Katoodkaitsetehnoloogia rakendamine avamere tuuleparkides

Katoodkaitsetehnoloogia (Cathodic Protection, CP) on avamere tuuletööstuses kriitiline korrosioonitõrjetehnika, mida kasutatakse peamiselt teraskonstruktsioonide (nagu monopiilvundamendid, mantelkonstruktsioonid ja avamerealajaamad) kaitsmiseks elektrokeemilise korrosiooni eest merevees ja mereatmosfääris. Kuna avameretuulerajatised puutuvad pikaajaliselt kokku-söövitavate keeruliste keskkondadega, mida iseloomustavad kõrge soolsus, niiskus, lainete hõõrdumine ja mikroorganismid, on katoodkaitsetehnoloogiast saanud üks peamisi meetmeid, mis tagavad nende pikaajalise ohutu kasutamise.

Korrosioon avamere tuuleelektrijaamades tuleneb peamiselt järgmistest keskkonnateguritest:

• Merevee korrosioon: kõrge soolsus, lahustunud hapnik ja kloriidioonid kiirendavad metalli korrosiooni.
• Loodete tsooni korrosioon: vahelduvad märg{0}}kuivtsüklid põhjustavad hapniku kontsentratsiooni erinevusi, intensiivistades lokaalset korrosiooni.
• Mere biomäärdumine: mikroorganismid (nt sulfaate{2}}redutseerivad bakterid) soodustavad lokaalset korrosiooni.
• Tsükliline koormus: tuule ja lainete põhjustatud dünaamilised pinged kiirendavad korrosiooniväsimist.

Tüüpilised korrosiooni{0}}altid alad:

• Monopaalvundament: sukeldatud tsoon, loodetsoon, pritsmete tsoon.
• Mantelkonstruktsioonid ja üleminekutükid: Keevisliited, torukujulised sõlmed.
• Avamere alajaamade platvormid: terasvaiad, teki tugikonstruktsioonid.
• Sisemised torustikud: Terasest kaabelkestad, vuugisegu torud.

1. Ohveranoodi katoodkaitse (SACP)

Põhimõte:

• Kasutab anoodidena kõrgema elektrokeemilise aktiivsusega metalle (nt alumiinium, tsingisulamid), mis teraskonstruktsioonide kaitsmiseks eelistatavalt korrodeeruvad.

Rakendused:

• Monopaalvundament: anoodid keevitatud või poltidega otse vaiapinnale.
• Mantel torukujulised sõlmed: toruliidete ümber paigaldatud rõngakujulised anoodid.
• Üleminekutükkide süstmördi tsoonid: süstmördi materjalidesse põimitud anoodid.

Anoodi materjalid:

• Alumiiniumisulamist anoodid: kõrge voolutõhusus (85% ~ 90%), suur elektriline võimsus, sobib mereveekeskkonda.
• Tsingisulami anoodid: suurepärane stabiilsus, voolutõhusus 90% ~ 95% merevees ja merepõhja mudas, sobib merevee ja merealuse muda keskkondadesse.

Disaini kaalutlused:

• Arvutage anoodi kogus ja jaotus struktuuri eluea põhjal (tavaliselt 25-30 aastat).
• Võtke arvesse voolutiheduse nõudeid (nt sukeldatud tsoon: 80–120 mA/m²; loodetsoon: 150–200 mA/m²; alam-mudatsoon: 20–25 mA/m²).

2. Impressed Current Cathodic Protection (ICCP)

Põhimõte:

• Kasutab välist toiteallikat, et sundida voolu voolama kaitstud konstruktsioonile, tekitades metalli pinnal katoodpolarisatsiooni.

Rakendused:

• Suured avamerealajaamaplatvormid: suur leviala ja praegune nõudlus.
• Keerulised struktuurid: mitme-vaia katted või dünaamilised kaablisüsteemid.

Süsteemi komponendid:

• Anoodid: segatud metalloksiidi (MMO) anoodid, plaatinatud nioobiumanood, plaatina titaananood.
• Toide: trafo alaldid või alalisvoolu alaldid.
• Võrdluselektroodid: Ag/AgCl või tsinkelektroodid{0}}reaalajas potentsiaali jälgimiseks.

Eelised:

• Reguleeritav vooluväljund dünaamilise korrosioonikeskkonnaga kohanemiseks.
• Suitable for long-life projects (>30 aastat) madalate hoolduskuludega.

1. Võimalikud kriteeriumid:

• Teraskonstruktsioonide kaitsepotentsiaalide vahemik: -0,80 V ~ -1,10 V (vs. Ag/AgCl elektrood).
• Vältige üle{0}}kaitsmist (potentsiaalid alla -1,10 V vs. Ag/AgCl), et vältida katte eraldumist või vesiniku haprumist.

2. Anoodi paigutus ja paigaldamine:

• Monopaalvundament: anoodid on tavaliselt paigutatud ümbermõõtu, keskendudes loodetsoonidele ja piirkondadele, mis asuvad allpool mudajoont.
• Mantelstruktuurid: Suurem anooditihedus toruliidetes ja keevisõmblustes.
• Dünaamilised tsoonid: kasutage pingutatud abianoode või segmenteeritud konstruktsioone, et kohandada konstruktsiooni deformatsioone.

3. Katte sünergia:

• CP tuleb kombineerida suure jõudlusega-korrosioonivastaste-katetega (nt epoksiid, polüuretaan).
• Katoodkaitse kompenseerib katte defektid või kahjustused.

4. Järelevalve ja hooldus:

• Potentsiaalne jälgimine: eelinstallitud-võrdluselektroodide või ROV-kontrollide kaudu.
• Anoodi tarbimise kontrollid: anoodi jääkmassi või voolu väljundi regulaarne mõõtmine.
• Nutikad süsteemid: IoT{0}}lubatud reaalajas{1}}andmeedastus maismaal asuvatesse juhtimiskeskustesse.

• Saksamaa Ocean Breeze Energy Bard avamere tuulepark 1.
• Shenneng Hainan CZ{0}}MW avamere tuuleenergia näidisprojekt.
• CGN Shanwei Jiazi II 400MW avamere tuulepargi ICCP süsteemi uurimisprojekt.
• SPIC Xiangshan 1# 500MW avamere tuulepargi projekt.
• Hiina kolme kuru Yangjiang Yangxi Shapa 300MW avamere tuuleenergia projekt.
• Huadian Fujian Fuqing Haitani väina 300MW avamere tuuleprojekt.
• CPI Dafeng H3# 300MW avamere tuulepargi projekt.

1. Tehnilised väljakutsed

• Dünaamilised koormusefektid: laine{0}}indutseeritud väsimuspraod anoodi{1}}struktuuri ühendustes.
• Sügav{0}}merekeskkond: anoodivoolu ebaühtlane jaotus sügavamal kui 50 meetrit.
• Kulude kontroll: Anoodi materjalikulud moodustavad suurtes tuuleparkides 10-15% kogukuludest.

2. Innovatsiooni suunad

Uued anoodimaterjalid:

• Nano-komposiitanoodid (nt Al-Zn-In-Ti) voolu tõhususe suurendamiseks.
• Keskkonnasõbralikud anoodid (väike raskmetallide lahustuvus).

Intelligentsed süsteemid:

• AI{0}}põhine adaptiivse potentsiaali kohandamise tehnoloogia.
• ROV{0}}abiga koostöö jälgimine.

Hübriidne energiavarustus:

• Päikese- ja tuuleenergia integreerimine, et pakkuda ICCP-süsteemidele rohelist energiat.

3. Standardid ja eeskirjad

Rahvusvahelised standardid:

• ISO 24656-2022 (avamere tuulekonstruktsioonide katoodkaitse).
• DNV-RP-B401 katoodkaitse disain.

Hiina standardid:

• SY/T10030-2018 "Avamere fikseeritud platvormide katoodkaitsesüsteemide disainikood".
• NB/T 10626-2021 "Avamere tuuleparkide projektide korrosioonivastase projekteerimise koodeks".

Katoodkaitsetehnoloogia on avamere tuulekonstruktsioonide vastupidavuse tagamise nurgakivi, mis nõuab materjaliteaduse, meretehnika ja nutikate seiretehnoloogiate integreerimist. Kuna tööstus areneb sügavamate vete ja suuremate võimsuste suunas, rõhutavad CP-süsteemid suuremat tõhusust, keskkonnasäästlikkust ja intelligentsust. Tulevased uuendused materjalide ja digitaalse haldamise vallas vähendavad eeldatavasti olelusringi kulusid ja toetavad avamere tuuleenergia ülemaailmset jätkusuutlikku arengut.