Ứng dụng công nghệ bảo vệ catốt tại các bến cảng

Công nghệ Bảo vệ Cathodic (CP) là một kỹ thuật chống ăn mòn-quan trọng trong ngành cảng và cầu cảng, chủ yếu được sử dụng để bảo vệ các kết cấu kim loại như cọc thép, cọc ống thép, cọc ván thép, cổng thép, đường ống dẫn dầu và móng cầu vượt-biển khỏi sự ăn mòn điện hóa trong nước biển, vùng thủy triều và môi trường đất. Các cơ sở cảng thường xuyên phải tiếp xúc với môi trường ăn mòn phức tạp, đặc trưng bởi độ mặn, độ ẩm cao, điều kiện khô-ướt xen kẽ và bám bẩn sinh học. Bảo vệ catốt, kết hợp với-lớp phủ chống ăn mòn, giúp kéo dài đáng kể tuổi thọ sử dụng của kết cấu (thường được thiết kế trong hơn 50 năm).

1. Khu ăn mòn

Môi trường ăn mòn tại cảng, bến được chia thành các vùng sau theo vị trí:

• Vùng ngập nước: Ngâm nước biển vĩnh viễn với tốc độ ăn mòn bị ảnh hưởng bởi oxy hòa tan, độ mặn, nhiệt độ và sinh vật biển.
• Vùng thủy triều: Điều kiện khô-ướt xen kẽ gây ra hiện tượng ăn mòn tế bào tập trung oxy, với tốc độ ăn mòn cao nhất (lên tới 0,5 mm/năm).
• Vùng nước bắn tung tóe: Tác động của sóng và phun nước lặp đi lặp lại, thể hiện tốc độ ăn mòn-cao thứ hai sau vùng thủy triều.
• Vùng khí quyển: Sương mù muối và bức xạ tia cực tím làm tăng tốc độ thoái hóa và bong tróc lớp phủ.

2. Các dạng ăn mòn sơ cấp

• Ăn mòn điện hóa: Kim loại-điện phân (nước biển/đất) tiếp xúc hình thành các tế bào ăn mòn.
• Ăn mòn kẽ hở: Tích tụ chất ăn mòn tại các điểm nối giữa cọc thép, chắn bùn và bu lông.
• Ăn mòn do ảnh hưởng của vi sinh vật (MIC): Vi khuẩn khử sunfat{0}}(SRB) đẩy nhanh quá trình ăn mòn cục bộ.
• Ăn mòn dòng điện lạc: Nhiễu điện từ hệ thống điện hoặc tàu thuyền của cảng.

Hai phương pháp CP chính được sử dụng tại các cảng và cầu cảng, được chọn dựa trên loại cấu trúc, điều kiện môi trường và hiệu quả-chi phí:

1. Cực dương hy sinh CP (SACP)

Ứng dụng:

• Cọc ống thép/cọc ván thép: Cực dương được hàn hoặc bắt vít trực tiếp lên bề mặt cọc.
• Cổng/chắn chắn bằng thép: Cực dương phân bố đều ở hai bên cổng hoặc bề mặt chắn bùn bên trong.
• Bến nhỏ/công trình tạm: Lắp đặt dễ dàng không cần nguồn điện ngoài.

Vật liệu cực dương:

• Cực dương hợp kim nhôm: Hiệu suất dòng điện cao (85% ~ 90%) và công suất, phù hợp với nước biển.
• Cực dương hợp kim kẽm: Hiệu suất ổn định với hiệu suất dòng điện 90%~95% trong nước biển/trầm tích.

Cân nhắc thiết kế:

Một. Mật độ dòng bảo vệ:

• Vùng ngập nước: 80-120 mA/m2
• Vùng thủy triều: 150-200 mA/m2 (cần tăng mật độ anode)
• Vùng đất dưới đất: 20-25 mA/m2

b. Bố trí cực dương:

• Phân bố theo chu vi trên cọc, tập trung vào vùng thủy triều và phía dưới vùng bùn.
• Segmented arrangement for long piles (>30m) để cân bằng phân phối hiện tại.

2. CP hiện tại ấn tượng (ICCP)

Ứng dụng:

• Các bến lớn (ví dụ: bến LNG/container): Nhu cầu hiện tại cao về phạm vi phủ sóng rộng khắp.
• Các kết cấu phức tạp (ví dụ:-cọc cầu vượt biển, đường ống): Yêu cầu điều chỉnh dòng điện động.
• Môi trường có-điện trở suất cao (ví dụ: đất cát hoặc vùng nước ngọt).

Thành phần hệ thống:

Một. Vật liệu cực dương:

• Mixed Metal Oxide (MMO) anodes: Current density up to 600 A/m², >Tuổi thọ 25 năm.
• Cực dương kim loại quý (Pt/Nb): Dành cho môi trường có tính ăn mòn cao nhưng cực kỳ đắt tiền.

b. Nguồn điện:

• Bộ chỉnh lưu máy biến áp: Tự động điều chỉnh đầu ra để duy trì -0,80~-1,10 V (so với Ag/AgCl).
• Giám sát từ xa tích hợp: Hỗ trợ mạng có dây/không dây/RS485/di động để truyền dữ liệu theo thời gian thực- (Dòng điện đầu ra của bộ chỉnh lưu máy biến áp, điện áp đầu ra, điện thế bảo vệ catốt, trạng thái vận hành thiết bị và cảnh báo lỗi.) tới các trung tâm điều khiển cục bộ/đám mây. Bộ chỉnh lưu thông minh cho phép điều chỉnh thông số/hoạt động từ xa.

c. Điện cực tham chiếu:

• Nước biển: Điện cực Ag/AgCl hoặc Zn để theo dõi-thời gian thực.

Cân nhắc thiết kế:

Một. Bố trí giường anode:

• Lớp anode ngoài khơi: Được triển khai dưới đáy biển gần mặt trước của nhà ga.

b. Tối ưu hóa phân phối hiện tại:

• Cực dương phân tán (ví dụ: xe trượt MMO) để loại bỏ vùng mù.
• Phần mềm Phương pháp phần tử biên (BEM) để mô phỏng sự phân bố dòng điện. (ví dụ: Beasy, COMSOL).

1. Tiêu chuẩn quốc tế và quốc gia

Quốc tế:

• ISO 15589-2-2012 Công nghiệp dầu mỏ, hóa dầu và khí tự nhiên - Bảo vệ catốt cho hệ thống vận chuyển đường ống Phần 2: Đường ống ngoài khơi
• NACE SP 0169 Kiểm soát ăn mòn bên ngoài trên hệ thống đường ống kim loại ngầm hoặc chìm
• NACE SP0176-2007 Kiểm soát ăn mòn các khu vực ngập nước của các kết cấu thép ngoài khơi được lắp đặt cố định liên quan đến sản xuất dầu khí
• DNV-RP-B401-2021 Thiết kế bảo vệ catốt
• DNVGL-RP-F103-2016 Bảo vệ ca-tốt đường ống dưới biển bằng cực dương điện

Tiêu chuẩn Trung Quốc:

• GB/T 35988-2018 Bảo vệ ca-tốt cho đường ống tàu ngầm trong ngành dầu mỏ và khí đốt tự nhiên
• JTS 153-3-2007 Quy chuẩn kỹ thuật chống ăn mòn kết cấu thép trong kỹ thuật cảng
• Tiêu chuẩn JTS 153-2015 về thiết kế độ bền của kết cấu công trình giao thông đường thủy
• GJB 156A-2008 Thiết kế và lắp đặt bảo vệ cực dương hy sinh cho các cơ sở cảng
• GB/T 17005-2019 Yêu cầu chung đối với hệ thống bảo vệ catốt hiện tại ấn tượng của các công trình ven biển

2. Thiết kế bảo vệ kết hợp

Sức mạnh tổng hợp của lớp phủ + CP:

• Coatings (e.g., epoxy glass flake, polyurethane) as primary defense (>độ che phủ 95%).
• CP bảo vệ các khuyết tật của lớp phủ (lỗ kim, hư hỏng trong kết cấu).

Khả năng tương thích tiềm năng:

• Tránh-bảo vệ quá mức (<-1.10 V) causing coating disbondment/hydrogen embrittlement.

3. Giảm thiểu dòng điện lạc

Biện pháp thoát nước:

• Lắp đặt thiết bị thoát nước tại các khu vực bị ảnh hưởng.
• Cô lập các đường ống đất-ở cảng bằng cách sử dụng mặt bích cách điện.

• Dự án CP Nhà ga T7 của Nigeria LNG (NLNG)
• Dự án tích hợp Cảng hàng lỏng BASF (Quảng Đông)
• Dự án Bến cảng tiếp nhận LNG và trạm tiếp nhiên liệu Chu San (Chiết Giang)
• Chiết Giang Hóa dầu 40 Mtpa (Triệu tấn mỗi năm) Tinh chế-Tích hợp hóa học Giai đoạn I Bến hóa chất lỏng
• Hệ thống giám sát CP & RMS của trạm LNG Hồng Kông
• Than Matabari-Bến than nhà máy nhiệt điện (Bangladesh)
• Cảng Phúc Châu Khu vực cảng Sandu'ao Khu vực phía Tây Cheng'ao Bến số 1

1. Phương pháp thông thường

Đo lường tiềm năng:

• Chìm: Thợ lặn có điện cực tham chiếu di động.
• Vùng thủy triều: Các điện cực cố định hoặc cảm biến-gắn trên máy bay không người lái.

Tiêu thụ cực dương:

• Cân thường xuyên hoặc quang phổ trở kháng điện hóa (EIS) cho tuổi thọ còn lại.

2. Hệ thống giám sát thông minh

Nền tảng từ xa:

• Giám sát thời gian thực của các đầu ra bộ chỉnh lưu (dòng điện, điện áp, điện thế cp) và hiệu suất cực dương (dòng điện, điện thế, nhiệt độ) bằng khả năng truyền từ xa đến máy chủ đám mây hoặc trung tâm điều khiển.
• Thuật toán AI để dự đoán tuổi thọ của cực dương và cảnh báo ăn mòn.

ROV(Phương tiện điều khiển từ xa):

• Kiểm tra bằng mắt-cực dương/lớp phủ nước sâu.

1. Những thách thức kỹ thuật

Sự phức tạp của môi trường:

• Lớp bùn bao phủ gây ra sự che chắn dòng điện cực dương (yêu cầu dòng điện xung/cực dương lơ lửng).
• Điều kiện cảng nhiệt đới làm tăng tốc độ xuống cấp của lớp phủ.

Hiệu quả về chi phí-:

• Chi phí ban đầu ICCP cao (20-30% tổng ngân sách chống ăn mòn) cho các thiết bị đầu cuối lớn.

2. Đổi mới

Cực dương-thân thiện với môi trường:

• Hợp kim Zn-không chứa Cd, hợp kim Al-có độ hòa tan thấp để giảm ô nhiễm biển.

Năng lượng tái tạo:

• ICCP chạy bằng năng lượng mặt trời/gió- (ví dụ: thí điểm Cảng Đông Gia Khẩu Thanh Đảo).

Lớp phủ thông minh:

• Lớp phủ tự phục hồi (công nghệ vi nang) kết hợp với CP.

Công nghệ CP vẫn rất quan trọng đối với sự an toàn của cơ sở hạ tầng cảng, đòi hỏi phải phân tích ăn mòn tích hợp, khoa học vật liệu và giám sát thông minh. Sự phát triển trong tương lai sẽ tập trung vào vật liệu-sinh thái, hệ thống thông minh và tích hợp năng lượng tái tạo để đáp ứng nhu cầu về-bến biển nước sâu và cảng thân thiện với môi trường-, thúc đẩy kỹ thuật cảng toàn cầu hướng tới hiệu quả cao, lượng carbon thấp và kéo dài tuổi thọ của cảng.