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海上风电桩外加电流阴极保护系统简介

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  • TA的每日心情

    2020-3-10 15:31
  • 签到天数: 1 天

    [LV.1]初来乍到

    发表于 2020-3-1 15:35:16 | 显示全部楼层 |阅读模式

    一、海上风电电系统简介及存在的腐蚀问题
    风力发电是世界上发展最快的绿色能源技术,由于海上丰富的风能资源和当今技术的可行性,海洋将成为一个迅速发展的风电市场。欧美海上风电场已处于大规模开发的前夕。我国东部沿海水深50 m以内的海域面积辽阔,而且距离电力负荷中心(沿海经济发达电力紧缺区)很近,随着海上风电场技术的发展成熟,风电必将会成为我国东部沿海地区可持续发展的重要能源来源。海上风电具有资源丰富、发电利用小时高、不占用土地和适宜大规模开发的特点,并临近电力负荷中心,是全球风电发展的最新前沿。
    由于海上风电桩基直接暴露在海水环境中,钢质桩基受到严重的腐蚀威胁,由于海上风电的特殊地理环境和技术要求,其桩基的维修费用极高。因此,钢质桩基的防腐蚀是海上风电设计、生产、运营和维护必须考虑的突出问题,防腐蚀设计成为海上风电场设计的重要环节之一。
    二、腐蚀的机理和阴极保护原理
    对于海上风电桩基来说,其腐蚀最主要的就是桩基水下部分的电化学腐蚀:
    金属在海水中的船体腐蚀是一种电化学现象,该现象由船体金属表面形成的众多原电池所引起的。就像在电池所发生的一样,腐蚀电流由金属的更活跃部分(或称作阳极)通过海水流向金属的较不活跃部分(或称作阴极)。该原电池不仅可在不同的金属之间形成,也能在同一金属的不同区域间形成。在这种情况之下,因喷涂因素形成的保护不够的区域相对于较好保护的区域就变为了阳极。事实证明,金属的腐蚀量与腐蚀电流的大小成正比。
    钢铁在海水中的保护电位只能通过试验来测定。实验表明,A3钢在海水中的自然腐蚀电位,相对于银/氯化银参比电极约为-0.6伏左右,而相对于锌参比电极,则在+0.45V左右。当被保护对象的阴极电位极化至-0.80~-1.0伏(相对于银/氯化银参比电极),或+0.25~+0.15伏(相对于锌参比电极)时,保护效率可达到94%~99%。
    风电桩基的阴极保护就是基于电化学原理,通过施加外部电流,使受保护对象的电极电位朝负方向移动,从而降低腐蚀速率。根据保护电流的来源,阴极保护有外加(强制)电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护两种:
    1、外加电流阴极保护是通过外加直流电源以及辅助阳极,是给金属补充大量的电子,使被保护金属整体处于电子过剩的状态,使金属表面各点达到同一负电位,使被保护金属结构电位低于周围环境。外加(强制)电流阴极保护是设一外部电源和辅助阳极,将外部电源、保护对象(风电桩基)和辅助阳极经海水构成回路,由外部电源提供保护电流,从而达到防腐蚀的效果,系统中,另设参比电极来检测被保护对象相对于海水的电位,外部电源通过设定的保护电位与检测到的参比电位进行比较,从而调节输出的保护电流使系统达到最佳的保护效果。
    2、牺牲阳极阴极保护是将电位更负的金属(较活泼的金属,如锌合金、铝镁合金等)与被保护金属连接,并处于同一电解质中,使该金属上的电子转移到被保护金属上去,使整个被保护金属处于一个较负的相同的电位下,从而抑制后者的腐蚀。该方式简便易行,不需要外加电源,很少产生腐蚀干扰。根据国内有关资料的报道,对于牺牲阳极的使用有很多失败的教训,认为牺牲阳极的使用寿命一般不会超过3年,最多5年。
    三、阴极保护方式的选择
    对于海上风电桩的阴极保护来说,外加电流阴极保护与牺牲阳极阴极保护的区别如下:
            
    序号
          
    保护方式
      
         
    外加电流阴极保护
       
    牺牲阳极阴极保护
      
       
    1.     
      
    不产生金属离子,对环境无污染
      
    在生命周期内不断生成金属离子排放至海水中

       
    2.     
      
    阳极不消耗,使用寿命长
      
    阳极不断消耗,需定期对阳极进行水下检查和增加阳极

       
    3.     
      
    整体重量轻,基本不会对风电桩基础结构产生影响
      
    需要使用大量的金属阳极,重量大,存在因阳极质量过重而影响或破坏基础力学结构的可能,

       
    4.     
      
    需安装的电极数量较少,施工简单,施工成本较低
      
    需安装大量的牺牲阳极,施工成本较高

       
    5.     
      
    一次性投入,基本无需维修维护和保养,初次投入、使用、维护、保养成本低
      
    在使用过程中需不断的增加阳极材料,进行水下检验,维护、保养费用高

       
    6.     
      
    可实时查看被保护金属结构与海水的相对电位,并根据环境变化实时自动对输出电流进行调节,使被保护金属结构始处于最佳保护电位范围内
      
    不能查看被保护金属结构与海水的相对电位和保护电流,也无法对被保护金属结构的保护电流进行调节

       
    7.     
      
    被保护金属结构上的电流密度相对均匀
      
    保护电流较集中于阳极附近

       
    8.     
      
    在海水中使用不受深度和面积的限制,可对整个风电桩基础进行保护
      
    受制于金属特性,电极10~12米外保护效果极差

       
    9.     
      
    可实现多个风电桩保护电位的远程设置及保护状态的的远程集中监测,包括输出电压、保护电流、参比电位、故障状态等,并可实现监测数据的导出功能
      
    不可实现对保护状态及牺牲阳极状态的监测
    根据以上比较,从成本、功能、使用的便利性、设备使用寿命、设备施工、维护维修、环境保护等多个方面,使用外加电流阴极保护方式均较牺牲阳极保护方式具有明显的优势。基于此,上海融德机电工程设备有限公司选择了外加电流阴极保护作为海上风电桩基防腐蚀的解决方案。
    外加电流阴极保护系统是上海融德机电工程设备有限公司长期致力研发、生产、服务的重要产品之一,已广泛应用于船舶、海上平台及其它水下钢结构的防腐蚀,取得了良好的经济和社会效益。作为外加电流阴极保护系统在海上风电桩上的应用,主要包含以下功能:
    ü  保护电位设置;
    ü  总的输出电流显示;
    ü  输出电压显示;
    ü  参比电极电位指示;
    ü  保护电位超差报警;
    ü  恒电位控制箱温度高报警;
    ü  恒电位控制箱温度高停止输出;
    ü  恒电位控制箱电源故障报警;
    ü  在岸上管理系统实现多个风电桩保护电位的远程设置及保护状态的的远程集中监测,包括输出电压、保护电流、参比电位、故障状态等,并可实现监测数据的导出功能。
    四、系统构成
    上海融德机电工程设备有限公司研制的海上风电桩外加电流阴极保护系统,通常由恒电位控制箱、辅助阳极及参比电极组成,如需要,还可在岸上配备岸上管理系统:
    恒电位控制箱通过辅助阳极向要保护的水下金属结构施加保护电流,并能过参比电极监测被保护的钢结构相对于海水的电位差,使被保护的结构与海水间的电位差保持在设定的最佳保护电位。岸上管理系统由计算机和信号接收装置组成,可通过internet或无线网络与安装于各风电桩上的恒电位控制箱进行通讯,可设置各风电桩的保护电位,实时显示各恒电位控制箱的输出电压、输出电流、参比电位以及各报警信号,并实现所有数据的下载。

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    发表于 2020-5-8 15:34:39 | 显示全部楼层
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