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海上風(fēng)電犧牲陽極陰極保護方案

時間：2025-05-16??  瀏覽：360次

海上風(fēng)電犧牲陽極陰極保護是通過犧牲陽極材料（如鋁合金、鋅合金等）為金屬結(jié)構(gòu)（如風(fēng)機基礎(chǔ)、鋼管樁、水下鋼構(gòu)件等）提供電化學(xué)保護的技術(shù)，可有效防止海水環(huán)境中的腐蝕。

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核心組件

犧牲陽極：

材料選擇：常用鋁合金陽極（適用于海水及高電阻率環(huán)境，如 pH 7~9 的海水，電流效率高）、鋅合金陽極（適用于海水及中性土壤，電位穩(wěn)定）。
形狀規(guī)格：塊狀、帶狀、鐲式等，需根據(jù)保護結(jié)構(gòu)尺寸和腐蝕環(huán)境設(shè)計。

參比電極：用于監(jiān)測保護電位，常用銀 / 氯化銀電極（海水環(huán)境）或銅 / 硫酸銅電極（土壤環(huán)境）。
連接電纜：導(dǎo)靜電電纜（如銅芯電纜），確保陽極與被保護結(jié)構(gòu)可靠電連接。

2. 保護原理

犧牲陽極的電位比被保護金屬（如鋼）更負，作為 “陽極” 優(yōu)先腐蝕，釋放電子流向被保護金屬，使其成為 “陰極”，從而抑制金屬腐蝕。

如何設(shè)計計算

1. 保護電位范圍

鋼在海水中的保護電位需達到 **-0.85 V（相對于銀 / 氯化銀電極）** 或更負，確保完全極化。
需避免過保護（電位過負可能導(dǎo)致氫脆）。

2. 陽極用量計算

保護電流密度：海水環(huán)境中，鋼的保護電流密度通常取 10~30 mA/m2（流速、鹽度、生物附著等因素會影響取值）。
陽極質(zhì)量計算： $m = \frac{I \times t \times 8760}{Z \times η}$
其中：

$I$ ：保護電流（A）；
$t$ ：設(shè)計保護年限（年）；
$Z$ ：陽極理論電容量（A?h/kg，如鋁合金約 2500 A?h/kg）；
$η$ ：電流效率（鋁合金約 85%，鋅合金約 95%）。

3. 陽極布置原則

均勻分布：圍繞風(fēng)機基礎(chǔ)、鋼管樁等結(jié)構(gòu)對稱布置，避免保護盲區(qū)。
距離控制：陽極與被保護結(jié)構(gòu)的距離一般為 0.5~3 m，太遠會增加回路電阻，太近可能導(dǎo)致局部過保護。
防沖刷固定：海底陽極需用混凝土基床、支架或抱箍固定，防止洋流沖刷移位。

如何施工

1. 前期準備

結(jié)構(gòu)表面處理：清除被保護金屬表面的氧化皮、海生物附著層，確保導(dǎo)電良好（必要時進行噴砂除銹）。
陽極預(yù)處理：檢查陽極外觀、電纜連接點密封性，測試陽極開路電位（鋁合金約 - 1.05 V，鋅合金約 - 1.10 V vs 銀 / 氯化銀電極）。
潛水作業(yè)設(shè)備：ROV（水下機器人）或潛水員裝備，用于水下安裝。

2. 陽極安裝

場景 1：單樁基礎(chǔ)陽極安裝

水下焊接：通過潛水員或 ROV 將陽極支架焊接到樁身指定位置（如泥面以下 3~5 m 區(qū)域，腐蝕嚴重），再固定陽極塊。
鐲式陽極：對于直徑較大的樁，可采用分體式鐲式陽極，環(huán)繞樁身拼接固定，通過電纜與樁體焊接連接。

場景 2：群樁基礎(chǔ)陽極安裝

矩陣式布置：在群樁外圍海底鋪設(shè)陽極陣列，用混凝土壓載塊固定，通過電纜連接至各樁基礎(chǔ)。
跨接電纜：若多根樁之間未電氣連通，需用電纜跨接，確保保護電流均勻分布。

場景 3：過渡段（潮差區(qū)）保護

復(fù)合保護：潮差區(qū)（海水漲落交替區(qū)域）腐蝕劇烈，可結(jié)合涂層防護（如環(huán)氧富鋅漆）與犧牲陽極，陽極采用帶狀或鐲式結(jié)構(gòu)，緊密貼合金屬表面。

3. 電纜連接與測試

焊接工藝：電纜與金屬結(jié)構(gòu)采用鋁熱焊或螺栓壓接，確保低電阻連接（接觸電阻＜0.01 Ω）。
絕緣處理：連接處用防水膠帶、熱縮套管密封，防止海水滲入導(dǎo)致腐蝕。
電位測試：

安裝后測試保護電位，確保達到 - 0.85 V 以下；
定期監(jiān)測陽極消耗速率和電位穩(wěn)定性，評估保護效果。

關(guān)鍵技術(shù)難點與解決方案

1. 高電阻率環(huán)境

問題：海床泥沙沉積或淡水混入可能導(dǎo)致局部電阻率升高，降低陽極效率。
解決：采用高電位鋁合金陽極（如添加銦、鋅元素），或增加陽極數(shù)量、減小安裝間距。

2. 洋流與沖刷

問題：強洋流可能沖散陽極周圍的腐蝕產(chǎn)物，加速陽極消耗；或?qū)е玛枠O移位、電纜斷裂。
解決：

陽極底座使用混凝土配重塊或金屬支架固定；
電纜預(yù)留松弛量，避免張力拉扯，并包裹耐磨護管。

3. 長期監(jiān)測維護

智能監(jiān)測系統(tǒng)：集成電位傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊，通過海底電纜或無線傳輸（如水聲通信）實時監(jiān)測電位、電流數(shù)據(jù)。
定期巡檢：每 1~2 年通過潛水或 ROV 檢查陽極剩余質(zhì)量、電纜連接狀態(tài)，及時更換消耗殆盡的陽極。

參考標準與規(guī)范

國內(nèi)標準：

《鋼質(zhì)海洋結(jié)構(gòu)物犧牲陽極陰極保護設(shè)計與施工規(guī)范》（GB/T 37561）；
《水運工程質(zhì)量檢驗標準》（JTS 257）中關(guān)于陰極保護的驗收要求。

國際標準：

NACE RP0176《Sacrificial Anode Cathodic Protection for Offshore Structures》；
ISO 15285《Cathodic protection of metallic structures - General principles》。

應(yīng)用案例

某海上風(fēng)電場單樁基礎(chǔ)采用鋁合金犧牲陽極保護，每個基礎(chǔ)布置 8 塊 100 kg 陽極塊，呈環(huán)狀分布于泥面以下 2 m 處，設(shè)計保護年限 20 年。運行 3 年后監(jiān)測顯示，鋼樁保護電位穩(wěn)定在 - 0.92 V，陽極平均消耗率約 3.5 kg / 年，滿足預(yù)期效果。

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