海上風(fēng)電陰極保護防腐實例分析及應(yīng)用研究

黃佳歡

目前我國海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)形式較多，按照使用材料可分為鋼筋混凝土承臺或鋼管樁基礎(chǔ)。與內(nèi)陸型風(fēng)電機組基礎(chǔ)相比，海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)由于海水浸泡、干濕交替，腐蝕現(xiàn)象更為嚴重。同時海上工況復(fù)雜，維護難度大，所以對防腐保護設(shè)計要求尤為嚴格。風(fēng)電場一般通過及時、得當(dāng)?shù)姆栏繉泳S護，消除局部腐蝕，避免腐蝕進一步擴大，但實際運維通達過程中對涂層的機械傷害不可避免，且涂層破損初期具有不易發(fā)現(xiàn)的特點，因此，需要通過采取合適的保護方法來減緩基礎(chǔ)樁體的腐蝕速度。

現(xiàn)代工程中海上風(fēng)電機組的鋼管樁一般長達數(shù)十米，其下段楔于海床中，表面是沒有涂裝的裸露金屬;中段、上段接觸海水、空氣，依靠涂裝與腐蝕介質(zhì)隔離。而海水對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕從本質(zhì)上來說是一種電化學(xué)反應(yīng)，在電解質(zhì)溶液中鋼作為含碳量0.02%至2.11%的鐵碳合金，鐵元素構(gòu)成陽極被氧化形成鐵銹，滲碳體構(gòu)成陰極發(fā)生還原反應(yīng)。同時鋼樁中段的涂層總是在打樁前完成，之后如有損壞，修補將十分困難，這使得陰極保護成為鋼樁中段的重要防腐蝕手段;對于土層中的鋼樁下段，陰極保護更是唯一的防腐蝕手段。因此，陰極保護對于處于海水介質(zhì)中的鋼樁來說是行之有效的防腐技術(shù)。

本文通過對海上風(fēng)電犧牲陽極塊應(yīng)用中的陰極保護數(shù)據(jù)的跟蹤和分析，為海上風(fēng)電陰極保護設(shè)計、檢測及海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)防腐提供參考案例。

海上風(fēng)電項目概況

本次研究選取了我國某海上風(fēng)電場的四類風(fēng)電機組作為樣本于2010-2013年建設(shè)投運的單機容量2.5～3.0MW單管樁機型和單機容量2.0～2.38MW多管樁機型，后于2014-2015年建設(shè)投運的單機容量4MW單管樁和多管樁機型。風(fēng)電機組均采用Q345熱軋低合金結(jié)構(gòu)鋼作為基礎(chǔ)本體，其余附屬結(jié)構(gòu)為Q235B型鋼材，采用“防腐涂料+犧牲陽極陰極保護”相結(jié)合的防腐保護方式，使用的陽極塊為符合《鋁一鋅一銦系合金犧牲陽極》（GBT 4948-2002）標(biāo)準(zhǔn)的犧牲陽極塊，主要為A（21）I-3和A（21）I-1兩種型號。該風(fēng)電場海域?qū)贍€沙海域，海水為微混濁的微咸水、咸水，水質(zhì)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)海水水質(zhì)報告，海水中氯離子豐富。氯離子對鋼結(jié)構(gòu)危害性極大，在長期浸水情況下對鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性，在干濕交替的情況下具有強腐蝕性，設(shè)計時應(yīng)采取重防腐蝕措施。

陰極保護防腐實例分析

一、陰極保護手段及防腐判別方法

陰極保護通常有三種手段：強制電流法、犧牲陽極法和排流保護法，犧牲陽極法以其不需要外部電源、對電氣設(shè)備無干擾、保護電流分布均勻和經(jīng)濟性被廣泛采用。犧牲陽極法是利用原電池原理，將還原性強的金屬作為保護極，與被保護的金屬相連構(gòu)成原電池。還原性強的金屬將作為負極發(fā)生氧化還原反應(yīng)而消耗。被保護的金屬表面形成極化電流，免于被腐蝕，實際工程應(yīng)用中通常選用A1-Zn-In-Mg-Ti合金作為海洋工程的犧牲陽極。

華東勘測設(shè)計研究院對風(fēng)電機組犧牲陽極保護防腐技術(shù)設(shè)定的指標(biāo)為：

（1）鋼管樁高效鋁合金犧牲陽極保護壽命設(shè)計為25年。

（2）25年有效保護期間，鋼管樁保護電位滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的保護電位范圍（-0.85～-1.10V vs CSE）。

根據(jù)《港工設(shè)施犧牲陽極保護設(shè)計和安裝》和《海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》要求，處于海洋環(huán)境的鋼結(jié)構(gòu)使用期間需每年做一次以上電位檢測，收集電位變化數(shù)據(jù)，以便掌握腐蝕情況。

常用的電位檢測有在線電位檢測儀和現(xiàn)場人工檢測兩種方法（圖2），檢測原理是使用阻抗大于10MΩ2、精度為0.001V的電子檢測設(shè)備或手持式萬用表，配合參比電極（表2）進行檢測。通過參比電極與鋼結(jié)構(gòu)串聯(lián)（圖3）測量電解質(zhì)中的電勢差，來確定測量數(shù)值是否在保護范圍內(nèi)。

二、陰極保護電位檢測采集數(shù)據(jù)分析

本文選取了新投運的32號機組作為研究對象，從2013年開始對該機組進行了6年的犧牲陽極陰極保護值采集跟蹤，發(fā)現(xiàn)該機組犧牲陽極塊消耗程度較大。

32號機組原采用在線電位檢測儀監(jiān)控，高純度Zn參比電極呈水平面平均分布：2015-2017年改為Ag/AgCl參比電極手工檢測：2019年使用Cu/CuSO4參比電極手工檢測，方式為在給定深度水平面平均取3個點。為便于對比，將所有參比電極數(shù)值統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為Ag/AgCl參比電極數(shù)值。

分析表3和圖4上述時間段所檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)該機組的電位值存在周期性變化：第一階段，2013年10月到2014年10月，電位值由最初的-0.99V左右增大到-0.94V左右，電位值升高近60mV;第二階段，2014年11月降至-0.97V左右，繼而又開始持續(xù)增長，但此次增長速度趨緩;第三階段，2015年10月再次降至-0.97V左右，至2017年11月電位值飆升至-0.84V左右：第四階段，2019年電位值降至-0.93V左右。

將上述變化（表3、圖4）與當(dāng)時的維護記錄（表4）作對照，可得出以下結(jié)論：

（1）對電位值的記錄間隔越短，越能繪制出清晰反映電位變化情況的趨勢圖。隨時間的延長，參比電極所測電位值總體呈上升趨勢。但暫處于電位正常范圍內(nèi)，未出現(xiàn)“欠保護”現(xiàn)象。

（2）電位變化存在周期性，與涂層破損程度、基礎(chǔ)涂層維護存在相關(guān)性。查閱資料可知，由于風(fēng)電機組基礎(chǔ)涂層出現(xiàn)破損，需要保護的裸鋼面積不斷增加，在同樣數(shù)量的犧牲陽極塊條件下，為保證保護表面的極化電流正常。電位發(fā)生偏正，當(dāng)完成基礎(chǔ)涂層維護工作后，需要保護的裸鋼面積大大減少，電位值恢復(fù)正常。

（3）防腐包覆技術(shù)通過阻隔鋼結(jié)構(gòu)與腐蝕源，可以減少腐蝕面積，間接地減少犧牲陽極塊的消耗，一旦出現(xiàn)包覆損壞的情況，將使鋼結(jié)構(gòu)與腐蝕源大面積接觸，為保證保護表面的極化電流正常，電位發(fā)生偏正。

（4）基礎(chǔ)涂層維護工作可以一次性地減少需要保護的鋼結(jié)構(gòu)面積，但無法使電位值恢復(fù)到初始水平，每次維護較前一次維護后電位值均有偏正，且基礎(chǔ)涂層維護周期越長，偏正現(xiàn)象越明顯，尤其在2017年至2018年期間，犧牲陽極塊發(fā)生了嚴重消耗。

三、犧牲陽極塊消耗跟蹤

2019年1月巡檢發(fā)現(xiàn)16號風(fēng)電機組樁體犧牲陽極塊完全消耗，根據(jù)這一情況，對風(fēng)電場內(nèi)各臺風(fēng)電機組犧牲陽極塊進行了檢查，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)2臺機組犧牲陽極塊已消耗。根據(jù)歷年對該機型基礎(chǔ)犧牲陽極塊就地檢查記錄，對比歷史照片發(fā)現(xiàn)，部分風(fēng)電機組基礎(chǔ)犧牲陽極塊消耗速度可能超出設(shè)計值。

投運第三年現(xiàn)場實際測量結(jié)果顯示，16號風(fēng)電機組基礎(chǔ)犧牲陽極塊消耗明顯。該機組使用的是符合GJB156-2008要求的A（21）I-3型犧牲陽極塊，規(guī)格為：長度1500mm，上底邊長度170mm，下底邊長度200mm，厚度180mm，毛重130.0kg?，F(xiàn)場實際測量值為：犧牲陽極塊長度縮小至1400mm，上底邊長度縮小至150mm，下底邊長度縮小至180mm，厚度縮小至160mm。

投運第六年現(xiàn)場實地查看發(fā)現(xiàn)，該機組犧牲陽極塊消耗完3個，剩余5個。觀察剩余的陽極塊大小已明顯小于之前（由于水流剪切力的變化帶走基礎(chǔ)周圍泥沙形成了沖刷坑，無法接近測量），同時人工電位檢測Ag/AgCl電位值為-0.836V。通過歷史數(shù)據(jù)，采用如式（1）所示體積變化與消耗速度的簡略計算公式可得犧牲陽極塊的消耗情況（表5）。

v=L×（a+b）×2×h（1）

式中，v為每個犧牲陽極塊體積（m³）：L為每個犧牲陽極塊長度（m）：a、b分別為每個犧牲陽極塊梯形上底邊、下底邊長度（m）：h為每個犧牲陽極塊厚度（m）。

綜上可知：

（1）該機組的實際電位-0.836V（接近-0.80V失保護狀態(tài)）符合現(xiàn)場觀察到的犧牲陽極塊消耗情況，符合《陰極保護工程手冊》指導(dǎo)的如何初步判斷犧牲陽極塊消耗情況的方法，可以輔助現(xiàn)場人員在僅參考電位值的情況下快速了解埋于海床下、無法直接觀察到的犧牲陽極塊消耗情況。

（2）按照前三年的消耗速度，粗略計算得出犧牲陽極塊可以使用15.5年，但仍低于設(shè)計值，而根據(jù)第六年的結(jié)果，基本可以認為該類型風(fēng)電機組基礎(chǔ)所設(shè)計犧牲陽極塊的余量可能不足以保護鋼結(jié)構(gòu)至25年的設(shè)計年限，為避免出現(xiàn)“欠保護”，需要補加犧牲陽極塊。犧牲陽極陰極保護模擬計算

一、涂層破損率、陰極保護電流密度選取

根據(jù)電位檢測單位現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，得到風(fēng)電場現(xiàn)有風(fēng)電機組基礎(chǔ)在海水、海泥中電流密度參數(shù)：查閱設(shè)計研究院提供的初期、末期涂層破損率，并根據(jù)6年涂層維護經(jīng)驗估算出每年平均涂層破損率（表6）。

二、陰極保護面積、所需電流計算

對鋼管樁水位變動區(qū)、全浸區(qū)和海泥埋沒區(qū)的保護長度、保護面積及初期、維持期、末期所需保護電流（所需電流Ic=海水區(qū)電流密度i1×涂層破損率×海水涂層面積SI+海泥區(qū)電流密度i2X涂層破損率×海泥涂層面積s2+海泥區(qū)電流密度i2 X海泥裸鋼面積s3）分別進行詳細計算，將計算結(jié)果列入表8。

三、犧牲陽極塊觸水電阻、發(fā)生電流量和用量計算

由于風(fēng)電場實際使用的犧牲陽極塊規(guī)格較多，為便于計算，選取型號為A（21）I-3的犧牲陽極塊，規(guī)格為1500mm×（170+200）mm×180mm，陽極塊毛重為130.0千克/個，出廠合格證提供的電化學(xué)性能見表9。

（1）犧牲陽極塊觸水電阻：式中，Ra為犧牲陽極塊的觸水電阻（Ω）;p為介質(zhì)電阻率（Ω·cm），取80;L為犧牲陽極塊長度（cm）：r為犧牲陽極塊等效半徑（cm），其公式為r=c/2π，c為犧牲陽極塊截面周長（cm）。

將有關(guān)數(shù)據(jù)代入公式計算，得出犧牲陽極塊觸水電阻：

維持期：Ram=O.25Ω：

末期：Raf=0.35Ω。

式中，If為每個犧牲陽極塊發(fā)生電流量（安培/個）;AE為犧牲陽極塊工作電壓（v）：Ra為犧牲陽極塊的觸水電阻（Ω）。

將有關(guān)數(shù)據(jù)代入公式計算，得出犧牲陽極塊發(fā)生電流：

維持期：Iam=1.00A;

末期：Iaf=0.71A。

（3）犧牲陽極塊維持期、末期保持極化電流正常所需用量如表10所示。

四、犧牲陽極塊應(yīng)需用量與設(shè)計值對比

通過上文的計算，得出了不同機型不同基礎(chǔ)形式，在維持期和末期使用A（21）I-3型號犧牲陽極塊的應(yīng)需用量，但實際風(fēng)電機組基礎(chǔ)采用犧牲陽極塊規(guī)格為A（21）I-3和A（21）I-1，因此通過換算犧牲陽極塊總重量，再與設(shè)計值作對比可得（表11）：

（1）風(fēng)電機組實際犧牲陽極塊設(shè)計值低于25年壽命，無法滿足實際消耗。

（2）對比維持期應(yīng)需用量和設(shè)計值，較早建設(shè)的2.5～3MW機型單管樁基礎(chǔ)和2.0～2.38MW機型多管樁基礎(chǔ)，在設(shè)計時對腐蝕程度較為樂觀，配置的犧牲陽極塊數(shù)量較少，低于或等于維持期所需的數(shù)量。若該類型風(fēng)電機組出現(xiàn)大面積破損，且無法在短時間內(nèi)修復(fù)，將不能提供有效保護，對照現(xiàn)場實際該類型機組的電位出現(xiàn)異常值較多，且在2019年電位檢測中發(fā)現(xiàn)部分機組偏正現(xiàn)象明顯，甚至已接近失保護狀態(tài)。

（3）對比維持期應(yīng)需用量和設(shè)計值，后建設(shè)的4MW機型單管樁基礎(chǔ)和多管樁基礎(chǔ)，在設(shè)計時增加了犧牲陽極塊數(shù)量，說明設(shè)計方已重視海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)的涂層損壞，即使出現(xiàn)超出設(shè)計預(yù)期的涂層損壞，也不會立即出現(xiàn)失保護，對照現(xiàn)場實際該類型機組的電位值波動較小，未出現(xiàn)異常值。

（4）對比末期應(yīng)需用量和設(shè)計值，發(fā)現(xiàn)該項目設(shè)計時所有機組都沒有一次性給足犧牲陽極塊余量，查詢相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，犧牲陽極塊在介質(zhì)中除對陰極提供保護外，會產(chǎn)生一定的自身消耗，消耗程度與體積相關(guān)。

海上風(fēng)電基礎(chǔ)防腐蝕工作可行性分析

海上風(fēng)電機組處于高濕、高鹽霧環(huán)境中，為了風(fēng)電場設(shè)備的長期安全經(jīng)濟運行，周期性地開展防腐維護工作非常重要，縮短維護周期、使用防腐包覆等技術(shù)，可以有效減緩風(fēng)電機組的腐蝕和犧牲陽極塊的消耗。

如果無法及時開展防腐維護工作，出現(xiàn)無法輕易察覺的破損和無法修補的水下部分腐蝕時，陰極保護此時就像是維生素c一樣，為風(fēng)電機組基礎(chǔ)提供抗氧化保護，這也是海上鋼結(jié)構(gòu)的最后一道防腐保護屏障。

通過案例分析可知，定期對風(fēng)電機組基礎(chǔ)進行電位檢測、監(jiān)測，確實可以及時掌握陽極塊消耗情況，間接地判斷風(fēng)電機組的腐蝕狀況。因此風(fēng)電場需要按規(guī)范要求，持續(xù)地落實每年一次以上的陰極保護電位檢測，并跟蹤分析電位的變化情況提前預(yù)判，盡早提出整改措施進行消缺，保證風(fēng)電機組安全。

對于已投運的風(fēng)電機組若犧牲陽極塊消耗嚴重，由于風(fēng)電機組基礎(chǔ)本體禁止焊接，無法在本體上增加犧牲陽極塊，且已安裝犧牲陽極塊大多位于海床之下，風(fēng)電機組基礎(chǔ)四周拋石填坑，很難在原有位置進行補充，現(xiàn)場地形和工況也限制大型機械挖掘作業(yè)。因此風(fēng)電場需要采取適當(dāng)?shù)募几姆桨福袟l件地使用非焊接方式，加裝外加電流陰極保護或增加犧牲陽極塊，減緩本體腐蝕。

考慮到生產(chǎn)運維階段補充犧牲陽極塊的難度，對于即將開工的新風(fēng)電場，建議參考已有風(fēng)電場腐蝕情況和犧牲陽極塊消耗速度，在設(shè)計階段一次性給足保護余量。一次性給足余量，相對投運后頗有難度的技改和費用支出來說，雖然增加工程成本，但能減少投運后用量不足導(dǎo)致的各類困難，同時犧牲陽極塊屬于可回收材料，在風(fēng)電機組壽命末期，剩余犧牲陽極塊的凈殘值也可折現(xiàn)，回收一定成本。

總結(jié)

鋼結(jié)構(gòu)腐蝕屬于一種慢性病，不會直接威脅機組的安全，然而隨著機組投運，鋼結(jié)構(gòu)腐蝕引起的設(shè)備事故也逐漸體現(xiàn)出突發(fā)性和快速性的特點。而且引起的腐蝕破壞往往遍布整個設(shè)備，絕不可能只在局部發(fā)生。當(dāng)其積聚到某一水平時，就會突然爆發(fā)，而這時往往面積大，程度深，已經(jīng)無法挽回。因此，在生產(chǎn)運維階段需要通過防腐監(jiān)督管理做好風(fēng)電機組狀況的診察和治療，此外，還需要工程部門做好風(fēng)電機組出廠和吊裝階段的質(zhì)量把控和預(yù)防保護，以此才能推動海上風(fēng)電的高質(zhì)量發(fā)展。