备腐蚀风险巨大u湿热海洋环境高温高湿高盐雾，电器设备易发生腐蚀，导致电器设备失效，引起控制设备失灵，严重时甚至可能导致火灾等。电器部件腐蚀常规海

5、洋防腐设计难以实现湿热海上风电20年以上腐蚀防护要求具有特殊性我国湿热海上风电腐蚀1、相比欧洲海上风电环境，我国湿热海洋环境腐蚀性强：l太阳辐射更强 温度更高 湿度更大l降雨量更多 台风频繁2、相比海洋船舶和海上平台，海上风电服役状态明显不同：l长期无人值守 无法回港维护 装备高达百米l维修维护成本很高 成本压力更大p小结相对于我国暖温和欧洲海洋环境，我国湿热海洋整体腐蚀环境较为严酷，海上风电电器设备腐蚀防护应进行针对性设计，如防护不当后续维护成本将增加数倍！湿热海洋环境电器设备测试评价技术p湿热海洋环境下电器设备面临严峻挑战调研表明，湿热海洋环境电器设备调研表明，湿热海洋环境电器设备大部分大

6、部分故障故障与环境因素有与环境因素有直接或间接直接或间接的关系，而的关系，而电子元器电子元器件件服役微环境服役微环境是影响电器设备腐蚀失效的最直是影响电器设备腐蚀失效的最直接也是最关键的问题。接也是最关键的问题。电器设备尤其是涉及到控制系统的主要设备更电器设备尤其是涉及到控制系统的主要设备更是是核心！核心！电气设备内部电子元件器腐蚀电气设备内部电子元件器腐蚀不仅影不仅影响电器设备的工作效能，而且很难排查，维修响电器设备的工作效能，而且很难排查，维修费用很高。费用很高。开发适用于电器设备的腐蚀与防护技术迫在眉睫！p存在的关键技术问题腐蚀环境腐蚀环境量化表征方法量化表征方法海洋腐蚀介质海洋腐蚀介质

7、净化方案净化方案单纯从电器设备材料本身等角度提高防腐能力有限，而且成本较高，因此，需整体改善服役环境。如何解决电子电器设备服役过程中的腐蚀失效问题？改善产品服役环境改善产品服役环境气相防锈发气相防锈发散体技术散体技术电流对腐蚀行为的影响电流对腐蚀行为的影响1、电器设备腐蚀环境测试评价技术研究p电器设备环境测试评价技术n湿热海洋环境电器设备材料、零部件及整机模拟件现场试验变流器外壳及其关键电器元件变流器外壳及其关键电器元件变压器外壳及模拟件变压器外壳及模拟件电路板、接插件、断路电路板、接插件、断路器等关键电气部件器等关键电气部件电气设备三亚湿热海洋环境现场模拟试验p电器设备环境测试评价技术n多因

8、素耦合人工加速模拟试验方法研究温度湿度盐雾电压电流腐蚀性气体电器材料、部件多因素腐蚀环境模拟试验箱电器材料、部件多因素腐蚀环境模拟试验箱开展了电流、盐雾、温湿度等多因素作用下多种材料的服役行为研究p多因素耦合人工加速模拟试验研究实验室对不同电压、电流、及腐蚀环境下铜材料腐蚀行为及材料相关电性能的研究。p现场模拟带电零部件及材料的腐蚀研究开展在户外及实验室模拟腐蚀环境下，模拟带电接插件材料腐蚀行为及电性能变化的研究。研究表明，电流对于不同电器材料和结构的腐蚀促进和抑制作用各有不同，需要开展针对性的研究，具体分析。对电器设备所处环境整体的改善和提高，是解决电气设备腐蚀的有效途径！p风电技术标准n实

9、验室牵头国家能源局10项风电设备环境技术标准制定；n海上风电的相关标准立项已经有5项。发发电电机机控控制制系系统统变变流流器器结结构构件件2、电器设备腐蚀环境量化表征方法研究p 湿热海洋环境下运行电器设备，主要受到服役微环境的影响，如何准确测量电器设备所处的微环境，进一步采取相应的防护措施是最关键的问题。传统方法测量精度仅为微米级别，无法精准表征电器设备服役微腐蚀环境，致使环境改善效果评价缺乏科学依据。开发新的表征测试片及分析方法，测试精度可达纳米级别。关键技术关键问题p 铜表征测试片n开发铜表征测试片，含氧量比同类国外测试片更低，微观组织更加均匀。铜基准材料与国外铜测试片的成分铜基准材料与国

10、外铜测试片的成分成分成分单位单位铜基准材料铜基准材料国外铜测试片国外铜测试片氧（氧（O O）%0.000399.998999.998999.98199.981 A 铜基准材料 B 国外铜测试片铜基准材料与国外铜测试片的金相组织p 腐蚀环境量化表征测试方法研究研究并确定通过电解还原法对表征测试片腐蚀产物进行分析，测试精度可以达到1埃（纳米级别），远高于传统称重法测算精度（微米级别）开发的铜表征测试材料和国外进口测试片在广州室外试验一个月，对比宏观形貌和测试曲线等发现两种测试片在同种环境表征结果一致，试验结果可靠。铜表征测试片国外铜测试片p 腐蚀环境量化表征测试方法研究实验室研制的铜表征测试片电解

11、还原曲线国外的铜表征测试片 电解还原曲线的形状相似，还原时间接近，均在700s左右，实验室研制的铜表征测试片能较准确地表征环境腐蚀性。p 腐蚀环境量化表征测试方法研究n 典型腐蚀产物Cu2O、CuO和Cu2S薄膜的特征还原电位CuCu2 2O OCuOCuOCuCu2 2S Sp 腐蚀环境量化表征测试方法研究n 典型腐蚀产物CuO薄膜的特征还原电位元素元素重量重量原子原子百分比百分比百分比百分比C KC K0.220.220.730.73O KO K19.9619.9649.4749.47Cu LCu L79.8279.8249.8049.80总量总量100.00100.00CuO：750-9

12、00mVp 腐蚀环境量化表征测试方法研究n 评价方法22Cu OCuOCu STTTT总T总（/月）腐蚀性等级0 0 T T总总 300 300轻微，环境不会影响设备正常运行；轻微，环境不会影响设备正常运行；G1G1300 300 T T总总 1000 1000中度，环境对设备有一定影响，将作为设备可靠性评价的一项中度，环境对设备有一定影响，将作为设备可靠性评价的一项要素；要素；G2G21000 1000 T T总总 2000 2000严重，需要对环境进行控制，或对设备进行定制以及采用保护严重，需要对环境进行控制，或对设备进行定制以及采用保护箱；箱；G3G3T T总总 20002000剧烈，必

13、须对设备进行定制以及采用保护箱。剧烈，必须对设备进行定制以及采用保护箱。GXGXISA 71.04-2013ISA 71.04-2013标准中对环境腐蚀性的分级标准中对环境腐蚀性的分级510 itMTaN Fdp 应用示例n 利用铜表征测试片对湿热海洋环境下风电机组内部电器设备微腐蚀环境进行测试，测试结果表明，腐蚀膜主要为CuO，腐蚀等级1120埃/月，G3级，腐蚀严重，需要对环境进行有效控制。现场试验照片现场试验照片电解还原曲线电解还原曲线 湿热海洋环境电器设备腐蚀防护技术 p电器设备实际运行过程中腐蚀防护技术关键关键电器电器设备设备盐雾净化处理技术盐雾净化处理技术气相防锈技术气相防锈技术改

14、善产品服役环境改善产品服役环境改变材料表面状态改变材料表面状态风电电器设备结构复杂，腐蚀防护难度很大，单纯从电器设备材料角度提高防腐能力有限，而且成本较高，因此，需通过整体改善服役环境来实现防护目的。p方案1：盐雾净化处理技术盐雾颗粒大小分布图盐雾颗粒大小分布图相对质量浓度盐雾颗粒的尺寸分布存在两个波峰；70%的盐雾颗粒大小处于2m 7m 之间。p盐雾颗粒的形态变化海浪的飞沫海浪的飞沫水泡破裂水泡破裂盐雾颗粒的产生盐雾颗粒的产生海水水滴随着水分蒸发变成固态，也就是俗称的盐雾颗粒。当环境湿度达到一定程度时，盐雾颗粒会发生潮解，从固态变成液态。随着环境条件不断变化，盐雾颗粒会不断从一种状态变成另一

15、种状态，周而复始。p盐雾净化用过滤材料超疏水性的烯烃粗纤维超疏水性的烯烃粗纤维疏水性的烯烃超细纤维疏水性的烯烃超细纤维 基于盐雾形态特征，通过对不同过滤材料筛选验证试验，确定选用具有渐进结构的超疏水性过滤材料，让海洋高湿度环境下的盐雾由液体转变为固态，解决传统灰尘过滤材料难以过滤盐雾的缺陷，可高效过滤尺寸处于2m10m 之间盐雾粒子p 灰尘过滤测试进风面进风面出风面出风面持续向滤料加测试灰，直到压降达到初始压降的两倍时为止进风面：测试灰不断增加 出风面：测试尘没有穿透p 盐雾过滤测试做完灰尘过虑测试后,进行空气中盐雾测试实验进风面：水雾变成水滴，盐雾颗粒被吸附出风面：盐雾没有穿透，证明过滤材料

16、能够很好过滤空气中盐雾进风面进风面出风面出风面p应用示例(a)防护箱内测试片宏观及微观照片 (b)户外测试片宏观及微观照片 在海南三亚对盐雾净化处理系统进行现场应用试验。在户外放置一个防护等级IP54的箱体，防护箱与盐雾净化处理系统相连，盐雾净化处理系统将户外大气过滤后，送进防护箱内，监测箱内环境的腐蚀性。测试结果表明，系统对盐雾净化效果很明显！从电解还原曲线分析腐蚀产物膜的主要成分为CuO，厚约2447，户外大气环境的腐蚀等级为GX级。防护箱内测试片腐蚀产物膜的主要成分为Cu2O和CuO。Cu2O的厚度49，CuO的厚度为103，腐蚀产物膜总厚度为152。防护箱内大气环境的腐蚀等级为G1级。

17、使用使用3 3个月后滤膜进风侧个月后滤膜进风侧SEMSEM防护箱内测试片电解还原曲线防护箱内测试片电解还原曲线p应用示例分析p盐雾过滤系统可选配件n1）可选配压差计及报警系统，采用0-500Pa Magnehelic压差计，大于300Pa通过控制系统自动报警提示。n2）可选配安装风机流量控制装置，加装风机变频器模块，对风机风量大小进行控制，实现降盐雾效率多档调节。n3）可选配加装除湿系统，免排水除湿系统或冷凝除湿系统。p方案2：利用气相防锈技术对电子元器件进行保护电子元器件包含多种金属材料，气相防锈剂种类较为繁杂，应选择能够适用于多种金属材料的气相防锈产品。气相防锈剂是在材料表面形成一种保护膜

18、以进行防腐，如选择不当会对电子元器件电气性能造成影响。关键问题气相防锈剂能够对电子元器件各种材料进行保护并不影响电气性能。气相防锈剂在高湿度环境下保护效果会明显降低，则需对现有气相防锈产品结构和使用方法进行改进。关键技术p研究思路n气相防锈剂结构和应用改进对产品外壳结构进行改进，使气相防锈粉不容易吸潮。对产品外壳结构进行改进，使气相防锈粉不容易吸潮。对高湿度环境，外加控湿度措施与气相防锈剂搭配使用。对高湿度环境，外加控湿度措施与气相防锈剂搭配使用。措施1措施2根据不同电器设备结构特征，定制气相防锈剂用量和布局方案。根据不同电器设备结构特征，定制气相防锈剂用量和布局方案。措施3注：改进后气相防锈

19、剂产品命名为气相防锈发散体p气相防锈发散体对电器设备的防护效果IP20小电器设备内部无气相防锈发散体IP20小电器设备内部+气相防锈发散体对小电器设备进行360h中性盐雾试验，无气相防锈发散体电路板部分出现严重腐蚀，有气相防锈发散体电路板表面只出现轻微腐蚀。p气相防锈发散体防锈效果对照气相防锈发散体同类产品经过盐雾试验表明，使用我们实验室研制的气相防锈发散体对电路板进行防腐保护，表面只出现轻微腐蚀，而使用国内外同类产品腐蚀更为严重！p气相防锈发散体对电性能影响分析电器部件试验前 R值试验后 R值电阻3（M）9.936 9.36电阻4（M）9.923 9.220电感5（）0.402 0.410

20、0.415 0.413 电源变压器1红2.844k黑4.1512.832 k4.165电源变压器2红2.831k黑4.1512.820 k4.137低压变压器2红0.385k黄1.2720.383 k1.265 气相防锈发散体对电阻、电感、电源变压器等电器部件的电阻性能几乎没有影响。p气相防锈发散体对电性能影响分析 气相防锈发散体对电路板-环氧树脂板表面电阻、体积电阻有较小的影响，但是影响在接受范围内。小结：针对湿热海洋环境，实验室研制的盐雾净化处理和气相防锈发散体两种防护技术，从整体改善电器设备运行的微环境，解决湿热海洋环境电器设备腐蚀问题具有良好的效果。环境技术工作建议p一带一路战略实施所

21、面临的挑战一带一路战略的实施给中国制造带来巨大机遇，但是沿线地区环境复杂、多样化，特别是海上丝绸之路地区腐蚀环境严酷，中国制造走出去将面临较大挑战，应做好前期研究工作。p欧洲发展海上风电给我们带来的启示n在欧洲开展风电场项目，前期研究工作一般需要在欧洲开展风电场项目，前期研究工作一般需要6-86-8年，但可以降低年，但可以降低80%80%的项目风的项目风险。险。n我国许多产业前期研究工作较短，把大部分风险都留到后期去解决，技术风险性我国许多产业前期研究工作较短，把大部分风险都留到后期去解决，技术风险性较高，后续追加的成本也远高于前期投入。较高，后续追加的成本也远高于前期投入。欧洲风电场项目典型流程图 前期研究工作前期研究工作全球典型自然环境试验网络全球典型自然环境试验网络海上丝绸之路沿线试验网络海上丝绸之路沿线试验网络p针对一带一路特殊环境实验室已开展的前期工作针对一带一路沿线特殊环境，工业产品环境适应性国家重点实验室已经开展前期试验网络建设工作，并对不同特殊环境严酷程度进行研究，可为中国企业走出去提供技术支持，协助企业解决面临的问题。