海上风电牺牲阳极阴极保护是通过牺牲阳极材料（如铝合金、锌合金等）为金属结构（如风机基础、钢管桩、水下钢构件等）提供电化学保护的技术，可有效防止海水环境中的腐蚀。

核心组件

• 牺牲阳极：

• 材料选择：常用铝合金阳极（适用于海水及高电阻率环境，如 pH 7~9 的海水，电流效率高）、锌合金阳极（适用于海水及中性土壤，电位稳定）。

• 形状规格：块状、带状、镯式等，需根据保护结构尺寸和腐蚀环境设计。

• 参比电极：用于监测保护电位，常用银 / 氯化银电极（海水环境）或铜 / 硫酸铜电极（土壤环境）。

• 连接电缆：导静电电缆（如铜芯电缆），确保阳极与被保护结构可靠电连接。

2. 保护原理

牺牲阳极的电位比被保护金属（如钢）更负，作为 “阳极” 优先腐蚀，释放电子流向被保护金属，使其成为 “阴极”，从而抑制金属腐蚀。

如何设计计算

1. 保护电位范围

• 钢在海水中的保护电位需达到 **-0.85 V（相对于银 / 氯化银电极）** 或更负，确保完全极化。

• 需避免过保护（电位过负可能导致氢脆）。

2. 阳极用量计算

• 保护电流密度：海水环境中，钢的保护电流密度通常取 10~30 mA/m²（流速、盐度、生物附着等因素会影响取值）。

• 阳极质量计算：m=Z×ηI×t×8760
  其中：

• I：保护电流（A）；

• t：设计保护年限（年）；

• Z：阳极理论电容量（A・h/kg，如铝合金约 2500 A・h/kg）；

• η：电流效率（铝合金约 85%，锌合金约 95%）。

3. 阳极布置原则

• 均匀分布：围绕风机基础、钢管桩等结构对称布置，避免保护盲区。

• 距离控制：阳极与被保护结构的距离一般为 0.5~3 m，太远会增加回路电阻，太近可能导致局部过保护。

• 防冲刷固定：海底阳极需用混凝土基床、支架或抱箍固定，防止洋流冲刷移位。

  

如何施工

1. 前期准备

• 结构表面处理：清除被保护金属表面的氧化皮、海生物附着层，确保导电良好（必要时进行喷砂除锈）。

• 阳极预处理：检查阳极外观、电缆连接点密封性，测试阳极开路电位（铝合金约 - 1.05 V，锌合金约 - 1.10 V vs 银 / 氯化银电极）。

• 潜水作业设备：ROV（水下机器人）或潜水员装备，用于水下安装。

2. 阳极安装

场景 1：单桩基础阳极安装

• 水下焊接：通过潜水员或 ROV 将阳极支架焊接到桩身指定位置（如泥面以下 3~5 m 区域，腐蚀严重），再固定阳极块。

• 镯式阳极：对于直径较大的桩，可采用分体式镯式阳极，环绕桩身拼接固定，通过电缆与桩体焊接连接。

场景 2：群桩基础阳极安装

• 矩阵式布置：在群桩外围海底铺设阳极阵列，用混凝土压载块固定，通过电缆连接至各桩基础。

• 跨接电缆：若多根桩之间未电气连通，需用电缆跨接，确保保护电流均匀分布。

场景 3：过渡段（潮差区）保护

• 复合保护：潮差区（海水涨落交替区域）腐蚀剧烈，可结合涂层防护（如环氧富锌漆）与牺牲阳极，阳极采用带状或镯式结构，紧密贴合金属表面。

3. 电缆连接与测试

• 焊接工艺：电缆与金属结构采用铝热焊或螺栓压接，确保低电阻连接（接触电阻＜0.01 Ω）。

• 绝缘处理：连接处用防水胶带、热缩套管密封，防止海水渗入导致腐蚀。

• 电位测试：

• 安装后测试保护电位，确保达到 - 0.85 V 以下；

• 定期监测阳极消耗速率和电位稳定性，评估保护效果。

关键技术难点与解决方案

1. 高电阻率环境

• 问题：海床泥沙沉积或淡水混入可能导致局部电阻率升高，降低阳极效率。

• 解决：采用高电位铝合金阳极（如添加铟、锌元素），或增加阳极数量、减小安装间距。

2. 洋流与冲刷

• 问题：强洋流可能冲散阳极周围的腐蚀产物，加速阳极消耗；或导致阳极移位、电缆断裂。

• 解决：

• 阳极底座使用混凝土配重块或金属支架固定；

• 电缆预留松弛量，避免张力拉扯，并包裹耐磨护管。

3. 长期监测维护

• 智能监测系统：集成电位传感器、数据采集模块，通过海底电缆或无线传输（如水声通信）实时监测电位、电流数据。

• 定期巡检：每 1~2 年通过潜水或 ROV 检查阳极剩余质量、电缆连接状态，及时更换消耗殆尽的阳极。

参考标准与规范

• 国内标准：

• 《钢质海洋结构物牺牲阳极阴极保护设计与施工规范》（GB/T 37561）；

• 《水运工程质量检验标准》（JTS 257）中关于阴极保护的验收要求。

• 国际标准：

• NACE RP0176《Sacrificial Anode Cathodic Protection for Offshore Structures》；

• ISO 15285《Cathodic protection of metallic structures - General principles》。

应用案例

某海上风电场单桩基础采用铝合金牺牲阳极保护，每个基础布置 8 块 100 kg 阳极块，呈环状分布于泥面以下 2 m 处，设计保护年限 20 年。运行 3 年后监测显示，钢桩保护电位稳定在 - 0.92 V，阳极平均消耗率约 3.5 kg / 年，满足预期效果。

通过合理设计阳极类型、布置方式及监测体系，牺牲阳极阴极保护可显著延长海上风电设施的服役寿命，降低维护成本，是海洋工程中成熟可靠的腐蚀控制技术。