היישום של טכנולוגיית הגנה קתודית במסופי נמל

טכנולוגיית הגנה קתודית (CP) היא טכניקה אנטי--קריטית נגד קורוזיה בתעשיית הנמל והרציפים, המשמשת בעיקר להגנה על מבני מתכת כגון כלונסאות פלדה, כלונסאות צינורות פלדה, כלונסאות פלדה, שערי פלדה, צינורות נפט ויסודות- גשרי ים מפני קורוזיה אלקטרוכימית במי ים, אזורי הקרקע והשפל. מתקני נמל נחשפים באופן כרוני לסביבות קורוזיביות מורכבות המאופיינות במליחות גבוהה, לחות, תנאים רטובים-יובשים לסירוגין, וזיהום ביולוגי. הגנה קתודית, בשילוב עם ציפויים נגד קורוזיה-, מאריכה משמעותית את חיי השירות המבניים (בדרך כלל מתוכננת למעלה מ-50 שנה).

1. אזורי קורוזיה

הסביבות המאכלות בנמלים וברציפים מחולקות לאזורים הבאים בהתבסס על מיקום:

• אזור שקוע: טבילה קבועה של מי ים עם שיעורי קורוזיה המושפעים מחמצן מומס, מליחות, טמפרטורה ואורגניזמים ימיים.
• אזור גאות ושפל: תנאים רטובים-לסירוגין הגורמים לקורוזיה של תאים בריכוז חמצן, עם שיעור הקורוזיה הגבוה ביותר (עד 0.5 מ"מ לשנה).
• אזור התזה: פגיעות חוזרות ונשנות של גלים וריסוס, מציג את שיעור הקורוזיה השני-הגבוה ביותר אחרי אזור הגאות והשפל.
• אזור אטמוספרי: ערפל מלח וקרינת UV המאיצים את פירוק הציפוי וקילוף.

2. צורות קורוזיה ראשוניות

• קורוזיה אלקטרוכימית: מתכת-אלקטרוליט (מי ים/אדמה) מגע היוצרים תאי קורוזיה.
• קורוזיה של חריצים: הצטברות של חומרים קורוזיביים בחיבורים בין כלונסאות פלדה, פגושים וברגים.
• קורוזיה מושפעת מיקרוביולוגית (MIC): סולפט-מפחית חיידקים (SRB) המאיצים קורוזיה מקומית.
• קורוזיה זרם תועה: הפרעות חשמליות ממערכות חשמל או כלי שיט בנמל.

שתי שיטות CP עיקריות מופעלות בנמלים וברציפים, שנבחרו על סמך סוג המבנה, תנאי הסביבה והעלות{0}}תועלת:

1. אנודת קורבנות CP (SACP)

יישומים:

• כלונסאות צינור פלדה/כלונסאות: אנודות מרותכות או מוברגות ישירות על משטחי כלונסאות.
• שערי פלדה/פגושים: אנודות מפוזרות באופן שווה משני צידי השערים או משטחי הפגושים הפנימיים.
• רציפים קטנים/מבנים זמניים: התקנה קלה ללא חשמל חיצוני.

חומרים לאנודה:

• אנודות מסגסוגת אלומיניום: יעילות זרם גבוהה (85%~90%) וקיבולת, מתאימות למי ים.
• אנודות מסגסוגת אבץ: ביצועים יציבים עם יעילות זרם של 90%~95% במי ים/משקעים.

שיקולי עיצוב:

א. צפיפות זרם הגנה:

• אזור שקוע: 80-120 mA/m²
• אזור גאות ושפל: 150-200 mA/m² (דורש צפיפות אנודה מוגברת)
• אזור תת קרקע: 20-25 mA/m²

ב. פריסת האנודה:

• חלוקה היקפית על כלונסאות, תוך התמקדות באזורי גאות ומתחת לקווי בוץ.
• Segmented arrangement for long piles (>30 מ') כדי לאזן את חלוקת הזרם.

2. Impressed Current CP (ICCP)

יישומים:

• מסופים גדולים (למשל, מסופי LNG/מכולות): ביקוש זרם גבוה לכיסוי נרחב.
• מבנים מורכבים (למשל, חוצים-ערימות גשר ים, צינורות): דורש התאמת זרם דינמית.
• סביבות התנגדות- גבוהה (למשל, קרקעות חוליות או אזורי מים מתוקים).

רכיבי מערכת:

א. חומרים לאנודה:

• Mixed Metal Oxide (MMO) anodes: Current density up to 600 A/m², >תוחלת חיים של 25 שנים.
• אנודות מתכת אצילה (Pt/Nb): עבור סביבות קורוזיביות מאוד אך יקרות באופן בלתי רגיל.

ב. ספק כוח:

• מיישרי שנאי: התאם אוטומטית את הפלט כדי לשמור על -0.80~-1.10 וולט (לעומת Ag/AgCl).
• ניטור משולב מרחוק: תומך ברשתות קוויות/אלחוטיות/RS485/ניידים להעברת נתונים בזמן אמת (זרם פלט מיישר שנאי, מתח מוצא, פוטנציאל הגנה קתודי, מצב פעולת ציוד ואזעקת תקלות.) למרכזי בקרה בענן/מקומיים. מיישרים חכמים מאפשרים הפעלה מרחוק/התאמת פרמטרים.

ג. אלקטרודות ייחוס:

• מי ים: אלקטרודות Ag/AgCl או Zn לניטור-בזמן אמת.

שיקולי עיצוב:

א. פריסת מיטת האנודה:

• מיטות האנודה הימית: פרוסים על קרקעית ים ליד חזיתות טרמינלים.

ב. אופטימיזציה של הפצה נוכחית:

• אנודות מפוזרות (למשל, מזחלות MMO) לביטול אזורים עיוורים.
• תוכנת Boundary Element Method (BEM) המדמה את חלוקת הזרם החשמלי. (למשל, Beasy, COMSOL).

1. תקנים בינלאומיים ולאומיים

בינלאומי:

• ISO 15589-2-2012 תעשיות נפט, פטרוכימיה וגז טבעי - הגנה קתודית על מערכות הובלה של צינורות חלק 2: צינורות ימיים
• NACE SP 0169 בקרת קורוזיה חיצונית במערכות צנרת מתכתית תת קרקעית או שקועה
• NACE SP0176-2007 בקרת קורוזיה של אזורים שקועים של מבני פלדה בים מותקנים קבועים הקשורים להפקת נפט
• עיצוב הגנה קתודי DNV-RP-B401-2021
• DNVGL-RP-F103-2016 הגנה קתודית של צינורות תת ימיים על ידי אנודות גלווניות

תקנים סיניים:

• GB/T 35988-2018 תעשיות נפט וגז טבעי-הגנה קתודית על צנרת צוללת
• JTS 153-3-2007 קוד טכני למניעת קורוזיה של מבני פלדה בהנדסת נמל
• תקן JTS 153-2015 לתכנון עמידות של מבנים הנדסיים להובלת מים
• GJB 156A-2008 תכנון והתקנה של הגנת אנודה קורבנות עבור מתקני נמל
• GB/T 17005-2019 דרישות כלליות עבור מערכות הגנה קתודיות נוכחיות של מבני חוף

2. עיצוב הגנה משולב

ציפוי + סינרגיה CP:

• Coatings (e.g., epoxy glass flake, polyurethane) as primary defense (>95% כיסוי).
• CP מגן על פגמי ציפוי (חורים, נזקי בנייה).

תאימות פוטנציאלית:

• הימנע מהגנת-יתר (<-1.10 V) causing coating disbondment/hydrogen embrittlement.

3. הפחתת זרם תועה

אמצעי ניקוז:

• התקן התקני ניקוז באזורים מושפעים.
• יש לבודד את צינורות היבשה של-יציאות באמצעות אוגנים מבודדים.

• פרויקט טרמינל CP של ניגריה LNG (NLNG) T7
• טרמינל נוזלים בכמות גדולה של BASF (גואנגדונג).
• פרויקט רציף תחנת התדלוק ותחנת התדלוק של ג'ושאן (ג'ה-ג'יאנג)
• Zhejiang פטרוכימיים 40 Mtpa (מיליון טון בשנה) זיקוק-שילוב כימי שלב I Liquid Chemical Wharf
• הונג קונג LNG Terminal CP & RMS מערכת ניטור
• Matabari Coal-רציף הפחם של תחנת הכוח המופעלת (בנגלדש)
• Fuzhou Port Sandu'ao Port Area Cheng'ao West Zone Berth 1 התקנה

1. שיטות קונבנציונליות

מדידת פוטנציאל:

• שקוע: צוללנים עם אלקטרודות ייחוס ניידות.
• אזור גאות ושפל: אלקטרודות קבועות או חיישני מזל"ט-.

צריכת האנודה:

• שקילה רגילה או ספקטרוסקופיה עכבה אלקטרוכימית (EIS) לשארית החיים.

2. מערכות ניטור חכמות

פלטפורמות מרוחקות:

• ניטור-בזמן אמת של יציאות מיישר (זרם, מתח, פוטנציאל cp) וביצועי האנודה (זרם, פוטנציאל, טמפרטורה) עם שידור מרחוק לשרת ענן או למרכז בקרה.
• אלגוריתמי AI לחיזוי תוחלת חיים של האנודה והתראות קורוזיה.

ROVs(רכב בהפעלה מרחוק):

• בדיקה חזותית של אנודות/ציפויים במים-עמוקים.

1. אתגרים טכניים

מורכבות סביבתית:

• כיסוי בוצה הגורם לסיכוך זרם האנודה (מצריך אנודות תלויות/זרם דופק).
• תנאי נמל טרופי המאיצים את השפלת הציפוי.

עלות-יעילות:

• עלויות ראשוניות גבוהות של ICCP (20-30% מהתקציב הכולל נגד קורוזיה) עבור מסופים גדולים.

2. חידושים

אנודות ידידותיות-לסביבה:

• סגסוגות Zn ללא-Cd, סגסוגות Al בפירוק נמוך- להפחתת זיהום הים.

אנרגיה מתחדשת:

• ICCP המופעל-משמש/רוח (למשל, טייס נמל צ'ינגדאו דונגג'יאקו).

ציפויים חכמים:

• ציפויים-לריפוי עצמי (טכנולוגיית מיקרוקפסולות) בסינרגיה עם CP.

טכנולוגיית CP נותרה חיונית לבטיחות תשתית נמל, הדורשת ניתוח קורוזיה משולב, מדע חומרים וניטור חכם. הפיתוח העתידי יתמקד בחומרים אקולוגיים-, מערכות חכמות ואינטגרציה של אנרגיה מתחדשת כדי לענות על הדרישות למסופי-ים עמוקים ונמלים ידידותיים לסביבה-, מה שמניע את הנדסת הנמלים העולמית לעבר יעילות גבוהה, דל פחמן והאריך את אורך חייו.