海上风电基础防腐蚀设计与应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 116 海上风电基础防腐蚀设计与应用 徐剑峰 陶铁铃 邹 尤 王 双 王晨晖 长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010 摘要：摘要：海上风电基础钢结构在海洋环境中的腐蚀是影响结构可靠性和使用寿命的重要因素，防腐蚀是海上风电整个生命周期内的重要课题。文章针对海上风电三桩基础，基于海港工程、海洋工程主要的防腐蚀规范，深入研究了常用的预留腐蚀裕量、涂层保护、牺牲阳极保护的联合保护方式，包括腐蚀裕量的计算、涂料的选取、牺牲阳极的选型与所需数量计算等等。关键词：关键词：海上风电基础；防腐蚀；腐蚀裕量；涂层保护；牺牲阳极 中图分类号：中图分类号：TM614 1 概述 目前商业化的海上风电项目绝大多数都是固定式基础，而基础材料又多采用钢结构。这种情况下，钢结构在海洋环境中的腐蚀是影响海上风电可靠性和使用寿命的重要因素。因此，海上风电基础的防腐蚀设计是一个非常重要的课题。对于海上风电基础钢结构，防腐蚀措施有预留腐蚀裕量、涂层保护、金属热喷涂、阴极保护等等1，其中阴极保护又分为牺牲阳极和外加电流两种方式。本文主要基于国家交通部的海港工程钢结构防腐蚀技术规范、国家能源局的海上风电场钢结构防腐蚀技术标准23，结合国内外海洋工程、港口工程防腐蚀设计经验，针对海上风电三桩基础，深入研究了常用的预留腐蚀裕量、涂层保护、牺牲阳极保护的联合保护方式，详细论述了其设计与计算方法。2 水文条件 在本文中，使用的水文条件如下表所示。表 1 水文条件 水深 设计高水位 设计低水位 H1%（50 年重现期）m m m m 20 3.44-1.5 7.4 本文作为分析对象的海上风电三桩基础如图 1 所示。根据以上海洋水文条件，参照 海港工程钢结构防腐蚀技术规范 进行腐蚀环境分区，按无掩护、港工设计水位进行，则分界如下：大气区下边界：设计高水位+（0+1.0）=3.44+（5.1+1）=9.54m 图 1 三桩基础方案 浪溅区下边界：H2=设计高水位-0=3.44-5.1=-1.66m 水位变动区下边界：H3=设计低水位-1.0=-1.5-1=-2.5m 其中，0是设计高水位时，50 年重现期 H1%的波峰高度，利用下图插值得到。图 2 t=0时的值 max中国科技期刊数据库 工业 A 117 表 3 三桩基础不同部位单面腐蚀裕量 分区 单面腐蚀裕量 单面平均腐蚀速度 保护效率 防腐蚀措施的设计使用年限 钢结构的设计使用 年限-mm mm/a-a a 大气区 0.405 0.1 0.85 27 27 浪溅区 2.025 0.5 0.85 27 27 水位变动区、水下区 0.486 0.12 0.85 27 27 泥下区 0.203 0.05 0.85 27 27 表 4 三桩基础涂层保护方案 外表面（大气区：基础顶9.54m）涂料系统 配套涂层 涂料类型 涂层道数 涂料厚度 干漆膜总厚度 底漆 富锌底漆（法兰除外）1 80m 560m 中间漆 改性环氧重防腐涂料 1 400m 面漆 聚氨酯面漆 1 80m（色号：RAL1004）外表面（浪溅区：9.54m-1.66m）涂料系统 配套涂层 涂料类型 涂层道数 涂料厚度 干漆膜总厚度 底漆 聚酯玻璃鳞片漆 1 500m 1000m 面漆 聚酯玻璃鳞片漆（色号：RAL1004）1 500m 外表面（水位变动区及水下区：-1.66m 泥面以下 2m）涂料系统 配套涂层 涂料类型 涂层道数 涂料厚度 干漆膜总厚度 底漆 改性环氧重防腐涂料 1 400m 800m 面漆 改性环氧重防腐涂料 1 400m 根据上述计算结果，并考虑冲刷影响，水下区下边界取泥面以下 2m，则本文的腐蚀环境分区如下图所示。图 3 腐蚀环境分区 3 预留腐蚀裕量 从国内外的海洋工程、船舶工业的实践来看，钢结构防腐最简单的方法是预留钢结构腐蚀裕量。根据 海港工程钢结构防腐蚀技术规范，预留腐蚀裕量根据钢结构的设计使用年限和单面平均腐蚀速度计算，计算公式如下。=K(1 P)t1+(t t1)(3-1)式中：钢结构的单面腐蚀裕量，mm；K：钢结构的单面平均腐蚀速度，mm/a；P：保护效率，采用涂层保护和阴极保护联合保护时，保护效率可取 85%95%；t1：防腐蚀措施的设计使用年限，a；本文中，风电场的设计寿命 25a，考虑建设期 2a，则t1为 27；t：钢结构的设计使用年限，a。其中，钢结构的单面平均腐蚀速度K在规范中也有规定，见表 3-1。表 2 钢结构的单面平均腐蚀速度 部位 平均腐蚀速度（mm/a）大气区 0.050.10 浪溅区 有掩护条件 0.200.30 无掩护条件 0.400.50 水位变动区、水下区 0.12 泥下区 0.05 经式（3-1）计算，本文三桩基础不同部位的单面腐蚀裕量如下表所示。根据计算结果并考虑建造加工的实际情况，出于中国科技期刊数据库 工业 A 118 安全考虑，腐蚀裕量可以较表 3-2 的计算结果适当加大。对于本文的三桩基础，最终确定大气区的钢结构单面腐蚀裕量为 1.0mm；浪溅区为 2.5mm；水位变动区、水下区和泥下区为 0.5mm。但预留腐蚀裕量方法存在一些缺陷，例如钢材在海洋环境各区域中的腐蚀速度并不一致，并不是平均腐蚀，存在着大量的腐蚀点、腐蚀坑，这些局部腐蚀对 于海洋钢结构来说是潜在的巨大隐患；海上风电场海域腐蚀环境恶劣，加之地质条件差，若单一采用预留腐蚀裕量的方法，将加大钢材壁厚，从而导致钢材用量大量增加、加大制作难度和增加下沉施工难度4。因此采用预留腐蚀裕量方法的同时，需考虑与物理防护和电化学防护进行联合防护。4 涂层保护 物理防护通过金属/混凝土表面的绝缘处理，使金属/混凝土与腐蚀介质隔离开。通常采用有着良好附着性、耐蚀性、抗渗性的材料。本文的三桩基础进行涂层保护设计时，一方面参考了海洋工程钢结构防腐蚀相关规范，另一方面结合调研和设计经验，确定的涂层保护方案如表 4 所示。5 牺牲阳极 阴极保护是一种电化学防腐方法，包括牺牲阳极和外加电流两种方式。阴极保护是根据腐蚀微电池原表 5 无涂层钢常用保护电流密度参考值 环境介质 保护电流密度 mA/m2 初期值 维持值 末期值 海水 150180 6080 80100 海泥 25 20 20 海水混凝土或水泥砂浆包覆 1025 表 6 水下区所需保护电流密度变化情况 年份 破损系数 初期值 维持值 末期值 ib ic ib ic ib ic a%mA/m2 mA/m2 mA/m2 mA/m2 mA/m2 mA/m2 1 4.5 150 6.75 60 2.7 80 3.6 2 7.5 150 11.25 60 4.5 80 6 3 10.5 150 15.75 60 6.3 80 8.4 4 13.5 150 20.25 60 8.1 80 10.8 5 16.5 150 24.75 60 9.9 80 13.2 6 19.5 150 29.25 60 11.7 80 15.6 7 22.5 150 33.75 60 13.5 80 18 8 25.5 150 38.25 60 15.3 80 20.4 9 28.5 150 42.75 60 17.1 80 22.8 10 31.5 150 47.25 60 18.9 80 25.2 11 34.5 150 51.75 60 20.7 80 27.6 12 37.5 150 56.25 60 22.5 80 30 13 40.5 150 60.75 60 24.3 80 32.4 14 43.5 150 65.25 60 26.1 80 34.8 15 46.5 150 69.75 60 27.9 80 37.2 16 49.5 150 74.25 60 29.7 80 39.6 17 52.5 150 78.75 60 31.5 80 42 18 55.5 150 83.25 60 33.3 80 44.4 19 58.5 150 87.75 60 35.1 80 46.8 20 61.5 150 92.25 60 36.9 80 49.2 21 64.5 150 96.75 60 38.7 80 51.6 22 67.5 150 101.25 60 40.5 80 54 23 70.5 150 105.75 60 42.3 80 56.4 24 73.5 150 110.25 60 44.1 80 58.8 25 76.5 150 114.75 60 45.9 80 61.2 26 79.5 150 119.25 60 47.7 80 63.6 27 82.5 150 123.75 60 49.5 80 66 中国科技期刊数据库 工业 A 119 理人为提高待保护材料电位来达到保护目的，通过在金属表面通以足够的阴极电流，使金属表面阴极化，成为电化学电池中电位均一的阴极，从而防止其表面腐蚀的防腐技术。阴极保护措施一般适用于水下区，对水位变动区也有一定的保护作用。对比牺牲阳极和外加电流两种阴极保护技术，考虑风机基础结构防腐蚀可靠性、风电场场址水环境条件和运行管理因素，本文研究牺牲阳极保护方法。5.1 保护电流密度 设计时应首先确定钢结构初期极化需要的保护电流密度、维持极化需要的保护电流密度以及末期极化需要的保护电流密度。根据 海上风电场钢结构防腐蚀技术标准，无涂层钢各阶段保护电流密度取值如下表所示：对于有涂层钢的保护电流密度，可以通过无涂层钢的保护电流密度得到，规范提供了如下计算公式：=(5-1)式中：有涂层钢的保护电流密度，/2；：无涂层钢的保护电流密度，/2；：涂层的破损系数，0 1。常规涂料初期涂层破损系数为：水中 1%2%，本文取 1.5%；泥中 25%50%，本文取 30%；涂层破损速率为每年增加 1%3%，本文对于水下区和泥下区均取3%。表 6 和表 7 展示了在防腐蚀措施的 27 年寿命期内，所需电流密度随破损系数的变化情况。根据表 6 和表 7，有涂层钢保护电流密度计算结果如下表所示。表 8 有涂层钢保护电流密度 水下区 泥下区 初期值 维持值 末期值 初期值 维持值 末期值 mA/m2 mA/m2 mA/m2 mA/m2 mA/m2 mA/m2 123.75 49.5 66 25 20 20 5.2 总保护电流值 根据海港工程钢结构防腐蚀技术规范，在得到所需保护电流密度之后，根据被保护钢结构各部分的面积，即可计算所需总保护电流值。计算公式如下。I=In+If(5-2)表 7 泥下区所需保护电流密度变化情况 年份 破损系数 初期值 维持值 末期值 ib ic ib ic ib ic a%mA/m2 mA/m2 mA/m2 mA/m2 mA/m2 mA/m2 1 33 25 8.25 20 6.6 20 6.6 2 36 25 9 20 7.2 20 7.2 3 39 25 9.75 20 7.8 20 7.8 4 42 25 10.5 20 8.4 20 8.4 5 45 25 11.25 20 9 20 9 6 48 25 12 20 9.6 20 9.6 7 51 25 12.75 20 10.2 20 10.2 8 54 25 13.5 20 10.8 20 10.8 9 57 25 14.25 20 11.4 20 11.4 10 60 25 15 20 12 20 12 11 63 25 15.75 20 12.6 20 12.6 12 66 25 16.5 20 13.2 20 13.2 13 69 25 17.25 20 13.8 20 13.8 14 72 25 18 20 14.4 20 14.4 15 75 25 18.75 20 15 20 15 16 78 25 19.5 20 15.6 20 15.6 17 81 25 20.25 20 16.2 20 16.2 18 84 25 21 20 16.8 20 16.8 19 87 25 21.75 20 17.4 20 17.4 20 90 25 22.5 20 18 20 18 21 93 25 23.25 20 18.6 20 18.6 22 96 25 24 20 19.2 20 19.2 23 99 25 24.75 20 19.8 20 19.8 24 100 25 25 20 20 20 20 25 100 25 25 20 20 20 20 26 100 25 25 20 20 20 20 27 100 25 25 20 20 20 20 中国科技期刊数据库 工业 A 120=()(5-3)式中：总保护电流，；：被保护钢结构各分部分的保护电流，；：其他附加保护电流，；：被保护钢结构各分部分的初期保护电流密度，/2；：被保护钢结构各分部分的保护面积，2。根据上文的腐蚀环境分区，被保护钢结构水下区外表面积为 885.22，泥下区外表面积为 1711.22。于是便可求得所需总电流值：初期为 152.3A，维持期为 78.1A，末期为 92.7A。5.3 牺牲阳极选型 阳极块的规格参数见规范铝-锌-铟系合金牺牲阳极5。本文选用 A11I-1 型牺牲阳极，形状及尺寸参数如下图，单个重量为 310kg。图 4 A11I-1 型牺牲阳极 根据海上风电场钢结构防腐蚀技术标准，结合A11I-1 型牺牲阳极的参数，可计算得到单个阳极块的电阻、电流数据如下表。表 9 单个阳极计算参数 单个阳极块接水电阻 单个阳极块输出电流 A 0.05 5.52 由总保护电流值、单个阳极块的输出电流，可以计算当基础配置 A11I-1 型阳极块时，所需数量为 28 块，总重量为 8.68t。5.4 牺牲阳极寿命 对于牺牲阳极的使用寿命，可按下式计算：=(5-4)式中：牺牲阳极的寿命，；：单只牺牲阳极的净质量，；：牺牲阳极的消耗率，/()；根据铝-锌-铟系合金牺牲阳极，本文所使用的 A11I-1 型阳极块的消耗率 3.65/()；：牺牲阳极在使用年限内的平均输出电流，；：牺牲阳极的利用系数，根据海上风电场钢结构防腐蚀技术标准，长条状牺牲阳极可取：0.900.95。经计算，本项目所选用阳极块的使用寿命为 25.2年。5.5 布置范围 对于牺牲阳极的安装范围，规范也有规定：顶高程应至少在最低水位以下 1.0m，底高程应至少高于泥面以上 1.0m。根据本文的基础结构和海洋水文条件，将牺牲阳极的顶高程设置为-4.0m，平均底高程设置为-15.0m。6 结语 钢结构的腐蚀伴随海上风电场的整个生命周期，是一个需要深入研究和持续关注的课题。本文对常用的联合防护方法即预留腐蚀裕量、涂层保护、牺牲阳极保护的联合保护展开研究，以三桩基础为对象，深入分析了完整的设计和计算过程，对海上风电场防腐蚀有一定参考价值。参考文献 1姚忠,孙绪东.海上风机钢结构基础防腐设计J.钢结构,2012,27(10):77-79.2中国人民共和国交通部.海港工程钢结构防腐蚀技术规范:JTS 153-3-2007S.北京:人民交通出版社,2007.3国家能源局.海上风电场钢结构防腐蚀技术标准:NB/T 310062011S.北 京:中 国 电 力 出 版社,2011.4乐治济,林毅峰.海上风机基础钢结构防腐蚀设计J.中国港湾建设,2013(4):19-20.5国家质量监督检查检疫总局.铝-锌-铟系合金牺牲阳 极:GB/T 4948-2002S.北 京:中 国 标 准 出 版社,2002.