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海上风电具有风速较高、风频稳定、切变小、资源丰富、不占土地、适宜大规模开发等特点，同时也具有靠近经济发达地区，距离电力负荷中心近、电力消纳能力强、不存在接入和限电问题等优点，受到许多国家的关注。
海上风机基础是风机塔重要的支撑结构，通常采用钢结构，具有设计寿命长、投资大、检测和维修难度高等难点。阴极保护作为海上钢结构防腐保护的重要措施，对保证风机基础长期有效的安全运行起到了重要作用。常见的防腐蚀措施有涂层防护、金属热喷涂、阴极保护等方式。近年来，国内外对海洋腐蚀与防护日趋重视，各种防腐蚀施工技术也大有发展，但仍远不能满足实际需求。我国对海洋工程结构设施的防腐蚀研究与国外发达国家有明显的差距，一些关键技术尚未解决，也没有形成具有我国自主知识产权的技术，而且缺少相应的防腐规范和标准，这些都严重影响了海上风机基础结构的设计、建造和安全运行。本文结合南海某海上风电场项目，对海上风机基础阴极保护设计研究与应用进行了探讨。为解决海上风电场风机基础结构防腐蚀问题提供了一定的技术依据和数据基础。
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在进行海上风机基础阴极保护设计时，应对以下资料进行收集，并在必要时进行现场测定：
1)钢结构的材质、外形尺寸、表面状况。
2)介质的盐度或化学成分。
3)介质的温度、含氧量、电阻率和pH值。
4)波浪、潮位、海水流速和水中泥沙含量等。
5)介质的污染情况等。
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常用的海上工程用牺牲阳极结构示意图如图1所示。其中，各细节尺寸取值可根据实际需求进行设计。
图 1 牺牲阳极示意
Figure 1. Sacrificial Anode Demo
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常见的铝-锌-铟-镁-钛牺牲阳极成分[4]见表1，当有特殊要求时可对化学成分稍作调整，但其性能与质量应符合相关标准的规定。
表 1 阳极成分
Table 1.
Content of Anode 元素 质量分数/% Zn 4.0～7.0 In 0.020～0.050 Mg 0.50～1.50 Ti 0.01～0.08 Fe ≤0.15 Si ≤0.10 Cu ≤0.01 Al 余量 -
常见的铝-锌-铟-镁-钛牺牲阳极电化学性能应符合表2的规定。
表 2 电化学性能
Table 2.
Electrochemical Property 开路电位/V 工作电位/V 实际电容量/(Ah/kg) 电流效率/% 消耗率/(kg·A-1·a-1) 溶解状况 -1.18～-1.10 -1.12～-1.05 ≥2 600 ≥90 ≤3.37 产物容易脱落，表面溶解均匀 -
在进行阴极保护设计时，设计参数的选取应基于项目所在区域的水文气象、地质情况的勘察结果，且应符合相关标准的规定。
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单支阳极发生电流计算公式[2]如下：
((1)) 式中：Ia——单块阳极发生电流量(A)；△E——阳极驱动电位(V)；Ra——阳极接水电阻(Ω)。
阳极接水电阻按下式进行计算：
((2)) ((3)) ((4)) 式中：ρ——海水电阻率，Ω·cm；L——阳极长度，cm；r——阳极等效半径，cm；rc——初期等效半径，cm；rm——末期等效半径，cm；C——阳极截面周长，cm；rt——阳极铁芯半径，cm；μ——牺牲阳极利用系数，取0.85～0.90。
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牺牲阳极的数量可按下式计算：
((5)) 式中：N——阳极数量，个；I——总保护电流，A；Ia——单个阳极的发生电流，A。
牺牲阳极的使用年限可按下式计算：
((6)) 式中：t——牺牲阳极使用年限，年；Wi——单个牺牲阳极的净重，kg；μ——详见公式4；E——牺牲阳极消耗率，kg/(A·a)，取值见表7；Im——维持保护电流，单位A，其值为(0.50～0.55)I；I——总保护电流，A。
表 7 涂层的破损系数
Table 7.
Coating Damage Coefficient 设计使用年限/年 破损系数/% 初始值 平均值 末期值 10 2 7 10 20 2 15 30 30 2 25 60 40 2 40 90 -
牺牲阳极的布置应使被保护钢结构的表面电位分布均匀，宜采用均匀布置。牺牲阳极的安装位置应满足以下要求[1-2]：
1)牺牲阳极的安装顶高程与设计低水位的距离不小于1.2 m。
2)牺牲阳极的安装底高程与海泥面的距离不小于1.0 m。
3)牺牲阳极与被保护钢结构表面间的距离不宜小于100 mm。
4)牺牲阳极的安装方式可采用焊接或螺栓连接，采用螺栓连接时应确保牺牲阳极在有效使用期内与被保护钢结构之间的连接电阻不大于0.10 Ω。
5)牺牲阳极铁脚布置距离结构性焊缝应不少于150 mm；
6)牺牲阳极铁脚布置距离节点区域不少于600 mm。
某海上风机基础结构牺牲阳极布置如下图2所示。
图 2 牺牲阳极布置示意
Figure 2. Sacrificial Anode Arrangement Demo
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某海上风电场工程位于南海珠江口出海海域，场区内海底地貌形态简单，水下地形较平坦，海底泥面标高为-6.4 ～ -10.5 m，平均水深7～11 m，属于近海风电场。规划海域面积约62.3 km2，装机容量为200 MW。工程所在海域，属于亚热带季风气候，当地水文环境：平均气温20～24℃，日照时间1 700～2 000 h，全年平均相对湿度75%～85%，其中5～8月平均相对湿度85%～88%，年降水量2 000～2 800 ml，气温高、日照强、相对湿度高，属于典型的高温高湿海洋大气环境。
根据基础资料选定的导管架基础方案见图3，工程水位信息见表3。
图 3 导管架基础方案
Figure 3. Jacket Foundation Type
表 3 工程水位信息
Table 3.
Water Level Information 水位 数值/m 极端高水位 ▽3.410 设计高水位 ▽1.771 设计低水位 ▽-0.659 极端低水位 ▽-1.290 -
某海上风电场工程的防腐设计包括大气区、浪溅区、水下区、泥下区域，腐蚀环境分区[2]见下表4。
表 4 腐蚀环境分区
Table 4.
Division of Corrosion Environment 环境类别 大气区 浪溅区 水下区 泥下区 工程设计水位 设计高水位加1.5 m以上 大气区下界至设计低水位减1.0 m之间 浪溅区下界至海泥面 海泥面以下 钢结构单面平均腐蚀速度/(mm/a) 0.05～0.10 0.20～0.50 0.12 0.05 根据风机基础所处的环境特点，水下区采用涂层加牺牲阳极的联合保护方式，泥下区采用牺牲阳极保护方式，浪溅区及大气区采用涂层保护方式。依据相关规范对牺牲阳极进行设计计算[2-3]，所需参数见表5~表7。
表 5 保护电流密度
Table 5.
Protection Current Density 环境介质 钢结构表面状态 保护电流密度/(mA/m2) 初始值 维持值 末期值 静止海水 裸钢 100～130 55～70 70～90 流动海水 裸钢 150～180 60～80 80～100 海泥 裸钢 25 20 20 表 6 钢结构的保护电位
Table 6.
Protective Potential of Steel Structure 环境、材质 保护电位/V 饱和硫酸铜电极 海水氯化银电极 锌合金电极 含氧环境中的钢 最正值 -0.85 -0.78 ＋0.25 最负值 -1.10 -1.05 ＋0.00 缺氧环境中的钢 最正值 -0.95 -0.90 ＋0.15 最负值 -1.10 -1.05 ＋0.00 -
根据基础结构阴极保护区域的面积以及所选择的保护电流密度等数据分别计算出导管架服役初期、中期、末期以及满足末期单个阳极最大保护时间所需要的阳极数量，取三者之中最大的作为最终设计选择的阳极数量，计算结果见表8。
表 8 阳极需求
Table 8.
Demand of Anode 项目 单位 JTS标准 DNV标准 总最终电流需求值 A 57.70 49.94 阳极块总质量 kg 4347.86 4073.02 阳极块总数 — 40 90 -
通过布置一定数量的阳极块，再通过符合规范要求的计算公式进行计算，现有牺牲阳极布置满足各阶段保护电流需求。
Cathodic Protection Design and Application of Offshore Wind Turbine Supporting Structure
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摘要:
海上风机基础是海上风电场风机的重要支撑结构，也是保证风机正常运行25年的重要结构。海上风机基础具有设计寿命长、投资大、检测和维修难度高的特点，因此必须采取有效的防腐措施保证其能长效安全地服役。结合南海某海上风电工程项目，详尽地研究和论述了海上风机基础阴极保护的关键环节、合理有效的设计和布置方案，对阴极保护技术在海上风电领域的设计与应用具有一定的指导意义。 Abstract:The wind turbine foundation(WTF) is key supporting structures of wind turbines in offshore wind farm and also is important structures to ensure the normal operation of wind turbines for 25 years. WTF has characteristics of long design life, large investment and high inspection and maintenance difficulty. Corrosion protection measures must be taken to make sure WTF operates normally in its service life. Combined with an offshore wind farm project in the south China sea, this paper carries out research work on key link of WTF's protection, reasonable and effective design plan. -
Key words:
- offshore wind /
- wind turbine foundation /
- corrosion protection /
- cathodic protection
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表 1 阳极成分
Tab. 1.
Content of Anode 元素 质量分数/% Zn 4.0～7.0 In 0.020～0.050 Mg 0.50～1.50 Ti 0.01～0.08 Fe ≤0.15 Si ≤0.10 Cu ≤0.01 Al 余量 
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表 2 电化学性能
Tab. 2.
Electrochemical Property 开路电位/V 工作电位/V 实际电容量/(Ah/kg) 电流效率/% 消耗率/(kg·A-1·a-1) 溶解状况 -1.18～-1.10 -1.12～-1.05 ≥2 600 ≥90 ≤3.37 产物容易脱落，表面溶解均匀
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表 7 涂层的破损系数
Tab. 7.
Coating Damage Coefficient 设计使用年限/年 破损系数/% 初始值 平均值 末期值 10 2 7 10 20 2 15 30 30 2 25 60 40 2 40 90
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表 3 工程水位信息
Tab. 3.
Water Level Information 水位 数值/m 极端高水位 ▽3.410 设计高水位 ▽1.771 设计低水位 ▽-0.659 极端低水位 ▽-1.290
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表 4 腐蚀环境分区
Tab. 4.
Division of Corrosion Environment 环境类别 大气区 浪溅区 水下区 泥下区 工程设计水位 设计高水位加1.5 m以上 大气区下界至设计低水位减1.0 m之间 浪溅区下界至海泥面 海泥面以下 钢结构单面平均腐蚀速度/(mm/a) 0.05～0.10 0.20～0.50 0.12 0.05
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表 5 保护电流密度
Tab. 5.
Protection Current Density 环境介质 钢结构表面状态 保护电流密度/(mA/m2) 初始值 维持值 末期值 静止海水 裸钢 100～130 55～70 70～90 流动海水 裸钢 150～180 60～80 80～100 海泥 裸钢 25 20 20
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表 6 钢结构的保护电位
Tab. 6.
Protective Potential of Steel Structure 环境、材质 保护电位/V 饱和硫酸铜电极 海水氯化银电极 锌合金电极 含氧环境中的钢 最正值 -0.85 -0.78 ＋0.25 最负值 -1.10 -1.05 ＋0.00 缺氧环境中的钢 最正值 -0.95 -0.90 ＋0.15 最负值 -1.10 -1.05 ＋0.00
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表 8 阳极需求
Tab. 8.
Demand of Anode 项目 单位 JTS标准 DNV标准 总最终电流需求值 A 57.70 49.94 阳极块总质量 kg 4347.86 4073.02 阳极块总数 — 40 90
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[1] DNV-OS-J101—2014. Det Norske Veritas: Offshore Standard. Design of Offshore Wind Turbine Structures [S]. [2] JTS 153-3—2007.海港工程钢结构防腐蚀技术规范 [S]． [3] NB/T 31006—2011.海上风电场钢结构防腐蚀技术标准 [S]． [4] GB/T 4948—2002.铝-锌-铟系合金牺牲阳极 [S]. [5] 李美明，徐群杰，韩杰. 海上风电的防腐蚀研究与应用现状[J]. 腐蚀与防护，2014(6): 585-588. [6] 乐治济，林毅峰. 海上风机基础钢结构防腐蚀设计[J]. 中国港湾建设，2013(4): 19-20. [7] 余越泉. 导管架平台防腐技术研究[J]. 中国海洋平台，2011，16(4): 37-41. [8] 侯保荣，杨小刚，贾淑香. 海洋浪溅区钢结构腐蚀与复层包覆防护实践[J]. 中国港湾建设，2012(2): 70-72. [9] 刘建国，李言涛，侯保荣. 海洋浪溅区钢铁腐蚀与防护进展[J]. 腐蚀与防护，2012，33(10): 833-836. [10] 邹辉. 海上风机基础结构防腐蚀研究[J]. 华东电力，2014，42(12): 2529-2534. [11] 张贤慧，方大庆，钟承珠，等．海洋工程装备重防腐涂料的应用研究[J]. 南方能源建设，2015，2(3): 23-27. -
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