海上風(fēng)電鋼管樁基礎(chǔ)外加電流保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)施技術(shù)

沙欣宇，薛海峰，葉兆藝，張震宇

(1. 中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122； 2. 浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122； 3. 浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

海上風(fēng)能是重要的清潔能源，我國的風(fēng)電事業(yè)正處于快速增長時(shí)期，其中江蘇省海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量占全國裝機(jī)容量的71.5%，規(guī)模連續(xù)多年領(lǐng)跑全國[1]。目前，由于樁基承載性能優(yōu)越及施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，海上風(fēng)電工程一般采用大直徑單樁基礎(chǔ)[2-3]，但是鋼管樁基礎(chǔ)受到海水腐蝕作用，導(dǎo)致其承載特性下降[4]。因此，對(duì)海上風(fēng)電工程的防腐研究具有重要的意義。目前，國內(nèi)外研究學(xué)者在海上工程腐蝕領(lǐng)域已經(jīng)做了很多研究工作。

目前，常用的陰極保護(hù)方法防腐蝕措施主要有犧牲陽極法和外加電流法[5-7]。犧牲陽極法主要采用鋁、鋅、鎂等合金材料與鋼管樁連接在一起，依靠陽極消耗溶解產(chǎn)生的電流使鋼管樁表面產(chǎn)生極化，但是該方法的主要缺點(diǎn)為受電解質(zhì)電阻率影響大、保護(hù)電流小、易于消耗、持續(xù)能力低[5]。外加電流方法需要使用外部直流電源，將電源負(fù)極與被保護(hù)結(jié)構(gòu)物相連，電源正極與輔助陽極相連，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于受電解質(zhì)電阻率限制影響也較小，電流可控且電流輸出大，該方法在已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到各個(gè)工程領(lǐng)域[6-11]。但是，當(dāng)前陰極保護(hù)方法防腐蝕措施主要應(yīng)用到輸油管道、海洋混凝土、輸氣管線、儲(chǔ)罐等油氣工程，對(duì)海上風(fēng)電基礎(chǔ)工程的具體實(shí)施方案還不常見。

某海上風(fēng)電位于江蘇某近海海域，場區(qū)中心離岸距離約32 km，水深在6～13 m之間。場區(qū)形狀呈矩形，南北長約8 km，東西寬約5 km，規(guī)劃海域面積40 km2，規(guī)劃裝機(jī)容量250 MW，共10個(gè)回路、42臺(tái)風(fēng)機(jī)，如圖1所示。本文單樁基礎(chǔ)的防腐方案為海工重防腐涂層+外加電流保護(hù)系統(tǒng)的聯(lián)合防腐蝕方案，陰極保護(hù)系統(tǒng)的壽命為不低于30年。本文的難點(diǎn)為外加電流設(shè)備分布較分散，套籠安裝及風(fēng)機(jī)安裝均有部分構(gòu)件，安裝工作面較多，協(xié)調(diào)過程較困難。

圖1 施工總平面布置圖

1 外加電流系統(tǒng)一般方法

陰極保護(hù)技術(shù)在各個(gè)工程防腐領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[8-11]，施工技術(shù)技術(shù)日趨成熟。對(duì)于海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)，外加電流的陰極保護(hù)方法成為了海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)防腐蝕的首要選擇。外加電流陰極保護(hù)又稱為強(qiáng)制電流陰極保護(hù)，是通過外部電源來改變環(huán)境電位，使得環(huán)境電位高于被保護(hù)對(duì)象的電位，使其成為周圍環(huán)境的陰極，確保保護(hù)對(duì)象電子穩(wěn)定而阻止腐蝕發(fā)生。為了消除海上風(fēng)電鋼管樁基礎(chǔ)的電化學(xué)腐蝕，針對(duì)海上風(fēng)電基礎(chǔ)的外加電流陰極保護(hù)方法，一般使鋼管樁基礎(chǔ)連接到電位更負(fù)金屬材料，或者通過外加從海洋環(huán)境、海底淤泥到鋼管樁基礎(chǔ)的電流，使其陰極極化。鋼管樁材料在海洋環(huán)境中的的保護(hù)電位為一般介于-0.85～-1.05 V之間。當(dāng)電位高于-0.85 V，則鋼管樁容易發(fā)生腐蝕[12]。

2 外加電流系統(tǒng)的實(shí)施

2.1 套籠上輔助陽極和參比電極的布置與安裝

輔助陽極組件由陽極、陽極PVC-U固定管件、玻璃鋼陽極支架帶法蘭組成。輔助陽極由一根鈦合金(涂有MMO涂層)環(huán)氧樹脂澆筑在PVC-U管件內(nèi)部。將其固定在玻璃鋼支架及法蘭。長效參比電極組件由高純度鋅塊，PVC-U法蘭盤，玻璃鋼法蘭支架組成。長效參比電極由一塊高純度鋅塊、電極導(dǎo)電桿緊固、環(huán)氧樹脂澆筑在PVC-U法蘭，將其固定在玻璃鋼法蘭。外壁輔助陽極及參比電極通過風(fēng)電樁外壁預(yù)制法蘭接口，采用緊固件固定陰極保護(hù)部件，部件電纜通過電纜護(hù)管連接到內(nèi)平臺(tái)的恒電位儀。預(yù)制法蘭接口可通過單獨(dú)穿線管設(shè)置，也可采用已有鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)置。

輔助陽極和參比電極上裝配好的法蘭和預(yù)先焊接在套籠上的帶盲眼法蘭盤用8M16X75的316L螺栓螺母進(jìn)行配對(duì)緊固，兩個(gè)法蘭盤之間墊上準(zhǔn)備好的厚度為3 mm，直徑為190 mm的橡膠墊片。安裝好之后，連接輔助陽極和參比電極的電纜需要進(jìn)入預(yù)先焊接好的水平穿線管，在垂直穿線管處左右兩側(cè)各3組電纜合并分別進(jìn)入位于靠船人貨梯左右兩側(cè)的穿線管，在各穿線管開口處用膠泥進(jìn)行封口處理，以免進(jìn)入雜物。從垂直穿線管出來的電纜經(jīng)塔筒上的2個(gè)螺紋孔配上格蘭頭進(jìn)入塔筒內(nèi)，如圖2，圖3所示。

圖2 樁外輔助電極安裝示意圖

圖3 樁外輔助電極的安裝現(xiàn)場圖

樁外輔助電極安裝要求如下：①套籠電極固定支架和主架圈梁不貫通，以免海水進(jìn)入腐蝕內(nèi)管壁。②套籠電極固定支架和法蘭盤環(huán)氧涂料達(dá)到所要求的防腐表準(zhǔn)。③拆箱檢查電極及其配件完好性。④將電極和套籠90度垂直方向安裝。⑤每個(gè)電極安裝法蘭配置一個(gè)橡膠點(diǎn)墊片，將墊片和螺桿由套籠法蘭連接玻璃鋼法蘭再放置墊片、彈墊、螺母，并緊固。⑥采用交叉順序擰緊螺母。使用3輪將螺母完全擰緊到所需扭矩175 N·m。⑦在套籠電極走線管兩頭檢查導(dǎo)線管是否有焊渣或利刃切口，禁止在有傷害電極電纜的情況下布線。⑧穿引電極電纜線檢查線纜是否有破損，破損電纜禁止穿線，避免使用時(shí)發(fā)生不良后果。⑨穿引電纜線完畢后在每根線纜匯合處使用316不銹鋼軋帶扎緊，在使用密封膠泥或海水密封結(jié)構(gòu)膠封死套籠電極電纜線走線管，防止海水進(jìn)入。⑩將多余線纜盤成卷狀固定在套籠平臺(tái)，套籠起運(yùn)海上安裝前將電極纏繞膜包裝拆除干凈，避免電極和海水絕緣不能使用。⑾套籠運(yùn)抵海上平臺(tái)并安裝完后，將線纜解下，套入PVC波形管內(nèi)至塔門下方電纜預(yù)留口，進(jìn)入塔門內(nèi)部電纜走線槽內(nèi)和樁內(nèi)電極電纜線共同順著電纜走線槽，按照電極電纜號(hào)接入恒電位儀電源控制箱。

2.2 塔筒內(nèi)平臺(tái)上的輔助陽極和參比電極的布置與安裝

為保證外加電流更加穩(wěn)定長效的使用，正確安裝電極和恒電位儀，方便長期穩(wěn)定使用及為以后問題查找或設(shè)備更換提供有力技術(shù)支撐。輔助陽極組件的電極由陽極、陽極PVC-U固定管件、長效參比電極組件由高純度鋅塊，PVC-管件316不銹鋼絕緣鋼絲繩及其水泥配重塊組成。輔助陽極由一根鈦合金(涂有MMO涂層)環(huán)氧樹脂澆筑在PVC-U管件內(nèi)部。將其固定在316絕緣不銹鋼鋼絲繩上。長效參比電極由一塊高純度鋅塊、電極導(dǎo)電桿緊固、環(huán)氧樹脂澆筑在PVC-U管件，管件固定在316不銹鋼鋼絲繩上面。出廠時(shí)兩對(duì)懸掛式輔助陽極和參比電極已經(jīng)通過包塑不銹鋼304鋼絲繩通過緊固件組合成兩串，分別安裝在下面圖例4中的兩個(gè)外加電流系統(tǒng)內(nèi)懸掛法蘭的位置。

圖4 風(fēng)電內(nèi)樁平臺(tái)電極安裝示意圖

風(fēng)電內(nèi)樁平臺(tái)電極安裝要求如下：①由地樁平臺(tái)兩個(gè)預(yù)留口各放入一套電極，靠近塔門的內(nèi)樁平臺(tái)電極為A6/RC4電極，另一預(yù)留口為A5/RC3電極。②檢查電極是否完好，電極線纜有無破損痕跡，③將地樁平臺(tái)電極放入口蓋板拆下。將316不銹鋼鋼絲繩穿入電極蓋板中間孔位的316不銹鋼吊耳，折彎用不銹鋼卡扣鎖住，卡扣兩顆螺絲交叉均勻緊固，并完全緊固。④將電極在入口緩慢放下，放入電極的力量在316不銹鋼鋼絲繩上面，電極電纜不能受力。放入電極過程中每1.5～2 m使用軋帶緊固。電極電纜線在蓋板線纜填料函穿出，并緊固填料函鎖頭，再緊固圈臺(tái)蓋板。⑤蓋板預(yù)留出的電極電纜線，穿入PVC塑料波形管環(huán)繞至樁內(nèi)走線槽內(nèi)部。和樁外電極電纜按照電極線纜標(biāo)號(hào)接入對(duì)應(yīng)的恒電位儀電源控制箱(見圖5)。

圖5 風(fēng)電內(nèi)樁平臺(tái)電極安裝現(xiàn)場圖

2.3 恒電位儀的布置與安裝

恒電位儀根據(jù)風(fēng)機(jī)廠家的要求，安裝在塔筒內(nèi)風(fēng)機(jī)廠家指定的平臺(tái)上。共有2臺(tái)恒電位儀：一臺(tái)型號(hào)為WT100，用于控制安裝在套籠上的輔助陽極和參比電極。另一臺(tái)型號(hào)為WT25，用于控制安裝在塔筒內(nèi)平臺(tái)上的輔助陽極和參比電極。具體安裝根據(jù)下面的圖例一或者圖例二，用316L的8個(gè)螺栓螺母M10X25固定在平臺(tái)上，如圖6，圖7所示。

圖6 恒電位儀的安裝示意圖

圖7 恒電位儀的安裝現(xiàn)場圖

3 系統(tǒng)實(shí)施的質(zhì)檢

施工過程中的每一道工序做好施工并進(jìn)行自檢，自檢合格后方可報(bào)檢，各質(zhì)量控制要點(diǎn)檢驗(yàn)等級(jí)劃分如表1所示。

表1 質(zhì)量控制要點(diǎn)

1)輔助陽極、參比電極的實(shí)際安裝位置嚴(yán)格按照施工圖進(jìn)行安裝，中心點(diǎn)位置最大允許誤差為±50 mm，各緊固部件不應(yīng)有任何松動(dòng)現(xiàn)象；外觀表面必須清潔，無任何沾污等不良現(xiàn)象。

2)恒電位采集儀主要用于循環(huán)采集由腐蝕傳感器輸入的信號(hào)，進(jìn)行濾波、放大，保證信號(hào)的質(zhì)量，并最

終轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。其采集范圍為-2.500 V～+1.000 V(可加大但不得減小)，采集精度不低于1 mV。采集完成后采集儀應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ)，整理后傳送給電位變送器。

3)在線監(jiān)測的實(shí)時(shí)性精度不低于2 s。在線監(jiān)檢測軟件應(yīng)支持傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(如SQL 或 Access 等)，并能將所有的采集到的數(shù)據(jù)建庫保存，同時(shí)支持歷史數(shù)據(jù)查詢功能及下載功能。

4)恒電位儀安裝前應(yīng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，測定其輸出總電流、輸出電壓、給定電位、各輔助陽極分電流。項(xiàng)目采用高純鋅參比電極，參比電極電位會(huì)在屏幕上顯示，同時(shí)顯示輸出電流、電壓，其電位在小于等于0.25 V為合格。

5)在首批ICCP系統(tǒng)海上安裝完畢，竣工驗(yàn)收之前，應(yīng)至少進(jìn)行連續(xù)1個(gè)月的通電調(diào)試，如不達(dá)標(biāo)，應(yīng)采取補(bǔ)救措施。

4 結(jié) 語

以江蘇某海上風(fēng)電工程為例，對(duì)鋼管樁基礎(chǔ)防腐工藝及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，本項(xiàng)目采用的外加電流系統(tǒng)施工方案主要包括3部分：

1)套籠上輔助陽極和參比電極安裝技術(shù)：輔助陽極和參比電極上裝配好的法蘭和預(yù)先焊接在套籠上的帶盲眼法蘭盤，連接輔助陽極和參比電極的電纜需要進(jìn)入預(yù)先焊接好的水平穿線管，需要注意的是在各穿線管開口處用膠泥進(jìn)行封口處理，以免進(jìn)入雜物。

2)塔筒內(nèi)平臺(tái)上的輔助陽極和參比電極安裝技術(shù)：輔助陽極和參比電極已經(jīng)裝配好的電纜通過法蘭口緩慢往下放入水中，到鋼絲繩只剩最后200 mm時(shí)把電纜和鋼絲繩分別從法蘭蓋的下面通過M20的孔穿到法蘭蓋上面，同時(shí)分別用M20的格蘭頭固定住。

3)恒電位儀安裝技術(shù)：共有2臺(tái)恒電位儀安裝在塔筒內(nèi)風(fēng)機(jī)廠家指定的平臺(tái)上分別用于控制安裝在套籠上和塔筒內(nèi)平臺(tái)上的輔助陽極和參比電極。

4)施工技術(shù)要求，輔助陽極、參比電極的實(shí)際安裝位置嚴(yán)格按照施工圖進(jìn)行安裝，中心點(diǎn)位置最大允許誤差不能超過±50 mm。