海上風(fēng)電機(jī)組單樁基礎(chǔ)產(chǎn)生腐蝕性氣體解決方案

摘要：海上風(fēng)電在國(guó)內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用單樁基礎(chǔ)，單樁基礎(chǔ)鋼管樁內(nèi)環(huán)內(nèi)會(huì)殘留海水及海生物殘骸，分解出腐蝕氣體。同時(shí)犧牲陽(yáng)極保護(hù)外置，鋼管樁內(nèi)海水與鋼結(jié)構(gòu)金屬腐蝕達(dá)化學(xué)平衡并停止前也會(huì)產(chǎn)生部分化學(xué)氣體，對(duì)塔筒內(nèi)裸露導(dǎo)線設(shè)備等有腐蝕作用。本文介紹一此種腐蝕案例并給出一經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的解決方案。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電;單樁基礎(chǔ);腐蝕性氣體

1海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)應(yīng)用

海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)一般有單樁、重力式、導(dǎo)管架、高樁承臺(tái)、吸力式、漂浮式等基礎(chǔ)型式，其中單樁、重力式和導(dǎo)管架基礎(chǔ)這三種基礎(chǔ)型式已經(jīng)有了較成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，而吸力式和漂浮式基礎(chǔ)尚處于試驗(yàn)階段。單樁基礎(chǔ)是歐洲海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中的主導(dǎo)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式。

單樁基礎(chǔ)即單根鋼管樁基礎(chǔ)是由一個(gè)直徑在3～5m之間的鋼管樁構(gòu)成，適用于小于25m的水域，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是自重輕、構(gòu)造簡(jiǎn)單、受力明確。對(duì)于軟土地基可采用錘擊沉樁法;對(duì)于巖石地基可采用鉆孔的方法，也可在巖石地基內(nèi)形成大直徑鉆孔灌注樁。由于該基礎(chǔ)生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，施工成本低，施工過(guò)程易控制，施工單位經(jīng)驗(yàn)較豐富等優(yōu)點(diǎn)，目前成為了海上風(fēng)機(jī)的主流基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。在國(guó)內(nèi)2015年到2017年間新建成海上風(fēng)電場(chǎng)中，多采用此種樁基。

2? 海上單樁基結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的問(wèn)題

單樁基礎(chǔ)單根鋼管樁基礎(chǔ)形式上為一中空管狀物結(jié)構(gòu)，施工沉樁后內(nèi)部形成海上中空井結(jié)構(gòu)。單樁入泥深度一般在50m以上，持力層在地下水層之下，故單樁基內(nèi)部海水將成為靜止死水，不再與外部海水及地下水有水質(zhì)交換，不可避免內(nèi)部會(huì)有生物的殘骸，其將分解揮發(fā)腐蝕氣體。同時(shí)由于海上機(jī)組防鹽霧腐蝕設(shè)計(jì)要求，機(jī)組內(nèi)部以微正壓方式保持干燥密閉，阻滯外部空氣大量滲入，一定程度上樁基連同內(nèi)部將形成一個(gè)水、氣相對(duì)密閉結(jié)構(gòu)。基于此結(jié)構(gòu)，樁基內(nèi)封閉海水有限，且基本保持穩(wěn)定，其對(duì)樁基基礎(chǔ)內(nèi)環(huán)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的腐蝕效果有限可控，在腐蝕進(jìn)行到一定程度后將形成樁基內(nèi)部海水化學(xué)平衡，腐蝕將減緩直至停止，一般這個(gè)時(shí)間在1年左右。故犧牲陽(yáng)極結(jié)構(gòu)一般設(shè)計(jì)連接在樁基外徑面上，阻止海水對(duì)樁基外部結(jié)構(gòu)的腐蝕。

從保護(hù)樁基本身來(lái)講，設(shè)計(jì)十分巧妙，可以有效保護(hù)樁基腐蝕問(wèn)題。但由于單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)機(jī)組塔筒直接通過(guò)法蘭與樁基連接，在塔筒底部布置電氣設(shè)備，在樁基內(nèi)部海水產(chǎn)生的腐蝕達(dá)到化學(xué)平衡前，其化學(xué)反應(yīng)將產(chǎn)生一定酸、或堿性氣體，這些氣體將對(duì)塔筒內(nèi)電氣、裸露導(dǎo)線設(shè)備產(chǎn)生二次腐蝕。

3? 濱海北H1#風(fēng)場(chǎng)單樁基礎(chǔ)內(nèi)腐蝕

濱海北H1#風(fēng)場(chǎng)于2015年10月4日正式開(kāi)始海上施工建設(shè)，2016年5月24日完成全部海上主體施工，2016年6月正式投產(chǎn)運(yùn)行，在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)樁基及塔筒部分銅制金屬發(fā)生表面腐蝕。如圖所示：

由圖可以看出，其樁基層的裸露銅線表面已完全發(fā)黑，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)室檢驗(yàn)，其結(jié)果為：

□□一級(jí)標(biāo)題□□

檢驗(yàn)結(jié)論表面黑色物質(zhì)為CuS，應(yīng)是環(huán)境中硫化氣體所致。對(duì)樁基內(nèi)氣體進(jìn)一步進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)出二硫化碳超標(biāo)。其結(jié)果如下：

為證明氣體是由自下而上由樁基內(nèi)產(chǎn)生的，并排除電氣性可能性，又做了如下實(shí)驗(yàn)：

樁基內(nèi)平臺(tái)和TU塔筒平臺(tái)內(nèi)各懸空掛放一組銅片，一周后將銅片取出對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以觀察到，塔筒TU層和樁基層銅片都有腐蝕現(xiàn)象，但塔筒TU層銅片腐蝕較為輕微，樁基內(nèi)銅片表面已完全腐蝕發(fā)黑變色，說(shuō)明樁基內(nèi)腐蝕環(huán)境更為惡劣，為腐蝕氣體發(fā)源地，其產(chǎn)生源應(yīng)為樁基內(nèi)海水中的化學(xué)反應(yīng)。

4? 解決方案

由于基本可以確認(rèn)腐蝕氣體發(fā)源于樁基內(nèi)海水中，由此解決方案可考慮將樁基內(nèi)部海水盡量抽出，并將樁基層與塔筒在物理上進(jìn)行隔斷，阻止剩余腐蝕氣體繼續(xù)腐蝕塔筒內(nèi)電氣導(dǎo)線。

但抽出塔筒內(nèi)部海水后，樁基水下部分內(nèi)環(huán)內(nèi)的平衡外環(huán)壓力的海水將不再存在，需計(jì)算其是否影響樁基的結(jié)構(gòu)安全，為此進(jìn)行了計(jì)算。

濱海北H1#項(xiàng)目共布置25臺(tái)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，根據(jù)水深情況，選擇ZK19#機(jī)位進(jìn)行抽水后單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力、模態(tài)等安全性指標(biāo)復(fù)核。計(jì)算采用海工計(jì)算軟件SACS，對(duì)結(jié)構(gòu)的各工況進(jìn)行校核。非線性有限元計(jì)算通過(guò)非線性彈簧單元實(shí)現(xiàn)，P-y、t-z曲線根據(jù)地質(zhì)提供土的摩擦角、不排水剪強(qiáng)度等參數(shù)，參照《海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法—荷載抗力系數(shù)設(shè)計(jì)法》（SY/T 10009）和《Design of offshore wind turbine structures》（DNV-OS-J101）中的推薦算式計(jì)算。

ZK19#機(jī)位的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)管樁樁徑達(dá)6.2m，由于單樁基礎(chǔ)樁徑較大，計(jì)算時(shí)不考慮樁端土塞效應(yīng)的影響。采用非線性彈簧模擬樁-土相互作用時(shí)，每隔0.5m設(shè)置一組三向彈簧，非線性彈簧屬性定義方式為：水平方向（x和y方向）根據(jù)P-y曲線定義，軸向（z方向）根據(jù)t-z曲線定義。

計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角、泥面位移、最大沉降量等靜力計(jì)算指標(biāo)抽水前后基本無(wú)變化，都能滿足設(shè)計(jì)要求;凈水壓潰和桿件應(yīng)力抽水后有所提高，但作用值/允許值<1，仍能滿足設(shè)計(jì)要求;結(jié)構(gòu)抽水前后一階頻率基本無(wú)變化，并能滿足整機(jī)頻率0.28HZ的要求。綜上所述，風(fēng)機(jī)在樁內(nèi)水體抽空后，在運(yùn)行期間仍能保持安全。

由此對(duì)形成如下處理方案：

① 將風(fēng)機(jī)樁內(nèi)水體全部抽空;

② 對(duì)樁基內(nèi)平臺(tái)進(jìn)行打膠密封處理，使樁基內(nèi)平臺(tái)下抽出海水的區(qū)域與塔筒之間無(wú)氣體交換。

③ 密封膠使用聚氨酯，聚氨酯密封膠涂抹寬度應(yīng)保證 7～10mm，厚度 3～5mm。

進(jìn)行處理后對(duì)機(jī)組進(jìn)行檢查觀測(cè)，并重新放置銅片進(jìn)行試驗(yàn)，一月后銅片無(wú)變化，說(shuō)明此方案有效，已解決樁基內(nèi)腐蝕氣體對(duì)裸露電氣導(dǎo)體的腐蝕問(wèn)題。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]濱海北區(qū) H1# 可行性研究報(bào)告：海洋水文、土建工程。

[2]黃佳歡.海上巨無(wú)霸的守望者——海上風(fēng)電鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕紀(jì)實(shí)[J].風(fēng)能，2019，（07）.24-25.

作者簡(jiǎn)介：王鋒（1983-），性別：男，籍貫：河南，學(xué)歷：本科，職稱：助工，研究方向：海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維