海上风电导管架的外加电流阴极保护装置及设计和安装方法与流程

本发明涉及一种海上风电导管架的外加电流阴极保护装置及设计和安装方法。

背景技术：

1、海上风电作为近年来国家主要发展的清洁能源，具有单机装机容量大、有效利用小时数高以及不占用陆地资源等优点，已成为国家能源重要战略储备方式之一。风电基础钢制风电导管架由金属构件制成，其内壁中空，在打桩时残留有含盐量较高的海水和泥沙，受潮气和盐雾影响，极易腐蚀。外壁处于波动的海水中，在整个寿命周期中常年受盐雾、海洋大气、洋流及浪花飞溅等影响而导致腐蚀。目前海上风电钢制风电导管架基础常采用涂层与牺牲阳极或外加电流相结合的阴极保护方式，而涂层在受到洋流及异物长时间冲刷时极易破损，无法提供长周期保护。牺牲阳极又存在环境污染重、使用寿命短、输出电流大小不可控及运维期间电位难以检测的特性，故逐渐退出了海上风电阴极保护的应用市场。外加电流阴极保护方式具有重量轻、使用寿命长、环境污染少、输出电压和电流可调等优点，越来越受到人们的欢迎。

2、然而目前市面上海上风电风电导管架外加电流阴极保护系统中的电极结构常采用张紧式结构或固定法兰式结构。对于张紧式结构，如专利号为cn108286249a，专利名称为“一种张紧式外加电流阴极保护系统及其安装布置方法”的中国发明专利，其采用钢缆锚栓悬拉，该装置对安装工人及安装工具要求较高，且在工程运维阶段还需潜水员深潜维护，风险系数高，应用受限。对于固定法兰式结构，如专利号为cn113388840b，专利名称为“一种海上风电钢结构阴极保护固定装置”以及专利号为cn114182262a，专利名称“海上钢结构防腐蚀装置及其控制方法”的中国发明专利，均是在风电导管架制造阶段由工人将电极体安装固定于风电导管架/单桩电缆管对接到法兰上，这样的结构在安装过程中由于电极体自重，一直存在安装及拉线困难的问题。

3、电极体法兰与电缆管对接法兰采用跨接电缆或点焊螺栓以实现电极体与风电导管架本体的导通，该方式常由于操作工人对点焊位置的油漆保护不到位，在外加电流阴极保护系统正式投运前即发生焊点腐蚀，存在极大的腐蚀隐患。此外，法兰式电极装置由于采用螺栓法兰结构，其一次安装服役周期贯穿于整个风电风电导管架的全生命周期，时间长达25年以上，终身不可更换。而且在服役运维过程中出现电极体油漆脱落需要补漆，或参比电极出现海生物附着等情况时只能由潜水员下潜至电极体位置进行人工处理，该方式无疑是增加了运维风险及人力成本。

4、因此，亟需开发一种结构简单轻便，利于安装且便于运维的适用于海上风电风电导管架的外加电流阴极保护装置。

技术实现思路

1、有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种海上风电导管架的外加电流阴极保护装置及设计和安装方法，该装置安装快捷且操作方便；运维时无需运维人员下潜，运维安全系数高；阴极保护效果好且防腐效果好，有利于降低成本。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

3、本发明的一个目的是提供了一种海上风电导管架的外加电流阴极保护装置，包括电缆钢管、辅助阳极组件和参比电极组件，所述电缆钢管与所述风电导管架的支腿固定连接，所述电缆钢管包括钢管主体和弯管段，所述辅助阳极组件和参比电极组件位于所述钢管主体的内部，所述钢管主体包括多个钢管格栅和多个连接管，所述钢管主体沿其轴向由所述钢管格栅和连接管交替设置；每个所述钢管主体内设置有两个所述辅助阳极组件及一个所述参比电极组件，所述参比电极组件位于两个所述辅助阳极组件之间，所述辅助阳极组件及参比电极组件均位于所述电缆钢管的钢管格栅内，所述弯管段用于为所述辅助阳极组件和参比电极组件进入钢管主体提供入口，所述弯管段的一端与所述支腿的顶部连接。在海上风电导管架的每根支腿对应海水的浪花飞溅层及深水层处各设置一个辅助阳极组件，参比电极组件设置在两个辅助阳极组件之间的中心位置，风电导管架的各个支腿之间相互形成备用关系，这样的布置有利于电流发散均匀，并且对风电导管架的保护效果好。

4、通过将外加电流阴极保护装置的电缆钢管与风电导管架的支腿固定连接，从电缆钢管的弯管段部分将辅助阳极组件和参比电极组件放入到电缆钢管的钢管主体中，由于弯管段的入口端靠近支腿的顶部，而风电导管的支腿顶部以及工作平台均是位于海面以上的，因此本发明的外加电流阴极保护装置的结构设计使得工作人员在安装或拆卸外加电流阴极保护装置时均只需在工作平台上进行操作，无需下潜到海面以下，有利于提高运维安全系数，并且降低人力和物力成本。

5、根据本发明的一些优选实施方面，所述辅助阳极组件包括第一套筒以及位于所述第一套筒内部的辅助阳极、配重块和多个托板；所述第一套筒的筒壁设置有多排第一通孔单元，每排所述第一通孔单元均包括多个间隔设置的贯穿所述第一套筒厚度方向的第一通孔。

6、根据本发明的一些优选实施方面，每排所述第一通孔单元的长度小于或等于所述第一套筒的长度，所述第一通孔单元的中心与所述第一套筒的中心位于同一竖直方向上，所述钢管格栅的长度大于所述第一套筒的长度。

7、根据本发明的一些优选实施方面，每个所述托板均包括支撑柱和多个间隔设置在所述支撑柱外壁上的延伸块，所述延伸块的顶面固定设置有凸条，多个所述凸条与延伸块与支撑柱之间围成限位部，所述凸条及延伸块远离所述支撑柱的侧壁与所述第一套筒的内壁连接。

8、根据本发明的一些优选实施方面，所述支撑柱沿其高度延伸方向开设有用于容纳所述配重块的凹槽，所述凹槽贯穿所述支撑柱的顶面，所述支撑柱的底部开设有第二通孔，所述第二通孔与凹槽连通，所述第二通孔的长度与所述凹槽的高度之和等于所述支撑柱的高度。

9、根据本发明的一些优选实施方面，所述辅助阳极的两端均设置有所述托板，所述辅助阳极的两端分别位于所述限位部中，所述辅助阳极的阳极电缆穿过靠近所述参比电极组件的一个所述托板上的第二通孔。

10、根据本发明的一些优选实施方面，所述参比电极组件包括第二套筒以及位于所述第二套筒内部的参比电极、配重块和多个托板；所述第二套筒的筒壁设置有多排第二通孔单元，每排所述第二通孔单元均包括多个间隔设置的贯穿所述第二套筒厚度方向的第二通孔。

11、根据本发明的一些优选实施方面，每排所述第二通孔单元的长度小于或等于所述第二套筒的长度，所述第二通孔单元的中心与所述第二套筒的中心位于同一竖直方向上，所述钢管格栅的长度大于所述第二套筒的长度，所述第二套筒的长度小于所述第一套筒的长度。

12、根据本发明的一些优选实施方面，所述参比电极的两端均设置有所述托板，所述参比电极的两端分别位于所述限位部中，所述参比电极的测量电缆穿过靠近其中一个所述辅助阳极组件的一个所述托板上的第二通孔。

13、根据本发明的一些优选实施方面，所述参比电极组件分别到两个所述辅助阳极组件的距离相等，两个所述辅助阳极组件的辅助阳极之间通过一根所述阳极电缆连接，所述阳极电缆贯穿所述参比电极组件；所述参比电极组件的测量电缆通过电缆夹与所述辅助阳极组件的阳极电缆连接。

14、根据本发明的一些优选实施方面，所述弯管段的一端与所述钢管主体连接，所述弯管段的另一端设置有密封组件，所述弯管段靠近所述密封组件的端部开设有贯穿管壁厚度方向的安装孔，所述弯管段对应所述安装孔设置有用于盖合所述安装孔的盖板。

15、根据本发明的一些优选实施方面，所述风电导管架包括工作平台和多个所述支腿，所述工作平台靠近所述支腿的顶部，所述工作平台固定设置在多个所述支腿的上端部；所述连接管的外壁固定设置有延伸管，所述延伸管远离所述连接管的一端与所述支腿固定连接。

16、本发明的另一个目的是提供一种如上所述的外加电流阴极保护装置的设计方法，包括如下步骤：

17、获取海上风电导管架平均水位以下需保护的面积、海上风电导管架的将军柱腹板上的通口的高度h以及海上风电导管架的支腿上的各个焊缝的高度；

18、根据保护面积计算辅助阳极组件的直径d及长度l，根据参比电极的年消耗率计算参比电极组件的直径d1及长度l1；若l>h，继续优化辅助阳极组件的直径d直至l<h；若l1>h，继续优化参比电极组件的直径d1直至l1<h；

19、根据海上风电导管架的支腿上各个焊缝的高度、辅助阳极组件的长度l以及参比电极组件的长度l1，计算钢管格栅的长度l2；l2>l且l2>l1；

20、确定辅助阳极组件及参比电极组件在钢管主体内部的安装位置；

21、分别计算辅助阳极的阳极电缆及参比电极组件的测量电缆的长度及承重力，对阳极电缆及测量电缆进行选型，完成设计。

22、根据本发明的一些优选实施方面，通过对海上风电导管架的结构和其所处海域的水文信息对海上风电导管架进行三维建模以获取海上风电导管架平均水位以下需保护的面积、海上风电导管架的将军柱腹板上的通口的高度h以及海上风电导管架的支腿上的各个焊缝的高度。

23、根据本发明的一些优选实施方面，所述确定辅助阳极组件及参比电极组件在钢管主体内部的安装位置的步骤中，所述钢管主体中的每个连接管的外壁固定设置的延伸管与所述支腿的连接处位于相邻的两个焊缝之间。

24、本发明的又一个目的是提供一种如上所述的外加电流阴极保护装置的安装方法，包括如下步骤：

25、在海上风电导管架的制造阶段将电缆钢管安装在支腿上，并在电缆钢管上对阳极电缆及测量电缆的位置进行标定；将辅助阳极组件及参比电极组件从弯管段的安装孔按序放入电缆钢管内，直至阳极电缆及测量电缆均放至标定位置，再将阳极电缆及测量电缆与密封组件进行锁紧固定，最后对将军柱腹板上的通口以及弯管段的盖板进行包覆，完成安装。

26、由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本发明的有益之处在于：

27、(1)本发明的外加电流阴极保护装置的电缆钢管内的辅助阳极组件和参比电极组件可更换，并且现场安装人员直接在风电导管架的工作平台上即可进行安装或拆卸操作，无需人员下潜，运维安全系数高；并且安装成本低，普适性强，有利于降低人力和物力成本。

28、(2)采用可更换式的辅助阳极组件和参比电极组件，使得电极体与电缆钢管之间无需点焊及跨接电缆，有利于降低生产成本，且不存在焊点的腐蚀隐患问题，有效的解决了外加电流在投运前未通电时焊点保护不到位的问题。