海上風(fēng)電場單樁基礎(chǔ)陰極保護仿真設(shè)計

聶金生 鄭 濤 玄曉陽

（1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江華東測繪與工程安全技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310014；3.青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，山東 青島 266101）

0 引言

風(fēng)能是重要的綠色能源，也是當(dāng)前世界可再生能源發(fā)展的重點。近年來，海上風(fēng)電發(fā)展迅速，逐漸由近海向深遠(yuǎn)海發(fā)展，由單一的發(fā)電功能向多功能平臺發(fā)展，在國民經(jīng)濟中發(fā)揮了重要的作用。但海洋環(huán)境苛刻復(fù)雜，受海洋大氣區(qū)（高濕、高鹽）、飛濺區(qū)、潮差區(qū)干濕交替、全浸區(qū)海水沖刷以及生物附著等因素的影響，海上風(fēng)電設(shè)備和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對腐蝕控制提出了更高的要求，特別是對作為海上風(fēng)電基礎(chǔ)的鋼管樁來說，它處于復(fù)雜苛刻的海洋環(huán)境中，腐蝕情況非常嚴(yán)重，會對裝備的安全運行造成影響。

防腐涂層和陰極保護相結(jié)合的防腐技術(shù)是海洋工程設(shè)備普遍采用的最為經(jīng)濟、有效的腐蝕防護措施。其中，外加電流陰極保護技術(shù)具有環(huán)保、使用靈活、一次性投入低以及便于調(diào)整保護狀態(tài)等優(yōu)點，近年來，它在海上風(fēng)電領(lǐng)域得到了更多、更廣泛的應(yīng)用。在工程實踐中，由于海上風(fēng)機鋼管樁基礎(chǔ)內(nèi)壁和外壁的腐蝕環(huán)境存在較大的差異，因此缺少對不同保護電流下腐蝕防護效果的研究，而通過陰極保護數(shù)值仿真技術(shù)可以對陰極保護系統(tǒng)進行設(shè)計優(yōu)化，為鋼樁基礎(chǔ)的腐蝕防護提供了良好的技術(shù)解決方案，對內(nèi)壁和外壁的陰極保護效果進行計算和優(yōu)化，可以為鋼樁外加電流保護系統(tǒng)的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 海上風(fēng)電基礎(chǔ)的腐蝕防護

1.1 海上風(fēng)電腐蝕環(huán)境分析

海上風(fēng)電基礎(chǔ)長期在海洋環(huán)境中服役，海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)以及海泥區(qū)[1]都會對海上風(fēng)電基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)造成顯著的腐蝕影響。

1.1.1 海洋大氣區(qū)

海洋大氣環(huán)境存在高濕、高鹽以及高日照等特點，海洋大氣中的水蒸汽富含溶解氧、氯離子、硫酸根離子以及鹽分，具有很強的腐蝕性，在環(huán)境的作用下容易在鋼結(jié)構(gòu)表面形成腐蝕電池，從而導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)被腐蝕的現(xiàn)象[2]，尤其是海洋大氣中存在氯離子，能加速鋼鐵的點蝕、應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕和縫隙腐蝕，使鋼鐵表面難以形成穩(wěn)定致密的銹層。另外，海洋大氣區(qū)的紫外線輻射強度高，會明顯縮短涂層的防護壽命，從而增加腐蝕風(fēng)險。

1.1.2 浪花飛濺區(qū)

在浪花飛濺區(qū)，鋼結(jié)構(gòu)表面長期遭受飛濺海水的沖擊，表面周期性地被海水潤濕，干濕交替快，海水中氧氣含量高，鹽分隨著海水蒸發(fā)而不斷濃縮，有時還受狂風(fēng)、巨浪的沖擊作用，造成飛濺區(qū)金屬結(jié)構(gòu)腐蝕速度加快。此外，由于飛濺區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)防腐涂層在海水中的氣泡和顆粒物的不斷沖擊作用下容易脫落，因此飛濺區(qū)也是風(fēng)機基礎(chǔ)腐蝕最為嚴(yán)重的區(qū)域。

1.1.3 潮差區(qū)

由于鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)水下區(qū)與潮差區(qū)的氧含量不同，因此會形成氧濃差電池，潮差區(qū)因供氧充分而成為宏觀電池的陰極區(qū)，水下則變?yōu)殛枠O，向陰極區(qū)提供保護電流，從而減輕潮差區(qū)的腐蝕程度。海洋生物能夠在潮差區(qū)結(jié)構(gòu)的表面棲居，如果附著生物均勻分布，就會在結(jié)構(gòu)表面形成保護膜，從而減輕腐蝕程度。如果局部附著，則會因供氧不同而導(dǎo)致附著物下面的鋼表面腐蝕嚴(yán)重。

1.1.4 全浸區(qū)

全浸區(qū)以電化學(xué)腐蝕和生物腐蝕為主，由于淺水層的海水流速大、水溫較高，存在近?；瘜W(xué)和泥沙污染，海水中的溶解氧和二氧化碳處于飽和狀態(tài)，海生物活躍。因此，淺水層是全浸區(qū)腐蝕較為嚴(yán)重的區(qū)域。隨著水深的增加，海水流速降低，水溫下降，含氧量降低，生物活動減少，腐蝕程度比淺水區(qū)更輕。隨著深度進一步增大，靜水壓力增大，礦物鹽的溶解量下降，水溫、海水流速進一步降低，此時，金屬材料以電化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕為主，但腐蝕程度相對較輕。

1.1.5 海泥區(qū)

海泥區(qū)位于全浸區(qū)下面，主要由海底沉積物構(gòu)成，其物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)以及生物性質(zhì)隨海域和海水深度的不同而有所區(qū)別。海泥實際是海水飽和的土壤，它既有土壤的腐蝕特點，又有海水的腐蝕行為[2]。相對于其他區(qū)域來說，海泥區(qū)的腐蝕作用相對較輕。但當(dāng)海泥中存在硫酸鹽還原菌時，它會在缺氧環(huán)境下生長繁殖，對鋼材造成比較嚴(yán)重的腐蝕[3]。

1.2 腐蝕控制方法

海上風(fēng)電機組一般位于離岸70 km 以內(nèi)的近海，而作為風(fēng)機的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)則同時涉及海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)以及海泥區(qū)等5 個區(qū)域，每個區(qū)域的腐蝕環(huán)境和腐蝕特征都不同。海上風(fēng)電場風(fēng)機基礎(chǔ)在載荷條件、地質(zhì)條件以及運輸安裝等方面更加復(fù)雜，除滿足自身結(jié)構(gòu)強度等力學(xué)性能要求外，還需要滿足海洋環(huán)境中對安全性、可靠性的要求。根據(jù)海上風(fēng)機的特點和施工的具體條件，海上風(fēng)機的基礎(chǔ)形式有重力式、沉箱式、吸力筒、導(dǎo)管架以及漂浮式等[4-5]。目前，無論采用哪種基礎(chǔ)形式，大多數(shù)海上風(fēng)電基礎(chǔ)都以鋼管樁結(jié)構(gòu)為主，采用增加防腐涂層和陰極保護聯(lián)合的方式實現(xiàn)腐蝕控制，從而保障風(fēng)機裝備可以安全地運行。

針對海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)的腐蝕問題，應(yīng)從以下4 個方面加強研究，以提高整體的防護水平：1） 加強對適海性新材料、新工藝和新技術(shù)的研發(fā)。海洋環(huán)境具有高濕、高鹽的特點，常規(guī)的防腐涂層在抗?jié)B透（水分和氯離子）方面存在不足，無法滿足海洋環(huán)境的需求，需要根據(jù)海洋環(huán)境不同區(qū)帶的特點，有針對性地研發(fā)具有適海性特點的新防腐材料、新防腐工藝和新防腐技術(shù)，為提高整體防護水平提供技術(shù)儲備。2） 加強結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選型的海洋環(huán)境試驗考核。海洋環(huán)境試驗考核是驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選型是否滿足海洋環(huán)境應(yīng)用的重要手段，但目前針對結(jié)構(gòu)設(shè)計的試驗驗證還存在一定問題，導(dǎo)致設(shè)計中存在腐蝕短板環(huán)節(jié)，嚴(yán)重影響風(fēng)電機組的整體防護效果。3） 加強使用過程的腐蝕防護狀態(tài)監(jiān)測和日常維護。海上風(fēng)機設(shè)備離岸較遠(yuǎn)，日常維護受到潮水、風(fēng)浪等因素的影響，工作任務(wù)多、強度大，易造成維護保養(yǎng)不及時，留下發(fā)生腐蝕的隱患。應(yīng)加強腐蝕防護狀態(tài)的智能化監(jiān)測，提高多參數(shù)監(jiān)測評估能力，實現(xiàn)腐蝕防護狀態(tài)的自動監(jiān)測、分級評估和故障預(yù)警，為日常維護和維修保養(yǎng)提供決策依據(jù)。4） 加強腐蝕防護控制各環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。我國海上風(fēng)電建設(shè)還處于邊建設(shè)、邊摸索以及邊完善的過程，風(fēng)電機組全壽期、全鏈條腐蝕防護控制的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)滯后，尚未建立貫穿設(shè)計、建造、使用以及維護各個環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)化體系，無法為各項腐蝕控制工作提供標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)。

2 陰極保護仿真基本原理

2.1 外加電流陰極保護原理

外加電流陰極保護又稱強制電流陰極保護。外加電流陰極保護是通過外部電源來改變周圍環(huán)境的電位，使需要保護的設(shè)備的電位一直處在低于周圍環(huán)境的狀態(tài)，從而成為整個環(huán)境中的陰極，這樣需要保護的設(shè)備就不會因失去電子而發(fā)生腐蝕[6]。這種強制外加電流的陰極保護系統(tǒng)是由整流電源、陽極地床、參比電極以及連接電纜組成的，其工作原理如圖1 所示。

圖1 外加電流陰極保護原理圖

通過電源控制電路的電流輸出，由輔助陽極源源不斷地發(fā)出電子保護目標(biāo)對象，通過參比電極對整個電路的電位進行測量和監(jiān)測。

2.2 邊界元法仿真原理

在電解質(zhì)區(qū)域內(nèi)，由陰極保護系統(tǒng)產(chǎn)生的電場中的電位和電流密度要滿足公式（1）[7]。

式中：q為電流密度、電位φ和海水ρ的電阻率；inΩ為在1 個邊界范圍內(nèi)，也就是公式的邊界范圍（不是指具體的邊界范圍，而是根據(jù)計算需要所確定的邊界范圍）。

如圖2 所示，在海水電解質(zhì)區(qū)域的電場中取1 個微小立方體積元（dx×dy×dz）作為研究對象，則微小立方體積元6 個面上的電流密度如公式（2）所示。

圖2 微單元

任意時刻，圖2 中的微小立方體積元（dx×dy×dz）中電量的變化量如公式（3）所示。

當(dāng)陰極保護系統(tǒng)產(chǎn)生的電場達到平衡狀態(tài)時，能量最低原理要求微小立方體積元（dx×dy×dz）中的電量處于恒定狀態(tài)，即Q=0。由公式（3）可以得到域內(nèi)控制方程，如公式（4）所示。

可以采用有限差分法、有限元法以及邊界元法求解公式（4），以獲得陰極保護系統(tǒng)所處的狀態(tài)。由于陰極保護系統(tǒng)所對應(yīng)的物理模型包括1 個半無限區(qū)域，有限差分法及有限元法都無法有效地解決這個問題，陰極保護系統(tǒng)的狀態(tài)只與濕表面和犧牲陽極表面上的電位及電流狀態(tài)有關(guān)，邊界元法能夠更方便、更有效地解決復(fù)雜的實際工程問題。因此，邊界元法是求解陰極保護問題最有效的數(shù)值方法。

2.3 設(shè)計輸入

單樁基礎(chǔ)直徑為7.5 m，水中部分為20.0 m，采用防腐涂層防護，海泥部分為80.0 m，無防護涂層保護。海水電導(dǎo)率為4.0 S/m，海泥電導(dǎo)率為1.5 S/m。

3 結(jié)果分析

3.1 單樁基礎(chǔ)內(nèi)表面仿真結(jié)果

單樁基礎(chǔ)內(nèi)表面陰極保護電流分別為10 A、15 A 和20 A 的數(shù)值仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 單樁內(nèi)表面陰極保護仿真結(jié)果圖

由仿真結(jié)果可以看出：1） 當(dāng)保護電流為10 A 時，海水中鋼樁的電位范圍為-849 mV～-904 mV，海泥中鋼樁的電位范圍為-748 mV～-834 mV，有效保護范圍約為25 m。2） 當(dāng)保護電流為15 A 時，海水中鋼樁的電位范圍為-866 mV～-931 mV，海泥中鋼樁的電位范圍為-748 mV～-848 mV，有效保護范圍約為32 m。3） 當(dāng)保護電流為20 A 時，海水中鋼樁的電位范圍為-878 mV～-952 mV，海泥中鋼樁的電位范圍為-748 mV～-858 mV，有效保護范圍約為36 m。

因此，當(dāng)電流增加時，鋼樁的保護范圍也隨之增加，海水中的鋼樁都可以得到有效保護，但海泥中鋼樁的保護范圍略有增加。僅通過增加電流無法完全地對海泥中的鋼樁進行保護，其原因是內(nèi)部空間存在屏蔽效應(yīng)，會導(dǎo)致保護范圍受限。

3.2 單樁基礎(chǔ)外表面仿真結(jié)果

單樁基礎(chǔ)外表面陰極保護電流分別為10 A、15 A 和20 A的數(shù)值仿真結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 單樁外表面陰極保護仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可以看出：1） 當(dāng)保護電流為10 A 時，海水中鋼樁的電位范圍為-826 mV～-902 mV，海泥中鋼樁的電位范圍為-783 mV～-819 mV，有效保護范圍約為45 m。2） 當(dāng)保護電流為15 A 時，海水中鋼樁的電位范圍為-845 mV～-952 mV，海泥中鋼樁的電位范圍為-793 mV～-837 mV，有效保護范圍約為60 m。3） 當(dāng)保護電流為20 A 時，海水中鋼樁的電位范圍為-860 mV～-994 mV，海泥中鋼樁的電位范圍為-801 mV～-851 mV，鋼樁全部得到有效保護。

因此，當(dāng)電流增加時，鋼樁的保護范圍增加，海水中的鋼樁均得到了有效保護，海泥中鋼樁的保護范圍逐漸增加，當(dāng)保護電流達到20 A 時，鋼樁得到完全保護。

4 結(jié)論

該文在系統(tǒng)分析、總結(jié)海上風(fēng)電基礎(chǔ)腐蝕防護技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，以單樁風(fēng)機基礎(chǔ)為例，采用邊界元數(shù)值仿真方法對不同保護電流下單樁基礎(chǔ)內(nèi)壁和外壁的陰極保護效果進行仿真計算，分析了保護電位的分布情況和有效保護范圍。從分析結(jié)果可以看出，當(dāng)保護電流達到20 A 時，外壁可以達到完全保護，而內(nèi)壁的保護范圍僅為36 m，其主要原因是內(nèi)部空間狹長，易受屏蔽作用的影響，僅靠增加電流無法達到完全保護的目標(biāo)。