外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)在吸力樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)上的應(yīng)用

沈明明，李書磊，楊丹丹，程明山

（1.洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，山東 青島 266071）

外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱ICCP，是一種通過(guò)外加電源將電子輸送到被保護(hù)金屬表面，使被保護(hù)金屬表面的電位處于保護(hù)電位范圍內(nèi)，從而達(dá)到防腐目的的電化學(xué)防腐方法[1]。ICCP技術(shù)已在鉆井平臺(tái)、橋梁、船舶等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但是在海上風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用較晚，在國(guó)內(nèi)甚至還未有過(guò)在海上風(fēng)電吸力樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)上應(yīng)用ICCP的實(shí)例。

1 吸力樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)的防腐方式

吸力樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)主體主要包含三部分：位于大氣區(qū)的過(guò)渡段，部分位于大氣區(qū)、部分位于海水區(qū)的導(dǎo)管架，以及位于泥下區(qū)的吸力樁。吸力樁導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。位于泥下區(qū)的吸力樁無(wú)需涂漆，其余區(qū)域均要涂以重防腐涂料。由于防腐涂層的使用壽命以及刷涂質(zhì)量等因素的影響，無(wú)法確保吸力樁式導(dǎo)管架基礎(chǔ)在服役期間(服役年限 25年)內(nèi)不發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，因此人們將陰極保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用到了吸力樁式導(dǎo)管架基礎(chǔ)之上，配合防腐涂料一起對(duì)吸力樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)起到防腐保護(hù)作用。

圖1 吸力樁導(dǎo)管架總裝圖Figure 1 Photo showing the general assembly of suction pile

吸力樁導(dǎo)管架比較常見(jiàn)的防腐方式為重防腐涂料+犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)。但此種防腐方式存在的問(wèn)題較多，如：令吸力樁導(dǎo)管架的設(shè)備增重；成本高；對(duì)海水容易造成重金屬污染；前期電流充足，后期電流不足；保護(hù)電流不易控制。

為了克服犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)的不足，人們把目光投向了ICCP技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)比較突出：設(shè)備輕，造價(jià)低，清潔環(huán)保，電流大小可調(diào)節(jié)，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

2 ICCP系統(tǒng)的組成

一套完整的ICCP系統(tǒng)主要包括智能恒電位儀、輔助陽(yáng)極、參比電極以及電纜四大部分[2]。智能恒電位儀一般安裝在過(guò)渡段的內(nèi)平臺(tái)上，輔助陽(yáng)極和參比電極安裝在導(dǎo)管架上，且位于水下，輔助陽(yáng)極和參比電極通過(guò)電纜連接到恒電位儀。工作時(shí)，參比電極將導(dǎo)管架基礎(chǔ)周圍的電位情況反饋給恒電位儀，恒電位儀根據(jù)導(dǎo)管架基礎(chǔ)周圍的電位來(lái)確定保護(hù)電流，然后將所需的保護(hù)電流通過(guò)電纜輸送到輔助陽(yáng)極，形成保護(hù)電位，從而實(shí)現(xiàn)防腐效果。

2.1 智能恒電位儀

恒電位儀是外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的核心部件(如圖2所示)，采用可控硅式或開關(guān)電源結(jié)構(gòu)，是輸出保護(hù)電流、調(diào)整保護(hù)電流的設(shè)備[3]。

圖2 恒電位儀的安裝Figure 2 Installation of potentiostat

2.2 輔助陽(yáng)極

輔助陽(yáng)極是保護(hù)電流的載體。目前適用于海水環(huán)境中陰極保護(hù)輔助陽(yáng)極的材料主要有高硅鑄鐵、鉑陽(yáng)極和混合金屬氧化物陽(yáng)極，其中混合金屬氧化物陽(yáng)極性價(jià)比最高，因?yàn)樗p、排流大、壽命長(zhǎng)，加工和安裝容易[4-5]。輔助陽(yáng)極安裝如圖3所示。

圖3 輔助陽(yáng)極的安裝Figure 3 Installation of auxiliary anode

2.3 參比電極

參比電極是電位檢測(cè)裝置，將吸力樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)周圍的電位情況通過(guò)電纜傳輸?shù)胶汶娢粌x。

在海水介質(zhì)中，銀/氯化銀參比電極和鋅參比電極均可采用，但前者受環(huán)境因素影響小、壽命長(zhǎng)，更適合在海水、淡海水、淡水介質(zhì)中長(zhǎng)期使用[6]。參比電極的安裝如圖4所示。

圖4 參比電極的安裝Figure 4 Installation of reference electrode

2.4 電纜

電纜主要包括輔助陽(yáng)極用電纜和參比電極用電纜，輔助陽(yáng)極電纜主要用于保護(hù)電流的傳輸，參比電極電纜主要用于電位信號(hào)的傳輸。電纜宜采用多股銅芯電纜，護(hù)套應(yīng)具有良好的絕緣、耐老化性能，水下部分還應(yīng)具有耐海水腐蝕性能。

3 吸力樁導(dǎo)管基礎(chǔ)ICCP系統(tǒng)的選型計(jì)算

以某風(fēng)電項(xiàng)目某一機(jī)位吸力樁導(dǎo)管基礎(chǔ)為例，講解ICCP保護(hù)電流、輔助陽(yáng)極數(shù)量和陽(yáng)極壽命的計(jì)算。

所研究的導(dǎo)管架基礎(chǔ)位于福州市長(zhǎng)樂(lè)區(qū)東部海域，距離海岸線大約40 km，導(dǎo)管架基礎(chǔ)輪廓尺寸為42 m ×37 m × 92 m，泥面標(biāo)高-45.78 m，樁底標(biāo)高-65.28 m，設(shè)計(jì)高水位3.10 m，設(shè)計(jì)低水位-2.64 m，設(shè)計(jì)高低水位差5.74 m。

3.1 吸力樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)保護(hù)面積的測(cè)量

吸力樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)處于不同的工作環(huán)境和具有不同的表面狀態(tài)，所需要的保護(hù)電流差異較大。為了精確計(jì)算所需保護(hù)電流的大小，將吸力樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)需要保護(hù)的部分分為三大區(qū)域[4]：浪濺區(qū)和水位變動(dòng)區(qū)共550 m2，水中區(qū)2 400 m2，泥中區(qū)2 600 m2。

3.2 保護(hù)電流密度的選取和所需保護(hù)電流的計(jì)算

保護(hù)電流密度的大小主要與被保護(hù)金屬的種類、腐蝕介質(zhì)性質(zhì)、金屬表面狀態(tài)、有效保護(hù)年限和外界條件(如風(fēng)浪、海流)等因素有關(guān)，這些因素的變化可以使陰極保護(hù)電流密度由幾mA/m2變化到幾百mA/m2。

泥面以上各部分均涂刷環(huán)氧型重防腐涂料，不同區(qū)域的漆膜厚度會(huì)有所不同，但漆膜最薄處都要大于400 μm。水中涂層破損系數(shù)平均值取25%，末期破損率取60%[4]。不同區(qū)域的流動(dòng)海水裸鋼初期保護(hù)電流密度設(shè)置如下：浪濺區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)及水中區(qū)均為60 mA/m2，泥中區(qū)為20 mA/m2。各區(qū)域的末期保護(hù)電流密度為：浪濺區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)及水中區(qū)均為80 mA/m2，泥中區(qū)為20 mA/m2。

考慮涂層破損系數(shù)的情況下，流動(dòng)海水裸鋼初期保護(hù)電流密度和末期保護(hù)電流密度需在未破損時(shí)的值的基礎(chǔ)上乘以涂層破損系數(shù)，再乘以保護(hù)面積，即可得到初期和末期的保護(hù)電流，具體見(jiàn)表1。

表1 不同部位所需電流Table 1 Current values required for different parts

根據(jù)計(jì)算，確定該臺(tái)吸力樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)的保護(hù)電流為200 A。

3.3 輔助陽(yáng)極數(shù)量及陽(yáng)極壽命的計(jì)算

本文選用的是高性價(jià)比的CYY-3型混合金屬氧化物陽(yáng)極[5]，主要參數(shù)如下：陽(yáng)極直徑290 mm；陽(yáng)極單位面積有效成分含量為40 g/m2，單只陽(yáng)極有效成分含量為2.64 g；陽(yáng)極最大輸出電流66 A；陽(yáng)極實(shí)際輸出電流40 A；陽(yáng)極實(shí)際消耗率 2 × 10-6kg/(A·a)。

輔助陽(yáng)極數(shù)量N的計(jì)算如式(1)所示。

式中I為保護(hù)電流，Ia為輔助陽(yáng)極設(shè)計(jì)輸出電流。

3.2節(jié)已確定保護(hù)電流I= 200 A，且Ia= 40 A，將二者代入式(1)可得理論輔助陽(yáng)極數(shù)量N= 5，實(shí)際使用了9個(gè)輔助陽(yáng)極。

輔助陽(yáng)極壽命t的計(jì)算如式(2)所示。

式中m為輔助陽(yáng)極凈重(即2.64 g)，K為安全系數(shù)(取1.2)，E為輔助陽(yáng)極消耗率[即2 × 10-6kg/(A·a)]，Im為金屬結(jié)構(gòu)的平均保護(hù)電流(由表1可知為96.25 A)。

經(jīng)計(jì)算，輔助陽(yáng)極使用壽命為102.8年，超過(guò)了30年。

4 ICCP系統(tǒng)各部分的安裝位置

為了得到最優(yōu)的保護(hù)效果，將犧牲陽(yáng)極分為兩層布置，標(biāo)高-9.21 m處布置3個(gè)犧牲陽(yáng)極，即每個(gè)導(dǎo)管架主管分別布置一個(gè)；標(biāo)高-31.3 m處布置6個(gè)犧牲陽(yáng)極，即每個(gè)導(dǎo)管架主管分別布置兩個(gè)；參比電極布置在標(biāo)高-23.08 m處，即每個(gè)主管布置一個(gè)，其中兩個(gè)參比電極控制輸出，一個(gè)參比電極監(jiān)測(cè)保護(hù)電位。

5 結(jié)語(yǔ)

該導(dǎo)管架基礎(chǔ)的ICCP系統(tǒng)正處于安裝調(diào)試階段。ICCP系統(tǒng)的應(yīng)用不但提升了產(chǎn)品的技術(shù)含量，也為風(fēng)機(jī)導(dǎo)管架基礎(chǔ)安全、可靠的服役提供了有力的保障。