CN113654974A - 一种海上风电单桩基础腐蚀状态的评估方法及监测系统 - Google Patents

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CN113654974A CN202110886725.5A CN202110886725A CN113654974A CN 113654974 A CN113654974 A CN 113654974A CN 202110886725 A CN202110886725 A CN 202110886725A CN 113654974 A CN113654974 A CN 113654974A
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朱天华
田智捷
吴寿康
陈静
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汪力纯
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Nanjing Institute of Technology
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Abstract

本发明公开了一种海上风电单桩基础腐蚀状态评估方法及监测系统，基于逻辑回归模型，建立海上风电单桩基础的腐蚀状态评价模型。实时采集海上风电单桩基础在海洋大气区、浪溅区、潮差区、全浸区和海泥区这五个腐蚀区内壁及外壁的腐蚀速率和保护电位。利用腐蚀状态评价模型以及实测的单桩基础各腐蚀区内壁及外壁腐蚀速率和保护电位，评估腐蚀状态；可以避免定期的人工检测，降低腐蚀状态检测难度，并有效提高腐蚀状态评估效果。

Description

一种海上风电单桩基础腐蚀状态的评估方法及监测系统
技术领域
本发明涉及海上风电技术领域，尤其涉及一种海上风电单桩基础腐蚀状态的评估方法及监测系统。
背景技术
我国海上风电行业经过快速发展，目前装机容量已居世界首位。海上风电基础结构形式包括单桩基础、导管架基础、高桩承台基础、漂浮式基础等。早期投产的海上风电机组多采用单桩基础结构(Monopile foundation)，单桩基础长期经受高温、高湿、高盐雾、长日照和波浪侵蚀等，腐蚀环境恶劣。因此，有效的单桩基础腐蚀防护措施是海上风电机组安全稳定运行的关键。
根据海上风电单桩基础结构在海洋环境中的不同位置，可将海洋腐蚀环境分为海洋大气区、浪溅区、潮差区、全浸区和海泥区等五个腐蚀区。海上风电基础结构常用的腐蚀防护措施有腐蚀余量法、涂装法及阴极保护法等，一般按照不同腐蚀区分别进行设计，多种腐蚀防护措施配合使用。由于海上风电单桩基础所处环境复杂，对腐蚀状态的人工检测难度大且成本高，测试效果不佳。现有海上风电单桩基础腐蚀监测技术，仅限于利用参比电极测量单桩上各监测点的阴极保护电位，未能实现对基础结构腐蚀状态多个表征参数的连续监测，从而准确全面地反映基础结构各运行阶段的腐蚀状态及其变化。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提出了一种海上风电单桩基础腐蚀状态的评估方法及监测系统，能够安全、经济、可靠地监测海上风电单桩基础腐蚀状态，评估腐蚀防护效果，准确全面地反映单桩基础的腐蚀状态及其变化。
一种海上风电单桩基础腐蚀状态评估方法，包括以下步骤：
S1、结合海上风电单桩基础在各腐蚀区的钢材材质及设计制造参数，建立海上风电单桩基础在各腐蚀区的腐蚀速率及阴极保护电位数据库。
S2、选取数据库内各腐蚀区的腐蚀速率及保护电位作为评价指标，建立海上风电单桩基础腐蚀状态的评价模型。
S3、基于机器学习逻辑回归模型和评价模型，建立单桩基础的腐蚀状态预测函数。
S4、采集单桩基础在各腐蚀区内壁及外壁的腐蚀速率和保护电位。
S5、基于S4所采集的单桩基础在各腐蚀区内壁及外壁的腐蚀速率和保护电位、所述腐蚀状态预测函数，评估单桩基础当前的腐蚀状态。
进一步，S2中建立海上风电单桩基础的腐蚀状态的评价模型的方法为：
S2.1、对各评价指标数据进行数据标准化处理；
S2.2、建立海上风电单桩基础腐蚀状态评价模型，表示为：
Figure BDA0003194433000000021
式中，I为评价指标数量；μi为第i个评价指标的权重；xi为第i个评价指标的数值。
进一步，S3中建立单桩基础的腐蚀状态预测函数的方法为：
基于逻辑回归模型构成单桩基础的腐蚀状态评估模型，表示为：
Figure BDA0003194433000000022
则海上风电单桩基础的腐蚀状态预测函数表示为：
Figure BDA0003194433000000023
其中，h(x)为腐蚀失效概率，y＝0表示单桩基础腐蚀状态良好，y＝1表示单桩基础腐蚀状态故障。
进一步，在单桩基础的海洋大气区、浪溅区、潮差区、全浸区和海泥区这五个腐蚀区的内壁、外壁分别选取监测点，在监测点处分别设置腐蚀速率传感器和参比电极，用于连续采集各监测点腐蚀速率。
进一步，腐蚀速率通过电阻探针法进行监测，通过测量金属试片因腐蚀引起的电阻变化，从而计算一定暴露时间内的累计腐蚀量以及腐蚀速率。
进一步，参比电极用于连续采集监测点处的阴极保护电位。
一种海上风电单桩基础腐蚀状态监测系统，包括监测仪、信号传输单元和监测终端，所述监测仪信号连接腐蚀速率传感器和参比电极，用于采集、存储、分析、显示腐蚀状态数据；信号传输单元为无线信号发射器，通过信号传输单元将腐蚀状态数据发送至监测终端，监测终端显示所采集的腐蚀状态数据，并对单桩基础腐蚀状态进行提醒。
有益效果：
1、本申请所涉及的海上风电单桩基础腐蚀状态的评估方法，通过对单桩基础各腐蚀区的腐蚀速率及阴极保护电位实时监测，安全、经济、可靠地连续监测单桩基础腐蚀状态。
2、本申请所涉及的海上风电单桩基础腐蚀状态的评估方法，避免定期的人工检测，降低腐蚀状态检测难度，减少成本，提高腐蚀状态评估效果。
3、本申请所涉及的海上风电单桩基础腐蚀状态评估方法，选取各腐蚀区的腐蚀速率及保护电位作为评价指标，建立腐蚀状态评价模型，准确全面地反映单桩基础腐蚀状态及其变化。
附图说明
图1是本发明中单桩基础各腐蚀区的腐蚀速率示意图；
图2是本发明单桩基础上腐蚀速率传感器和参比电极安装示意图；
图3是本发明中所使用逻辑回归模型中Sigmoid函数示意图。
图中：1、海洋大气区腐蚀速率传感器，3、浪溅区腐蚀速率传感器，5、潮差区腐蚀速率传感器，7、全浸区腐蚀速率传感器，9、海泥区腐蚀速率传感器，2、海洋大气区参比电极，4、浪溅区参比电极，6、潮差区参比电极，8、全浸区参比电极，10、海泥区参比电极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所采用的技术方案包括：基于逻辑回归模型，建立海上风电单桩基础的腐蚀状态评价模型。实时采集海上风电单桩基础在海洋大气区、浪溅区、潮差区、全浸区和海泥区这五个腐蚀区内壁及外壁的腐蚀速率和保护电位。利用腐蚀状态评价模型以及实测的单桩基础各腐蚀区内壁及外壁腐蚀速率和保护电位，评估腐蚀状态。
本发明所述海上风电单桩基础腐蚀状态评估方法包括以下步骤：
S1、结合海上风电单桩基础在各腐蚀区钢材材质及设计制造参数，建立单桩基础在各腐蚀区的腐蚀速率及阴极保护电位数据库，如图1所示。
S2、选取S1所述数据库内海上风电单桩基础各腐蚀区的腐蚀速率及保护电位为评价指标，建立海上风电单桩基础的腐蚀状态的评价模型，建模的步骤包括：
S2.1、对各评价指标数据进行数据标准化处理；因为各评价指标性质不同，具有不同的量纲和数量级，为保证结果的可靠性，对原始指标数据进行标准化处理。
S2.2、建立海上风电单桩基础腐蚀状态评价模型，由各评价指标的加权和表示，如式(1)所示。
Figure BDA0003194433000000031
式中，I为评价指标数量；μi为第i个评价指标的权重；xi为第i个评价指标的数值。
S3、如图3基于逻辑回归模型，建立海上风电单桩基础腐蚀状态的预测函数。机器学习逻辑回归模型(Logistic Regression)中预测函数如式(2)所示。
Figure BDA0003194433000000041
将腐蚀状态评价公式(1)代入式(2)，构成单桩基础的腐蚀状态评估模型，如式(3)所示。
Figure BDA0003194433000000042
式中，X为评价指标，θ为腐蚀状态，h(x)为腐蚀失效概率。
则海上风电单桩基础的腐蚀状态预测函数为：
Figure BDA0003194433000000043
当y＝0时则单桩基础腐蚀状态良好，y＝1时则单桩基础腐蚀状态故障。
S4、采集单桩基础在各腐蚀区内壁及外壁的腐蚀速率和保护电位，具体包括以下步骤：
S4.1、在单桩基础的海洋大气区、浪溅区、潮差区、全浸区和海泥区等五个腐蚀区内壁及外壁分别选取监测点，连续采集各监测点腐蚀速率。腐蚀速率通过电阻探针法(Electrical Resistance,ER)进行监测，原理是测量金属试片因腐蚀引起的电阻变化，从而计算一定暴露时间内的累计腐蚀量以及腐蚀速率。如图2所示，分别在海洋大气区设置海洋大气区腐蚀速率传感器1、海洋大气区参比电极2，在浪溅区设置浪溅区腐蚀速率传感器3、浪溅区参比电极4；在潮差区设置潮差区腐蚀速率传感器5、潮差区参比电极6；在全浸区设置全浸区腐蚀速率传感器7、全浸区参比电极8；在海泥区设置海泥区腐蚀速率传感器9、海泥区参比电极10。
S4.2、在所述各监测点，连续采集阴极保护电位。阴极保护电位利用参比电极进行测量。
S5、基于所采集的单桩基础在各腐蚀区内壁及外壁的腐蚀速率和保护电位及所述腐蚀状态预测模型，评估单桩基础当前的腐蚀状态。具体地，将所采集的数据(标准化处理后)代入式(3)计算腐蚀失效概率，再根据式(4)进行判断。
基于上述评估方法，本发明还提出了一种海上风电单桩基础腐蚀状态监测系统，包括监测仪、信号传输单元和监测终端，所述监测仪信号连接腐蚀速率传感器和参比电极，用于采集、存储、分析、显示腐蚀状态数据；信号传输单元为无线信号发射器，通过信号传输单元将腐蚀状态数据发送至监测终端，监测终端显示所采集的腐蚀状态数据，并对单桩基础腐蚀状态进行提醒。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种海上风电单桩基础腐蚀状态评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、结合海上风电单桩基础在各腐蚀区的钢材材质及设计制造参数，建立海上风电单桩基础在各腐蚀区的腐蚀速率及阴极保护电位数据库；
S2、选取数据库内各腐蚀区的腐蚀速率及保护电位作为评价指标，建立海上风电单桩基础腐蚀状态的评价模型；
S3、基于机器学习逻辑回归模型和评价模型，建立单桩基础的腐蚀状态预测函数；
S4、采集单桩基础在各腐蚀区内壁及外壁的腐蚀速率和保护电位；
S5、基于S4所采集的单桩基础在各腐蚀区内壁及外壁的腐蚀速率和保护电位、所述腐蚀状态预测函数，评估单桩基础当前的腐蚀状态。
2.根据权利要求1所述的一种海上风电单桩基础腐蚀状态评估方法，其特征在于，S2中建立海上风电单桩基础的腐蚀状态的评价模型的方法为：
S2.1、对各评价指标数据进行数据标准化处理；
S2.2、建立海上风电单桩基础腐蚀状态评价模型，表示为：
Figure FDA0003194432990000011
式中，I为评价指标数量；μi为第i个评价指标的权重；xi为第i个评价指标的数值。
3.根据权利要求2所述的一种海上风电单桩基础腐蚀状态评估方法，其特征在于，S3中建立单桩基础的腐蚀状态预测函数的方法为：
基于逻辑回归模型构成单桩基础的腐蚀状态评估模型，表示为：
Figure FDA0003194432990000012
则海上风电单桩基础的腐蚀状态预测函数表示为：
Figure FDA0003194432990000013
其中，h(x)为腐蚀失效概率，y＝0表示单桩基础腐蚀状态良好，y＝1表示单桩基础腐蚀状态故障。
4.根据权利要求1所述的一种海上风电单桩基础腐蚀状态评估方法，其特征在于，在单桩基础的海洋大气区、浪溅区、潮差区、全浸区和海泥区这五个腐蚀区的内壁、外壁分别选取监测点，在监测点处分别设置腐蚀速率传感器和参比电极，用于连续采集各监测点腐蚀速率。
5.根据权利要求4所述的一种海上风电单桩基础腐蚀状态评估方法，其特征在于，腐蚀速率通过电阻探针法进行监测，通过测量金属试片因腐蚀引起的电阻变化，从而计算一定暴露时间内的累计腐蚀量以及腐蚀速率。
6.根据权利要求4所述的一种海上风电单桩基础腐蚀状态评估方法，其特征在于，参比电极用于连续采集监测点处的阴极保护电位。
7.一种基于如权利要求1所述一种海上风电单桩基础腐蚀状态评估方法的监测系统，其特征在于，包括监测仪、信号传输单元和监测终端，所述监测仪信号连接腐蚀速率传感器和参比电极，用于采集、存储、分析、显示腐蚀状态数据；信号传输单元为无线信号发射器，通过信号传输单元将腐蚀状态数据发送至监测终端，监测终端显示所采集的腐蚀状态数据，并对单桩基础腐蚀状态进行提醒。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114413971A (zh) * 2022-03-29 2022-04-29 武汉新能源研究院有限公司 一种海上风力发电机外壳腐蚀监测系统及方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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