海洋风力发电材料设计.doc

海上风力发电耐腐蚀材料设计学生姓名： 张明康学号： 201130410367班级: 材科1104专业： 材料科学与工程2013年 1 月 摘要海上风力发电具有巨大的发展前景，但在材料的海洋大气腐蚀方面少有研究，本文就张力腿平台风力发电机组结构的三脚架对其进行材料的选择，表面处理方式设计，强度校核等，提出了一个海上风力发电耐腐蚀材料的设计方案思路，希望其能应用于海上风力发电平台，提高耐海洋大气腐蚀性能，延长使用寿命。关键词：海上风力发电，张力腿平台，耐海洋大气腐蚀，双相不锈钢 ABSTRACTOffshore wind power has great prospects for development, but few in Marine atmosphere corrosion of materials research, in this paper, the structure of tension leg platform wind turbine tripod to the choice of materials, surface treatment design, intensity, etc., proposes a design scheme of offshore wind power of corrosion resistant material, hope it can the offshore wind power on the platform, improve Marine atmospheric corrosion resistance, prolong service life.Key words: Offshore wind power, tension leg platform, Marine atmospheric corrosion resistance, duplex stainless steel1 前言随着能源形势愈加严峻，各国出台了许多应对能源危机的政策，其中，风力发电迅速成为世界上发展最快的绿色能源技术。在风力发电中，目前主要以陆上风力发电为主。但是，陆上风力发电存在着许多弊端，风速低，风源不稳定等问题导致风力发电并网技术难度较大，且成本大，经济效益差，虽然有政府政策支持，但目前难以普及和大规模利用。随着风力发电技术的不断创新，海上风力发电逐渐成为新能源的宠儿。2 海上风力发电现状及其前景海上风力发电是近年来风力发电的研究热点，与陆上相比存在着明显的优势：一，在海上发电能节省大量的土地资源，缓解土地紧张等问题；二，海上风源丰富，少有静风期，且风速一般比平原沿岸高出20%，发电量增加70%；三，海上单机容量一般可大510MW，比陆上发电高出几倍。2002年丹麦在Horns Rev海域建成了世界上最大的海上风电场，拥有80台2MW机组，装机容量16万KW，标志着大规模的商业化海上风电场起步。德国也在北海投资建设近海风电场，总功率在100万KW，单机功率5MW，可供6000户家庭提供用电。而我国的风电发展政策是先发展陆上，后发展海上。由于我国拥有较长的沿海线和巨大的海洋面积，因此我国在海上风力发电具有广阔的发展前景。海洋风能资源丰富，尤其在深海区域风速强且稳定性好，但是由于受到技术条件等限制，近海风能资源主要在深度不超过20m的浅海区域。张力腿平台风力发电机组（TLP）首先由美国马塞诸塞州科技学会和美国国家可再生能源实验室提出并设计，可应用于深海区域的风力发电。本文就张力腿平台风力发电机组结构的三脚架对其进行材料的选择，表面处理方式设计，强度校核等，提出了一个风力发电耐腐蚀材料的设计方案思路。3 张力腿平台风力发电机组三脚架材料设计技术路线图 海上风力发电张力腿平台三脚架材料设计耐海洋大气腐蚀材料选择双相不锈钢 表面处理方式表面热处理 涂层法表面化学处理 镀层法 耐腐蚀性能评价电化学腐蚀试验中性盐雾试验现场挂片腐蚀试验实物腐蚀试验 强度，刚度校核 经济性评价 应用 4 三脚架材料设计对于张力腿平台三脚架材料，需要同时满足高强度的设计要求和耐腐蚀性能的要求，一般的耐腐蚀钢材和耐海水腐蚀钢仍难以达到该要求，因此，需要在此基础上选择出符合其要求的钢材，并选择适当的表面处理方法。图1为张力腿平台结构示意图。 。 图1 张力腿平台结构示意图4.1 合金元素对钢性能的影响铬铬是决定不锈钢耐腐蚀性能的主要元素，铬能使铁基固溶体的电极电位提高以及在表面形成钝化膜，且具有良好的耐磨性能。镍镍是奥氏体形成元素，由于含铬的脆性较大，需要与镍配合使用，故往铬合金添加一定量的镍能改善其力学性能以及耐腐蚀性能。钼钼是铁素体形成元素，一些研究表明，耐点蚀当量PRE=Cr%+3.3Mo%，故Mo能有效地提高不锈钢的耐点蚀性能。在CrNi不锈钢中添加Mo,不但可以提高其耐点蚀性，也能提高其耐腐蚀磨损性能。硅硅和钼一样具有良好的耐氯离子腐蚀的特性，随着硅含量的增加，钢在含氯离子的溶液中点蚀电位向整电位方向转移。但是，随着硅含量的上升，会导致钢的力学性能的下降，增加钢的脆性。磷磷是一般不锈钢中的杂质元素，对不锈钢的抗孔蚀性能是有害的，影响钝化膜的形成与愈合过程，故需要尽量降低磷的含量。4.2 钢牌号的选择双相不锈钢，所谓双相不锈钢是在其固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半，一般量少相的含量也需要达到30，该钢种兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特点。在含C较低的情况下，Cr含量在1828，Ni含量在310。有些钢还含有Mo、Cu、Si、Nb、Ti，N等合金元素。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的475脆性以及导热系数高和超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍不锈钢。2由于铁素体-奥氏体不锈钢具有同时具有较高的强度和优良的耐腐蚀性能，根据上述成分要求以及强度要求，本实验选择研究对象为00Cr18Ni5Mo3Si2双相不锈钢。00Cr18Ni5Mo3Si2双相钢化学成分如表2.1所示。 表2.1 元素含量百分比元素CSiMnCrNiMoPS含量（%）0.031.202.001.002.0018.0019.504.505.502.503.000.0300.03000Cr18Ni5Mo3Si2双相钢的力学性能如表2.2所示。 表2.2 力学性能b(Mpa)s(Mpa)(%) 硬度HBSHRC6304403029030.54.3表面处理工艺为了进一步提高双相钢的耐海水腐蚀性能，在表面进行镀Ti处理，研究表面镀Ti对其耐点蚀性能的影响。Ti在强腐蚀性环境中具有优异的化学稳定性，在电解质中具有较强的自钝化能力，适用于海水，硝酸和湿氯介质，同时Ti能提高含Cr的钢铁材料的耐晶间腐蚀性能。5 耐腐蚀性能评价5.1 中性盐雾试验利用中性盐雾试验对海洋大气氯离子环境进行模拟实验，评价其耐氯离子腐蚀能力。根据GB 6458-86中性盐雾试验国家标准设计试验。5.2 电化学腐蚀试验为了测量该合金的活化-钝化转变行为的阳极极化曲线和孔蚀特征电位，采用控制电位阳极极化法进行测试。击破电位Eb和保护电位Ep是表征金属材料孔蚀敏感型的两个基本电化学参数，它们把具有活化-钝化转变行为的阳极极化曲线划分为三个阶段，如图2所示，即：EEb,将形成新的蚀孔，原有蚀孔会继续长大；EbEEp,不会形成新蚀孔，但原有蚀孔将继续长大；EEp，原有蚀孔再钝化而不再发挥在那，也不会形成新蚀孔。 图2 活化-钝化转变行为的阳极极化5.3 现场挂片试验将制备好的试样做成金属试片，将其安装放置在海水腐蚀试验站的试验架上，处于飞溅区。经过一段时间后观察试样的表面变化，计算点蚀速率等。其特点为介质，环境皆与实际情况相同，结果可靠，试验较为简单。但是，现场试验也有一定的局限性，例如结果分散，重现性差，周期较长等。5.4 实物腐蚀试验按照实物比例缩小做成小型的张力腿平台，并在实际海洋环境下进行试验。其优点是材料、环境、介质均一致，结果可靠程度高。但是由于其制备费用大，时间较长，可能难于实现。6 力学性能评价图3为三角架受力示意图，其最大应力一般不超过100MPa,而本次设计所选择的双相不锈钢的抗拉强度可达630MPa,故满足其强度要求。7 结论 本文通过对海上风力发电装置张力腿平台的三角架进行材料的选择，表面处理方法设计，耐腐蚀性能评价试验设计，强度校核等方面进