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海上風(fēng)電犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)方案

時(shí)間：2025-05-16??  瀏覽：80次

海上風(fēng)電犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)是通過(guò)犧牲陽(yáng)極材料（如鋁合金、鋅合金等）為金屬結(jié)構(gòu)（如風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、鋼管樁、水下鋼構(gòu)件等）提供電化學(xué)保護(hù)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(yáng)極：

材料選擇：常用鋁合金陽(yáng)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(yáng)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(hù)結(jié)構(gòu)尺寸和腐蝕環(huán)境設(shè)計(jì)。

參比電極：用于監(jiān)測(cè)保護(hù)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(yáng)極與被保護(hù)結(jié)構(gòu)可靠電連接。

2. 保護(hù)原理

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

如何設(shè)計(jì)計(jì)算

1. 保護(hù)電位范圍

鋼在海水中的保護(hù)電位需達(dá)到 **-0.85 V（相對(duì)于銀 / 氯化銀電極）** 或更負(fù)，確保完全極化。
需避免過(guò)保護(hù)（電位過(guò)負(fù)可能導(dǎo)致氫脆）。

2. 陽(yáng)極用量計(jì)算

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

$I$ ：保護(hù)電流（A）；
$t$ ：設(shè)計(jì)保護(hù)年限（年）；
$Z$ ：陽(yáng)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(yáng)極布置原則

均勻分布：圍繞風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、鋼管樁等結(jié)構(gòu)對(duì)稱布置，避免保護(hù)盲區(qū)。
距離控制：陽(yáng)極與被保護(hù)結(jié)構(gòu)的距離一般為 0.5~3 m，太遠(yuǎn)會(huì)增加回路電阻，太近可能導(dǎo)致局部過(guò)保護(hù)。
防沖刷固定：海底陽(yáng)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(zhǔn)備

結(jié)構(gòu)表面處理：清除被保護(hù)金屬表面的氧化皮、海生物附著層，確保導(dǎo)電良好（必要時(shí)進(jìn)行噴砂除銹）。
陽(yáng)極預(yù)處理：檢查陽(yáng)極外觀、電纜連接點(diǎn)密封性，測(cè)試陽(yáng)極開(kāi)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(jī)器人）或潛水員裝備，用于水下安裝。

2. 陽(yáng)極安裝

場(chǎng)景 1：?jiǎn)螛痘A(chǔ)陽(yáng)極安裝

水下焊接：通過(guò)潛水員或 ROV 將陽(yáng)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(yán)重），再固定陽(yáng)極塊。
鐲式陽(yáng)極：對(duì)于直徑較大的樁，可采用分體式鐲式陽(yáng)極，環(huán)繞樁身拼接固定，通過(guò)電纜與樁體焊接連接。

場(chǎng)景 2：群樁基礎(chǔ)陽(yáng)極安裝

矩陣式布置：在群樁外圍海底鋪設(shè)陽(yáng)極陣列，用混凝土壓載塊固定，通過(guò)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(hù)電流均勻分布。

場(chǎng)景 3：過(guò)渡段（潮差區(qū)）保護(hù)

復(fù)合保護(hù)：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(hù)（如環(huán)氧富鋅漆）與犧牲陽(yáng)極，陽(yáng)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(cè)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(cè)試：

安裝后測(cè)試保護(hù)電位，確保達(dá)到 - 0.85 V 以下；
定期監(jiān)測(cè)陽(yáng)極消耗速率和電位穩(wěn)定性，評(píng)估保護(hù)效果。

關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)與解決方案

1. 高電阻率環(huán)境

問(wèn)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(yáng)極效率。
解決：采用高電位鋁合金陽(yáng)極（如添加銦、鋅元素），或增加陽(yáng)極數(shù)量、減小安裝間距。

2. 洋流與沖刷

問(wèn)題：強(qiáng)洋流可能沖散陽(yáng)極周?chē)母g產(chǎn)物，加速陽(yáng)極消耗；或?qū)е玛?yáng)極移位、電纜斷裂。
解決：

陽(yáng)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(hù)管。

3. 長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)維護(hù)

智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：集成電位傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊，通過(guò)海底電纜或無(wú)線傳輸（如水聲通信）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電位、電流數(shù)據(jù)。
定期巡檢：每 1~2 年通過(guò)潛水或 ROV 檢查陽(yáng)極剩余質(zhì)量、電纜連接狀態(tài)，及時(shí)更換消耗殆盡的陽(yáng)極。

參考標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)：

《鋼質(zhì)海洋結(jié)構(gòu)物犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（GB/T 37561）；
《水運(yùn)工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（JTS 257）中關(guān)于陰極保護(hù)的驗(yàn)收要求。

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：

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(chǎng)單樁基礎(chǔ)采用鋁合金犧牲陽(yáng)極保護(hù)，每個(gè)基礎(chǔ)布置 8 塊 100 kg 陽(yáng)極塊，呈環(huán)狀分布于泥面以下 2 m 處，設(shè)計(jì)保護(hù)年限 20 年。運(yùn)行 3 年后監(jiān)測(cè)顯示，鋼樁保護(hù)電位穩(wěn)定在 - 0.92 V，陽(yáng)極平均消耗率約 3.5 kg / 年，滿足預(yù)期效果。

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