我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)中一種導(dǎo)管架陰極保護(hù)效果模擬分析研究

曲本文 朱帥帥 陳志強(qiáng) 張 宇

（1. 青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，山東 青島 266101；2. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所 海洋腐蝕與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237）

0 引言

我國(guó)目前已經(jīng)進(jìn)入海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)高速發(fā)展時(shí)期，海上風(fēng)電場(chǎng)中所使用的鋼結(jié)構(gòu)的防腐效果如何一直是各界探討的關(guān)鍵問(wèn)題，是否能夠在全服役期達(dá)到陰極保護(hù)要求，急需驗(yàn)證。

我國(guó)海上風(fēng)電元年起于2014年[1]，而國(guó)內(nèi)最早建設(shè)的海上風(fēng)電場(chǎng)是2010年-上海東海大橋風(fēng)電場(chǎng)[2]，目前還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到最終年限，所有設(shè)計(jì)方案都是按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算以及以往經(jīng)驗(yàn)得來(lái)的；而國(guó)外風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)方案都會(huì)進(jìn)行仿真模擬分析后再?zèng)Q定最終的設(shè)計(jì)方案；鑒于此特利用Beasy仿真計(jì)算軟件，計(jì)算國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)使用的導(dǎo)管架在服役初期和服役末期的陰極保護(hù)電位，以核實(shí)是否達(dá)到陰極保護(hù)電位-780～-1100mV（Vs銀氯化銀參比電極）[3]要求。

海上風(fēng)電場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)暴露環(huán)境分為大氣區(qū)、浪濺區(qū)、全浸區(qū)和內(nèi)部區(qū)。[4]陰極保護(hù)主要保護(hù)浪濺區(qū)、全浸區(qū)（海水區(qū)和海泥區(qū)）和內(nèi)部區(qū)（內(nèi)部混凝土除外）。

1 數(shù)值仿真計(jì)算原理

在電解質(zhì)區(qū)域內(nèi)，由歐姆定律知，模型表面電位和電流密度滿足方程(1)。

式（1）中，i為電流密度，E為電位、k為環(huán)境電導(dǎo)率。由式（1）可知，任意時(shí)刻微小立方體積元（dx×dy×dz）中電荷量的變化量為：

當(dāng)陰極保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生的電場(chǎng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，微小體積元中的電量處于恒定狀態(tài)，即Q=0，則：

由此可知，陰極保護(hù)過(guò)程的控制方程為拉普拉斯方程。由格林公式得與方程（3）對(duì)應(yīng)的邊界積分方程，其中Γ為域Ω的邊界：

將邊界Γ劃分為n個(gè)單元后，方程（4）可轉(zhuǎn)化為：

其中，ijδ為克羅內(nèi)克函數(shù)，則由（6）式可得：

通過(guò)求解矩陣方程（7）即可獲得模型表面電位和電流密度分布。

2 建模

2.1 模型材料體系

本模型的材料體系涉及EH36結(jié)構(gòu)鋼，根據(jù)所需工況，利用電化學(xué)工作站對(duì)樣品電極進(jìn)行極化曲線測(cè)試，作為仿真計(jì)算的邊界條件。

2.2 模型建立

2.2.1 模型外殼部分

模型外殼部分主要依據(jù)甲方圖紙進(jìn)行建模，根據(jù)已提供的圖紙?jiān)谀Ｐ涂臻g中確定構(gòu)成結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)點(diǎn)，利用軟件樣條曲線功能勾連這些坐標(biāo)點(diǎn)形成型線，通過(guò)曲面生產(chǎn)功能構(gòu)建模型面，模型圖如圖1所示。

圖1 模型圖

2.2.2 盒子模型

邊界元外圍盒子模型如圖2所示。

圖2 邊界外圍盒子模型

2.3 腐蝕仿真評(píng)估模型網(wǎng)格劃分

2.3.1 評(píng)估模型網(wǎng)格劃分及優(yōu)化

計(jì)算軟件配套GID模型前處理軟件即具有網(wǎng)格自動(dòng)生成功能同時(shí)又具有支持操作人員優(yōu)化調(diào)節(jié)的人機(jī)界面，網(wǎng)格自動(dòng)生成功能具有能夠根據(jù)模型尺寸自動(dòng)確定單元格大小、一鍵操作等優(yōu)點(diǎn)，但生成的網(wǎng)格以三角形單元為主，導(dǎo)致單元格整體數(shù)量增加，計(jì)算機(jī)工作量增加并影響工作效率，且該功能在處理具有曲面、折點(diǎn)等復(fù)雜邊界模型時(shí)往往出現(xiàn)單元格之間尺寸差異過(guò)大等現(xiàn)象，影響模型的計(jì)算精度，也是導(dǎo)致仿真評(píng)估計(jì)算時(shí)不收斂的原因之一。因此，操作人員在進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分時(shí)往往在軟件自動(dòng)劃分網(wǎng)格的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化。圖3、圖4為模型各結(jié)構(gòu)組成部位網(wǎng)格優(yōu)化結(jié)果對(duì)比圖。

（1）模型優(yōu)化后網(wǎng)格圖如圖3所示。

圖3 模型優(yōu)化后網(wǎng)格圖

（2）整體模型優(yōu)化后渲染圖如圖4所示。

圖4 整體模型優(yōu)化后渲染圖

2.3.2 評(píng)估模型網(wǎng)格法線方向校正

由于Beasy模擬軟件單元為面單元，模擬計(jì)算時(shí)需要將模型模型單元面的法線方向設(shè)置為由海水指向模型的方向（即電流經(jīng)海水流向模型），將模型空間盒子單元面的法線方向設(shè)置為由海水指向盒子的方向，法向校正前后模型如圖5模型單元面法向圖所示。

圖5 模型單元面法向圖

2.3.3 數(shù)值仿真模型試算測(cè)試

網(wǎng)格優(yōu)化前模型整體以三角形單元為主，三角單元數(shù)量為59852，節(jié)點(diǎn)數(shù)為23575，網(wǎng)格優(yōu)化后模型整體以四邊形單元和三角形為主，且形狀數(shù)量非常規(guī)則，單元數(shù)量?jī)?yōu)化至8652，節(jié)點(diǎn)數(shù)為9888。進(jìn)行數(shù)值仿真模型試算測(cè)試，試算時(shí)由于模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含較多的曲面及折線結(jié)構(gòu)，模型計(jì)算過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)許多錯(cuò)誤項(xiàng)，此時(shí)，應(yīng)根據(jù)結(jié)果文件中的“.LOG”文件內(nèi)的提示內(nèi)容進(jìn)行模型校正修改，直到能夠順利進(jìn)行仿真計(jì)算為止。通過(guò)仿真模擬試算測(cè)試，模型計(jì)算時(shí)間由原來(lái)的5小時(shí)縮短至1.8小時(shí)，軟件工作效率提高一倍以上，計(jì)算收斂誤差也控制在2.3%左右，表明優(yōu)化后的模型適合進(jìn)行腐蝕數(shù)值仿真計(jì)算。

2.4 模型各部分的邊界條件工況

模型共分為4個(gè)工況區(qū)域，如圖6模型各部分說(shuō)明圖所示，分別為海水區(qū)域的導(dǎo)管架部分、樁頂部涂層破損區(qū)、樁底部含沙沖刷區(qū)和海泥區(qū)域的樁體部分。仿真計(jì)算按照服役初期和服役25年的中后期進(jìn)行仿真計(jì)算。服役初期，導(dǎo)管架主體的涂層破損為3%，樁頂部破損區(qū)涂層破損率約為10%，沙石沖刷區(qū)破損為20%；服役中后期，導(dǎo)管架主體的涂層破損為20%，樁頂部破損區(qū)涂層破損率約為30%，沙石沖刷區(qū)破損為40%。海水區(qū)的電阻率取25歐姆-厘米，海泥區(qū)的電阻率取100歐姆-厘米。

圖6 模型各部分說(shuō)明圖

由于海泥的電阻率隨著深度的增加而增加，因此在較深區(qū)域的海泥中，電阻率大于100歐姆-厘米，且基本隔絕海水，腐蝕問(wèn)題相對(duì)較弱，因此需要陰極保護(hù)電流的區(qū)域小于整個(gè)長(zhǎng)度的樁體。因此為了保守計(jì)算，將樁體在海泥區(qū)域的整體部分都按照淺區(qū)進(jìn)行，此種狀態(tài)會(huì)消耗給更多的陰極保護(hù)電流，若此種狀態(tài)樁體能保護(hù)到位，則實(shí)際工況中也將得到保護(hù)。

3 仿真計(jì)算

針對(duì)導(dǎo)管架模型開(kāi)展服役初期和服役25年后的中后期的犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)效果模擬仿真計(jì)算。

3.1 服役初期

利用Beasy仿真計(jì)算軟件，計(jì)算服役初期的陰極保護(hù)電位，結(jié)果如圖7導(dǎo)管架服役初期電位分布圖所示，導(dǎo)管架海水區(qū)域內(nèi)的整體電位在-970～-1037mV（Vs銀氯化銀參比電極，下同），樁體涂層破損區(qū)的電位在-955～-969mV，砂石沖刷區(qū)的電位在-953～-955mV，海泥區(qū)域的樁體電位在-889～-921mV，可見(jiàn)服役初期，所有結(jié)構(gòu)體的電位均負(fù)于-850mV，陰極保護(hù)效果良好。

圖7 導(dǎo)管架服役初期電位分布圖

3.2 服役中后期

利用Beasy仿真計(jì)算軟件，計(jì)算服役中后期的陰極保護(hù)電位，結(jié)果如圖8導(dǎo)管架服役25年后電位分布圖所示，導(dǎo)管架海水區(qū)域內(nèi)的整體電位在-898～-1080mV（Vs銀氯化銀參比電極，下同），樁體涂層破損區(qū)的電位在-916～-929mV，砂石沖刷區(qū)的電位在-916～-918mV，海泥區(qū)域的樁體電位在-870～-898mV，可見(jiàn)服役中后期，所有結(jié)構(gòu)體的電位均負(fù)于-850mV，陰極保護(hù)效果良好。

圖8 導(dǎo)管架服役25年后電位分布圖

4 結(jié)語(yǔ)

模擬不同服役周期，針對(duì)該導(dǎo)管架平臺(tái)進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，現(xiàn)有的犧牲陽(yáng)極的排布方案，無(wú)論在服役初期或者服役25年后，都可以較好的保護(hù)整個(gè)導(dǎo)管架及鋼樁，服役25年后，結(jié)構(gòu)整體電位正移，但還是在陰極保護(hù)電位范圍內(nèi)，完全可以達(dá)到陰極保護(hù)要求。