一、系统概述与核心目标
海上风机基础导管架长期处于海水、潮汐、浪溅等强腐蚀环境中,CPMS 系统通过电化学保护原理(牺牲阳极或外加电流)与智能监测技术结合,实时监控导管架的阴极保护状态,确保其电位维持在有效保护范围内(通常为 - 0.85V 至 - 1.5V vs. 饱和硫酸铜参比电极),从而抑制金属腐蚀,延长结构寿命。
二、系统组成与关键部件
阴极保护执行单元
辅助阳极:采用钛基镀铂或混合金属氧化物(MMO)电极,耐海水腐蚀,可长期输出稳定电流;
直流电源:智能恒电位仪,根据参比电极反馈自动调节输出电压(0-30V)和电流(0-100A),确保电位精准控制。
材料:常用铝合金阳极(如 Al-Zn-In 系),电流效率高(≥85%)、单位重量发电量约为锌阳极的 3 倍,适合深海环境;锌合金阳极则用于浅水区,电位稳定(-1.05V 左右)。
安装:焊接于导管架全浸区、浪溅区等腐蚀严重部位,按保护面积计算阳极数量(通常每平方米需 0.5-1kg 阳极)。
牺牲阳极系统:
外加电流系统(ICCP):
监测与传感单元
集成电位、电流、温度、湿度传感器,自动采集保护参数(如极化电位、保护电流密度);
支持断电测试(ON/OFF 电位),消除 IR 降影响,精准评估保护效果。
类型:高纯锌参比电极(海水环境电位 - 1.05V)、Ag/AgCl 参比电极(精度高,适用于长期监测),或复合参比电极(抗污损、耐高压);
布置:在导管架不同水深区域(水面下、泥面附近)埋设,实时采集结构电位。
参比电极:
智能测试桩与传感器:
数据采集与传输单元
智能终端:CPMS 监测仪,内置 MCU 和存储模块,按设定频率(如 1 次 / 10 分钟)采集数据;
无线远传模块:采用 4G、NB-IoT 或卫星通信(深海无信号区域),将数据传输至远程服务器,支持断点续传和加密传输。
中央监控平台
软件系统:具备数据可视化(实时曲线、历史趋势)、报警阈值设定(如电位偏离保护范围、阳极消耗超 80%)、报表生成功能;
分析功能:通过 AI 算法预测阳极寿命、腐蚀速率,生成维护建议。
三、系统工作流程
实时监测:参比电极持续测量导管架电位,测试桩采集电流、环境参数;
数据处理:CPMS 监测仪对原始数据滤波、校准(消除海水电阻、温度影响),计算极化电位;
智能控制:若电位偏离保护范围,恒电位仪自动调整外加电流输出(ICCP 系统),或触发阳极更换预警(牺牲阳极系统);
远程传输与报警:异常数据(如电位正向偏移>50mV)实时推送至监控平台,通过短信、邮件通知运维人员。
四、深水环境下的技术挑战与应对
挑战点
应对措施
高压、高盐腐蚀环境 参比电极采用耐压外壳(承压≥10MPa),阳极表面涂覆防污损涂层(如环氧锌基)
信号传输衰减 采用低功耗 LoRa 无线中继器,或海底光缆直连,确保数据传输率≥99%
阳极寿命与维护难度 优化阳极布置密度(深海区增加 20% 阳极数量),采用可更换式阳极支架设计
生物污损影响 参比电极表面镀防污损涂层(如含氧化亚铜),定期水下机器人(ROV)清洗
五、维护与校准要点
定期检测:
每年通过 ROV 水下检查阳极消耗情况(剩余厚度<30% 时更换);
校准参比电极(与标准电极比对,误差>10mV 时更换)。
数据校准:
每季度进行现场电位标定,修正因海水盐度、温度变化导致的测量偏差;
对比断电电位与 ON 电位,计算 IR 降(>100mV 时优化阳极布局)。
应急方案:
备用电源(太阳能 + 锂电池)确保断电时监测不中断;
双通信链路(4G + 卫星)防止数据传输中断。
六、典型应用案例
某海上风电项目(水深 50 米)采用 CPMS 系统,布置 Al-Zn-In 阳极(单个重量 50kg,共 80 个),搭配 Ag/AgCl 参比电极(3 个深度点位),通过 4G 网络将数据传输至陆基监控中心。运行 3 年后监测数据显示:导管架电位稳定在 - 0.95V~-1.2V,阳极平均消耗率 15%,较传统人工监测方案维护成本降低 40%,腐蚀速率控制在 0.01mm / 年以下。
七、发展趋势
智能化升级:集成 AI 算法预测腐蚀趋势,实现 “预测性维护”;
低功耗设计:采用能量收集技术(波浪能、温差能)为监测设备供电;
一体化集成:与风机 SCADA 系统联动,实现全生命周期健康管理。