某风电场海上钢构基础牺牲阳极保护电位评估
2019-11-25周李军李庆华付国庆孙振平
周李军 李庆华 付国庆 孙振平 林 斌
（1. 中广核工程有限公司，广东 深圳 518124；2. 苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215002)
0 引言
随着各国对可持续绿色能源的重视，海上风电已经成为可再生能源的重点领域。我国东部沿海地区海上风能有很大的发展潜力，同时，也面临着恶劣环境下海洋设备严重腐蚀的风险。海上风电钢管桩所处环境比较复杂，海洋大气区高湿度、高盐雾、长日照，浪花飞溅区干湿交替，水下区海水浸泡，生物附着等，腐蚀环境非常苛刻，对海上风电设备的腐蚀防护提出了严峻挑战[1]。
某海上风电风机钢结构基础材料为Q345C，某些辅件为Q235B。多数钢结构材料将长期受到海水潮气影响，为防止其过早发生严重腐蚀，设计采取牺牲阳极阴极保护与涂料防护双重措施，牺牲阳极型号分别为A21I-4、A13I-5、A13I-7型[2]；涂料配套主要由热喷锌、环氧通用底漆、环氧玻璃鳞片、聚氨酯面漆组成，总干膜厚度不低于810µm。为了确保钢管桩能够得到有效的保护，需要对风电钢构基础阴极保护电位定期检测，并进行效果评估。
1 电位检测内容及方法
1.1 电位检测内容
牺牲阳极电位分布检测：高潮位时对风机钢构基础钢管桩和浸入海水部分塔筒进行电位检测，低潮位时对风机钢构基础钢管桩进行电位检测，检测时需在钢构纵向和环向取点测试时，绘制电位云图，以检验牺牲阳极分布是否合理。
牺牲阳极短期保护效果评估：首年电位检测时每隔两月进行一次电位检测，之后每隔1年进行一次电位检测，绘制电位变化曲线，评估其保护效果。
1.2 电位检测方法
本项目采用铜/饱和硫酸铜参比电极为电位采集探头，采用高阻抗数字万用表进行电位检测。电位检测测试方式如图1所示，塔筒直径为6.0m，高潮位测试深度为3.0m，低潮位测试深度为1.5m。塔筒电位云图的横坐标L为塔筒周长，纵坐标H为以高潮位标高为3m，而低潮位标高为1.5m，由上往下进行检测，高度单位均为m。测试点纵向均匀采集6个，环向以钢桩爬梯位置逆时针排序均匀采集3个。
测试时首先确定钢结构本体裸露位置或裸露螺栓等构件，若没有，需用锉刀或锯条除去表面涂层，面积以能够接通表笔或电缆接头即可，再用绝缘胶布将铜导线与该部位粘牢，并接至万用表“正”极，参比电极接万用表“负”极，万用表置于DC 2V档位。
图1 测试方式示意图
2 电位分布结果与分析
2.1 低潮位电位分布检测
低潮位时，风电钢构基础只有四个钢管桩浸入海水，如图2所示，将钢桩依次编号为桩1、桩2、桩3和桩4，并依次进行电位检测，检测电位数据表如表1所示。
图2 风电钢构基础低潮位照片
为了能够更为直观的显示风机钢构基础钢管桩的电位分布，将表1中的数据进行电位云图绘制，如图3所示。从表1中可以看出，低潮位时，钢桩保护电位均在-0.995～-1.005V范围内，从图3中可以看出，钢桩保护电位分布均匀。依据国家标准GB/T 33423-2016要求，钢桩保护电位满足保护要求[3]，牺牲阳极对钢桩起到良好的保护效果。
表1 低潮位时钢桩阴极保护电位数据表 单位：V（Vs.CSE）
图3 低潮位时不同钢桩电位云图
2.2 高潮位电位分布检测
高潮位时，风机钢构基础浸入海水部分包括四个钢桩和中心塔筒，如图4所示，中心塔筒和四个钢桩均需进行电位检测，塔筒和钢桩的检测电位数据表如表2和表3所示。
图4 风机钢构基础高潮位照片
将表2中的数据进行电位云图绘制，如图5所示。从表2中可以看出，高潮位时，塔筒保护电位均在-0.930～-0.955V范围内，从图5可以看出，塔筒保护电位分布相对较为均匀。依据国家标准GB/T 33423-2016要求，塔筒保护电位满足保护要求，牺牲阳极对塔筒起到良好的保护效果。
表2 高潮位时塔筒阴极保护电位数据表 单位：V（Vs.CSE）
表3 高潮位时钢桩阴极保护电位数据表 单位：V（Vs.CSE）
图5 高潮位时塔筒阴极保护电位云图
将表3中的数据进行电位云图绘制，如图6所示。从表3中可以看出，高潮位时，钢桩保护电位均在-0.940～-0.960V范围内，从图6中可以看出，钢桩1和钢桩2的一部分电位偏低，不同区域偏差范围很小，相对比较均匀。依据国家标准GB/T 33423-2016要求，高潮位时钢桩保护电位满足保护要求，牺牲阳极对钢桩起到良好的保护效果。
图6 不同钢桩电位云图
3 短期保护效果评估
由于牺牲阳极运行所处环境恶劣，除了干湿交替外，海水中的牺牲阳极容易附着海生物和杂质，以及部分牺牲阳极处于海泥环境等，均可能造成牺牲阳极溶解不均匀，导致脱落或分离。因此，在评估其保护效果时，还需进行短期内钢构基础电位变化的分析。某风电场钢构基础首年电位检测时每隔两月进行一次电位检测，之后每隔1年进行一次电位检测。检测结果如图7、图8所示。
图7 高潮位钢构基础保护电位分布图
从图7中可以看出，高潮时，保护电位基本在-0.92～-1.00V范围内。首年的三次电位检测以及后三年内的电位检测均比较稳定，未出现明显的正向偏移，这说明牺牲阳极溶解情况正常，同时，能够在钢结构表面生成致密的阴极保护沉积层，使钢构基础高潮位时获得理想的保护效果。
图8 低潮位钢构基础保护电位分布图
从图8中可以看出，低潮位时，保护电位基本在-0.95～-1.05V范围内。首年的三次电位检测以及后三年内的电位检测较高潮位偏负，但比较稳定，且处于安全保护范围以内。牺牲阳极溶解情况正常，同时较负的电位能够促进钢结构表面阴极保护沉积层的生成，使钢构基础获得更好的保护效果。
4 结论与建议
风机钢构基础的阴极保护电位均处于-0.85～-1.05V范围内，钢构基础处于良好的阴极保护状态。
根据2011～2014年电位检测结果，该风机钢构基础电位稳定，未明显发生正向偏移，牺牲阳极溶解情况正常，短期内阴极保护运行状态良好。
