海上风电基础阴极保护技术研究.pdf

第 21 卷 第 1 期 装 备 环 境 工 程 2024 年 1 月 EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING 89 收稿日期：2023-10-08；修订日期：2023-11-08 Received：2023-10-08；Revised：2023-11-08 引文格式：和一帆,金曦,秦铁男,等.海上风电基础阴极保护技术研究J.装备环境工程,2024,21(1):89-95.HE Yifan,JIN Xi,QIN Tienan,et al.Cathodic Protection Technology for Offshore Wind Power FoundationJ.Equipment Environmental Engi-neering,2024,21(1):89-95.*通信作者（Corresponding author）海上风电基础阴极保护技术研究 和一帆1，金曦1，孙吉星1，王晖瑜1*，秦铁男2，孙兆恒3，陈武1，黄渤1，徐云泽4（1.中海油常州涂料化工研究院有限公司，江苏 常州 213016；2.大连科迈尔海洋科技有限公司，辽宁 大连 116024；3.渤海石油航务建筑工程有限责任公司，天津 300450；4.大连理工大学，辽宁 大连 116024）摘要：目的目的 探究外加单一电流阴极保护（Impressed Current Catholic Protection，ICCP）系统、单一牺牲阳极保护（Sacrificial Anode Cathodic Protection，SACP）系统以及 SACP 与 ICCP 系统联合保护 3 种工况下对海上风电基础的最优保护方案。方法方法 通过对 3 种工况进行数值模拟计算，对比不同工况下阴极保护系统对风电基础的保护效果。确定最优工况后，构建大比尺模型对最佳工况进行该工况下的实海测试实验。结果结果 单一 SACP、单一 ICCP 系统以及 SACP 与 ICCP 系统联合保护 3 种工况下，风电基础保护电位区间分别为926881 mV、1 018985 mV 和984963 mV。实海测试实验中，导管架电位分布为1 029912 mV。数值模拟结果与实验结果基本一致。结论结论 当 SACP 与 ICCP 系统联合保护时，保护效果最好。随着输出电流的逐步增大，风电基础模型逐步趋于过保护状态。关键词：海上风电基础；牺牲阳极阴极保护；外加电流阴极保护；数值模拟；耦合作用；实海测试 中图分类号：TG174 文献标志码：A 文章编号：1672-9242(2024)01-0089-07 DOI：10.7643/issn.1672-9242.2024.01.012 Cathodic Protection Technology for Offshore Wind Power Foundation HE Yifan1,JIN Xi1,SUN Jixing1,WANG Huiyu1*,QIN Tienan2,SUN Zhaoheng3,CHEN Wu1,HUANG Bo1,XU Yunze4(1.CNOOC Changzhou Paint and Coating Industry Research Institute Co.,Ltd.,Jiangsu Changzhou 213016,China;2.Dalian Kingmile Marine Technology Co.,Ltd.,Liaoning Dalian 116024,China;3.Bohai Oil Harbor Construction Engineer-ing Co.,Ltd.,Tianjin 300450,China;4.Dalian University of Technology,Liaoning Dalian 116024,China)ABSTRACT:The work aims to investigate the optimal protection scheme for offshore wind power foundation under the three working conditions of external single impressed current catholic protection(ICCP)system,single sacrificial anode cathodic protection(SACP),and joint protection of SACP and ICCP system.Numerical simulation calculations were carried out for three working conditions to compare the protection effect of the cathodic protection system on the wind power foundation under dif-ferent working conditions.After determining the optimal working condition,a large-scale model was constructed to carry out real sea test experiments under the optimal working condition.The potential intervals of wind power foundation protection under 90 装 备 环 境 工 程 2024 年 1 月 the three working conditions of single SACP,single ICCP system,and combined SACP and ICCP system were 926881 mV,1 018985 mV,and 984963 mV,respectively.The distribution of conduit rack potentials in the real sea test experiments was 1 029908 mV.The numerical simulation results were basically consistent with the experimental results.The protection effect is best when SACP and ICCP systems are combined.With the gradual increase of output current,the wind power founda-tion model gradually tends to over-protection state.KEY WORDS:offshore wind power foundation;sacrificial anodecathodic protection;applied current cathodic protection;nu-merical simulation;coupling effect;real sea test 近年来，随着海上风电技术的发展，越来越多的海上风电设备投入使用1。由于海水的强腐蚀性，风电基础又直接暴露在工况复杂的海水环境中，因此其防腐问题不容忽视。目前，普遍采取涂层加阴极保护二者结合对风电基础进行腐蚀防护2。阴极保护分为SACP 法和 ICCP 法3-6，在海上风电发展初期，由于SACP 具有无需外界提供电源、安装工艺简单、基本无需运维等优点，因此应用较为广泛，占整个市场份额的 90%以上7。但单一的 SACP 技术存在阳极溶解不均匀导致消耗过快、后期电位检测困难、阳极质量大等一系列问题8-10，导致初期建设成本增加，全寿期经济成本提高11。对于基础结构的阴极保护，如果仅仅选用 SACP 技术，一方面，大大增加牺牲阳极的质量及安装数量，增加基础结构自重，加大施工吊装难度及建造成本12；另一方面，随着水深的增加，SACP 系统的水下维修及延寿也难以实施，再次增加了海上风电全寿期的运维成本。ICCP 系统的优势为可调的输出电压及电流、安装快速、成本相对较低等方面13。其保护原理为通过外加电源施加电流到辅助阳极上，向被保护的金属结构输送大量的电子，当足够多的电子富集在被保护体表面，金属表面就会发生极化，从而导致结构整体电位负移，腐蚀就会被减弱或抑制。此外，随着深远海资源的开发以及海上风电趋于平价化、规模化，海上风电厂将采用统一、科学、有效的全寿期运维管理方式，这要求海上风电基础阴极保护系统需在满足高可靠性及有效保护的前提下，同时具备可维修、可更换、全寿期成本最低的特点14。因此，目前使用 ICCP 系统进行保护成为了更为普遍的一种选择。但是 ICCP 系统的使用需要合理的设计，否则容易发生过保护或者欠保护，欠保护会导致构筑物的腐蚀得不到抑制15，而过保护会导致构筑物材料发生氢致开裂现象16。综上所述，SACP 能有效保护构筑物，且牺牲阳极的均匀分布会使阴极保护电位相对均匀，但其后期的维护却更加困难。ICCP 系统通过辅助阳极释放电流对构筑物进行阴极保护，利于日后维护更换。现实工况中，为满足构筑物整体的保护需要，辅助阳极会释放较大电流。因此，在同一构筑物中，距辅助阳极相对较近的结构会有过保护风险，距辅助阳极较远的结构则会趋于欠保护。目前，市面上对于风电基础的保护普遍采取单一SACP 或 ICCP 的手段，对此亦有大量报道，而二者耦合工况下对风电基础的保护研究却相对较少。耦合工况可以避免单一 SACP 的大质量及电位检测的困难，弥补了采用单一 ICCP 保护时，在构筑物刚下水未上电阶段无法提供阴极保护的不足。因此，本文针对海上风电基础，分别开展单一 SACP、单一 ICCP系统以及 SACP 与 ICCP 系统联合保护 3 种工况下的阴极保护数值模拟计算，对比 3 种工况的保护效果。随后选择最佳保护工况进行实海实验，来进一步确认该工况下阴极保护系统在实海环境下防腐的有效性。1 参数 目标风电单桩为大连市小平岛湾内水域的大比尺单桩模型结构，如图 1 所示。该模型设计寿命为20 a，高 8.7 m，总计 3 个单桩，每个单桩直径为508 mm，均可进行风电 ICCP 试验。湾内水域水深48 m，潮差约为 3 m，海水电阻率为 22 cm。当构筑物表面涂有防腐涂层时，需要根据破损率进行修正，破损率可根据式（1）进行计算17-18：fc=a+bt(1)式中：fc为目标风电基础涂层破损率；a、b 为涂层破损系数，结合风电基础参数与所处类环境19，取 a=0.02，b=0.012；t 为使用年限，本试验主要参考目标风电基础维持期的参数，故这里按 10 a 计算。计算得出 fc=0.14。参照 DNV-RP-B4012021、BS EN 131742001、JTS153-32007、NB/T 310062011 相关要求19-22，选取阴极保护电流密度，水位变动及全浸区裸钢在维持期所需保护电流密度为 80 mA/m2，泥下区裸钢在维持期所需保护电流密度为 20 mA/m2。有涂层钢保护电流密度可按式（2）进行计算。Jc=Jbfc(2)式中：Jc为有涂层钢的保护电流密度；Jb为无涂层钢的保护电流密度。得出水中涂层钢在维持期所需的保护电流密度为 11.2 mA/m2，泥下涂层钢所需保护密度为 2.8 A/m2。由于 I=SJ（I 为所需保护电流大小，S 为被保护部位面积，J 为被保护区所需保护电流密度），故可得模型各区域所需保护电流大小，如第 21 卷 第 1 期 和一帆，等：海上风电基础阴极保护技术研究 91 表 1 所示。参照 DNV-RP-B4012021，设计牺牲阳极单块阳极质量为 4.5 kg，共 2 块牺牲阳极。图 1 大比尺风电基础模型结构 Fig.1 Structural diagram of large-scale wind power founda-tion model 表 1 模型各区域所需保护电流 Tab.1 Required protection current for each region of the model 环境 钢结构表面状态 模型 面积/m2所需电流 密度/(mAm2)保护电流/A浪溅区水中 涂层 28.35 11.2 0.32 涂层区 外壁涂层 85.04 11.2 0.95 泥下涂层区 涂层 57.14 2.8 0.16 总计 140.53/1.43 2 材料 按照图 1 搭建大比尺模型，模型全涂装。大比尺模型水下部分涂装灰色环氧底漆，干膜厚度为 500 m。甲板上表面灰色环氧底漆，干膜厚度为 250 m，黄色聚氨酯面漆，干膜厚度为 80 m；甲板下表面，灰色环氧底漆，干膜厚度为 500 m。涂装完毕后的大比尺模型下水前后如图 2 所示。辅助阳极选用纤维复合增强材料（Fiber Reinforce Plastic，FRP）作为封装材料，内部各个器件通过 FRP 封装成一体，各个部分粘结紧密，海水无法从粘结处渗入阳极内部，其结构如图 3 所示。其中，钛质圆盘厚 3 mm，直径为300 mm，圆盘中心有螺柱；碳钢盘圆盘中心有圆孔，盘面有 6 个螺母，其螺柱为可拆卸式螺柱；FRP 上表面为 3 道 O 形密封，可有效保证水密性能。参比电极采用高纯锌参比电极与固态银/氯化银/海水参比电极组成的复合双参比电极，并采用长效水密封装，耐水压力可达 1.8 MPa。图 2 大比尺风电基础模型 Fig.2 Large-scale wind power foundation model 图 3 辅助阳极结构 Fig.3 Structure of auxiliary anode 3 方法 用三维建模软件建立大比尺风电单桩的网格模型，如图 4 所示。将其导入 CPVS 软件中进行 ICCP数值模拟计算。CPVS（Corrosion Protection Visuli-sation Studio）是一款大连理工大学基于边界元仿真原理（BEM）自主研发的软件系统，适用于船舶与海洋构筑物的腐蚀防护评估23。仅需对被保护结构/场域的表面进行建模，并输入边界条件和环境参数，即可仿真得到结构表面的电化学电位分布状态。当大比尺模型安装圆盘式辅助阳极提供阴极保护时，参照相关阴极保护设计标准19-22，确认阴极保护系统，设计2 套固定式辅助阳极。阴极保护监测系统包括 6 套参比电极（Reference Electrode，RE），参比电极布置应能确保大比尺模型的阴极保护监测系统能正确、全面反映结构的阴极保护状态，监测结构易出现过保护和欠保护的位置。因此，分别在桩腿上距离阳极最近的位置布置 3 组参比电极，在桩腿底部容易出现欠保护的位置布置 3 组参比电极。辅助阳极与参比电极具体布置如图 5 所示。92 装 备 环 境 工 程 2024 年 1 月 图 4 大比尺风电基础模型网格 Fig.4 Grid diagram of large-scale wind power foundation model 图 5 辅助阳极与参比电极位置布置 Fig.5 Positional arrangement of auxiliary anode and reference electrode 4 结果与分析 4.1 模拟 4.1.1 单一 SACP 保护工况 仅采用 SACP 保护时，风电基础保护电位分布如图 6 所示。2 块牺牲阳极共输出电流约为 1.5 A，电位分布在919871 mV，模型结构电位比例见表 2。电位分布较为均匀，基本满足保护标准要求。图 6 大比尺风电基础仅牺牲阳极保护模型电位云图 Fig.6 Potential diagram for sacrificial anode protection of large-scale wind power foundation 表 2 模型结构电位分布比例 Tab.2 Proportion of modeled structural potential distribution 电位分布/mV 比例/%1100 0.00 4.1.2 单一 ICCP 保护工况 针对单一 ICCP 保护工况进行数值模拟迭代计算，通过调节辅助阳极的输出电流，得到该工况下整体最优的保护效果，此时辅助阳极输出电流为 1.5 A。结构的保护电位云图如图 7a 所示，分布在1 018 985 mV。电位云图分层明显，即靠近辅助阳极区域的电位明显高于远离辅助阳极的区域。增大辅助阳极输出电流到 3 A 时，结构的保护电位云图如图 7b 所示，结构电位分布在1 1151 056 mV，此时构筑物出现过保护区域24。模型结构电位分布比例见表 3。4.1.3 SACP 与 ICCP 系统耦合保护工况 该工况包含 1 块牺牲阳极以及 2 个辅助阳极。通过调节辅助阳极输出电流，得到该工况下最佳保护状态，此时电位分布如图 8 所示，电位分布比例如表 4所示。计算结果显示，构筑物的电位分布在984 963 mV。此时，ICCP 系统总计输出电流仅需 0.6 A就可满足保护要求，相比单一 ICCP 工况下所需电流更少。通过观察 3 种工况下电位云图以及比较结构电 图 7 大比尺风电基础仅阴极保护模型电位云图 Fig.7 Potential diagram for cathodic protection of large-scale wind power foundation model 第 21 卷 第 1 期 和一帆，等：海上风电基础阴极保护技术研究 93 表 3 模型结构电位分布比例 Tab.3 Proportion of modeled structural potential distribution 电位分布/mV 比例（3A）/%比例（1.5A）/%1100 0.00 35.60 图 8 大比尺风电基础模型在耦合工况下的电位云图 Fig.8 Potential diagram of large-scale wind power foundation model under coupling condition 表 4 模型结构电位分布比例 Tab.4 Proportion of modeled structural potential distribution 电位分布/mV 比例/%1100 0.00 位分布比例可知，耦合工况下的电位分布更为均匀，大部分分布于980950 mV。同时，处于规范中推荐的优异保护电位19，保护效果更好25，这是因为牺牲阳极提供了更均匀的电流分配26。同时，由于牺牲阳极的输出电流相对较小，保护风电基础局部区域时，弥补了外加电流有杂散电流干扰的劣势。耦合工况下，SACP 与 ICCP 系统互为冗余，即 SACP 可防止风电基础突然发生断电等意外状况。ICCP 系统不但可以减少 SACP 用量，还可以减缓 SACP 的溶解速率27。4.2 实验 选取 SACP、ICCP 系统耦合工况进行大比尺模型实海实验，风电基础安装有 1 块牺牲阳极，ICCP输出电流为 0.6 A，模型完成极化后，记录参比电极电位。风电基础在维持期期间的保护电位如图 9 所示，均满足规范规定的设计保护电位范围。由图 9 可知，维持期期间监测电位基本稳定，RE2 距辅助阳极最近，故其电位最负，RE5 和 RE6 距辅助阳极相对较远，因此二者电位相对较正。同时，从曲线波动来看，后期的波动小于前期，这说明该参比电极适合在海洋环境中长期使用。6 个参比电极所测的保护电位均处在1 029912 mV，整个结构处于良好的保护状态24-25。将参比电极实际电位与软件数值模拟对应点位的电位进行对比，二者存在一定差异，但误差在可接受范围之内，证明该套阴极保护设备在实海环境中切实可靠。图 9 实海实测时各参比电极监测的保护电位 Fig.9 Protective potentials monitored by each reference electrode during real sea measurements 5 结论 本文通过 CPVS 软件模拟了大连小平岛湾海上风电基础分别在单一SACP、单一ICCP 系统以及SACP与 ICCP 系统耦合 3 种工况下的保护电位结果，得出最佳工况。随后选择模拟最佳系统进行了大比尺实海实验，具体结论如下：94 装 备 环 境 工 程 2024 年 1 月 1）3 种工况均能为风电基础提供阴极保护。其中，单一 SACP 保护电位偏低，单一的 ICCP 系统保护电位不够均匀，而耦合工况在三者中所需电流最少，保护效果最好。在 ICCP 系统中，随着保护电流增大，保护电位发生负移。2）当启用 SACP 与 ICCP 系统联合保护后，得到的数值软件模拟结果与实海实验结果基本一致。该套系统为风电单桩基础的腐蚀控制提供了良好的解决方案，对日后海上风电基础的阴极保护发展具有重要的参考价值。参考文献：1 高宏飙,刘碧燕.外加电流阴极保护系统(ICCP)在海上风电的应用J.腐蚀与防护,2013,34(12):1108-1110.GAO H B,LIU B Y.Application of Impressed Current Cathodic Protection System(ICCP)to Offshore Wind Farms J.Corrosion&Protection,2013,34(12):1108-1110.2 李美明,徐群杰,韩杰.海上风电的防腐蚀研究与应用现状J.腐蚀与防护,2014,35(6):584-589.LI M M,XU Q J,HAN J.Progress of Corrosion and Pro-tection for Offshore Wind PowerJ.Corrosion&Protec-tion,2014,35(6):584-589.3 王志英,王俭秋,韩恩厚,等.涂层剥离条件下 X70 管线钢的应力腐蚀裂纹萌生行为J.金属学报,2012,48(10):1267-1272.WANG Z Y,WANG J Q,HAN E H,et al.Stress Corro-sion Crack Initiation Behavior for the X70 Pipeline Steel beneath a Disbonded CoatingJ.ActaMetallurgicaSinica,2012,48(10):1267-1272.4 TAMHANE D,THALAPIL J,BANERJEE S,et al.Per-formance Evaluation of Electro-Mechanical Impedance Based State of Health Estimation of Sacrificial Anodes in Reinforced Concrete StructuresJ.Construction and Building Materials,2022,342:128034.5 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