我國海上風電場中一種導管架陰極保護效果模擬分析研究

曲本文 朱帥帥 陳志強 張 宇

（1. 青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司，山東 青島 266101；2. 中國船舶重工集團公司第七二五研究所 海洋腐蝕與防護重點實驗室，山東 青島 266237）

0 引言

我國目前已經進入海上風電場建設高速發展時期，海上風電場中所使用的鋼結構的防腐效果如何一直是各界探討的關鍵問題，是否能夠在全服役期達到陰極保護要求，急需驗證。

我國海上風電元年起于2014年[1]，而國內最早建設的海上風電場是2010年-上海東海大橋風電場[2]，目前還遠遠未達到最終年限，所有設計方案都是按照相關標準進行計算以及以往經驗得來的；而國外風電場的設計方案都會進行仿真模擬分析后再決定最終的設計方案；鑒于此特利用Beasy仿真計算軟件，計算國內風電場使用的導管架在服役初期和服役末期的陰極保護電位，以核實是否達到陰極保護電位-780～-1100mV（Vs銀氯化銀參比電極）[3]要求。

海上風電場鋼結構暴露環境分為大氣區、浪濺區、全浸區和內部區。[4]陰極保護主要保護浪濺區、全浸區（海水區和海泥區）和內部區（內部混凝土除外）。

1 數值仿真計算原理

在電解質區域內，由歐姆定律知，模型表面電位和電流密度滿足方程(1)。

式（1）中，i為電流密度，E為電位、k為環境電導率。由式（1）可知，任意時刻微小立方體積元（dx×dy×dz）中電荷量的變化量為：

當陰極保護系統產生的電場達到平衡狀態時，微小體積元中的電量處于恒定狀態，即Q=0，則：

由此可知，陰極保護過程的控制方程為拉普拉斯方程。由格林公式得與方程（3）對應的邊界積分方程，其中Γ為域Ω的邊界：

將邊界Γ劃分為n個單元后，方程（4）可轉化為：

其中，ijδ為克羅內克函數，則由（6）式可得：

通過求解矩陣方程（7）即可獲得模型表面電位和電流密度分布。

2 建模

2.1 模型材料體系

本模型的材料體系涉及EH36結構鋼，根據所需工況，利用電化學工作站對樣品電極進行極化曲線測試，作為仿真計算的邊界條件。

2.2 模型建立

2.2.1 模型外殼部分

模型外殼部分主要依據甲方圖紙進行建模，根據已提供的圖紙在模型空間中確定構成結構的坐標點，利用軟件樣條曲線功能勾連這些坐標點形成型線，通過曲面生產功能構建模型面，模型圖如圖1所示。

圖1 模型圖

2.2.2 盒子模型

邊界元外圍盒子模型如圖2所示。

圖2 邊界外圍盒子模型

2.3 腐蝕仿真評估模型網格劃分

2.3.1 評估模型網格劃分及優化

計算軟件配套GID模型前處理軟件即具有網格自動生成功能同時又具有支持操作人員優化調節的人機界面，網格自動生成功能具有能夠根據模型尺寸自動確定單元格大小、一鍵操作等優點，但生成的網格以三角形單元為主，導致單元格整體數量增加，計算機工作量增加并影響工作效率，且該功能在處理具有曲面、折點等復雜邊界模型時往往出現單元格之間尺寸差異過大等現象，影響模型的計算精度，也是導致仿真評估計算時不收斂的原因之一。因此，操作人員在進行模型網格劃分時往往在軟件自動劃分網格的基礎上進一步優化。圖3、圖4為模型各結構組成部位網格優化結果對比圖。

（1）模型優化后網格圖如圖3所示。

圖3 模型優化后網格圖

（2）整體模型優化后渲染圖如圖4所示。

圖4 整體模型優化后渲染圖

2.3.2 評估模型網格法線方向校正

由于Beasy模擬軟件單元為面單元，模擬計算時需要將模型模型單元面的法線方向設置為由海水指向模型的方向（即電流經海水流向模型），將模型空間盒子單元面的法線方向設置為由海水指向盒子的方向，法向校正前后模型如圖5模型單元面法向圖所示。

圖5 模型單元面法向圖

2.3.3 數值仿真模型試算測試

網格優化前模型整體以三角形單元為主，三角單元數量為59852，節點數為23575，網格優化后模型整體以四邊形單元和三角形為主，且形狀數量非常規則，單元數量優化至8652，節點數為9888。進行數值仿真模型試算測試，試算時由于模型結構復雜，包含較多的曲面及折線結構，模型計算過程中會出現許多錯誤項，此時，應根據結果文件中的“.LOG”文件內的提示內容進行模型校正修改，直到能夠順利進行仿真計算為止。通過仿真模擬試算測試，模型計算時間由原來的5小時縮短至1.8小時，軟件工作效率提高一倍以上，計算收斂誤差也控制在2.3%左右，表明優化后的模型適合進行腐蝕數值仿真計算。

2.4 模型各部分的邊界條件工況

模型共分為4個工況區域，如圖6模型各部分說明圖所示，分別為海水區域的導管架部分、樁頂部涂層破損區、樁底部含沙沖刷區和海泥區域的樁體部分。仿真計算按照服役初期和服役25年的中后期進行仿真計算。服役初期，導管架主體的涂層破損為3%，樁頂部破損區涂層破損率約為10%，沙石沖刷區破損為20%；服役中后期，導管架主體的涂層破損為20%，樁頂部破損區涂層破損率約為30%，沙石沖刷區破損為40%。海水區的電阻率取25歐姆-厘米，海泥區的電阻率取100歐姆-厘米。

圖6 模型各部分說明圖

由于海泥的電阻率隨著深度的增加而增加，因此在較深區域的海泥中，電阻率大于100歐姆-厘米，且基本隔絕海水，腐蝕問題相對較弱，因此需要陰極保護電流的區域小于整個長度的樁體。因此為了保守計算，將樁體在海泥區域的整體部分都按照淺區進行，此種狀態會消耗給更多的陰極保護電流，若此種狀態樁體能保護到位，則實際工況中也將得到保護。

3 仿真計算

針對導管架模型開展服役初期和服役25年后的中后期的犧牲陽極陰極保護效果模擬仿真計算。

3.1 服役初期

利用Beasy仿真計算軟件，計算服役初期的陰極保護電位，結果如圖7導管架服役初期電位分布圖所示，導管架海水區域內的整體電位在-970～-1037mV（Vs銀氯化銀參比電極，下同），樁體涂層破損區的電位在-955～-969mV，砂石沖刷區的電位在-953～-955mV，海泥區域的樁體電位在-889～-921mV，可見服役初期，所有結構體的電位均負于-850mV，陰極保護效果良好。

圖7 導管架服役初期電位分布圖

3.2 服役中后期

利用Beasy仿真計算軟件，計算服役中后期的陰極保護電位，結果如圖8導管架服役25年后電位分布圖所示，導管架海水區域內的整體電位在-898～-1080mV（Vs銀氯化銀參比電極，下同），樁體涂層破損區的電位在-916～-929mV，砂石沖刷區的電位在-916～-918mV，海泥區域的樁體電位在-870～-898mV，可見服役中后期，所有結構體的電位均負于-850mV，陰極保護效果良好。

圖8 導管架服役25年后電位分布圖

4 結語

模擬不同服役周期，針對該導管架平臺進行仿真模擬計算，現有的犧牲陽極的排布方案，無論在服役初期或者服役25年后，都可以較好的保護整個導管架及鋼樁，服役25年后，結構整體電位正移，但還是在陰極保護電位范圍內，完全可以達到陰極保護要求。