收稿日期：2022-10-25

基金項(xiàng)目：政府間國(guó)際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項(xiàng)（2019YFE0102500）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFB1504401；2019YFB1504402）；海洋可再生能源

資金項(xiàng)目（GHME2017SF01）

通信作者：王坤林（1980—），男，博士、研究員，主要從事海洋波浪能轉(zhuǎn)換方面的研究。wnagkl@ms.giec.ac.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1619 文章編號(hào)：0254-0096（2024）02-0213-05

摘 要：針對(duì)波浪能供電觀測(cè)浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)組成，分析其工作原理、運(yùn)動(dòng)特性、各系統(tǒng)處的海洋腐蝕環(huán)境，將浮標(biāo)劃分成多個(gè)海洋污損區(qū)域。基于目前的防腐方法和浮標(biāo)復(fù)雜的海洋腐蝕環(huán)境，綜合考慮成本及施工時(shí)效性，提出一種防腐油漆涂層加陰極保護(hù)雙組合的防腐方法，并進(jìn)行外加電流陰極保護(hù)防腐系統(tǒng)及關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)。通過數(shù)值模擬，確定該系統(tǒng)布置在浮標(biāo)主浮體側(cè)面可實(shí)現(xiàn)較好的防腐效果。最后，提出兩種防腐系統(tǒng)位置布置方案。

關(guān)鍵詞：波浪能裝置；浮標(biāo)；腐蝕；漂浮式波浪能發(fā)電裝置；陰極保護(hù)

中圖分類號(hào)：TG174 """ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

近年來，隨著地球環(huán)境逐漸惡化，世界各國(guó)對(duì)海洋能源的開發(fā)及利用愈加重視。海洋波浪能具有綠色、可再生、全天候、能流密度高等特點(diǎn)，在各種海洋能源中開發(fā)利用的程度較高。波浪能發(fā)電裝置是利用波浪能發(fā)電的一種海洋工程裝備，由于其長(zhǎng)期工作在海洋環(huán)境中，海洋腐蝕問題是其面臨的威脅之一。從腐蝕的角度，海洋腐蝕技術(shù)領(lǐng)域?qū)⒑Ｑ蟓h(huán)境分為5個(gè)不同的區(qū)帶，即：海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、海洋潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海底泥土區(qū)，針對(duì)不同海洋區(qū)帶研究其腐蝕的原因及特點(diǎn)?；谏鲜龊Ｑ蟾g環(huán)境，針對(duì)船舶、海上平臺(tái)、跨海大橋等廣泛分布的海上設(shè)施，文獻(xiàn)［1-2］提出防腐涂層技術(shù)、防污涂層技術(shù)、耐腐蝕技術(shù)、包裹防腐技術(shù)等防腐技術(shù)手段，同時(shí)開展了大量的理論、仿真及試驗(yàn)研究。然而針對(duì)波浪能裝置防腐方面的研究鮮少，不利于波浪能發(fā)電裝置的長(zhǎng)期大規(guī)模投入使用。葉世鋒等［3］、官建安等［4］進(jìn)行了波浪能發(fā)電裝置防腐措施的討論，但并未開展防腐技術(shù)方案的深入研究。另一方面，不同波浪能裝置的工作原理及運(yùn)動(dòng)特性不同，其受腐蝕的情況也各不相同［3］。因此，須根據(jù)波浪能裝置的特點(diǎn)進(jìn)行防腐方案設(shè)計(jì)，以提高防腐效果，充分保障其耐久性和安全性，延長(zhǎng)其使用壽命。

本文以波浪能供電觀測(cè)浮標(biāo)為研究對(duì)象，介紹裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理，分析浮標(biāo)各組成系統(tǒng)所處的海洋腐蝕環(huán)境及其成因，提出防腐方法，進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并制定布置方案。

1 波浪能供電觀測(cè)浮標(biāo)結(jié)構(gòu)及工作原理

波浪能供電觀測(cè)浮標(biāo)既是一個(gè)觀測(cè)裝置，也是一個(gè)波浪能發(fā)電裝置。該裝置集波浪能發(fā)電、太陽能發(fā)電、儲(chǔ)能、導(dǎo)航、觀測(cè)、通訊等功能于一體，融合波浪能、太陽能、儲(chǔ)能等設(shè)備，構(gòu)成海上可再生能源系統(tǒng)，為觀測(cè)及通訊設(shè)備的海上長(zhǎng)效工作提供了有力保障。

波浪能供電觀測(cè)浮標(biāo)以鷹式波浪能俘獲技術(shù)為基礎(chǔ)，是一種可全向俘獲波浪能的漂浮式波浪能裝置，包含浮標(biāo)主體、吸波浮子、液壓缸、蓄能系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、蓄電池組、水下阻尼浮體、錨鏈、沉塊等部分。如圖1所示，浮標(biāo)主體為中空的圓柱形立柱，以立柱為中心布置4個(gè)延伸臂，延伸臂兩兩之間設(shè)置均布于東南西北4個(gè)方向的鷹式吸波浮子。鷹式吸波浮子上端通過液壓缸，下端經(jīng)鉸鏈連接立柱。立柱下端為密封的空心水下阻尼浮體。立柱中間設(shè)有設(shè)備艙，安裝有能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的核心設(shè)備。浮標(biāo)按功能可分為波浪能俘獲系統(tǒng)（包含吸波浮子、浮標(biāo)主體、液壓缸、水下阻尼浮體）、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（包含蓄能系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、蓄電池組）、錨泊系統(tǒng)（包含錨鏈、沉塊）3個(gè)部分。

波浪能供電觀測(cè)浮標(biāo)的工作原理為：1）鷹式吸波浮子隨波浪做上下往復(fù)的搖擺運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)液壓缸運(yùn)動(dòng)，將波浪能轉(zhuǎn)換為液壓缸的動(dòng)能，即為波浪能俘獲過程，對(duì)應(yīng)波浪能俘獲系統(tǒng)；2）通過液壓式能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能供所述觀測(cè)儀器設(shè)備使用，即能量轉(zhuǎn)換過程，對(duì)應(yīng)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；3）實(shí)海況運(yùn)行時(shí)，錨鏈將浮標(biāo)錨系于目標(biāo)海域內(nèi)，限制浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)范圍，對(duì)應(yīng)錨泊系統(tǒng)。

2 腐蝕污損區(qū)域劃分及成因

如表1所示，根據(jù)波浪能供電觀測(cè)浮標(biāo)的工作原理及運(yùn)動(dòng)特性，其各系統(tǒng)處在不同的海洋腐蝕環(huán)境中，因此其所面臨的腐蝕情況與應(yīng)采取的防腐防污措施也各不相同。

文獻(xiàn)［5］提出，浮標(biāo)受腐蝕污損的因素一般可分為：

1）化學(xué)因素：波浪能供電觀測(cè)浮標(biāo)采用鋼材作為主要結(jié)構(gòu)的材料。海水中的溶解氧含量、含鹽量及電導(dǎo)率等化學(xué)因素導(dǎo)致浮標(biāo)結(jié)構(gòu)腐蝕。上述參數(shù)的增大，加速了浮標(biāo)的腐蝕。這種情況主要出現(xiàn)在海洋浪花飛濺區(qū)、海洋潮差區(qū)、海洋全浸區(qū)3個(gè)區(qū)域。

2）物理因素：海洋環(huán)境的物理因素包括海水流速、波浪、潮汐、溫度等方面，這些因素最終會(huì)導(dǎo)致溶解氧含量增加，破壞浮標(biāo)的保護(hù)膜和涂層，導(dǎo)致其腐蝕加重。這類情況主要出現(xiàn)在海洋大氣區(qū)、海洋浪花飛濺區(qū)、海洋潮差區(qū)、海洋全浸區(qū)4個(gè)區(qū)域。

3）生物因素：生物因素主要是指浮標(biāo)的鋼結(jié)構(gòu)表面上附著的海洋生物，其生長(zhǎng)繁殖過程產(chǎn)生的腐蝕性物質(zhì)會(huì)促進(jìn)電化學(xué)腐蝕。這類情況主要出現(xiàn)在海洋浪花飛濺區(qū)和海洋潮差區(qū)兩個(gè)區(qū)域。

3 防腐方案總體設(shè)計(jì)

3.1 防腐背景分析

浮標(biāo)屬于一種海洋工程裝備，但其面臨的防腐背景與一般的海洋工程裝備不同。文獻(xiàn)［6-8］中列出了常見船舶、海洋平臺(tái)、波浪能發(fā)電裝置的防腐參數(shù)的對(duì)比，如表2所示。由表2可得，波浪能觀測(cè)浮標(biāo)作為一種波浪能發(fā)電裝置，其工作原理與海洋平臺(tái)及船舶存在本質(zhì)區(qū)別，三者在防腐要求上存在較大差異。因此，波浪能觀測(cè)浮標(biāo)的防腐方案只能基于海洋平臺(tái)及船舶的相關(guān)防腐技術(shù)，開展進(jìn)一步研究。

3.2 防腐方案選擇

常見的防腐方法主要有使用耐腐蝕材料、涂層保護(hù)、礦質(zhì)包覆防護(hù)、陰極保護(hù)等［6］。根據(jù)波浪能供電觀測(cè)浮標(biāo)的材料特性及其所在海洋環(huán)境交叉融合的特點(diǎn)，綜合考慮成本及其施工周期，采取涂層保護(hù)加陰極保護(hù)組合的防腐方法。

由于浮標(biāo)由鋼材制成，其所有結(jié)構(gòu)均涂覆防腐漆，其中波浪能俘獲系統(tǒng)的浪花飛濺區(qū)及海洋全浸區(qū)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的海洋浪花飛濺區(qū)加涂防污漆。

陰極保護(hù)是抑制鋼結(jié)構(gòu)外腐蝕的有效方法，陰極保護(hù)包括犧牲陽極法和外加電流法。犧牲陽極法制備存在能耗大、使用過程中會(huì)污染環(huán)境、重量大、維護(hù)不便等缺點(diǎn)。外加電流法節(jié)能環(huán)保、安裝方便，相較于犧牲陽極法，發(fā)展?jié)摿Ω蟆９时靖?biāo)選擇外加電流陰極保護(hù)方法。

3.3 防腐系統(tǒng)設(shè)計(jì)

浮標(biāo)外加電流陰極保護(hù)防腐系統(tǒng)主要由陰極保護(hù)電源、輔助陽極、參比電極、配套電纜等附件構(gòu)成。根據(jù)圖紙計(jì)算，海洋全浸區(qū)保護(hù)面積取[Si=600 m2]。浮標(biāo)涂層保護(hù)時(shí)間設(shè)計(jì)為3 a。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，選擇保護(hù)電流密度取[Ii=10 mA/m2]。根據(jù)Si和Ii的取值，利用式（1）可計(jì)算得到保護(hù)電流為6 A。

[I=Ii×Si]"""""" （1）

式中：I——保護(hù)電流，A。

同時(shí)電源設(shè)備額定輸出電流至少為計(jì)算最大保護(hù)電流量的1.25倍，電源設(shè)備的電流選取為20 A。根據(jù)測(cè)量，浮標(biāo)總的回路電阻為1 Ω，則電源設(shè)備電壓容量為20 V。輔助陽極總有效表面積可通過式（2）得到，結(jié)果為0.012 m2。

[Sa=Iia]" （2）

式中：[Sa]——輔助陽極總有效表面積，m2；[ia]——陽極工作電流密度，A/m2。

采用鈦基金屬氧化物陽極，工作電流密度取500 A/m2。為保證保護(hù)效果，并考慮適當(dāng)?shù)娜哂?，本文設(shè)計(jì)選用4組輔助陽極，輔助陽極可布置在底部主浮體，也可在中部浮艙，具體位置可根據(jù)其他要求選擇確定。根據(jù)浮標(biāo)結(jié)構(gòu)采用2組復(fù)合參比，每組復(fù)合參比包括銀/氯化銀參比電極和高純鋅參比電極各1只。參比電極應(yīng)設(shè)計(jì)在腐蝕嚴(yán)重的位置或有代表性的位置，作為恒電位儀控制的參比電極應(yīng)遠(yuǎn)離輔助陽極。

4 數(shù)值模擬

輔助陽極布置方式是關(guān)系整個(gè)防腐系統(tǒng)效果的關(guān)鍵。本文提出兩種浮標(biāo)輔助陽極布置方式進(jìn)行模擬計(jì)算。

1）方案1

輔助陽極分別位于4個(gè)浮艙的側(cè)面中心位置，單根陽極長(zhǎng)度為0.5 m，直徑為0.025 m，浮標(biāo)涂層破損率為10%，外加電流為4 A，模擬得出浮標(biāo)的保護(hù)電位如圖2所示。

2）方案2

輔助陽極分別位于水下浮體側(cè)面中心位置，單根陽極長(zhǎng)度為1.2 m，直徑為0.025 m，浮標(biāo)涂層破損率為1%，外加電流為0.4 A，模擬得出浮標(biāo)的保護(hù)電位如圖3所示。

圖2、圖3展示了在不同輔助布置方案下浮標(biāo)不同部位的保護(hù)情況，兩圖中浮標(biāo)所有結(jié)構(gòu)均處于保護(hù)范圍之內(nèi)，色階由紅色至深藍(lán)色表示保護(hù)電位的數(shù)值逐漸負(fù)移。圖2中浮標(biāo)各部分結(jié)構(gòu)電位較均勻，圖3中僅水下浮體部分電位值較小，其他結(jié)構(gòu)較均勻。因此，方案1的保護(hù)效果優(yōu)于方案2。本浮標(biāo)采用中部浮艙側(cè)面安裝輔助陽極的方案，可滿足設(shè)計(jì)要求。

5 防腐系統(tǒng)布置

5.1 輔助陽極及參比電極布置

方案1：在中部浮艙側(cè)面安裝4組輔助陽極，其與2組復(fù)合參比電極布置位置如圖4a所示；方案2：在底部主浮體側(cè)面安裝4組輔助陽極。4組輔助陽極與2組復(fù)合參比電極布置位置如圖4b所示。

5.2 陰極保護(hù)電源布置

陰極保護(hù)電源分拆為4個(gè)可堆疊機(jī)箱式模塊，包括1個(gè)配電管理模塊、2個(gè)恒電位儀模塊和1個(gè)防雷模塊。陰極保護(hù)電源安裝位置如圖5所示。

6 結(jié) 論

波浪能供電觀測(cè)浮標(biāo)的防腐對(duì)其使用壽命、運(yùn)動(dòng)性能、安全性等關(guān)系重大。波浪能供電觀測(cè)浮標(biāo)由于其運(yùn)動(dòng)特性，所組成的各系統(tǒng)同時(shí)處于不同的海洋環(huán)境。本文綜合考慮成本及施工時(shí)效性，采用防腐油漆涂層和陰極保護(hù)雙組合的防腐防污方法。根據(jù)該方法，設(shè)計(jì)了一種外加電流陰極保護(hù)防腐方案，并根據(jù)浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)及尺寸確定了各設(shè)計(jì)參數(shù)。通過數(shù)值模擬，確定了在底部主浮體側(cè)面安裝4組輔助陽極的布置方式可實(shí)現(xiàn)較好的防腐效果。最后進(jìn)行了波浪能供電觀測(cè)浮標(biāo)的防腐系統(tǒng)布置方案設(shè)計(jì)。本文的防腐方案有待進(jìn)一步實(shí)海況測(cè)試加以驗(yàn)證。

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DESIGN AND SIMULATION OF ANTICORROSION SCHEME OF

OBSERVATION BUOY FOR WAVE POWER PLANT

Zhang Yaqun1，2，Li Xianhao1-3，Sheng Songwei1，2，Wang Kunling1，2，Huang Zhenxin1，2，Gao Guifei4

（1. Guangzhou Institute of Energy Conversion， Chinese Academy of Sciences， Guangzhou 510640， China；

2. Key Laboratory of Renewable Energy， Chinese Academy Sciences， Guangzhou 510640， China；

3. School of Energy Science and Engineering， University of Science and Technology of China， Hefei 230026， China；

4. Qingdao Yahe Technology Development Co. Ltd， Qindao 266011， China）

Abstract：In this paper， a wave energy power observation buoy is divided into different fouling areas by analyzing its working principle， motion characteristics and corrosion environment of each system. Firstly， through considering the current anti-corrosion methods， the complex marine corrosion environment of buoys， cost and construction efficiency， a corrosion protection method combining anti-corrosion paint coating and catholic protection is proposed. Based on which， an anti-corrosion system with impressed current catholic protection and key parameters are designed. Furthermore， numerical simulations are carried out and reveal that better anti-corrosion effect can be achieved by setting the above anti-corrosion system along the flank of the main buoy.

Keywords：wave energy conversion； buoys； corrosion； floating wave power generation device； catholic protection