海上風電犧牲陽極陰極保護是通過犧牲陽極材料（如鋁合金、鋅合金等）為金屬結構（如風機基礎、鋼管樁、水下鋼構件等）提供電化學保護的技術，可有效防止海水環境中的腐蝕。

核心組件

• 犧牲陽極：

• 材料選擇：常用鋁合金陽極（適用于海水及高電阻率環境，如 pH 7~9 的海水，電流效率高）、鋅合金陽極（適用于海水及中性土壤，電位穩定）。

• 形狀規格：塊狀、帶狀、鐲式等，需根據保護結構尺寸和腐蝕環境設計。

• 參比電極：用于監測保護電位，常用銀 / 氯化銀電極（海水環境）或銅 / 硫酸銅電極（土壤環境）。

• 連接電纜：導靜電電纜（如銅芯電纜），確保陽極與被保護結構可靠電連接。

2. 保護原理

犧牲陽極的電位比被保護金屬（如鋼）更負，作為 “陽極” 優先腐蝕，釋放電子流向被保護金屬，使其成為 “陰極”，從而抑制金屬腐蝕。

如何設計計算

1. 保護電位范圍

• 鋼在海水中的保護電位需達到 **-0.85 V（相對于銀 / 氯化銀電極）** 或更負，確保完全極化。

• 需避免過保護（電位過負可能導致氫脆）。

2. 陽極用量計算

• 保護電流密度：海水環境中，鋼的保護電流密度通常取 10~30 mA/m2（流速、鹽度、生物附著等因素會影響取值）。

• 陽極質量計算：m=Z×ηI×t×8760
  其中：

• I：保護電流（A）；

• t：設計保護年限（年）；

• Z：陽極理論電容量（A?h/kg，如鋁合金約 2500 A?h/kg）；

• η：電流效率（鋁合金約 85%，鋅合金約 95%）。

3. 陽極布置原則

• 均勻分布：圍繞風機基礎、鋼管樁等結構對稱布置，避免保護盲區。

• 距離控制：陽極與被保護結構的距離一般為 0.5~3 m，太遠會增加回路電阻，太近可能導致局部過保護。

• 防沖刷固定：海底陽極需用混凝土基床、支架或抱箍固定，防止洋流沖刷移位。

  

如何施工

1. 前期準備

• 結構表面處理：清除被保護金屬表面的氧化皮、海生物附著層，確保導電良好（必要時進行噴砂除銹）。

• 陽極預處理：檢查陽極外觀、電纜連接點密封性，測試陽極開路電位（鋁合金約 - 1.05 V，鋅合金約 - 1.10 V vs 銀 / 氯化銀電極）。

• 潛水作業設備：ROV（水下機器人）或潛水員裝備，用于水下安裝。

2. 陽極安裝

場景 1：單樁基礎陽極安裝

• 水下焊接：通過潛水員或 ROV 將陽極支架焊接到樁身指定位置（如泥面以下 3~5 m 區域，腐蝕嚴重），再固定陽極塊。

• 鐲式陽極：對于直徑較大的樁，可采用分體式鐲式陽極，環繞樁身拼接固定，通過電纜與樁體焊接連接。

場景 2：群樁基礎陽極安裝

• 矩陣式布置：在群樁外圍海底鋪設陽極陣列，用混凝土壓載塊固定，通過電纜連接至各樁基礎。

• 跨接電纜：若多根樁之間未電氣連通，需用電纜跨接，確保保護電流均勻分布。

場景 3：過渡段（潮差區）保護

• 復合保護：潮差區（海水漲落交替區域）腐蝕劇烈，可結合涂層防護（如環氧富鋅漆）與犧牲陽極，陽極采用帶狀或鐲式結構，緊密貼合金屬表面。

3. 電纜連接與測試

• 焊接工藝：電纜與金屬結構采用鋁熱焊或螺栓壓接，確保低電阻連接（接觸電阻＜0.01 Ω）。

• 絕緣處理：連接處用防水膠帶、熱縮套管密封，防止海水滲入導致腐蝕。

• 電位測試：

• 安裝后測試保護電位，確保達到 - 0.85 V 以下；

• 定期監測陽極消耗速率和電位穩定性，評估保護效果。

關鍵技術難點與解決方案

1. 高電阻率環境

• 問題：海床泥沙沉積或淡水混入可能導致局部電阻率升高，降低陽極效率。

• 解決：采用高電位鋁合金陽極（如添加銦、鋅元素），或增加陽極數量、減小安裝間距。

2. 洋流與沖刷

• 問題：強洋流可能沖散陽極周圍的腐蝕產物，加速陽極消耗；或導致陽極移位、電纜斷裂。

• 解決：

• 陽極底座使用混凝土配重塊或金屬支架固定；

• 電纜預留松弛量，避免張力拉扯，并包裹耐磨護管。

3. 長期監測維護

• 智能監測系統：集成電位傳感器、數據采集模塊，通過海底電纜或無線傳輸（如水聲通信）實時監測電位、電流數據。

• 定期巡檢：每 1~2 年通過潛水或 ROV 檢查陽極剩余質量、電纜連接狀態，及時更換消耗殆盡的陽極。

參考標準與規范

• 國內標準：

• 《鋼質海洋結構物犧牲陽極陰極保護設計與施工規范》（GB/T 37561）；

• 《水運工程質量檢驗標準》（JTS 257）中關于陰極保護的驗收要求。

• 國際標準：

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

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

應用案例

某海上風電場單樁基礎采用鋁合金犧牲陽極保護，每個基礎布置 8 塊 100 kg 陽極塊，呈環狀分布于泥面以下 2 m 處，設計保護年限 20 年。運行 3 年后監測顯示，鋼樁保護電位穩定在 - 0.92 V，陽極平均消耗率約 3.5 kg / 年，滿足預期效果。

通過合理設計陽極類型、布置方式及監測體系，犧牲陽極陰極保護可顯著延長海上風電設施的服役壽命，降低維護成本，是海洋工程中成熟可靠的腐蝕控制技術。