海上风电桩基阴极保护经济技术分析——牺牲阳极与外加电流对比分析

邱春雷 冯 磊 贾星杰 李洪刚 潘天国 王 霄 李 岩 林 斌 牛辰睿 付国庆

（1. 中广核（北京）新能源科技有限公司，北京 100071；2. 深圳国能宸泰科技有限公司，广东深圳 518124）

0 引言

在“碳达峰”“碳中和”双重背景下，风能作为一种清洁能源在能源建设中的比重逐渐提升[1,2]，海上风电以其占地面积小、功率密度大、风速大、湍流小、风向稳等优点，成为风电开发的热点领域[3]。海上风电建造及维修成本往往较高，服役环境极端，面临着严重的腐蚀问题，这在很大程度上影响海上风电的最终收益。通常海上风电桩基采用阴极保护与防腐涂料联合保护的措施，其中阴极保护技术又分为牺牲阳极和外加电流两种方法。就保护效果而言，两种阴极保护技术均能够确保钢管桩在其设计使用年限内的保护率达到95%以上。但两种技术在施工、维护等方面又存在不同，因此需要针对阴极保护系统的设计寿命、初期投入、运维成本及备品备件等全寿命周期的角度评估阴极保护技术的选择。本文以莱州市海上风电与海洋牧场融合发展研究试验项目海上风电基础桩为例，从技术和经济两方面，对比分析牺牲阳极和外加电流两种阴极保护技术在海上风电桩基防腐保护中的适用性。

1 技术对比分析

1.1 电流输出能力

由于牺牲阳极是依靠牺牲阳极与钢结构之间的自然电位差发出保护电流，发出的保护电流有限。因而在每一根钢管桩上都要安装阳极块，需安装的阳极数量与保护面积成正比。而外加电流是依靠外部电源发出保护电流，输出电流连续可调，可满足较大的保护电流密度要求。因而一个辅助阳极发出的保护电流可以同时保护周围几根钢管桩。

从保护系统的输出电流能力考虑，牺牲阳极的输出电流有一定的自调节作用，但调节能力有限；外加电流法保护电流连续可调，可对钢管桩的保护状态进行监控与调节，确保保护电位满足要求。

1.2 使用寿命

牺牲阳极法依靠牺牲阳极自身的溶解发出保护电流，在使用末期阳极质量和体积均会减小，需加大监测频率保证钢管桩处于被保护状态。外加电流法是外部电源发出电流，在使用寿命内能够保证持续、稳定的发出保护电流。

两种方法都可以达到20年设计使用要求。在实际应用上，外加电流阴极保护系统的供电设备、测控设备等电子设备在海洋大气的腐蚀环境下，可能出现故障，其设备运行效率略低于牺牲阳极保护法。

1.3 施工过程

牺牲阳极法需要安装的牺牲阳极数量较大，在施工时须动用浮吊等船机设备；存在与主体工程交叉作业现象，阳极与钢管桩之间的短路连接需采用水下焊接工艺。但牺牲阳极法的施工工序简单，在国内海洋工程领域有成熟、有效的工程质量控制经验。

外加电流法所需辅助阳极和参比电极数量少、重量轻，且阳极和参比电极安装作业均可在陆地上完成。但外加电流法施工工序多，施工质量控制过程相对复杂，难度较高。

1.4 维护管理

牺牲阳极法安装完成后无需专人进行维护管理，可通过无线传输技术对保护系统状态进行实时监控。若想了解阳极消耗情况，需要组织现场调查检测。

外加电流法安装完成后需要专业人员进行系统运行维护管理。可通过无线传输技术，在远端监控系统工作，自动控制最佳输出电流。

2 经济成本对比分析

本章节所涉及的成本计算均以莱州市海上风电与海洋牧场融合发展研究试验项目38台海上风电桩基为例。

2.1 初期工程成本

每台风电机组基础外径为7.8m，采用阴极保护及防腐涂料联合保护进行防腐。按照阴极保护设计使用寿命20年，海水电阻率取25Ω/cm，平均设计高、低潮位分别为1.14m和-0.95m、泥面标高约为-10m，且水下区全部涂装防腐涂料计算，牺牲阳极和外加电流两种保护方法的初期工程成本对比如表1、表2表示。

表1 牺牲阳极阴极保护主要工程量

表2 外加电流阴极保护主要工程量

2.2 运维费用

牺牲阳极和外加电流两种方法后期维护费用比较如表3表示。

表3 牺牲阳极法和外加电流发后期维护费用（万元）

2.3 全寿期保护成本

2.3.1 20年寿期成本对比

牺牲阳极和外加电流两种方法在20年全寿命周期内的成本比较如表4表示。

表4 全寿命周期内牺牲阳极和外加电流两种方法的成本（万元）

2.3.2 延寿10年成本对比

牺牲阳极和外加电流两种方法考虑延寿10年全寿命周期内的成本比较如表5表示。

表5 考虑延寿10年牺牲阳极和外加电流两种方法的成本对比（万元）

注：本计算未考虑未来30年物价及人力成本的影响，同时未考虑海洋牧场钢结构部分防腐。

3 结语

海上风电阴极保护技术具有显著的效益，可以保护海上风电设备免受腐蚀，延长设备寿命，降低维护成本，提高能量产出，并减少对环境的影响。在设计施工时要从具体项目要求出发，选择合适的阴极保护技术。