Zastosowanie technologii ochrony katodowej w morskich farmach wiatrowych

Technologia ochrony katodowej (Cathodic Protection, CP) to kluczowa technika kontroli korozji w morskim przemyśle wiatrowym, stosowana głównie do ochrony konstrukcji stalowych (takich jak fundamenty jednopalowe, konstrukcje płaszczowe i podstacje morskie) przed korozją elektrochemiczną w wodzie morskiej i morskim środowisku atmosferycznym. Ze względu na-długoterminowe narażenie morskich elektrowni wiatrowych na złożone środowiska korozyjne charakteryzujące się wysokim zasoleniem, wilgocią, falami i mikroorganizmami, technologia ochrony katodowej stała się jednym z podstawowych środków zapewniających ich-bezpieczną pracę w długim okresie.

Korozja w morskich farmach wiatrowych wynika przede wszystkim z następujących czynników środowiskowych:

• Korozja w wodzie morskiej: Wysokie zasolenie, rozpuszczony tlen i jony chlorkowe przyspieszają korozję metali.
• Korozja w strefie pływów: naprzemienne cykle-suche i mokre powodują różnice w stężeniu tlenu, intensyfikując miejscową korozję.
• Biofouling morski: mikroorganizmy (np. bakterie-redukujące siarczany) sprzyjają miejscowej korozji.
• Obciążenie cykliczne: Naprężenia dynamiczne wywołane wiatrem i falami przyspieszają zmęczenie korozyjne.

Typowe obszary-podatne na korozję:

• Fundamenty monopalowe: strefa zanurzona, strefa pływów, strefa rozbryzgów.
• Konstrukcje płaszczowe i elementy przejściowe: Połączenia spawane, węzły rurowe.
• Platformy podstacji morskich: pale stalowe, konstrukcje wsporcze pokładów.
• Rurociągi wewnętrzne: Osłony stalowe kabli, rury iniekcyjne.

1. Ochrona katodowa anody protektorowej (SACP)

Zasada:

• Jako anody wykorzystuje metale o wyższej aktywności elektrochemicznej (np. aluminium, stopy cynku), które preferencyjnie korodują w celu ochrony konstrukcji stalowych.

Aplikacje:

• Fundamenty monopalowe: Anody przyspawane lub przykręcone bezpośrednio do powierzchni pala.
• Węzły rurowe płaszczowe: Anody pierścieniowe instalowane wokół połączeń rurowych.
• Strefy fugowania elementów przejściowych: Anody osadzone w materiałach zaprawowych.

Materiały anodowe:

• Anody ze stopu aluminium: Wysoka wydajność prądowa (85% ~ 90%), duża pojemność elektryczna, odpowiednie do środowisk z wodą morską.
• Anody ze stopu cynku: Doskonała stabilność, wydajność prądowa 90% ~ 95% w wodzie morskiej i błocie na dnie morskim, odpowiednie do środowisk z wodą morską i błotem podmorskim.

Zagadnienia projektowe:

• Oblicz ilość i rozkład anod w oparciu o żywotność konstrukcji (zwykle 25-30 lat).
• Weź pod uwagę wymagania dotyczące gęstości prądu (np. strefa zanurzona: 80~120 mA/m²; strefa pływów: 150~200 mA/m²; strefa sub-błotna: 20~25 mA/m²).

2. Impregnowana ochrona katodowa prądu (ICCP)

Zasada:

• Wykorzystuje zewnętrzne źródło zasilania, aby wymusić przepływ prądu na chronioną konstrukcję, wywołując polaryzację katodową na powierzchni metalu.

Aplikacje:

• Duże platformy podstacji morskich: duży obszar zasięgu i bieżące zapotrzebowanie.
• Złożone konstrukcje: płaszcze-z wieloma włosami lub dynamiczne systemy kablowe.

Elementy systemu:

• Anody: Anody z mieszanych tlenków metali (MMO), platynowana anoda niobowa, platynowana anoda tytanowa.
• Zasilanie: prostowniki transformatorowe lub prostowniki stałoprądowe.
• Elektrody referencyjne: elektrody Ag/AgCl lub cynkowe do monitorowania-potencjału w czasie rzeczywistym.

Zalety:

• Regulowany prąd wyjściowy w celu dostosowania do dynamicznych środowisk korozyjnych.
• Suitable for long-life projects (>30 lat) przy niskich kosztach utrzymania.

1. Potencjalne kryteria:

• Zakres potencjału ochronnego konstrukcji stalowych: -0,80 V ~ -1,10 V (w porównaniu z elektrodą Ag/AgCl).
• Unikaj nadmiernej-ochrony (potencjały poniżej -1,10 V w porównaniu do Ag/AgCl), aby zapobiec odrywaniu się powłoki lub kruchości wodorowej.

2. Układ i instalacja anody:

• Fundamenty jednopalowe: Anody są zwykle ułożone obwodowo, koncentrując się na strefach pływowych i obszarach poniżej linii błotnej.
• Struktury płaszczowe: Zwiększona gęstość anod na połączeniach rurowych i spoinach.
• Strefy dynamiczne: Użyj naprężonych anod pomocniczych lub konstrukcji segmentowych, aby uwzględnić deformacje strukturalne.

3. Synergia powłoki:

• CP należy łączyć z-wydajnymi-powłokami antykorozyjnymi (np. epoksydowymi, poliuretanowymi).
• Ochrona katodowa kompensuje defekty lub uszkodzenia powłoki.

4. Monitorowanie i konserwacja:

• Monitorowanie potencjału: za pomocą-zainstalowanych fabrycznie elektrod odniesienia lub inspekcji pojazdów ROV.
• Kontrola zużycia anody: Regularny pomiar masy resztkowej anody lub prądu wyjściowego.
• Inteligentne systemy: IoT-umożliwiło-transmisję danych w czasie rzeczywistym do lądowych centrów kontroli.

• Niemiecka farma wiatrowa Ocean Breeze Energy Bard Offshore 1.
• Shenneng Hainan CZ2 600Projekt demonstracyjny morskiej elektrowni wiatrowej o MW.
• Projekt badawczy systemu morskiej farmy wiatrowej ICCP CGN Shanwei Jiazi II o mocy 400 MW.
• Projekt morskiej farmy wiatrowej SPIC Xiangshan 1 o mocy 500 MW.
• Projekt morskiej elektrowni wiatrowej o mocy 300 MW w Chinach Trzy Przełomy Yangjiang Yangxi Shapa.
• Projekt morskiej energetyki wiatrowej Huadian Fujian Fuqing w Cieśninie Haitańskiej o mocy 300 MW.
• Projekt morskiej farmy wiatrowej CPI Dafeng H3# o mocy 300 MW.

1. Wyzwania techniczne

• Efekty obciążenia dynamicznego: pękanie-zmęczeniowe wywołane falą na połączeniach anody-struktury.
• Środowiska głębinowe-morskie: nierównomierny rozkład prądu anodowego na głębokościach przekraczających 50 metrów.
• Kontrola kosztów: Koszty materiałów anodowych stanowią 10-15% całkowitych wydatków w dużych farmach wiatrowych.

2. Kierunki innowacji

Nowatorskie materiały anodowe:

• Nano-anody kompozytowe (np. Al-Zn-In-Ti) zwiększające wydajność prądową.
• Anody przyjazne dla środowiska (niskie rozpuszczanie metali ciężkich).

Inteligentne systemy:

• Technologia adaptacyjnego dostosowania potencjału-oparta na sztucznej inteligencji.
• ROV-wspomagane wspólne monitorowanie.

Hybrydowe zasilanie energią:

• Integracja energii słonecznej i wiatrowej w celu zapewnienia zielonej energii dla systemów ICCP.

3. Normy i przepisy

Międzynarodowe standardy:

• ISO 24656-2022 (Ochrona katodowa morskich konstrukcji wiatrowych).
• DNV-RP-B401 Konstrukcja ochrony katodowej.

Chińskie standardy:

• SY/T10030-2018 „Kodeks projektowy systemów ochrony katodowej stacjonarnych platform morskich”.
• NB/T 10626-2021 „Kodeks projektowania antykorozyjnego projektów morskich farm wiatrowych”.

Technologia ochrony katodowej jest kamieniem węgielnym zapewniającym trwałość morskich konstrukcji wiatrowych, wymagającą integracji inżynierii materiałowej, inżynierii morskiej i technologii inteligentnego monitorowania. W miarę jak branża będzie zmierzać w kierunku głębszych wód i większych wydajności, systemy CP będą kładły nacisk na wyższą wydajność, zrównoważony rozwój środowiskowy i inteligencję. Oczekuje się, że przyszłe innowacje w zakresie zarządzania materiałami i cyfrowym obniżą koszty cyklu życia i będą wspierać globalny zrównoważony rozwój morskiej energii wiatrowej.