Katodinės apsaugos technologijos taikymas transokeaniniuose tiltuose

Katodinės apsaugos technologija (Cathodic Protection, CP) yra pagrindinė kryžminių{0}}jūrų tiltų inžinerijos technologija, skirta apsaugoti tiltų plienines konstrukcijas (pvz., plieninių vamzdžių polius, polių gaubtus, plienines dėžes ir kt.) nuo elektrocheminės korozijos jūros vandenyje, potvynių zonose ir jūros dugno purvo aplinkoje. Kryžminiai-jūrų tiltai yra ilgai veikiami sudėtingoje aplinkoje, kurioje yra didelis druskingumas, didelė drėgmė, bangų plovimas, kintamos apkrovos ir kintamos srovės trukdžiai, kur korozijos greitis gali siekti 5-10 kartų didesnį nei sausumos aplinkoje. Katodinės apsaugos technologija kartu su aukštos kokybės dangomis gali žymiai pailginti tiltų tarnavimo laiką (paprastai suprojektuota daugiau nei 100 metų).

1. Korozija Zonos

• Kryžminių{0}}jūrų tiltų korozijos aplinka yra suskirstyta į pagrindines sritis, atsižvelgiant į konstrukcines padėtis:
• Povandeninė zona: Tilto prieplaukos pamatai visam laikui panardinami į jūros ar upės vandenį, veikiami ištirpusio deguonies, druskingumo, temperatūros ir vandens srauto.
• Potvynių zona: periodiniai vandens lygio pokyčiai sukuria deguonies koncentracijos ląstelių poveikį, todėl korozijos greitis yra didžiausias (0,5–1,0 mm per metus).
• Purslų zona: bangų smūgiai ir pakartotinis drėkinimas purškiant jūros vandeniu sujungia mechaninį susidėvėjimą ir koroziją (korozijos greitis 0,3–0,6 mm per metus).
• Atmosferos zona: Druskos purškimo nusodinimas, UV spinduliuotė ir pramoniniai teršalai pagreitina plieninių dėžių sijų ir kabelių koroziją.
• Dirvožemio zona: jūros dugno dirvožemyje įterptos tilto prieplaukos gali nukentėti nuo mikrobinės korozijos (MIC) ir svyruojančios srovės poveikio.

2. Tipiniai korozijos tipai

• Elektrocheminė korozija: makro{0}}ląstelės, susidarančios tarp plieninių polių ir jūros vandens/dirvožemio (pvz., galvaninė korozija tarp plieninių vamzdžių polių ir betoninių polių dangtelių).
• Įtempių korozijos įtrūkimai (SCC): didelio stiprumo
• Erozija-Korozija: vietinis apsauginis sluoksnis nusilupęs vandens{1}}prieplaukų pusėje dėl didelės-vandens tėkmės.
• Klaidžiojančios srovės korozija: srovės trukdžiai iš geležinkelio tranzito sistemų (pvz., metro, elektrifikuotų geležinkelių) arba laivų energijos sistemų.

1. Anodo katodinė apsauga ( Aukojamas anodas CP, SACP)

Taikymo scenarijai:

• Plieninių vamzdžių poliniai pamatai: anodai, privirinti arba prisukti prie polių paviršių, sutelkiant dėmesį į potvynių ir povandenines zonas.
• Plieniniai užtvarai: laikinos konstrukcijos, kuriose naudojami nuimami cinko lydinio anodai.
• Maži pagalbiniai įrenginiai (pvz., priežiūros platformos, apsauginiai turėklai): Lengvas montavimas be išorinio maitinimo.

Anodo medžiagos:

• Aliuminio lydinio anodai:
• Srovės efektyvumas: 85%~90%, pavaros įtampa 0,25~0,30 V.
• Tinkama aplinka: jūros vanduo.
• Cinko lydinio anodai:
• Srovės efektyvumas: 90–95%, pavaros įtampa 0,20 V.
• Tinkama aplinka: jūros vanduo arba jūros dugno purvas.

Dizaino parametrai:

1) Apsaugos srovės tankis (pagal aplinkos zoną):

2) Anodo išdėstymas:

• Plieninių vamzdžių poliai: Apvalus segmentinis išdėstymas, 3-4 anodai vienam metrui potvynio zonoje (vieno anodo masė 20-30 kg).
• Plieniniai užtvarai: tankus anodo išdėstymas kampuose, kad būtų išvengta kraštų poveikio{0}}sukeltos nepakankamos apsaugos.

2. Įspūdingos srovės katodinė apsauga (Impressed Current CP, ICCP)

Taikymo scenarijai:

• Didelės plieninės dėžės sijos: plati aprėptis, kurią reikia dinamiškai reguliuoti (pvz., Honkongo-Zhuhai-Macao tiltas).
• Deep-water piers (water depth >30 m): Naudojamas, kai aukojami anodai sukelia netolygų srovės pasiskirstymą.
• Stiprių klaidžiojančių srovės trukdžių sritys: reguliavimas realiuoju laiku- naudojant transformatorių lygintuvus.

Sistemos komponentai:

1) Anodo medžiagos:

• Mixed Metal Oxide (MMO) anodes: Output current density 500-600 A/m², service life >30 metų.
• Tauriųjų metalų (platinos-niobio) anodai: skirti didelės-erozijos aplinkai (pvz., vandens -prieplaukų paviršiams).

2) Maitinimo įranga:

• Transformatorių lygintuvai: sureguliuokite išėjimą pagal atskaitos elektrodo grįžtamąjį ryšį, kad išlaikytumėte -0,80–1,10 V apsaugos potencialą (palyginti su Ag/AgCl).
• Nuotolinio stebėjimo sistemos: integruoti ryšio moduliai, palaikantys kelis tinklo protokolus,
• Duomenų perdavimas realiuoju laiku- operacijų centrams.

3) Atskaitos elektrodai:

• Jūros vandens aplinka: Ag/AgCl elektrodai (ilgalaikis -didelis stabilumas).

Pagrindiniai dizaino punktai:

1) Anodo išdėstymas:

• Paskirstytos anodų matricos: jūros dugne sumontuoti MMO rogių anodai.
• Pakabinami anodai: MMO anodai pritvirtinami prie prieplaukų per išgręžtas skyles, kad sumažintų srovės nuostolius.

2) Dabartinis optimizavimas:

• Ribinių elementų metodo (BEM) modeliavimas srovės paskirstymui, siekiant išvengti aklųjų zonų.
• Impulsuojanti dabartinė technologija, skirta pagerinti giluminio{0}vandens apsaugos efektyvumą.

1. Dengimas-CP sinergija

Didelio našumo{0}}dengimo sistemos:

• Povandeninės / potvynio zonos: epoksidinio stiklo dribsnių dangos (sausos plėvelės storis didesnis arba lygus 800 μm).
• Atmospheric zone: Fluorocarbon coatings (UV-resistant, >20 metų gyvenimo trukmė).
• Plieninių dėžių sijų vidus: neorganinis cinko{0}}gruntas + epoksidinė tarpinė danga (anti-kondensacinė korozija).

Dangos defektų valdymas:

• Leistinas dangos pažeidimo lygis<3%; CP must compensate to achieve required current density in damaged areas.

2. Apsauga nuo klajojančios srovės

Drenažas ir įžeminimas:

• Sumontuokite izoliuotas kompensacines jungtis prie tilto{0}}žemės jungčių (pvz., guminiai guoliai + izoliacinės dangos).
• Cinko įžeminimo tinklai, skirti pašalinti klaidžiojančias sroves (pvz., Hangdžou įlankos tiltas).

Stebėjimas:

• Galimi stebėjimo taškai palei tiltus, kad{0}}realiuoju laiku būtų galima nustatyti trukdžių šaltinį.

3. Specialiųjų konstrukcijų apsauga

Kabelių sistemos:

• Triguba didelio{0}}stiprumo plieninių vielų apsauga: cinkavimas + epoksidinė danga + PE apvalkalas.
• Magnio lydinio apsauginiai anodai inkaro galuose (patobulinta vietinė apsauga).

Polių dangteliai ir prieplaukos:

• Iš anksto įterptieji titano tinklelio anodai (ICCP), skirti betono armatūros katodinei apsaugai.
• Įterptieji cinko anodai (aukšto -grynumo cinko šerdis + šarminis laidus skiedinys), skirti gelžbetoniui.

1. Honkongas-Džuhajus-Makao tiltas

Techniniai sprendimai:

• Panardinto tunelio plieninis apvalkalas: "ICCP + MMO anodai", kurių bendra išėjimo srovė 2000 A.
• Dirbtinės salos prieplaukos: Aliuminio lydinio aukojamieji anodai (80 anodų krūvoje, bendra masė 4 tonos).

Naujovės:

• Lankstūs anodai (laidus polimeras) tunelio jungtyse, kad prisitaikytų prie deformacijos.

2. Hangdžou įlankos tiltas

Iššūkiai ir sprendimai:

• Stiprūs potvyniai sukėlė per didelę aukojamojo anodo eroziją.
• Patobulinimas: optimizuota anodo forma (supaprastintas dizainas).

Stebėjimo sistema:

• Išmanieji galimi stebėjimo taškai su debesies duomenų įkėlimu{0}}realiuoju laiku.

3. G228 Dandong Line betono sutvirtinimo CP projektas Dandongo tiltui

4. Ningbo Xiangshan uosto greitkelio tilto ir mazgo projekto plieno polių CP

1. Įprasti aptikimo metodai

Galimas stebėjimas:

• Narai, naudojantys rankinius Ag/AgCl elektrodus panardintų zonų matavimams.
• ROV{0}}primontuoti potencialūs zondai potvynių zonos prieplaukos apžiūrai.

Anodo būklės įvertinimas:

• Likusios anodo eksploatavimo trukmės įvertinimas naudojant išėjimo srovės aptikimą.
• Elektrocheminio triukšmo (EN) technologija vietinei korozijos aktyvumo analizei.

2. Išmaniosios operacinės sistemos

Skaitmeninė dviguba platforma:

• BIM modeliai integruoti su{0}}realaus laiko jutiklių duomenimis, kad būtų vizualizuota apsaugos būsena.
• AI algoritmai, numatantys anodo eksploatavimo trukmę ir generuojantys priežiūros planus (pakeitimo slenkstis nustatytas ties 30 % likusios masės).

Robotinė apžiūra:

• ROV su kameromis ir sūkurinių srovių zondais dangos pažeidimams ir suvirinimo korozijai aptikti.

1. Dabartiniai iššūkiai

• Ultra-long lifespan requirements: Anode material durability for >100 metų dizainas.
• Deep-water & complex geology: Anode installation and current distribution control at >50 m gylyje.
• Kelių{0}}medžiagų sujungimas: galimos kompozitų (CFRP sutvirtinimų) ir plieno suderinamumo problemos.

2. Inovacijų kryptys

Naujos anodo medžiagos:

• Nano-structured aluminum alloy anodes (current efficiency >95%).
• Savaime{0}}gyjantys anodai (automatinis taisymas naudojant mikrokapsuliuotus aktyvatorius).

Žaliosios energijos integravimas:

• Tiltas -montuojamas PV / vėjo energija, skirta ICCP sistemoms (pvz., Pingtan Strait Rail-Road Bridge pilotas).

Išmaniosios dangos medžiagos:

• Dangos su įterptais jutikliais (pvz., pluoštinėmis Bragg grotelėmis), skirtos korozijos stebėjimui realiuoju laiku-.

2. Standartai ir specifikacijos

Tarptautiniai standartai:

• ISO 12696 (katodinė plieno apsauga betone)
• NACE SP 0290 (atmosferos veikiamų betoninių konstrukcijų armatūrinio plieno katodinė apsauga)
• DNV-RP-B401-2021 katodinės apsaugos dizainas

Kinijos standartai:

• JTS 153-2015 Vandens transporto inžinerinių konstrukcijų ilgaamžiškumo projektavimo kodeksas
• GJB 156A-2008 Uosto įrenginių apsaugos nuo anodo projektavimas ir įrengimas
• JTS 153-3-2007 Uosto inžinerijos plieno konstrukcijų antikorozinis techninis kodeksas
• GB/T 17005-2019 Bendrieji reikalavimai, keliami įspūdingoms srovės pakrantės įrenginių katodinės apsaugos sistemoms

Katodinės apsaugos technologija yra pagrindinė šimtmečio{0}}ilgumo-jūrų tiltų projektų apsaugos priemonė, kuriai reikia integruoti elektrochemiją, medžiagų mokslą ir išmanųjį stebėjimą. Ateities tendencijos bus sutelktos į itin-ilgai tarnaujančias-medžiagas, skaitmenines operacijas ir ekologišką energiją, kad būtų patenkinti itin-ilgų tarpatramių, giluminio-vandens statybos ir pažangios plėtros reikalavimai. Tai paskatins pasaulinę tiltų inžineriją siekti saugesnių, patvaresnių ir mažiau anglies{8}}išmetančių tikslų.