Katodiskās aizsardzības tehnoloģijas pielietojums aizokeāna tiltos

Katodiskās aizsardzības tehnoloģija (Cathodic Protection, CP) ir pārrobežu{0}}jūras tiltu inženierijas pamattehnoloģija, lai aizsargātu tiltu tērauda konstrukcijas (piemēram, tērauda cauruļu pāļus, pāļu uzgaļus, tērauda kārbu sijas utt.) no elektroķīmiskās korozijas jūras ūdenī, plūdmaiņu zonās un jūras gultnes dubļu vidē. Šķērs-jūras tilti ir ilgstoši pakļauti sarežģītai videi ar augstu sāļumu, augstu mitruma līmeni, viļņu skrāpējumu, mainīgām slodzēm un izkliedētām strāvas traucējumiem, kur korozijas ātrums var sasniegt 5-10 reizes lielāku nekā sauszemes vidē. Katodiskās aizsardzības tehnoloģija apvienojumā ar augstas veiktspējas pārklājumiem var ievērojami pagarināt tiltu kalpošanas laiku (parasti paredzēts vairāk nekā 100 gadiem).

1. Korozija Zonas

• Šķērsu{0}}jūras tiltu korozijas vide ir sadalīta galvenajās zonās, pamatojoties uz konstrukcijas novietojumu:
• Iegremdētā zona: tilta balstu pamati ir pastāvīgi iegremdēti jūras vai upes ūdenī, ko ietekmē izšķīdušais skābeklis, sāļums, temperatūra un ūdens plūsma.
• Paisuma zona: Periodiskas ūdens līmeņa izmaiņas rada skābekļa koncentrācijas šūnu efektus, kā rezultātā rodas visaugstākais korozijas ātrums (0,5–1,0 mm/gadā).
• Šļakatu zona: Viļņu triecieni un atkārtota mitrināšana ar jūras ūdens smidzināšanu apvieno mehānisko nodilumu un koroziju (korozijas ātrums 0,3–0,6 mm/gadā).
• Atmosfēras zona: Sāls izsmidzināšana, UV starojums un rūpnieciskie piesārņotāji paātrina tērauda kārbu siju un kabeļu koroziju.
• Augsnes zona: jūras gultnes augsnē iestrādātās tilta piestātnes pamatnes var ciest no mikrobu korozijas (MIC) un klaiņojošas strāvas ietekmes.

2. Tipiski korozijas veidi

• Elektroķīmiskā korozija: makro{0}}šūnas, kas veidojas starp tērauda pāļiem un jūras ūdeni/augsni (piemēram, galvaniskā korozija starp tērauda cauruļu pāļiem un betona pāļu vāciņiem).
• Sprieguma korozijas plaisāšana (SCC): augstas{0}}izturības tērauda kabeļos veidojas plaisas, ja tiek apvienota stiepes spriedze un korozija.
• Erozija-Korozija: lielas-ātruma ūdens plūsmas dēļ noploks vietējais aizsargslānis uz molu -ūdens pusi.
• Klīstošās strāvas korozija: strāvas traucējumi no dzelzceļa tranzīta sistēmām (piemēram, metro, elektrificētiem dzelzceļiem) vai kuģu energosistēmām.

1. Upura anoda katoda aizsardzība ( Sacrificial Anode CP, SACP)

Lietojumprogrammas scenāriji:

• Tērauda cauruļu pāļu pamati: anodi piemetināti vai pieskrūvēti pie pāļu virsmām, koncentrējoties uz plūdmaiņu un iegremdētām zonām.
• Tērauda dambji: pagaidu konstrukcijas, kurās izmanto noņemamus cinka sakausējuma anodus.
• Nelielas palīgierīces (piemēram, apkopes platformas, aizsargmargas): Vienkārša uzstādīšana bez ārējas strāvas.

Anoda materiāli:

• Alumīnija sakausējuma anodi:
• Strāvas efektivitāte: 85% ~ 90%, piedziņas spriegums 0,25 ~ 0,30 V.
• Piemērota vide: jūras ūdens.
• Cinka sakausējuma anodi:
• Strāvas efektivitāte: 90–95%, piedziņas spriegums 0,20 V.
• Piemērota vide: jūras ūdens vai jūras gultnes dubļi.

Dizaina parametri:

1) Aizsardzības strāvas blīvums (pēc vides zonas):

2) Anoda izkārtojums:

• Tērauda cauruļu pāļi: riņķveida segmentēts izkārtojums, 3-4 anodi uz vienu metru plūdmaiņu zonā (viena anoda masa 20–30 kg).
• Tērauda aizsprosti: blīvs anodu izvietojums stūros, lai izvairītos no malu ietekmes{0}}izraisītas nepietiekamas aizsardzības.

2. Impressed Current Cathodic Protection (Impressed Current CP, ICCP)

Lietojumprogrammas scenāriji:

• Lielas tērauda kastes sijas: plašs pārklājums, kam nepieciešama dinamiska strāvas regulēšana (piemēram, Honkongas-Džuhai-Makao tilts).
• Deep-water piers (water depth >30 m): izmanto, ja atlaižu anodi izraisa nevienmērīgu strāvas sadalījumu.
• Smagas izkliedētas strāvas traucējumu zonas:{0}}reāllaika regulēšana, izmantojot transformatora taisngriežus.

Sistēmas sastāvdaļas:

1) Anoda materiāli:

• Mixed Metal Oxide (MMO) anodes: Output current density 500-600 A/m², service life >30 gadi.
• Cēlmetāla (platīna{0}}niobija) anodi: paredzētas vidēm ar augstu eroziju (piem., ūdens{4}}piestātnes virsmām).

2) barošanas aprīkojums:

• Transformatoru taisngrieži: noregulējiet izvadi, pamatojoties uz atsauces elektrodu atgriezenisko saiti, lai saglabātu aizsardzības potenciālu pie -0,80–1,10 V (pret Ag/AgCl).
• Attālās uzraudzības sistēmas: integrēti sakaru moduļi, kas atbalsta vairākus tīkla protokolus,
• Reāllaika{0}}datu pārraide uz operāciju centriem.

3) Atsauces elektrodi:

• Jūras ūdens vide: Ag/AgCl elektrodi (ilgtermiņa-augsta stabilitāte).

Dizaina galvenie punkti:

1) Anoda izkārtojums:

• Sadalītie anodu bloki: MMO ragavu anodi, kas uzstādīti jūras gultnē.
• Piekaramie anodi: MMO anodi ir piestiprināti pie piestātnēm, izmantojot urbumus, lai samazinātu strāvas zudumus.

2) Pašreizējā optimizācija:

• Robeželementu metodes (BEM) simulācijas strāvas sadalījumam, lai izvairītos no aklo zonām.
• Pašreizējā impulsa tehnoloģija, lai uzlabotu dziļa{0}ūdens aizsardzības efektivitāti.

1. Pārklājums-CP Sinerģija

Augstas veiktspējas{0}}pārklājumu sistēmas:

• Iegremdētas/plūdmaiņas zonas: epoksīda stikla pārslu pārklājumi (sausas plēves biezums ir lielāks vai vienāds ar 800 μm).
• Atmospheric zone: Fluorocarbon coatings (UV-resistant, >20 gadu kalpošanas laiks).
• Tērauda kastes siju iekšpuse: ar neorganisku cinku- bagātu grunti + epoksīda starpkārtu (pret-kondensācijas korozija).

Pārklājuma defektu pārvaldība:

• Pieļaujamais pārklājuma bojājumu līmenis<3%; CP must compensate to achieve required current density in damaged areas.

2. Aizsardzība pret klaiņojošu strāvu

Drenāža un zemējums:

• Uzstādiet izolētus izplešanās savienojumus pie tilta{0}}zemes savienojumiem (piem., gumijas gultņi + izolācijas pārklājumi).
• Cinka zemējuma tīkli, lai novērstu klaiņojošas strāvas (piemēram, Hangdžou līča tilts).

Uzraudzība:

• Potenciāli pārraudzības punkti gar tiltiem{0}}reāllaika traucējumu avota lokalizācijai.

3. Speciālo konstrukciju aizsardzība

Kabeļu sistēmas:

• Trīskārša aizsardzība augstas -stiprības tērauda stieplēm: cinkošana + epoksīda pārklājums + PE apvalks.
• Magnija sakausējuma anodi enkura galos (vietējā pastiprināta aizsardzība).

Pāļu vāciņi un balsti:

• Iepriekš iegultie titāna sieta anodi (ICCP) betona stiegrojuma katodaizsardzībai.
• Iegulti cinka anodi (augstas-tīrības cinka serde + sārmu vadoša java) dzelzsbetonam.

1. Honkonga-Džuhai-Makao tilts

Tehniskie risinājumi:

• Iegremdētā tuneļa tērauda apvalks: "ICCP + MMO anodi" ar kopējo izejas strāvu 2000 A.
• Mākslīgie salu piestātnes: Alumīnija sakausējuma anodi (80 anodi uz kaudzi, kopējā masa 4 tonnas).

Inovācijas:

• Elastīgi anodi (vadošs polimērs) tuneļa savienojumos, lai pielāgotos deformācijām.

2. Hangdžou līča tilts

Izaicinājumi un risinājumi:

• Spēcīgi plūdmaiņas izraisīja pārmērīgu upura anoda eroziju.
• Uzlabojums: optimizēta anoda forma (racionalizēts dizains).

Uzraudzības sistēma:

• Viedi potenciālie uzraudzības punkti ar{0}}reāllaika mākoņdatu augšupielādi.

3. G228 Dandong Line betona stiegrojuma CP projekts Dandong tiltam

4. Ningbo Xiangshan Port Highway Bridge & Hub Project Steel Pile CP

1. Parastās noteikšanas metodes

Iespējamā uzraudzība:

• Ūdenslīdēji, kas izmanto rokas Ag/AgCl elektrodus iegremdētās zonas mērījumiem.
• ROV{0}}uzmontētas potenciālās zondes plūdmaiņu zonas piestātņu pārbaudēm.

Anoda stāvokļa novērtējums:

• Anoda atlikušā mūža novērtējums, izmantojot izejas strāvas noteikšanu.
• Elektroķīmiskā trokšņa (EN) tehnoloģija lokalizētas korozijas aktivitātes analīzei.

2. Viedās operāciju sistēmas

Digitālā dvīņu platforma:

• BIM modeļi ir integrēti ar reāllaika{0}}sensoru datiem, lai vizualizētu aizsardzības statusu.
• AI algoritmi, kas paredz anoda kalpošanas laiku un ģenerē apkopes plānus (nomaiņas slieksnis iestatīts uz 30% atlikušās masas).

Robotiskā pārbaude:

• ROV, kas aprīkoti ar kamerām un virpuļstrāvas zondēm pārklājuma bojājumu un metināšanas korozijas noteikšanai.

1. Pašreizējie izaicinājumi

• Ultra-long lifespan requirements: Anode material durability for >100 gadu dizaini.
• Deep-water & complex geology: Anode installation and current distribution control at >50 m dziļumā.
• Vairāku-materiālu savienojums: iespējamas kompozītmateriālu (CFRP pastiprinājumu) un tērauda saderības problēmas.

2. Inovācijas virzieni

Jauni anoda materiāli:

• Nano-structured aluminum alloy anodes (current efficiency >95%).
• Pašdziedinošie anodi{0}} (automātisks remonts, izmantojot mikrokapsulētus aktivatorus).

Zaļās enerģijas integrācija:

• Tilta-montēta PV/vēja enerģija ICCP sistēmām (piemēram, Pingtan Strait Rail-Road Bridge pilots).

Gudri pārklājuma materiāli:

• Pārklājumi ar iegultiem sensoriem (piem., Fiber Bragg režģi) reāllaika-korozijas uzraudzībai.

2. Standarti un specifikācijas

Starptautiskie standarti:

• ISO 12696 (Tērauda katoda aizsardzība betonā)
• NACE SP 0290 (Iespaidīga strāvas katoda aizsardzība stiegrojuma tēraudam atmosfēras iedarbībai pakļautās betona konstrukcijās)
• DNV-RP-B401-2021 katodaizsardzības dizains

Ķīniešu standarti:

• JTS 153-2015 Ūdens transporta inženiertehnisko konstrukciju izturības projektēšanas kodekss
• GJB 156A-2008 Aizsardzības anoda projektēšana un uzstādīšana ostas iekārtām
• JTS 153-3-2007 Tehniskais kodekss par tērauda konstrukciju pretkoroziju ostu inženierijā
• GB/T 17005-2019 Vispārīgās prasības piekrastes iekārtu iespaidīgām strāvas katodaizsardzības sistēmām

Katodaizsardzības tehnoloģija ir galvenais drošības līdzeklis gadsimtu-ilgiem-jūras tiltu projektiem, kam nepieciešama elektroķīmijas, materiālu zinātnes un viedās uzraudzības integrācija. Nākotnes tendences koncentrēsies uz īpaši-ilga mūža-materiāliem, digitalizētām darbībām un zaļo enerģiju, lai apmierinātu prasības pēc īpaši-ilgiem laidumiem, dziļūdens būvniecības-un inteliģentas attīstības. Tas virzīs globālo tiltu inženieriju uz drošākiem, izturīgākiem un zemu{8}}oglekļa emisiju mērķiem.