海上风电场单桩基础阴极保护仿真设计

聂金生 郑 涛 玄晓阳

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江华东测绘与工程安全技术有限公司，浙江 杭州 310014；3.青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，山东 青岛 266101）

0 引言

风能是重要的绿色能源，也是当前世界可再生能源发展的重点。近年来，海上风电发展迅速，逐渐由近海向深远海发展，由单一的发电功能向多功能平台发展，在国民经济中发挥了重要的作用。但海洋环境苛刻复杂，受海洋大气区（高湿、高盐）、飞溅区、潮差区干湿交替、全浸区海水冲刷以及生物附着等因素的影响，海上风电设备和基础结构对腐蚀控制提出了更高的要求，特别是对作为海上风电基础的钢管桩来说，它处于复杂苛刻的海洋环境中，腐蚀情况非常严重，会对装备的安全运行造成影响。

防腐涂层和阴极保护相结合的防腐技术是海洋工程设备普遍采用的最为经济、有效的腐蚀防护措施。其中，外加电流阴极保护技术具有环保、使用灵活、一次性投入低以及便于调整保护状态等优点，近年来，它在海上风电领域得到了更多、更广泛的应用。在工程实践中，由于海上风机钢管桩基础内壁和外壁的腐蚀环境存在较大的差异，因此缺少对不同保护电流下腐蚀防护效果的研究，而通过阴极保护数值仿真技术可以对阴极保护系统进行设计优化，为钢桩基础的腐蚀防护提供了良好的技术解决方案，对内壁和外壁的阴极保护效果进行计算和优化，可以为钢桩外加电流保护系统的应用提供参考依据。

1 海上风电基础的腐蚀防护

1.1 海上风电腐蚀环境分析

海上风电基础长期在海洋环境中服役，海洋大气区、浪花飞溅区、潮差区、全浸区以及海泥区[1]都会对海上风电基础钢结构造成显著的腐蚀影响。

1.1.1 海洋大气区

海洋大气环境存在高湿、高盐以及高日照等特点，海洋大气中的水蒸汽富含溶解氧、氯离子、硫酸根离子以及盐分，具有很强的腐蚀性，在环境的作用下容易在钢结构表面形成腐蚀电池，从而导致钢结构表面出现被腐蚀的现象[2]，尤其是海洋大气中存在氯离子，能加速钢铁的点蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀和缝隙腐蚀，使钢铁表面难以形成稳定致密的锈层。另外，海洋大气区的紫外线辐射强度高，会明显缩短涂层的防护寿命，从而增加腐蚀风险。

1.1.2 浪花飞溅区

在浪花飞溅区，钢结构表面长期遭受飞溅海水的冲击，表面周期性地被海水润湿，干湿交替快，海水中氧气含量高，盐分随着海水蒸发而不断浓缩，有时还受狂风、巨浪的冲击作用，造成飞溅区金属结构腐蚀速度加快。此外，由于飞溅区的钢结构防腐涂层在海水中的气泡和颗粒物的不断冲击作用下容易脱落，因此飞溅区也是风机基础腐蚀最为严重的区域。

1.1.3 潮差区

由于钢结构基础水下区与潮差区的氧含量不同，因此会形成氧浓差电池，潮差区因供氧充分而成为宏观电池的阴极区，水下则变为阳极，向阴极区提供保护电流，从而减轻潮差区的腐蚀程度。海洋生物能够在潮差区结构的表面栖居，如果附着生物均匀分布，就会在结构表面形成保护膜，从而减轻腐蚀程度。如果局部附着，则会因供氧不同而导致附着物下面的钢表面腐蚀严重。

1.1.4 全浸区

全浸区以电化学腐蚀和生物腐蚀为主，由于浅水层的海水流速大、水温较高，存在近海化学和泥沙污染，海水中的溶解氧和二氧化碳处于饱和状态，海生物活跃。因此，浅水层是全浸区腐蚀较为严重的区域。随着水深的增加，海水流速降低，水温下降，含氧量降低，生物活动减少，腐蚀程度比浅水区更轻。随着深度进一步增大，静水压力增大，矿物盐的溶解量下降，水温、海水流速进一步降低，此时，金属材料以电化学腐蚀和应力腐蚀为主，但腐蚀程度相对较轻。

1.1.5 海泥区

海泥区位于全浸区下面，主要由海底沉积物构成，其物理性质、化学性质以及生物性质随海域和海水深度的不同而有所区别。海泥实际是海水饱和的土壤，它既有土壤的腐蚀特点，又有海水的腐蚀行为[2]。相对于其他区域来说，海泥区的腐蚀作用相对较轻。但当海泥中存在硫酸盐还原菌时，它会在缺氧环境下生长繁殖，对钢材造成比较严重的腐蚀[3]。

1.2 腐蚀控制方法

海上风电机组一般位于离岸70 km 以内的近海，而作为风机的基础结构则同时涉及海洋大气区、浪花飞溅区、潮差区、全浸区以及海泥区等5 个区域，每个区域的腐蚀环境和腐蚀特征都不同。海上风电场风机基础在载荷条件、地质条件以及运输安装等方面更加复杂，除满足自身结构强度等力学性能要求外，还需要满足海洋环境中对安全性、可靠性的要求。根据海上风机的特点和施工的具体条件，海上风机的基础形式有重力式、沉箱式、吸力筒、导管架以及漂浮式等[4-5]。目前，无论采用哪种基础形式，大多数海上风电基础都以钢管桩结构为主，采用增加防腐涂层和阴极保护联合的方式实现腐蚀控制，从而保障风机装备可以安全地运行。

针对海上风电单桩基础的腐蚀问题，应从以下4 个方面加强研究，以提高整体的防护水平：1） 加强对适海性新材料、新工艺和新技术的研发。海洋环境具有高湿、高盐的特点，常规的防腐涂层在抗渗透（水分和氯离子）方面存在不足，无法满足海洋环境的需求，需要根据海洋环境不同区带的特点，有针对性地研发具有适海性特点的新防腐材料、新防腐工艺和新防腐技术，为提高整体防护水平提供技术储备。2） 加强结构设计和材料选型的海洋环境试验考核。海洋环境试验考核是验证结构设计和材料选型是否满足海洋环境应用的重要手段，但目前针对结构设计的试验验证还存在一定问题，导致设计中存在腐蚀短板环节，严重影响风电机组的整体防护效果。3） 加强使用过程的腐蚀防护状态监测和日常维护。海上风机设备离岸较远，日常维护受到潮水、风浪等因素的影响，工作任务多、强度大，易造成维护保养不及时，留下发生腐蚀的隐患。应加强腐蚀防护状态的智能化监测，提高多参数监测评估能力，实现腐蚀防护状态的自动监测、分级评估和故障预警，为日常维护和维修保养提供决策依据。4） 加强腐蚀防护控制各环节的标准化建设。我国海上风电建设还处于边建设、边摸索以及边完善的过程，风电机组全寿期、全链条腐蚀防护控制的标准化建设滞后，尚未建立贯穿设计、建造、使用以及维护各个环节的标准化体系，无法为各项腐蚀控制工作提供标准化指导。

2 阴极保护仿真基本原理

2.1 外加电流阴极保护原理

外加电流阴极保护又称强制电流阴极保护。外加电流阴极保护是通过外部电源来改变周围环境的电位，使需要保护的设备的电位一直处在低于周围环境的状态，从而成为整个环境中的阴极，这样需要保护的设备就不会因失去电子而发生腐蚀[6]。这种强制外加电流的阴极保护系统是由整流电源、阳极地床、参比电极以及连接电缆组成的，其工作原理如图1 所示。

图1 外加电流阴极保护原理图

通过电源控制电路的电流输出，由辅助阳极源源不断地发出电子保护目标对象，通过参比电极对整个电路的电位进行测量和监测。

2.2 边界元法仿真原理

在电解质区域内，由阴极保护系统产生的电场中的电位和电流密度要满足公式（1）[7]。

式中：q为电流密度、电位φ和海水ρ的电阻率；inΩ为在1 个边界范围内，也就是公式的边界范围（不是指具体的边界范围，而是根据计算需要所确定的边界范围）。

如图2 所示，在海水电解质区域的电场中取1 个微小立方体积元（dx×dy×dz）作为研究对象，则微小立方体积元6 个面上的电流密度如公式（2）所示。

图2 微单元

任意时刻，图2 中的微小立方体积元（dx×dy×dz）中电量的变化量如公式（3）所示。

当阴极保护系统产生的电场达到平衡状态时，能量最低原理要求微小立方体积元（dx×dy×dz）中的电量处于恒定状态，即Q=0。由公式（3）可以得到域内控制方程，如公式（4）所示。

可以采用有限差分法、有限元法以及边界元法求解公式（4），以获得阴极保护系统所处的状态。由于阴极保护系统所对应的物理模型包括1 个半无限区域，有限差分法及有限元法都无法有效地解决这个问题，阴极保护系统的状态只与湿表面和牺牲阳极表面上的电位及电流状态有关，边界元法能够更方便、更有效地解决复杂的实际工程问题。因此，边界元法是求解阴极保护问题最有效的数值方法。

2.3 设计输入

单桩基础直径为7.5 m，水中部分为20.0 m，采用防腐涂层防护，海泥部分为80.0 m，无防护涂层保护。海水电导率为4.0 S/m，海泥电导率为1.5 S/m。

3 结果分析

3.1 单桩基础内表面仿真结果

单桩基础内表面阴极保护电流分别为10 A、15 A 和20 A 的数值仿真结果如图3 所示。

图3 单桩内表面阴极保护仿真结果图

由仿真结果可以看出：1） 当保护电流为10 A 时，海水中钢桩的电位范围为-849 mV～-904 mV，海泥中钢桩的电位范围为-748 mV～-834 mV，有效保护范围约为25 m。2） 当保护电流为15 A 时，海水中钢桩的电位范围为-866 mV～-931 mV，海泥中钢桩的电位范围为-748 mV～-848 mV，有效保护范围约为32 m。3） 当保护电流为20 A 时，海水中钢桩的电位范围为-878 mV～-952 mV，海泥中钢桩的电位范围为-748 mV～-858 mV，有效保护范围约为36 m。

因此，当电流增加时，钢桩的保护范围也随之增加，海水中的钢桩都可以得到有效保护，但海泥中钢桩的保护范围略有增加。仅通过增加电流无法完全地对海泥中的钢桩进行保护，其原因是内部空间存在屏蔽效应，会导致保护范围受限。

3.2 单桩基础外表面仿真结果

单桩基础外表面阴极保护电流分别为10 A、15 A 和20 A的数值仿真结构如图4 所示。

图4 单桩外表面阴极保护仿真结果

由仿真结果可以看出：1） 当保护电流为10 A 时，海水中钢桩的电位范围为-826 mV～-902 mV，海泥中钢桩的电位范围为-783 mV～-819 mV，有效保护范围约为45 m。2） 当保护电流为15 A 时，海水中钢桩的电位范围为-845 mV～-952 mV，海泥中钢桩的电位范围为-793 mV～-837 mV，有效保护范围约为60 m。3） 当保护电流为20 A 时，海水中钢桩的电位范围为-860 mV～-994 mV，海泥中钢桩的电位范围为-801 mV～-851 mV，钢桩全部得到有效保护。

因此，当电流增加时，钢桩的保护范围增加，海水中的钢桩均得到了有效保护，海泥中钢桩的保护范围逐渐增加，当保护电流达到20 A 时，钢桩得到完全保护。

4 结论

该文在系统分析、总结海上风电基础腐蚀防护技术发展的基础上，以单桩风机基础为例，采用边界元数值仿真方法对不同保护电流下单桩基础内壁和外壁的阴极保护效果进行仿真计算，分析了保护电位的分布情况和有效保护范围。从分析结果可以看出，当保护电流达到20 A 时，外壁可以达到完全保护，而内壁的保护范围仅为36 m，其主要原因是内部空间狭长，易受屏蔽作用的影响，仅靠增加电流无法达到完全保护的目标。