Anvendelsen af ​​katodisk beskyttelsesteknologi i havvindmølleparker

Katodisk beskyttelsesteknologi (Cathodic Protection, CP) er en kritisk korrosionskontrolteknik i havvindindustrien, der primært bruges til at beskytte stålkonstruktioner (såsom monopile-fundamenter, kappestrukturer og offshore-transformatorstationer) mod elektrokemisk korrosion i havvand og marine atmosfæriske miljøer. På grund af den langsigtede-eksponering af havvindanlæg for komplekse korrosive miljøer, der er karakteriseret ved høj saltholdighed, fugtighed, bølgerensning og mikroorganismer, er katodisk beskyttelsesteknologi blevet en af ​​de centrale foranstaltninger for at sikre, at deres langsigtede-sikre drift.

Korrosion i havvindanlæg stammer primært fra følgende miljøfaktorer:

• Havvandskorrosion: Høj saltholdighed, opløst oxygen og chloridioner fremskynder metalkorrosion.
• Tidevandszonekorrosion: Skiftende våde-tørre cyklusser skaber iltkoncentrationsforskelle, hvilket forstærker lokal korrosion.
• Marine biobegroning: Mikroorganismer (f.eks. sulfat-reducerende bakterier) fremmer lokal korrosion.
• Cyklisk belastning: Dynamiske spændinger induceret af vind og bølger fremskynder korrosionstræthed.

Typiske korrosions-udsatte områder:

• Monopile fundamenter: Nedsænket zone, tidevandszone, stænkzone.
• Jakkestrukturer og overgangsstykker: Svejste samlinger, rørformede noder.
• Offshore transformerstationsplatforme: Stålpæle, dækstøttestrukturer.
• Indvendige rørledninger: Kabelstålhuse, fugerør.

1. Sacrificial Anode Cathodic Protection (SACP)

Princip:

• Bruger metaller med højere elektrokemisk aktivitet (f.eks. aluminium, zinklegeringer) som anoder, der korroderer fortrinsvis for at beskytte stålkonstruktioner.

Ansøgninger:

• Monopile fundamenter: Anoder svejset eller boltet direkte på pæleoverfladen.
• Kappe rørformede noder: Ringformede anoder installeret omkring rørformede samlinger.
• Overgangsstykke fugezoner: Anoder indstøbt i fugematerialer.

Anode materialer:

• Aluminiumslegeringsanoder: Høj strømeffektivitet (85% ~ 90%), høj elektrisk kapacitet, velegnet til havvandsmiljøer.
• Zinklegeringsanoder: Fremragende stabilitet, strømeffektivitet på 90% ~ 95% i havvand og havbundsmudder, velegnet til havvand og undersøiske muddermiljøer.

Designovervejelser:

• Beregn anodemængde og fordeling baseret på strukturens levetid (typisk 25-30 år).
• Overvej krav til strømtæthed (f.eks. nedsænket zone: 80~120 mA/m²; tidevandszone: 150~200 mA/m²; sub-mudderzone: 20~25 mA/m²).

2. Impressed Current Cathodic Protection (ICCP)

Princip:

• Bruger en ekstern strømkilde til at tvinge strøm ind på den beskyttede struktur, hvilket inducerer katodisk polarisering på metaloverfladen.

Ansøgninger:

• Store offshore transformerstationsplatforme: Højt dækningsområde og aktuel efterspørgsel.
• Komplekse strukturer: Multi-kapper eller dynamiske kabelsystemer.

Systemkomponenter:

• Anoder: Blandede metaloxid (MMO) anoder, Platiniseret Niobium Anode, Platiniseret Titanium Anode.
• Strømforsyning: transformator ensrettere eller konstantstrøm ensrettere.
• Referenceelektroder: Ag/AgCl- eller zinkelektroder til-realtids potentialovervågning.

Fordele:

• Justerbar strømudgang til tilpasning til dynamiske korrosionsmiljøer.
• Suitable for long-life projects (>30 år) med lave vedligeholdelsesomkostninger.

1. Potentielle kriterier:

• Beskyttelsespotentialeområde for stålkonstruktioner: -0,80 V ~ -1,10 V (vs. Ag/AgCl-elektrode).
• Undgå over-beskyttelse (potentialer under -1,10 V vs. Ag/AgCl) for at forhindre afbinding af belægning eller brintskørhed.

2. Anode layout og installation:

• Monopile fundamenter: Anoder er typisk arrangeret i omkredsen med fokus på tidevandszoner og områder under mudder.
• Kappestrukturer: Øget anodedensitet ved rørsamlinger og svejsninger.
• Dynamiske zoner: Brug spændte hjælpeanoder eller segmenterede designs for at imødekomme strukturel deformation.

3. Belægningssynergi:

• CP skal kombineres med-højtydende anti-korrosionsbelægninger (f.eks. epoxy, polyurethan).
• Katodisk beskyttelse kompenserer for belægningsfejl eller beskadigelse.

4. Overvågning og vedligeholdelse:

• Potentiel overvågning: Via præ-installerede referenceelektroder eller ROV-inspektioner.
• Anodeforbrugstjek: Regelmæssig måling af anodes restmasse eller strømudgang.
• Smarte systemer: IoT-aktiverede realtids-datatransmission til kontrolcentre på land.

• Tysklands Ocean Breeze Energy Bard Offshore 1 vindmøllepark.
• Shenneng Hainan CZ2 600MW Offshore Wind Power Demonstration Project.
• CGN Shanwei Jiazi II 400MW havvindmøllepark ICCP System Research Project.
• SPIC Xiangshan 1# 500MW havvindmølleprojekt.
• Kina Three Gorges Yangjiang Yangxi Shapa 300MW offshore vindkraftprojekt.
• Huadian Fujian Fuqing Haitan-strædet 300MW havvindprojekt.
• CPI Dafeng H3# 300MW havvindmølleprojekt.

1. Tekniske udfordringer

• Dynamiske belastningseffekter: Bølge-fremkaldt træthedsbrud ved anode-strukturforbindelser.
• Dybt-havmiljøer: Ujævn anodestrømfordeling ved dybder over 50 meter.
• Omkostningskontrol: Anodematerialeomkostninger udgør 10-15% af de samlede udgifter i store vindmølleparker.

2. Innovationsretninger

Nye anodematerialer:

• Nano-kompositanoder (f.eks. Al-Zn-In-Ti) for at forbedre strømeffektiviteten.
• Miljøvenlige anoder (lav tungmetalopløsning).

Intelligente systemer:

• AI-baseret adaptiv potentialejusteringsteknologi.
• ROV-assisteret samarbejdsovervågning.

Hybrid energiforsyning:

• Integration af sol- og vindkraft for at levere grøn energi til ICCP-systemer.

3. Standarder og forskrifter

Internationale standarder:

• ISO 24656-2022 (Katodisk beskyttelse af havvindstrukturer).
• DNV-RP-B401 katodisk beskyttelsesdesign.

Kinesiske standarder:

• SY/T10030-2018 "Designkode for katodiske beskyttelsessystemer af offshore faste platforme".
• NB/T 10626-2021 "Code for Anti-Corrosion Design of Offshore Wind Farm Projects".

Katodisk beskyttelsesteknologi er en hjørnesten for at sikre holdbarheden af ​​havvindstrukturer, hvilket kræver integration af materialevidenskab, havteknik og smarte overvågningsteknologier. Efterhånden som industrien udvikler sig mod dybere vand og større kapacitet, vil CP-systemer lægge vægt på højere effektivitet, miljømæssig bæredygtighed og intelligens. Fremtidige innovationer inden for materialer og digital styring forventes at reducere livscyklusomkostninger og understøtte den globale bæredygtige udvikling af offshore vindenergi.