國家電力投資集團有限公司 張 昊 國家電投集團江蘇電力有限公司 田宏衛(wèi)

隨著我國海洋開發(fā)事業(yè)的飛速發(fā)展，海上金屬(鋼鐵)設(shè)施越來越多。自1991年世界上首座海上風(fēng)電場在丹麥建成以來，海上風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為世界可再生能源發(fā)展的焦點領(lǐng)域。海上風(fēng)電運行環(huán)境十分復(fù)雜：高溫、高濕、高鹽霧和長日照等，腐蝕環(huán)境非常惡劣，對海上風(fēng)電設(shè)備的腐蝕防護提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，防腐設(shè)計成為海上風(fēng)電場設(shè)計必須考慮的重要環(huán)節(jié)之一。目前對于海上風(fēng)電工程基礎(chǔ)設(shè)施以及風(fēng)機的防腐措施,主要來自于海上石油平臺、破冰船以及海底管線等方面的防腐經(jīng)驗，而針對海上風(fēng)電腐蝕與防護的研究及應(yīng)用還較少。在大力提倡節(jié)能減排的今天,結(jié)合國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的理論研究和工程背景，對海上風(fēng)電的腐蝕與防護進行系統(tǒng)的研究及應(yīng)用已成為當(dāng)前需要解決的重要課題[1]。

海洋環(huán)境是指海洋大氣到海底泥漿這一范圍內(nèi)的任何一種物理量，如溫度、風(fēng)速、日照、含氧量、鹽度、pH值以及流速等。在海洋環(huán)境中不同區(qū)域有不同的腐蝕影響因素，對于海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)按照水位變動情況來劃分不同的腐蝕控制區(qū)域。參照IEC61400-2009《海上風(fēng)機設(shè)計要求》，風(fēng)力發(fā)電機組機艙以下的支撐結(jié)構(gòu)包括塔架、下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)，其中與海床直接接觸的部分定義為基礎(chǔ)，位于水面以上的通道平臺作為塔架和下部結(jié)構(gòu)的分界線，則海上風(fēng)電場的塔架所處的海洋環(huán)境主要為大氣區(qū)。

1 海上風(fēng)機基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕防護

對于海上鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕目前世界各國都已經(jīng)制定了有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，我國也制定了海上風(fēng)電場鋼結(jié)構(gòu)防腐標(biāo)準(zhǔn)。海上風(fēng)機支撐結(jié)構(gòu)中的鋼結(jié)構(gòu)長期暴露于海洋環(huán)境中，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中不同位置腐蝕程度的不同，一般可將海洋腐蝕環(huán)境分為海洋大氣區(qū)、浪濺區(qū)、潮差區(qū)/潮汐區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)五個不同的腐蝕區(qū)帶，浪濺區(qū)是鋼結(jié)構(gòu)腐蝕最嚴(yán)重的區(qū)域。解決海上風(fēng)機基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕問題，有耐海水鋼、腐蝕裕量、涂裝法、陰極保護及包覆等方法，但各種方法都有自己的適用范圍(表1)。

表1 防腐蝕措施的適用范圍

耐海水鋼為一種新型材料，在浪濺區(qū)和海洋大氣中的腐蝕速度比一般碳鋼小很多，但由于其經(jīng)濟性較差，故較少采用；腐蝕裕量是根據(jù)一定使用年限內(nèi)計算得到的鋼材腐蝕厚度，對設(shè)計結(jié)構(gòu)截面厚度主動增大，以滿足其腐蝕要求的方法，即實際鋼材厚度=腐蝕厚度+滿足各種承載條件的設(shè)計厚度；涂裝法是采用底漆、中間漆和面漆組成的多層涂裝體系。涂裝的選擇應(yīng)考慮周圍環(huán)境，對不同的腐蝕環(huán)境，不同涂料的耐久性不同；海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐同時采用腐蝕裕量和涂裝法，結(jié)構(gòu)設(shè)計預(yù)留的腐蝕裕量應(yīng)根據(jù)有涂層保護的基材腐蝕速率來確定。

包覆法是指為防止腐蝕，在結(jié)構(gòu)物外表面復(fù)合一層耐蝕材料，以使原來表面與環(huán)境隔離。可采用包覆有機復(fù)合層、樹脂砂漿、復(fù)合耐蝕金屬層進行保護；陰極保護法屬于電化學(xué)保護技術(shù)，基本原理是對被保護的金屬表面施加一定的直流電流使其產(chǎn)生陰極極化，當(dāng)金屬的電位負(fù)于某一值時，腐蝕的陽極溶解過程就會得到有效抑制。根據(jù)提供陰極電流的方式不同分成犧牲陽極法和外加電流法兩種，犧牲陽極法是在鋼結(jié)構(gòu)表面附加較活潑的金屬取代鋼材的腐蝕；外加電流法將外部電流轉(zhuǎn)變成低壓直流電，通過輔助陽極將保護電流傳遞給被保護的鋼結(jié)構(gòu)，抑制腐蝕。

2 海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)防腐蝕設(shè)計

海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)防腐蝕措施一般按照不同分區(qū)進行設(shè)計：海洋大氣區(qū)采用涂料或金屬熱噴涂保護；浪濺區(qū)采用涂料保護或金屬熱噴涂保護，并在涂料保護或金屬熱噴涂保護的基礎(chǔ)上增加腐蝕裕量；全浸區(qū)、海泥區(qū)上部采用陰極保護、陰極保護與涂料或金屬熱噴涂聯(lián)合保護措施，涂料或金屬熱噴涂的作用主要為改善陰極保護電流分布和減少陽極用量。陰極保護應(yīng)包括浪濺區(qū)平均潮位以下的部分。

國內(nèi)海上風(fēng)電項目一般采用腐蝕裕量、涂裝及犧牲陽極陰極保護等防腐蝕設(shè)計。外部犧牲陽極一般為長條型鋁合金型，單塊重量一般為數(shù)百公斤。外部犧牲陽極焊接在集成式套籠結(jié)構(gòu)支撐鋼管處，通過套籠與單樁結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電氣連接[2]。內(nèi)部犧牲陽極一般通過懸掛系統(tǒng)安裝在單樁的內(nèi)平臺下部。內(nèi)部犧牲陽極從潮差區(qū)至泥面均勻布置，并采用銅芯導(dǎo)線實現(xiàn)與單樁結(jié)構(gòu)的電氣連接。海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)防腐蝕設(shè)計方案總結(jié)如下：海洋大氣區(qū)。涂裝；浪濺區(qū)/潮差區(qū)。平均海平面以上涂裝+腐蝕裕量，平均海平面以下涂裝+陰極保護；全浸區(qū)。涂裝+陰極保護；海泥區(qū)。涂裝至泥面以下1米。

3 海上風(fēng)電腐蝕在線監(jiān)測

海上風(fēng)電腐蝕在線監(jiān)測系統(tǒng)在江蘇某海上風(fēng)電場通過監(jiān)測以下指標(biāo)，來評估海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的腐蝕狀態(tài)。

涂層性能監(jiān)測：通過測量海水環(huán)境中單樁涂層探頭阻抗譜隨時間的變化趨勢來判斷涂層的老化狀態(tài)。將涂層探頭固定在涂裝設(shè)備表面，長期測量涂層的老化過程，為涂層損傷的預(yù)防性維護提供實時數(shù)據(jù)。涂層腐蝕傳感器的樣板涂層與單樁涂層設(shè)計厚度一致。樣板進行劃痕處理，劃痕區(qū)能夠模擬涂料破損后的耐腐蝕情況，因為金屬的裸露、腐蝕情況會遠(yuǎn)比非劃痕區(qū)嚴(yán)重。由于劃痕深至金屬底材導(dǎo)致金屬裸露，所以腐蝕現(xiàn)象會從劃痕處向兩邊擴展。腐蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)順序應(yīng)為銹蝕、起泡、開裂、剝落。非劃痕區(qū)有涂層的保護，因此這個區(qū)域的腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)順序一般為起泡、開裂和銹蝕、剝落。

陰極保護監(jiān)測：犧牲陽極的保護電位是陰極保護有效性評價的重要指標(biāo)，一般采用參比電極對單樁基礎(chǔ)上的鋼管樁陰極保護電位進行監(jiān)測，常用參比電極有銀氯化銀電極和高純鋅參比電極，若保護電位值超過或低于允許電位范圍（-0.85V～-1.05V相對于硫酸銅電極），可能對基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)造成過保護或保護不足，應(yīng)及時干預(yù)，保證腐蝕防護效果。

腐蝕速率監(jiān)測：電阻探針法(Electrical Resistance,ER)也稱為可自動測量的掛片失重法。該方法通過裝有金屬試片的探針（電阻探針）測量金屬的腐蝕速率。金屬試片的面積因腐蝕而變化，電阻增大。周期性精準(zhǔn)測量電阻可計算出總腐蝕量及腐蝕速率。腐蝕速率監(jiān)測可監(jiān)測試片腐蝕速率、通電電位、極化電位、交流電壓、直流電流密度、交流電流密度等參數(shù)。腐蝕速率傳感器安裝單樁基礎(chǔ)上，監(jiān)測試片的電阻變化可以得到試片的腐蝕速率，保證腐蝕防護效果。

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)：包括多通道測量卡及信號轉(zhuǎn)換單元、控制單元和通信單元，可根據(jù)傳感器的數(shù)量相應(yīng)增加多通道測量卡。主要用于對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，功能模塊包括腐蝕數(shù)據(jù)管理、腐蝕余量與腐蝕速率顯示、圖形打印等；物理掛片腐蝕速率測量。在海上風(fēng)電場選取5臺典型機位，在單樁基礎(chǔ)的潮差區(qū)、全浸區(qū)、海泥區(qū)依次布置物理掛片，定期取回到岸上實驗室進行失重測量，并與在線監(jiān)測的腐蝕速率結(jié)果進行對比。經(jīng)過6個月現(xiàn)場測試，無陰極保護及有陰極保護的物理掛片腐蝕狀態(tài)如圖1所示。

圖1 物理掛片腐蝕速率測量

4 基于支持向量機算法的腐蝕在線評估

SVM支持向量機是一個分類算法，通過一條分類線或平面將數(shù)據(jù)分隔在線或平面兩側(cè)，是一種二類分類模型，與感知機相似，支持向量機的學(xué)習(xí)算法是求解凸二次規(guī)劃的最優(yōu)化算法。SVM學(xué)習(xí)的基本思想是求得能夠正確劃分?jǐn)?shù)據(jù)集并且之間幾何間隔最大的分離超平面。線性可分等價f(x)=w1x1+w2x2+…+wnxn+b，其中的x、w是向量。預(yù)測分類時，用sgn(f(x))函數(shù)支持向量所在的面之間的間隙就是要求最大化的分類間的間隙Margin Width=M，其公式為M=2/

如圖2所示，紅線wx+b=0為分離超平面，對于線性可分的數(shù)據(jù)集來說，超平面可以有很多個，但是幾何間隔最大的分離超平面卻是唯一的。假設(shè)給定一個特征空間上的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集T=(x1,y1),(x2,y2),…(xN,yN)。其 中xi∈Rn，yi∈{+1,?1},i=1,2,…N，xi為第i個特征向量，yi表示為類標(biāo)記，當(dāng)它等于+1時為正例，即圖1中的紅色小圈；yi為-1時為負(fù)例，圖1中用藍色星號來表示。

圖2 分離超平面示意圖

幾何間隔。對于給定的數(shù)據(jù)集T和超平面wx+b=0，定義超平面關(guān)于樣本點(xi,yi)的幾何間隔為γi=yi(w/‖w‖xi+b/‖w‖)。超平面關(guān)于所有樣本點的幾何間隔的最小值為γ=mini=1,2…,Nγi，即支持向量到超平面的距離。

對偶算法。就是應(yīng)用拉格朗日對偶性求得線性可分支持向量機的最優(yōu)化問題的解，通過求解對偶問題（dual problem）得到原始問題（primal problem）的最優(yōu)解。該方法可使偶問題往往更容易求解，其次是引入自然核函數(shù)，使得非線性分類問題也能適用。在算法過程中，首先需要構(gòu)建拉格朗日函數(shù)（Lagrange function）。為此，對每一個不等式約束引進拉格朗日乘子（Lagrange multiplier）ai≥0,i=1,2,…,N，定義拉格朗日函數(shù)：L(w,b,a)=1/2 wTw+∑N(i=1)ai(1-yi(wTxi+b))=1/2wTw-∑N(i=1)aiyi(wTxi+b)+∑N(i=1)ai，再由拉格朗日的對偶性求解極大極小問題：minw,bL(w,b,a)=-1/2∑N(i=1)∑N(j=1)aiyiajyjxiTxj+∑N(i=1)ai。

對偶問題中minw,bL(w,b,a)對a的極大值：maxa-ai≥0,i=1,2…N。對偶最優(yōu)問題即將上面的極大轉(zhuǎn)為極?。?,i=1,2…N。

由上述滿足KKT條件得出的定理推導(dǎo)出分離超平面和分類決策函數(shù)關(guān)系式：分類超平面∑N(i=1)ai＊yi(xxi)+b＊=0，分 類 決 策 函 數(shù)f(x)=sign(∑N(i=1)ai＊yi(xxi)+b＊）。

結(jié)論：海上風(fēng)電腐蝕在線監(jiān)測系統(tǒng)通過對單樁基礎(chǔ)涂層性能、腐蝕速率與陰極保護等關(guān)鍵指標(biāo)進行監(jiān)測，實現(xiàn)遠(yuǎn)程測量。通過分析運行數(shù)據(jù)，評估腐蝕防護效果，為海上風(fēng)電場安全穩(wěn)定運行提供保障，不斷降低運維成本。