Anvendelsen av katodisk beskyttelsesteknologi i offshore vindparker

Katodisk beskyttelsesteknologi (Cathodic Protection, CP) er en kritisk korrosjonskontrollteknikk i offshore vindindustrien, primært brukt til å beskytte stålkonstruksjoner (som monopile-fundamenter, jacket-strukturer og offshore-transformatorstasjoner) mot elektrokjemisk korrosjon i sjøvann og marine atmosfæriske miljøer. På grunn av den langsiktige-eksponeringen av havvindanlegg for komplekse korrosive miljøer preget av høy saltholdighet, fuktighet, bølgeskuring og mikroorganismer, har katodisk beskyttelsesteknologi blitt et av kjernetiltakene for å sikre langsiktig-sikkerhetsdrift.

Korrosjon i havvindanlegg stammer primært fra følgende miljøfaktorer:

• Sjøvannskorrosjon: Høy saltholdighet, oppløst oksygen og kloridioner akselererer metallkorrosjon.
• Tidevannssonekorrosjon: Vekslende våte-tørre sykluser skaper forskjeller i oksygenkonsentrasjon, og forsterker lokal korrosjon.
• Marin biobegroing: Mikroorganismer (f.eks. sulfat-reduserende bakterier) fremmer lokal korrosjon.
• Syklisk belastning: Dynamiske påkjenninger indusert av vind og bølger akselererer korrosjonstretthet.

Typiske korrosjonsutsatte områder-:

• Monopile fundamenter: Nedsenket sone, tidevannssone, sprutsone.
• Jakkestrukturer og overgangsstykker: Sveisede skjøter, rørformede noder.
• Offshore transformatorstasjonsplattformer: Stålpeler, dekkstøttekonstruksjoner.
• Innvendige rørledninger: Kabelstålforingsrør, fugerør.

1. Sacrificial Anode Cathodic Protection (SACP)

Prinsipp:

• Bruker metaller med høyere elektrokjemisk aktivitet (f.eks. aluminium, sinklegeringer) som anoder, som fortrinnsvis korroderer for å beskytte stålkonstruksjoner.

Søknader:

• Monopile fundamenter: Anoder sveiset eller boltet direkte på pelens overflate.
• Jacket tubular noder: Ringformede anoder installert rundt rørformede skjøter.
• Overgangsstykke fugesoner: Anoder innstøpt i fugematerialer.

Anode materialer:

• Aluminiumslegeringsanoder: Høy strømeffektivitet (85%~90%), høy elektrisk kapasitet, egnet for sjøvannsmiljøer.
• Sinklegeringsanoder: Utmerket stabilitet, strømeffektivitet på 90% ~ 95% i sjøvann og havbunnsslam, egnet for sjøvann og undersjøiske gjørmemiljøer.

Designhensyn:

• Beregn anodemengde og fordeling basert på strukturens levetid (typisk 25-30 år).
• Vurder kravene til strømtetthet (f.eks. nedsenket sone: 80~120 mA/m²; tidevannssone: 150~200 mA/m²; sub-slamsone: 20~25 mA/m²).

2. Impressed Current Cathodic Protection (ICCP)

Prinsipp:

• Bruker en ekstern strømkilde for å tvinge strøm inn på den beskyttede strukturen, og induserer katodisk polarisering på metalloverflaten.

Søknader:

• Store offshore transformatorstasjonsplattformer: Høyt dekningsområde og nåværende etterspørsel.
• Komplekse strukturer: Multi-kapper eller dynamiske kabelsystemer.

Systemkomponenter:

• Anoder: Blandet metalloksid (MMO) anoder, platinisert niobanode, platinisert titananode.
• Strømforsyning: transformatorlikerettere eller konstantstrømlikerettere.
• Referanseelektroder: Ag/AgCl- eller sinkelektroder for sann-tidspotensialovervåking.

Fordeler:

• Justerbar strømutgang for å tilpasse seg dynamiske korrosjonsmiljøer.
• Suitable for long-life projects (>30 år) med lave vedlikeholdskostnader.

1. Potensielle kriterier:

• Beskyttelsespotensialområde for stålkonstruksjoner: -0,80 V ~ -1,10 V (vs. Ag/AgCl-elektrode).
• Unngå over-beskyttelse (potensiale under -1,10 V vs. Ag/AgCl) for å forhindre løs belegg eller sprøhet av hydrogen.

2. Anodelayout og installasjon:

• Monopile fundamenter: Anoder vanligvis anordnet periferisk, med fokus på tidevannssoner og områder under gjørmelinjen.
• Jakkestrukturer: Økt anodetetthet ved rørfuger og sveiser.
• Dynamiske soner: Bruk oppspente hjelpeanoder eller segmenterte design for å imøtekomme strukturell deformasjon.

3. Beleggsynergi:

• CP må kombineres med høy-anti--korrosjonsbelegg (f.eks. epoksy, polyuretan).
• Katodisk beskyttelse kompenserer for beleggsfeil eller skade.

4. Overvåking og vedlikehold:

• Potensiell overvåking: Via forhånds-installerte referanseelektroder eller ROV-inspeksjoner.
• Anodeforbrukskontroller: Regelmessig måling av anodes restmasse eller strømutgang.
• Smarte systemer: IoT-aktiverte sanntids-dataoverføring til kontrollsentre på land.

• Tysklands Ocean Breeze Energy Bard Offshore 1 vindpark.
• Shenneng Hainan CZ2 600MW offshore vindkraftdemonstrasjonsprosjekt.
• CGN Shanwei Jiazi II 400MW offshore vindpark ICCP System Research Project.
• SPIC Xiangshan 1# 500MW havvindparkprosjekt.
• Kina Three Gorges Yangjiang Yangxi Shapa 300MW offshore vindkraftprosjekt.
• Huadian Fujian Fuqing Haitanstredet 300MW offshore vindprosjekt.
• CPI Dafeng H3# 300MW havvindparkprosjekt.

1. Tekniske utfordringer

• Dynamiske belastningseffekter: Bølge-indusert tretthetssprekker ved anode-strukturforbindelser.
• Dyp-sjømiljøer: Ujevn anodestrømfordeling på dybder over 50 meter.
• Kostnadskontroll: Anodematerialkostnader utgjør 10-15 % av totale utgifter i store vindparker.

2. Innovasjonsretninger

Nye anodematerialer:

• Nano-komposittanoder (f.eks. Al-Zn-In-Ti) for å forbedre strømeffektiviteten.
• Miljøvennlige anoder (lav tungmetalloppløsning).

Intelligente systemer:

• AI-basert adaptiv potensialjusteringsteknologi.
• ROV-assistert samarbeidsovervåking.

Hybrid energiforsyning:

• Integrasjon av sol- og vindkraft for å gi grønn energi til ICCP-systemer.

3. Standarder og forskrifter

Internasjonale standarder:

• ISO 24656-2022 (Katodisk beskyttelse av offshore vindkonstruksjoner).
• DNV-RP-B401 katodisk beskyttelsesdesign.

Kinesiske standarder:

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

Katodisk beskyttelsesteknologi er en hjørnestein for å sikre holdbarheten til offshore vindkonstruksjoner, som krever integrering av materialvitenskap, marin ingeniørvitenskap og smarte overvåkingsteknologier. Ettersom industrien går videre mot dypere vann og større kapasitet, vil CP-systemer legge vekt på høyere effektivitet, miljømessig bærekraft og intelligens. Fremtidige innovasjoner innen materialer og digital styring forventes å redusere livssykluskostnadene og støtte den globale bærekraftige utviklingen av offshore vindenergi.