外加电流阴极保护系统在吸力桩导管架基础上的应用

沈明明，李书磊，杨丹丹，程明山

（1.洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司，河南 洛阳 471039；2.青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，山东 青岛 266071）

外加电流阴极保护系统简称ICCP，是一种通过外加电源将电子输送到被保护金属表面，使被保护金属表面的电位处于保护电位范围内，从而达到防腐目的的电化学防腐方法[1]。ICCP技术已在钻井平台、桥梁、船舶等领域得到了广泛应用，但是在海上风电领域的应用较晚，在国内甚至还未有过在海上风电吸力桩导管架基础上应用ICCP的实例。

1 吸力桩导管架基础的防腐方式

吸力桩导管架基础主体主要包含三部分：位于大气区的过渡段，部分位于大气区、部分位于海水区的导管架，以及位于泥下区的吸力桩。吸力桩导管架的结构见图1。位于泥下区的吸力桩无需涂漆，其余区域均要涂以重防腐涂料。由于防腐涂层的使用寿命以及刷涂质量等因素的影响，无法确保吸力桩式导管架基础在服役期间(服役年限 25年)内不发生腐蚀现象，因此人们将阴极保护系统应用到了吸力桩式导管架基础之上，配合防腐涂料一起对吸力桩导管架基础起到防腐保护作用。

图1 吸力桩导管架总装图Figure 1 Photo showing the general assembly of suction pile

吸力桩导管架比较常见的防腐方式为重防腐涂料+牺牲阳极阴极保护系统。但此种防腐方式存在的问题较多，如：令吸力桩导管架的设备增重；成本高；对海水容易造成重金属污染；前期电流充足，后期电流不足；保护电流不易控制。

为了克服牺牲阳极阴极保护系统的不足，人们把目光投向了ICCP技术，其优点比较突出：设备轻，造价低，清洁环保，电流大小可调节，能实现远程控制。

2 ICCP系统的组成

一套完整的ICCP系统主要包括智能恒电位仪、辅助阳极、参比电极以及电缆四大部分[2]。智能恒电位仪一般安装在过渡段的内平台上，辅助阳极和参比电极安装在导管架上，且位于水下，辅助阳极和参比电极通过电缆连接到恒电位仪。工作时，参比电极将导管架基础周围的电位情况反馈给恒电位仪，恒电位仪根据导管架基础周围的电位来确定保护电流，然后将所需的保护电流通过电缆输送到辅助阳极，形成保护电位，从而实现防腐效果。

2.1 智能恒电位仪

恒电位仪是外加电流阴极保护系统的核心部件(如图2所示)，采用可控硅式或开关电源结构，是输出保护电流、调整保护电流的设备[3]。

图2 恒电位仪的安装Figure 2 Installation of potentiostat

2.2 辅助阳极

辅助阳极是保护电流的载体。目前适用于海水环境中阴极保护辅助阳极的材料主要有高硅铸铁、铂阳极和混合金属氧化物阳极，其中混合金属氧化物阳极性价比最高，因为它轻、排流大、寿命长，加工和安装容易[4-5]。辅助阳极安装如图3所示。

图3 辅助阳极的安装Figure 3 Installation of auxiliary anode

2.3 参比电极

参比电极是电位检测装置，将吸力桩导管架基础周围的电位情况通过电缆传输到恒电位仪。

在海水介质中，银/氯化银参比电极和锌参比电极均可采用，但前者受环境因素影响小、寿命长，更适合在海水、淡海水、淡水介质中长期使用[6]。参比电极的安装如图4所示。

图4 参比电极的安装Figure 4 Installation of reference electrode

2.4 电缆

电缆主要包括辅助阳极用电缆和参比电极用电缆，辅助阳极电缆主要用于保护电流的传输，参比电极电缆主要用于电位信号的传输。电缆宜采用多股铜芯电缆，护套应具有良好的绝缘、耐老化性能，水下部分还应具有耐海水腐蚀性能。

3 吸力桩导管基础ICCP系统的选型计算

以某风电项目某一机位吸力桩导管基础为例，讲解ICCP保护电流、辅助阳极数量和阳极寿命的计算。

所研究的导管架基础位于福州市长乐区东部海域，距离海岸线大约40 km，导管架基础轮廓尺寸为42 m ×37 m × 92 m，泥面标高-45.78 m，桩底标高-65.28 m，设计高水位3.10 m，设计低水位-2.64 m，设计高低水位差5.74 m。

3.1 吸力桩导管架基础保护面积的测量

吸力桩导管架基础处于不同的工作环境和具有不同的表面状态，所需要的保护电流差异较大。为了精确计算所需保护电流的大小，将吸力桩导管架基础需要保护的部分分为三大区域[4]：浪溅区和水位变动区共550 m2，水中区2 400 m2，泥中区2 600 m2。

3.2 保护电流密度的选取和所需保护电流的计算

保护电流密度的大小主要与被保护金属的种类、腐蚀介质性质、金属表面状态、有效保护年限和外界条件(如风浪、海流)等因素有关，这些因素的变化可以使阴极保护电流密度由几mA/m2变化到几百mA/m2。

泥面以上各部分均涂刷环氧型重防腐涂料，不同区域的漆膜厚度会有所不同，但漆膜最薄处都要大于400 μm。水中涂层破损系数平均值取25%，末期破损率取60%[4]。不同区域的流动海水裸钢初期保护电流密度设置如下：浪溅区、水位变动区及水中区均为60 mA/m2，泥中区为20 mA/m2。各区域的末期保护电流密度为：浪溅区、水位变动区及水中区均为80 mA/m2，泥中区为20 mA/m2。

考虑涂层破损系数的情况下，流动海水裸钢初期保护电流密度和末期保护电流密度需在未破损时的值的基础上乘以涂层破损系数，再乘以保护面积，即可得到初期和末期的保护电流，具体见表1。

表1 不同部位所需电流Table 1 Current values required for different parts

根据计算，确定该台吸力桩导管架基础的保护电流为200 A。

3.3 辅助阳极数量及阳极寿命的计算

本文选用的是高性价比的CYY-3型混合金属氧化物阳极[5]，主要参数如下：阳极直径290 mm；阳极单位面积有效成分含量为40 g/m2，单只阳极有效成分含量为2.64 g；阳极最大输出电流66 A；阳极实际输出电流40 A；阳极实际消耗率 2 × 10-6kg/(A·a)。

辅助阳极数量N的计算如式(1)所示。

式中I为保护电流，Ia为辅助阳极设计输出电流。

3.2节已确定保护电流I= 200 A，且Ia= 40 A，将二者代入式(1)可得理论辅助阳极数量N= 5，实际使用了9个辅助阳极。

辅助阳极寿命t的计算如式(2)所示。

式中m为辅助阳极净重(即2.64 g)，K为安全系数(取1.2)，E为辅助阳极消耗率[即2 × 10-6kg/(A·a)]，Im为金属结构的平均保护电流(由表1可知为96.25 A)。

经计算，辅助阳极使用寿命为102.8年，超过了30年。

4 ICCP系统各部分的安装位置

为了得到最优的保护效果，将牺牲阳极分为两层布置，标高-9.21 m处布置3个牺牲阳极，即每个导管架主管分别布置一个；标高-31.3 m处布置6个牺牲阳极，即每个导管架主管分别布置两个；参比电极布置在标高-23.08 m处，即每个主管布置一个，其中两个参比电极控制输出，一个参比电极监测保护电位。

5 结语

该导管架基础的ICCP系统正处于安装调试阶段。ICCP系统的应用不但提升了产品的技术含量，也为风机导管架基础安全、可靠的服役提供了有力的保障。