海上風電鋼管樁基礎外加電流保護系統的實施技術

沙欣宇，薛海峰，葉兆藝，張震宇

(1. 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122； 2. 浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122； 3. 浙江大學海洋學院，浙江 舟山 316021)

海上風能是重要的清潔能源，我國的風電事業正處于快速增長時期，其中江蘇省海上風電累計裝機容量占全國裝機容量的71.5%，規模連續多年領跑全國[1]。目前，由于樁基承載性能優越及施工便捷等優點，海上風電工程一般采用大直徑單樁基礎[2-3]，但是鋼管樁基礎受到海水腐蝕作用，導致其承載特性下降[4]。因此，對海上風電工程的防腐研究具有重要的意義。目前，國內外研究學者在海上工程腐蝕領域已經做了很多研究工作。

目前，常用的陰極保護方法防腐蝕措施主要有犧牲陽極法和外加電流法[5-7]。犧牲陽極法主要采用鋁、鋅、鎂等合金材料與鋼管樁連接在一起，依靠陽極消耗溶解產生的電流使鋼管樁表面產生極化，但是該方法的主要缺點為受電解質電阻率影響大、保護電流小、易于消耗、持續能力低[5]。外加電流方法需要使用外部直流電源，將電源負極與被保護結構物相連，電源正極與輔助陽極相連，該方法的優點在于受電解質電阻率限制影響也較小，電流可控且電流輸出大，該方法在已經被廣泛的應用到各個工程領域[6-11]。但是，當前陰極保護方法防腐蝕措施主要應用到輸油管道、海洋混凝土、輸氣管線、儲罐等油氣工程，對海上風電基礎工程的具體實施方案還不常見。

某海上風電位于江蘇某近海海域，場區中心離岸距離約32 km，水深在6～13 m之間。場區形狀呈矩形，南北長約8 km，東西寬約5 km，規劃海域面積40 km2，規劃裝機容量250 MW，共10個回路、42臺風機，如圖1所示。本文單樁基礎的防腐方案為海工重防腐涂層+外加電流保護系統的聯合防腐蝕方案，陰極保護系統的壽命為不低于30年。本文的難點為外加電流設備分布較分散，套籠安裝及風機安裝均有部分構件，安裝工作面較多，協調過程較困難。

圖1 施工總平面布置圖

1 外加電流系統一般方法

陰極保護技術在各個工程防腐領域得到了廣泛的應用[8-11]，施工技術技術日趨成熟。對于海上風電結構，外加電流的陰極保護方法成為了海上風電結構防腐蝕的首要選擇。外加電流陰極保護又稱為強制電流陰極保護，是通過外部電源來改變環境電位，使得環境電位高于被保護對象的電位，使其成為周圍環境的陰極，確保保護對象電子穩定而阻止腐蝕發生。為了消除海上風電鋼管樁基礎的電化學腐蝕，針對海上風電基礎的外加電流陰極保護方法，一般使鋼管樁基礎連接到電位更負金屬材料，或者通過外加從海洋環境、海底淤泥到鋼管樁基礎的電流，使其陰極極化。鋼管樁材料在海洋環境中的的保護電位為一般介于-0.85～-1.05 V之間。當電位高于-0.85 V，則鋼管樁容易發生腐蝕[12]。

2 外加電流系統的實施

2.1 套籠上輔助陽極和參比電極的布置與安裝

輔助陽極組件由陽極、陽極PVC-U固定管件、玻璃鋼陽極支架帶法蘭組成。輔助陽極由一根鈦合金(涂有MMO涂層)環氧樹脂澆筑在PVC-U管件內部。將其固定在玻璃鋼支架及法蘭。長效參比電極組件由高純度鋅塊，PVC-U法蘭盤，玻璃鋼法蘭支架組成。長效參比電極由一塊高純度鋅塊、電極導電桿緊固、環氧樹脂澆筑在PVC-U法蘭，將其固定在玻璃鋼法蘭。外壁輔助陽極及參比電極通過風電樁外壁預制法蘭接口，采用緊固件固定陰極保護部件，部件電纜通過電纜護管連接到內平臺的恒電位儀。預制法蘭接口可通過單獨穿線管設置，也可采用已有鋼管結構設置。

輔助陽極和參比電極上裝配好的法蘭和預先焊接在套籠上的帶盲眼法蘭盤用8M16X75的316L螺栓螺母進行配對緊固，兩個法蘭盤之間墊上準備好的厚度為3 mm，直徑為190 mm的橡膠墊片。安裝好之后，連接輔助陽極和參比電極的電纜需要進入預先焊接好的水平穿線管，在垂直穿線管處左右兩側各3組電纜合并分別進入位于靠船人貨梯左右兩側的穿線管，在各穿線管開口處用膠泥進行封口處理，以免進入雜物。從垂直穿線管出來的電纜經塔筒上的2個螺紋孔配上格蘭頭進入塔筒內，如圖2，圖3所示。

圖2 樁外輔助電極安裝示意圖

圖3 樁外輔助電極的安裝現場圖

樁外輔助電極安裝要求如下：①套籠電極固定支架和主架圈梁不貫通，以免海水進入腐蝕內管壁。②套籠電極固定支架和法蘭盤環氧涂料達到所要求的防腐表準。③拆箱檢查電極及其配件完好性。④將電極和套籠90度垂直方向安裝。⑤每個電極安裝法蘭配置一個橡膠點墊片，將墊片和螺桿由套籠法蘭連接玻璃鋼法蘭再放置墊片、彈墊、螺母，并緊固。⑥采用交叉順序擰緊螺母。使用3輪將螺母完全擰緊到所需扭矩175 N·m。⑦在套籠電極走線管兩頭檢查導線管是否有焊渣或利刃切口，禁止在有傷害電極電纜的情況下布線。⑧穿引電極電纜線檢查線纜是否有破損，破損電纜禁止穿線，避免使用時發生不良后果。⑨穿引電纜線完畢后在每根線纜匯合處使用316不銹鋼軋帶扎緊，在使用密封膠泥或海水密封結構膠封死套籠電極電纜線走線管，防止海水進入。⑩將多余線纜盤成卷狀固定在套籠平臺，套籠起運海上安裝前將電極纏繞膜包裝拆除干凈，避免電極和海水絕緣不能使用。⑾套籠運抵海上平臺并安裝完后，將線纜解下，套入PVC波形管內至塔門下方電纜預留口，進入塔門內部電纜走線槽內和樁內電極電纜線共同順著電纜走線槽，按照電極電纜號接入恒電位儀電源控制箱。

2.2 塔筒內平臺上的輔助陽極和參比電極的布置與安裝

為保證外加電流更加穩定長效的使用，正確安裝電極和恒電位儀，方便長期穩定使用及為以后問題查找或設備更換提供有力技術支撐。輔助陽極組件的電極由陽極、陽極PVC-U固定管件、長效參比電極組件由高純度鋅塊，PVC-管件316不銹鋼絕緣鋼絲繩及其水泥配重塊組成。輔助陽極由一根鈦合金(涂有MMO涂層)環氧樹脂澆筑在PVC-U管件內部。將其固定在316絕緣不銹鋼鋼絲繩上。長效參比電極由一塊高純度鋅塊、電極導電桿緊固、環氧樹脂澆筑在PVC-U管件，管件固定在316不銹鋼鋼絲繩上面。出廠時兩對懸掛式輔助陽極和參比電極已經通過包塑不銹鋼304鋼絲繩通過緊固件組合成兩串，分別安裝在下面圖例4中的兩個外加電流系統內懸掛法蘭的位置。

圖4 風電內樁平臺電極安裝示意圖

風電內樁平臺電極安裝要求如下：①由地樁平臺兩個預留口各放入一套電極，靠近塔門的內樁平臺電極為A6/RC4電極，另一預留口為A5/RC3電極。②檢查電極是否完好，電極線纜有無破損痕跡，③將地樁平臺電極放入口蓋板拆下。將316不銹鋼鋼絲繩穿入電極蓋板中間孔位的316不銹鋼吊耳，折彎用不銹鋼卡扣鎖住，卡扣兩顆螺絲交叉均勻緊固，并完全緊固。④將電極在入口緩慢放下，放入電極的力量在316不銹鋼鋼絲繩上面，電極電纜不能受力。放入電極過程中每1.5～2 m使用軋帶緊固。電極電纜線在蓋板線纜填料函穿出，并緊固填料函鎖頭，再緊固圈臺蓋板。⑤蓋板預留出的電極電纜線，穿入PVC塑料波形管環繞至樁內走線槽內部。和樁外電極電纜按照電極線纜標號接入對應的恒電位儀電源控制箱(見圖5)。

圖5 風電內樁平臺電極安裝現場圖

2.3 恒電位儀的布置與安裝

恒電位儀根據風機廠家的要求，安裝在塔筒內風機廠家指定的平臺上。共有2臺恒電位儀：一臺型號為WT100，用于控制安裝在套籠上的輔助陽極和參比電極。另一臺型號為WT25，用于控制安裝在塔筒內平臺上的輔助陽極和參比電極。具體安裝根據下面的圖例一或者圖例二，用316L的8個螺栓螺母M10X25固定在平臺上，如圖6，圖7所示。

圖6 恒電位儀的安裝示意圖

圖7 恒電位儀的安裝現場圖

3 系統實施的質檢

施工過程中的每一道工序做好施工并進行自檢，自檢合格后方可報檢，各質量控制要點檢驗等級劃分如表1所示。

表1 質量控制要點

1)輔助陽極、參比電極的實際安裝位置嚴格按照施工圖進行安裝，中心點位置最大允許誤差為±50 mm，各緊固部件不應有任何松動現象；外觀表面必須清潔，無任何沾污等不良現象。

2)恒電位采集儀主要用于循環采集由腐蝕傳感器輸入的信號，進行濾波、放大，保證信號的質量，并最

終轉換成數字信號。其采集范圍為-2.500 V～+1.000 V(可加大但不得減小)，采集精度不低于1 mV。采集完成后采集儀應對數據臨時存儲，整理后傳送給電位變送器。

3)在線監測的實時性精度不低于2 s。在線監檢測軟件應支持傳統的數據庫(如SQL 或 Access 等)，并能將所有的采集到的數據建庫保存，同時支持歷史數據查詢功能及下載功能。

4)恒電位儀安裝前應進行模擬試驗，測定其輸出總電流、輸出電壓、給定電位、各輔助陽極分電流。項目采用高純鋅參比電極，參比電極電位會在屏幕上顯示，同時顯示輸出電流、電壓，其電位在小于等于0.25 V為合格。

5)在首批ICCP系統海上安裝完畢，竣工驗收之前，應至少進行連續1個月的通電調試，如不達標，應采取補救措施。

4 結 語

以江蘇某海上風電工程為例，對鋼管樁基礎防腐工藝及關鍵技術進行研究，本項目采用的外加電流系統施工方案主要包括3部分：

1)套籠上輔助陽極和參比電極安裝技術：輔助陽極和參比電極上裝配好的法蘭和預先焊接在套籠上的帶盲眼法蘭盤，連接輔助陽極和參比電極的電纜需要進入預先焊接好的水平穿線管，需要注意的是在各穿線管開口處用膠泥進行封口處理，以免進入雜物。

2)塔筒內平臺上的輔助陽極和參比電極安裝技術：輔助陽極和參比電極已經裝配好的電纜通過法蘭口緩慢往下放入水中，到鋼絲繩只剩最后200 mm時把電纜和鋼絲繩分別從法蘭蓋的下面通過M20的孔穿到法蘭蓋上面，同時分別用M20的格蘭頭固定住。

3)恒電位儀安裝技術：共有2臺恒電位儀安裝在塔筒內風機廠家指定的平臺上分別用于控制安裝在套籠上和塔筒內平臺上的輔助陽極和參比電極。

4)施工技術要求，輔助陽極、參比電極的實際安裝位置嚴格按照施工圖進行安裝，中心點位置最大允許誤差不能超過±50 mm。