我国海上风电场中一种导管架阴极保护效果模拟分析研究

2021-10-23曲本文朱帅帅陈志强

全面腐蚀控制 2021年9期

曲本文朱帅帅陈志强张宇

（1. 青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，山东青岛 266101；2. 中国船舶重工集团公司第七二五研究所海洋腐蚀与防护重点实验室，山东青岛 266237）

0 引言

我国目前已经进入海上风电场建设高速发展时期，海上风电场中所使用的钢结构的防腐效果如何一直是各界探讨的关键问题，是否能够在全服役期达到阴极保护要求，急需验证。

我国海上风电元年起于2014年[1]，而国内最早建设的海上风电场是2010年-上海东海大桥风电场[2]，目前还远远未达到最终年限，所有设计方案都是按照相关标准进行计算以及以往经验得来的；而国外风电场的设计方案都会进行仿真模拟分析后再决定最终的设计方案；鉴于此特利用Beasy仿真计算软件，计算国内风电场使用的导管架在服役初期和服役末期的阴极保护电位，以核实是否达到阴极保护电位-780～-1100mV（Vs银氯化银参比电极）[3]要求。

海上风电场钢结构暴露环境分为大气区、浪溅区、全浸区和内部区。[4]阴极保护主要保护浪溅区、全浸区（海水区和海泥区）和内部区（内部混凝土除外）。

1 数值仿真计算原理

在电解质区域内，由欧姆定律知，模型表面电位和电流密度满足方程(1)。

式（1）中，i为电流密度，E为电位、k为环境电导率。由式（1）可知，任意时刻微小立方体积元（dx×dy×dz）中电荷量的变化量为：

当阴极保护系统产生的电场达到平衡状态时，微小体积元中的电量处于恒定状态，即Q=0，则：

由此可知，阴极保护过程的控制方程为拉普拉斯方程。由格林公式得与方程（3）对应的边界积分方程，其中Γ为域Ω的边界：

将边界Γ划分为n个单元后，方程（4）可转化为：

其中，ijδ为克罗内克函数，则由（6）式可得：

通过求解矩阵方程（7）即可获得模型表面电位和电流密度分布。

2 建模

2.1 模型材料体系

本模型的材料体系涉及EH36结构钢，根据所需工况，利用电化学工作站对样品电极进行极化曲线测试，作为仿真计算的边界条件。

2.2 模型建立

2.2.1 模型外壳部分

模型外壳部分主要依据甲方图纸进行建模，根据已提供的图纸在模型空间中确定构成结构的坐标点，利用软件样条曲线功能勾连这些坐标点形成型线，通过曲面生产功能构建模型面，模型图如图1所示。

图1 模型图

2.2.2 盒子模型

边界元外围盒子模型如图2所示。

图2 边界外围盒子模型

2.3 腐蚀仿真评估模型网格划分

2.3.1 评估模型网格划分及优化

计算软件配套GID模型前处理软件即具有网格自动生成功能同时又具有支持操作人员优化调节的人机界面，网格自动生成功能具有能够根据模型尺寸自动确定单元格大小、一键操作等优点，但生成的网格以三角形单元为主，导致单元格整体数量增加，计算机工作量增加并影响工作效率，且该功能在处理具有曲面、折点等复杂边界模型时往往出现单元格之间尺寸差异过大等现象，影响模型的计算精度，也是导致仿真评估计算时不收敛的原因之一。因此，操作人员在进行模型网格划分时往往在软件自动划分网格的基础上进一步优化。图3、图4为模型各结构组成部位网格优化结果对比图。

（1）模型优化后网格图如图3所示。

图3 模型优化后网格图

（2）整体模型优化后渲染图如图4所示。

图4 整体模型优化后渲染图

2.3.2 评估模型网格法线方向校正

由于Beasy模拟软件单元为面单元，模拟计算时需要将模型模型单元面的法线方向设置为由海水指向模型的方向（即电流经海水流向模型），将模型空间盒子单元面的法线方向设置为由海水指向盒子的方向，法向校正前后模型如图5模型单元面法向图所示。

图5 模型单元面法向图

2.3.3 数值仿真模型试算测试

网格优化前模型整体以三角形单元为主，三角单元数量为59852，节点数为23575，网格优化后模型整体以四边形单元和三角形为主，且形状数量非常规则，单元数量优化至8652，节点数为9888。进行数值仿真模型试算测试，试算时由于模型结构复杂，包含较多的曲面及折线结构，模型计算过程中会出现许多错误项，此时，应根据结果文件中的“.LOG”文件内的提示内容进行模型校正修改，直到能够顺利进行仿真计算为止。通过仿真模拟试算测试，模型计算时间由原来的5小时缩短至1.8小时，软件工作效率提高一倍以上，计算收敛误差也控制在2.3%左右，表明优化后的模型适合进行腐蚀数值仿真计算。

2.4 模型各部分的边界条件工况

模型共分为4个工况区域，如图6模型各部分说明图所示，分别为海水区域的导管架部分、桩顶部涂层破损区、桩底部含沙冲刷区和海泥区域的桩体部分。仿真计算按照服役初期和服役25年的中后期进行仿真计算。服役初期，导管架主体的涂层破损为3%，桩顶部破损区涂层破损率约为10%，沙石冲刷区破损为20%；服役中后期，导管架主体的涂层破损为20%，桩顶部破损区涂层破损率约为30%，沙石冲刷区破损为40%。海水区的电阻率取25欧姆-厘米，海泥区的电阻率取100欧姆-厘米。

图6 模型各部分说明图

由于海泥的电阻率随着深度的增加而增加，因此在较深区域的海泥中，电阻率大于100欧姆-厘米，且基本隔绝海水，腐蚀问题相对较弱，因此需要阴极保护电流的区域小于整个长度的桩体。因此为了保守计算，将桩体在海泥区域的整体部分都按照浅区进行，此种状态会消耗给更多的阴极保护电流，若此种状态桩体能保护到位，则实际工况中也将得到保护。

3 仿真计算

针对导管架模型开展服役初期和服役25年后的中后期的牺牲阳极阴极保护效果模拟仿真计算。

3.1 服役初期

利用Beasy仿真计算软件，计算服役初期的阴极保护电位，结果如图7导管架服役初期电位分布图所示，导管架海水区域内的整体电位在-970～-1037mV（Vs银氯化银参比电极，下同），桩体涂层破损区的电位在-955～-969mV，砂石冲刷区的电位在-953～-955mV，海泥区域的桩体电位在-889～-921mV，可见服役初期，所有结构体的电位均负于-850mV，阴极保护效果良好。

图7 导管架服役初期电位分布图

3.2 服役中后期

利用Beasy仿真计算软件，计算服役中后期的阴极保护电位，结果如图8导管架服役25年后电位分布图所示，导管架海水区域内的整体电位在-898～-1080mV（Vs银氯化银参比电极，下同），桩体涂层破损区的电位在-916～-929mV，砂石冲刷区的电位在-916～-918mV，海泥区域的桩体电位在-870～-898mV，可见服役中后期，所有结构体的电位均负于-850mV，阴极保护效果良好。