李光達(dá) 趙 巖 李 杰 駱忠江

（1. 中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518000；2. 浙江鈺烯腐蝕控制股份有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

隨著世界范圍內(nèi)可持續(xù)發(fā)展和綠色能源越來(lái)越受到重視，近些年來(lái)，我國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展迅速。與內(nèi)陸型風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)相比，海上風(fēng)電裝備處于腐蝕環(huán)境惡劣的海洋環(huán)境下，腐蝕問(wèn)題尤其嚴(yán)重[1]。如果不能有效控制海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的腐蝕，將對(duì)風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益造成重大損失。海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)鋼樁一般長(zhǎng)達(dá)數(shù)十米（依水深不同），其泥下段通常為沒(méi)有涂裝的裸露金屬直接楔于海床中；水上段與空氣接觸，主要依靠涂層防腐；而處于海水和海泥中介質(zhì)的部分更加容易發(fā)生腐蝕，因此，除進(jìn)行涂層保護(hù)外還需要采取額外的方式來(lái)減緩樁體的腐蝕。

目前，“涂層+陰極保護(hù)”技術(shù)是風(fēng)電基礎(chǔ)鋼樁最為有效的防腐手段。陰極保護(hù)包括外加電流法和犧牲陽(yáng)極法[2-4]。海上風(fēng)機(jī)基樁的陰極保護(hù)以往多采用犧牲陽(yáng)極保護(hù)方式，但是隨著近年來(lái)陰極保護(hù)行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和環(huán)保要求的提高，外加電流方法應(yīng)用開(kāi)始獲得增長(zhǎng)[5]，其優(yōu)勢(shì)包括：外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)只需要配置很少的輔助陽(yáng)極和直流恒電位儀等配套元件即可，其原料成本和施工成本總計(jì)約為犧牲陽(yáng)極系統(tǒng)的80%；對(duì)于一個(gè)1000兆瓦風(fēng)電場(chǎng)，只需要750克的金屬混合氧化物（MMO）涂層，這些氧化物由銥，鉑，釕等貴金屬制成，年消耗率只有幾毫克，大幅度降低對(duì)海洋環(huán)境和生物的危害；外加電流系統(tǒng)安裝只涉及到陰極和零位接陰兩個(gè)點(diǎn)的焊接，焊點(diǎn)數(shù)量少，而且可以在平臺(tái)上鋼結(jié)構(gòu)上進(jìn)行焊接，易進(jìn)行涂層修復(fù)，對(duì)風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)影響??；外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)可以根據(jù)季節(jié)變化、海洋環(huán)境變化、結(jié)構(gòu)表面特征來(lái)調(diào)節(jié)電流輸出，以實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)系統(tǒng)的可調(diào)可控和監(jiān)測(cè)[6]。此外，智能化、信息化和高性能化已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外各工業(yè)行業(yè)的發(fā)展方向，據(jù)此，開(kāi)發(fā)了新一代面向信息化、智能化和數(shù)字運(yùn)營(yíng)需求的智能陰極保護(hù)系統(tǒng)，并在某海上風(fēng)電項(xiàng)目?jī)膳_(tái)風(fēng)機(jī)上進(jìn)行了實(shí)際工程應(yīng)用。

本文以廣東某海上風(fēng)電項(xiàng)目28#、39#風(fēng)機(jī)內(nèi)外壁鋼管樁為研究對(duì)象，實(shí)際工程驗(yàn)證了開(kāi)發(fā)的新型智能陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備，采用外加電流系統(tǒng)對(duì)處于海水和一定海泥深度環(huán)境中的風(fēng)電樁基礎(chǔ)進(jìn)行保護(hù)，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用陰極保護(hù)仿真模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)[7]。此外，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求[8]：對(duì)海上風(fēng)電的腐蝕狀態(tài)需要實(shí)行每3個(gè)月巡視、每5年檢測(cè)。而目前海上風(fēng)電腐蝕狀態(tài)檢查全靠人工完成，整個(gè)壽期內(nèi)防腐運(yùn)維費(fèi)用高昂，因此通過(guò)陰極保護(hù)系統(tǒng)的智能化，來(lái)實(shí)現(xiàn)腐蝕狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與運(yùn)維。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)某海上風(fēng)電項(xiàng)目，海上風(fēng)電智能陰極保護(hù)系統(tǒng)主要包括：輔助陽(yáng)極系統(tǒng)、參比測(cè)量系統(tǒng)、線(xiàn)纜系統(tǒng)、智能恒電位儀設(shè)備及監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 海上風(fēng)電智能強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)組成示意圖

風(fēng)電基礎(chǔ)鋼樁內(nèi)外壁均采用外加電流方式進(jìn)行保護(hù)。

鋼樁外壁采用盤(pán)狀MMO輔助陽(yáng)極，以法蘭式結(jié)構(gòu)安裝，單個(gè)輔助陽(yáng)極最大輸出電流18A，單臺(tái)風(fēng)機(jī)樁外壁設(shè)計(jì)4套輔助陽(yáng)極；鋼樁內(nèi)壁采用懸吊式MMO管狀輔助陽(yáng)極串，輔助陽(yáng)極串由4根MMO/Ti管狀陽(yáng)極組成，單支MMO/Ti輔助陽(yáng)極最大輸出電流24A。

參比電極采用Ag/AgCl-Zn雙參比電極，同時(shí)引入銅棒來(lái)防止海洋生物附著在參比電極上。外壁參比電極以盤(pán)狀結(jié)構(gòu)安裝，內(nèi)壁參比電極復(fù)合到懸吊式輔助陽(yáng)極結(jié)構(gòu)上。

系統(tǒng)電源設(shè)備采用開(kāi)發(fā)的新型智能抽屜式雙路恒電位儀，采用LCD工業(yè)觸摸屏顯示，帶數(shù)字通訊接口，支持485和光纖通訊；智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)軟件采用本地部署的工業(yè)組態(tài)軟件。

2 陰極保護(hù)數(shù)值模擬

為了驗(yàn)證陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的有效性和輔助陽(yáng)極布置的合理性，采用有限元分析和數(shù)值模擬對(duì)被保護(hù)鋼管樁表面的電位分布進(jìn)行計(jì)算分析。陰極保護(hù)數(shù)值模擬技術(shù)可以針對(duì)不同復(fù)雜程度的被保護(hù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)基本模型導(dǎo)入建立，極化曲線(xiàn)、平衡電位、交換電流密度等參數(shù)的設(shè)置，有限元分析以及瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行計(jì)算得到被保護(hù)結(jié)構(gòu)體表面的電位分布[9]。

本項(xiàng)目采用專(zhuān)業(yè)數(shù)值模擬軟件COMSOL對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，COMSOL由瑞典COMSOL 公司開(kāi)發(fā)，是一款用于陰極保護(hù)設(shè)計(jì)與分析的專(zhuān)業(yè)三維仿真軟件，計(jì)算精度高，完夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)工程需要，在業(yè)界有較高的聲譽(yù)。

設(shè)計(jì)初期結(jié)合模擬仿真通過(guò)大量的更改輔助陽(yáng)極分布位置，計(jì)算各個(gè)模型的電位分布，最終獲得最優(yōu)異的陽(yáng)極分布模型（如圖2所示）。

圖2 風(fēng)電鋼管樁內(nèi)外壁電位分布

3 智能化監(jiān)測(cè)與控制管理系統(tǒng)

智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)采用本地部署的工業(yè)組態(tài)軟件，可接入風(fēng)機(jī)恒電位儀實(shí)現(xiàn)全功能遠(yuǎn)程控制與調(diào)節(jié)，此外還可開(kāi)放接入現(xiàn)場(chǎng)各種腐蝕傳感器，本項(xiàng)目中接入了以下腐蝕傳感器：

（1）陽(yáng)極電流傳感器：實(shí)現(xiàn)各陽(yáng)極輸出電流測(cè)量，可實(shí)時(shí)監(jiān)控各陽(yáng)極工作情況；

（2）保護(hù)電位傳感器：實(shí)現(xiàn)保護(hù)鋼樁某些部位的保護(hù)電位測(cè)量，評(píng)價(jià)保護(hù)效果；

（3）陰極保護(hù)數(shù)據(jù)采集儀：實(shí)現(xiàn)通斷電電位、交直流電流密度測(cè)量，全面評(píng)價(jià)陰極保護(hù)效果；

（4）電器元件大氣腐蝕探針：監(jiān)測(cè)環(huán)境大氣腐蝕性；

（5）環(huán)境溫濕度傳感器：監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度；

（6）其他工業(yè)傳感器。

通過(guò)以上系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可對(duì)海上風(fēng)電可實(shí)現(xiàn)高效的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制管理，系統(tǒng)具備標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的自動(dòng)化合規(guī)管理功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)視與管理。

通過(guò)智能化監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示風(fēng)電鋼管樁內(nèi)外壁各輔助陽(yáng)極輸出電流，鋼樁保護(hù)電位，風(fēng)機(jī)內(nèi)外壁交直流干擾狀態(tài)，風(fēng)機(jī)內(nèi)部塔筒設(shè)備間腐蝕環(huán)境程度以及對(duì)恒電位儀運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制，智能監(jiān)控運(yùn)行界面如圖3所示。

圖3 39#風(fēng)機(jī)智能化監(jiān)控畫(huà)面

4 應(yīng)用情況

本風(fēng)電項(xiàng)目28#、39#風(fēng)機(jī)的陰極保護(hù)智能系統(tǒng)于2023年3月完成安裝調(diào)試，并投入運(yùn)行。

在陸地主控室可以通過(guò)智能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)讀取兩臺(tái)風(fēng)機(jī)內(nèi)外壁恒電位儀的運(yùn)行狀態(tài)和內(nèi)外壁鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)情況，以及相關(guān)傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況，也可以通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)遠(yuǎn)程調(diào)控恒電位儀的運(yùn)行模式和運(yùn)行數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)更加高效可靠的陰極保護(hù)。

迄今為止，兩臺(tái)風(fēng)機(jī)陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，狀態(tài)良好，風(fēng)機(jī)內(nèi)外壁鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)電位均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，圖4為近二個(gè)月兩臺(tái)風(fēng)機(jī)內(nèi)外壁保護(hù)電位的數(shù)據(jù)記錄曲線(xiàn)。

圖4 28#、39#風(fēng)機(jī)內(nèi)外壁保護(hù)電位分布狀況

5 結(jié)語(yǔ)

隨著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，陰極保護(hù)系統(tǒng)的智能化是必然發(fā)展趨勢(shì)。海上智能陰極保護(hù)系統(tǒng)以數(shù)字化、智能化方式對(duì)陰極保護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和管理，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工采集方式，可有效減少人力和物力投入，降低陰極保護(hù)系統(tǒng)的管理和運(yùn)維費(fèi)用。此外，智能陰極保護(hù)系統(tǒng)可對(duì)風(fēng)電陰極保護(hù)系統(tǒng)還可根據(jù)需求集成多種腐蝕傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)對(duì)象、腐蝕環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中存在的腐蝕安全隱患并進(jìn)行預(yù)警和診斷，為海上風(fēng)電長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。實(shí)踐表明，本智能化陰極保護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具備較好的推廣價(jià)值。