تطبيق تكنولوجيا الحماية الكاثودية في مزارع الرياح البحرية

تكنولوجيا الحماية الكاثودية (الحماية الكاثودية، CP) هي تقنية هامة للتحكم في التآكل في صناعة الرياح البحرية، وتستخدم في المقام الأول لحماية الهياكل الفولاذية (مثل الأساسات الأحادية، وهياكل السترات، والمحطات الفرعية البحرية) من التآكل الكهروكيميائي في مياه البحر والبيئات الجوية البحرية. نظرًا لتعرض منشآت الرياح البحرية على المدى الطويل-البيئات المسببة للتآكل المعقدة التي تتميز بالملوحة العالية والرطوبة والأمواج والكائنات الحية الدقيقة، فقد أصبحت تقنية الحماية الكاثودية أحد الإجراءات الأساسية لضمان التشغيل الآمن على المدى الطويل-.

ينشأ التآكل في منشآت الرياح البحرية في المقام الأول من العوامل البيئية التالية:

• التآكل بمياه البحر: تعمل الملوحة العالية والأكسجين المذاب وأيونات الكلوريد على تسريع تآكل المعادن.
• التآكل في منطقة المد والجزر: يؤدي تناوب الدورات الرطبة{0}}الجافة إلى حدوث اختلافات في تركيز الأكسجين، مما يزيد من حدة التآكل الموضعي.
• الحشف الحيوي البحري: تعمل الكائنات الحية الدقيقة (مثل البكتيريا المختزلة للكبريتات-) على تعزيز التآكل الموضعي.
• التحميل الدوري: تعمل الضغوط الديناميكية الناجمة عن الرياح والأمواج على تسريع إجهاد التآكل.

المناطق المعرضة للتآكل-النموذجية:

• الأساسات الأحادية: المنطقة المغمورة، منطقة المد والجزر، منطقة الرش.
• هياكل السترات والقطع الانتقالية: الوصلات الملحومة والعقد الأنبوبية.
• منصات المحطات الفرعية البحرية: أكوام فولاذية، وهياكل دعم السطح.
• خطوط الأنابيب الداخلية: أغلفة الكابلات الفولاذية، وأنابيب الجص.

1. الحماية الكاثودية للأنود المضحي (SACP)

مبدأ:

• يستخدم المعادن ذات النشاط الكهروكيميائي العالي (مثل الألومنيوم وسبائك الزنك) كأنودات، والتي تتآكل بشكل تفضيلي لحماية الهياكل الفولاذية.

التطبيقات:

• الأساسات الأحادية: أنودات ملحومة أو مثبتة مباشرة على سطح الوبر.
• العقد الأنبوبية سترة: الأنودات الحلقية المثبتة حول المفاصل الأنبوبية.
• مناطق الجص للقطعة الانتقالية: الأنودات المدمجة في مواد الجص.

مواد الأنود:

• أنودات سبائك الألومنيوم: كفاءة تيار عالية (85%~90%)، قدرة كهربائية عالية، مناسبة لبيئات مياه البحر.
• أنودات سبائك الزنك: ثبات ممتاز، كفاءة تيار تبلغ 90%~95% في مياه البحر وطين قاع البحر، مناسبة لمياه البحر وبيئات الطين تحت سطح البحر.

اعتبارات التصميم:

• حساب كمية الأنود وتوزيعه على أساس عمر الهيكل (عادة 25-30 سنة).
• ضع في اعتبارك متطلبات الكثافة الحالية (على سبيل المثال، المنطقة المغمورة: 80~120 مللي أمبير/م²؛ منطقة المد والجزر: 150~200 مللي أمبير/م²؛ منطقة الطين الفرعية-: 20~25 مللي أمبير/م²).

2. الحماية الكاثودية الحالية (ICCP)

مبدأ:

• يستخدم مصدر طاقة خارجي لفرض تدفق التيار على الهيكل المحمي، مما يؤدي إلى الاستقطاب الكاثودي على السطح المعدني.

التطبيقات:

• منصات محطات فرعية بحرية كبيرة: منطقة تغطية عالية وطلب حالي.
• الهياكل المعقدة:-سترات متعددة الوبر أو أنظمة الكابلات الديناميكية.

مكونات النظام:

• الأنودات: أنودات أكسيد الفلز المختلط (MMO)، أنود النيوبيوم البلاتيني، أنود التيتانيوم البلاتيني.
• إمدادات الطاقة: مقومات المحولات أو مقومات التيار المستمر.
• الأقطاب الكهربائية المرجعية: أقطاب Ag/AgCl أو أقطاب الزنك للمراقبة المحتملة في الوقت الفعلي-.

المزايا:

• الناتج الحالي قابل للتعديل للتكيف مع بيئات التآكل الديناميكية.
• Suitable for long-life projects (>30 عامًا) مع تكاليف صيانة منخفضة.

1. المعايير المحتملة:

• نطاق الحماية المحتمل للهياكل الفولاذية: -0.80 فولت ~ -1.10 فولت (مقابل قطب Ag/AgCl).
• تجنب الإفراط في -الحماية (الجهد أقل من -1.10 فولت مقابل Ag/AgCl) لمنع تفكك الطلاء أو تقصف الهيدروجين.

2. تخطيط وتركيب الأنود:

• الأساسات أحادية القطب: يتم ترتيب الأنودات عادةً بشكل محيطي، مع التركيز على مناطق المد والجزر والمناطق الواقعة أسفل الخط الطيني.
• هياكل الغلاف: زيادة كثافة الأنود في المفاصل واللحامات الأنبوبية.
• المناطق الديناميكية: استخدم الأنودات المساعدة المشدودة أو التصميمات المجزأة لاستيعاب التشوه الهيكلي.

3. طلاء التآزر:

• يجب أن يتم دمج CP مع-طبقات مقاومة للتآكل-عالية الأداء (على سبيل المثال، الإيبوكسي والبولي يوريثان).
• تعمل الحماية الكاثودية على تعويض عيوب الطلاء أو تلفه.

4. المراقبة والصيانة:

• المراقبة المحتملة: عبر-الأقطاب الكهربائية المرجعية المثبتة مسبقًا أو عمليات فحص ROV.
• فحوصات استهلاك الأنود: قياس منتظم لكتلة الأنود المتبقية أو الإخراج الحالي.
• الأنظمة الذكية: أتاحت تقنية إنترنت الأشياء -نقل البيانات في الوقت الفعلي- إلى مراكز التحكم البرية.

• مزرعة طاقة الرياح البحرية 1 التابعة لشركة Ocean Breeze Energy Bard الألمانية.
• مشروع Shenneng Hainan CZ2 600MW العرض التوضيحي لطاقة الرياح البحرية.
• مشروع بحث نظام ICCP لمزرعة الرياح البحرية CGN Shanwei Jiazi II بقدرة 400 ميجاوات.
• مشروع مزرعة الرياح البحرية SPIC Xiangshan 1# بقدرة 500 ميجاوات.
• مشروع المضائق الثلاثة في يانججيانغ يانجشي شابا بقدرة 300 ميجاوات في الصين لطاقة الرياح البحرية.
• مشروع هواديان فوجيان فوتشينغ مضيق هايتان بقدرة 300 ميجاوات من طاقة الرياح البحرية.
• CPI Dafeng H3# مشروع مزرعة الرياح البحرية بقدرة 300 ميجاوات.

1. التحديات التقنية

• تأثيرات التحميل الديناميكية: موجة -تشقق الكلال الناتج عن اتصالات هيكل الأنود-.
• بيئات أعماق البحار-: توزيع غير متساوي لتيار الأنود على أعماق تتجاوز 50 مترًا.
• التحكم في التكاليف: تمثل تكاليف مادة الأنود 10-15% من إجمالي النفقات في مزارع الرياح الكبيرة.

2. اتجاهات الابتكار

مواد الأنود الجديدة:

• الأنودات النانوية- المركبة (على سبيل المثال، Al-Zn-In-Ti) لتعزيز الكفاءة الحالية.
• أنودات صديقة للبيئة (انحلال منخفض للمعادن الثقيلة).

الأنظمة الذكية:

• تكنولوجيا التكيف المحتمل القائمة على الذكاء الاصطناعي-.
• ROV-المراقبة التعاونية المساعدة.

إمدادات الطاقة الهجينة:

• تكامل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح لتوفير الطاقة الخضراء لأنظمة ICCP.

3. المعايير واللوائح

المعايير الدولية:

• ISO 24656-2022 (الحماية الكاثودية لهياكل الرياح البحرية).
• DNV-RP-B401 تصميم الحماية الكاثودية.

المعايير الصينية:

• SY/T10030-2018 "كود التصميم لأنظمة الحماية الكاثودية للمنصات الثابتة البحرية".
• NB/T 10626-2021 "كود التصميم المضاد للتآكل لمشاريع مزارع الرياح البحرية".

تعد تقنية الحماية الكاثودية حجر الزاوية لضمان متانة هياكل الرياح البحرية، مما يتطلب التكامل بين علوم المواد والهندسة البحرية وتقنيات المراقبة الذكية. ومع تقدم الصناعة نحو المياه العميقة والقدرات الأكبر، ستركز أنظمة الإنتاج الأنظف على الكفاءة الأعلى والاستدامة البيئية والذكاء. من المتوقع أن تؤدي الابتكارات المستقبلية في مجال المواد والإدارة الرقمية إلى تقليل تكاليف دورة الحياة ودعم التنمية المستدامة العالمية لطاقة الرياح البحرية.