De toepassing van kathodische beschermingstechnologie in offshore windparken

Kathodische beschermingstechnologie (Cathodic Protection, CP) is een kritische corrosiebeheersingstechniek in de offshore windindustrie, die voornamelijk wordt gebruikt om staalconstructies (zoals monopile-funderingen, jacket-constructies en offshore-substations) te beschermen tegen elektrochemische corrosie in zeewater en maritieme atmosferische omgevingen. Vanwege de lange- blootstelling van offshore windparken aan complexe corrosieve omgevingen die worden gekenmerkt door een hoog zoutgehalte, vochtigheid, golfslag en micro-organismen, is kathodische beschermingstechnologie een van de belangrijkste maatregelen geworden om hun veilige werking op de lange- termijn te garanderen.

Corrosie in offshore windparken is voornamelijk het gevolg van de volgende omgevingsfactoren:

• Zeewatercorrosie: Een hoog zoutgehalte, opgeloste zuurstof en chloride-ionen versnellen metaalcorrosie.
• Corrosie in de getijdenzone: afwisselende natte-droge cycli veroorzaken verschillen in de zuurstofconcentratie, waardoor de plaatselijke corrosie wordt versterkt.
• Mariene biofouling: Micro-organismen (bijvoorbeeld sulfaat-reducerende bacteriën) bevorderen plaatselijke corrosie.
• Cyclische belasting: Dynamische spanningen veroorzaakt door wind en golven versnellen corrosiemoeheid.

Typische corrosie-gevoelige gebieden:

• Monopile-funderingen: Ondergedompelde zone, getijdenzone, spatzone.
• Mantelconstructies en overgangsstukken: Lasverbindingen, buisvormige knooppunten.
• Offshore onderstationplatforms: stalen palen, dekdraagconstructies.
• Interne pijpleidingen: stalen kabelmantels, groutbuizen.

1. Opofferingsanode-kathodische bescherming (SACP)

Beginsel:

• Gebruikt metalen met een hogere elektrochemische activiteit (bijv. aluminium, zinklegeringen) als anoden, die bij voorkeur corroderen om staalconstructies te beschermen.

Toepassingen:

• Monopile-funderingen: anodes die rechtstreeks op het paaloppervlak worden gelast of vastgeschroefd.
• Buisvormige mantelknooppunten: Ringvormige anodes geïnstalleerd rond buisvormige verbindingen.
• Voegzones voor overgangsstukken: Anodes ingebed in voegmaterialen.

Anodematerialen:

• Anodes van aluminiumlegering: hoog stroomrendement (85% ~ 90%), hoog elektrisch vermogen, geschikt voor zeewateromgevingen.
• Anodes van zinklegering: uitstekende stabiliteit, stroomefficiëntie van 90% ~ 95% in zeewater en modder op de zeebodem, geschikt voor zeewater en onderzeese modderomgevingen.

Ontwerpoverwegingen:

• Bereken de anodehoeveelheid en -verdeling op basis van de levensduur van de structuur (doorgaans 25-30 jaar).
• Houd rekening met de vereisten voor stroomdichtheid (bijvoorbeeld ondergedompelde zone: 80~120 mA/m²; getijdenzone: 150~200 mA/m²; sub-modderzone: 20~25 mA/m²).

2. Onder de indruk gebrachte huidige kathodische bescherming (ICCP)

Beginsel:

• Maakt gebruik van een externe stroombron om de stroom naar de beschermde structuur te forceren, waardoor kathodische polarisatie op het metalen oppervlak wordt geïnduceerd.

Toepassingen:

• Grote offshore-substationplatforms: groot dekkingsgebied en huidige vraag.
• Complexe constructies: meer-polige mantels of dynamische kabelsystemen.

Systeemcomponenten:

• Anodes: anodes van gemengd metaaloxide (MMO), geplatineerde niobiumanode, geplatineerde titaniumanode.
• Voeding: transformatorgelijkrichters of gelijkrichters met constante stroom.
• Referentie-elektroden: Ag/AgCl- of zinkelektroden voor real-potentiaalbewaking.

Voordelen:

• Instelbare stroomuitgang voor aanpassing aan dynamische corrosieomgevingen.
• Suitable for long-life projects (>30 jaar) met lage onderhoudskosten.

1. Mogelijke criteria:

• Beveiligingspotentieelbereik voor staalconstructies: -0,80 V ~ -1,10 V (vs. Ag/AgCl-elektrode).
• Vermijd over{0}}bescherming (potentialen lager dan -1,10 V vs. Ag/AgCl) om loslating van de coating of waterstofbrosheid te voorkomen.

2. Anode-indeling en installatie:

• Monopile-funderingen: Anodes die doorgaans in de omtreksrichting zijn gerangschikt, met de nadruk op getijdenzones en gebieden onder de modderlijn.
• Mantelstructuren: verhoogde anodedichtheid bij buisverbindingen en lassen.
• Dynamische zones: Gebruik gespannen hulpanodes of gesegmenteerde ontwerpen om structurele vervorming op te vangen.

3. Synergie van coatings:

• CP moet worden gecombineerd met hoogwaardige -corrosiewerende coatings- (bijv. epoxy, polyurethaan).
• Kathodische bescherming compenseert defecten of beschadigingen aan de coating.

4. Monitoring en onderhoud:

• Mogelijke monitoring: via vooraf-geïnstalleerde referentie-elektroden of ROV-inspecties.
• Controles van anodeverbruik: Regelmatige meting van de restmassa van de anode of de stroomopbrengst.
• Slimme systemen: IoT-maakte real-datatransmissie naar onshore controlecentra mogelijk.

• Het Duitse Ocean Breeze Energy Bard Offshore 1-windpark.
• Shenneng Hainan CZ2 600MW demonstratieproject voor offshore windenergie.
• CGN Shanwei Jiazi II 400MW offshore windpark ICCP-systeemonderzoeksproject.
• SPIC Xiangshan 1# 500MW offshore windparkproject.
• China Three Gorges Yangjiang Yangxi Shapa 300MW offshore windenergieproject.
• Huadian Fujian Fuqing Straat Haïtan 300MW offshore windproject.
• CPI Dafeng H3# 300MW offshore windparkproject.

1. Technische uitdagingen

• Dynamische belastingseffecten: golf-geïnduceerde vermoeiingsscheuren bij anode-structuurverbindingen.
• Diep{0}}omgevingen in de zee: ongelijkmatige stroomverdeling van de anode op diepten van meer dan 50 meter.
• Kostenbeheersing: De materiaalkosten van anode bedragen 10-15% van de totale uitgaven in grote windparken.

2. Innovatierichtingen

Nieuwe anodematerialen:

• Nano-composietanodes (bijv. Al-Zn-In-Ti) om de stroomefficiëntie te verbeteren.
• Milieuvriendelijke anodes (lage oplossing van zware metalen).

Intelligente systemen:

• Op AI-gebaseerde technologie voor adaptieve potentiële aanpassing.
• ROV-ondersteunde gezamenlijke monitoring.

Hybride energievoorziening:

• Integratie van zonne- en windenergie om groene energie te leveren voor ICCP-systemen.

3. Normen en regelgeving

Internationale normen:

• ISO 24656-2022 (kathodische bescherming van offshore windconstructies).
• DNV-RP-B401 Kathodische beschermingsontwerp.

Chinese normen:

• SY/T10030-2018 "Ontwerpcode voor kathodische beschermingssystemen van vaste offshore-platforms".
• NB/T 10626-2021 "Code voor anticorrosieontwerp van offshore windparkprojecten".

Kathodische beschermingstechnologie is een hoeksteen voor het garanderen van de duurzaamheid van offshore windconstructies, waarvoor de integratie van materiaalkunde, waterbouwkunde en slimme monitoringtechnologieën vereist is. Naarmate de industrie zich verder ontwikkelt in de richting van diepere wateren en grotere capaciteiten, zullen CP-systemen de nadruk leggen op hogere efficiëntie, ecologische duurzaamheid en intelligentie. Verwacht wordt dat toekomstige innovaties op het gebied van materialen en digitaal beheer de levenscycluskosten zullen verlagen en de mondiale duurzame ontwikkeling van offshore windenergie zullen ondersteunen.