MGPS-anode for havneterminaler

I miljøer som konstant er nedsenket i sjøvann, står kjølesystemer i havner og terminaler, sirkulerende vannrør, undersjøiske sluser, kaifundamenter og diverse marint utstyr overfor alvorlige utfordringer fra marin biobegroing – rur, skalldyr, alger og andre marine organismer fester seg kontinuerlig til overflatene på utstyr og innerveggene i rør, og danner et lag med biobegroing som er vanskelig å fjerne.

System for forebygging av marint vekst (MGPS) er en kjerneteknologi for å løse problemene med biobegroing og korrosjon i havne- og terminalanlegg. Gjennom et vitenskapelig elektrolyseprinsipp oppnår den dobbel beskyttelse mot både begroing og korrosjon, og har blitt et essensielt system for bygging, drift og vedlikehold av moderne havne- og terminalinfrastruktur.

Typer MGPS-systemer

Basert på det marine miljøet i havneterminalene (f.eks. sjøvannstemperatur, biologisk aktivitet), utstyrsmaterialer (stål, aluminium osv.) og beskyttelseskrav, er MGPS-systemer hovedsakelig delt inn i to kjernetyper. Hver type er betydelig forskjellig i elektrodematerialer, driftsmoduser og aktuelle scenarier, noe som krever presist valg basert på faktiske behov.

(I) Elektrolytisk metalliontype MGPS

Den elektrolytiske metalliontypen er for tiden den mest brukte MGPS-typen i havner, og står for over 70 % av markedsandelen for havnebeskyttelse. Kjernefordelene ligger i den enkle strukturen, stabile driften, det brede beskyttelsesområdet og samtidige bunnstoff- og korrosjonshemmende funksjonene. Denne typen system bruker kobber, aluminium og jern som kjerneelektrodematerialer, og driver en elektrolytisk reaksjon gjennom en likestrømsforsyning for å frigjøre metallioner og hydroksidflokkulenter, og danne et dobbelt beskyttende lag.

Kjernekomponenter: Omfatter hovedsakelig en kobber anode, aluminium/jernanode, likestrømskontrollenhet, strømovervåkingsmodul og monteringsbrakett. Elektroder installeres vanligvis ved sjøvannsinntak, undersjøiske porter eller rørledningsspisser for å sikre at metallioner raskt kan diffundere gjennom systemet med sjøvannet.

Gjeldende scenarier: Havner og kaier i tempererte og subtropiske havområder med lav til middels biologisk aktivitet, spesielt egnet for stålkonstruerte sjøvannskjølerør, sirkulerende vannsystemer og beskyttelse av kaipelfundamenter. For eksempel bruker havner og kaier i Øst- og Nord-Kina ofte denne typen system på grunn av den moderate sjøvannstemperaturen og den langsomme vekstraten til marine organismer.

Viktige utvalgskriterier: Elektrodematerialet må samsvare med utstyrets underlag – Hvis portrørene er laget av stål, foretrekkes aluminiumanoder (som genererer aluminiumhydroksidflokkulenter, noe som gir bedre beskyttelse); hvis rørene er laget av aluminium eller kobber, må jernanoder brukes for å unngå elektrokjemiske reaksjoner mellom elektroden og underlaget, noe som kan forverre korrosjonen.

(II) Type sjøvannselektrolyse

MGPS Sjøvannselektrolysetype MGPS, også kjent som «klorelektrolysetype», fungerer ved å elektrolysere sjøvann for å generere et sterkt oksidasjonsmiddel som direkte dreper marine larver og sporer, noe som resulterer i høyere bunnstoffeffektivitet og egnethet for svært biologisk aktive havområder. Denne typen system har høyere krav til elektrodematerialer, og krever at de er motstandsdyktige mot sterk korrosjon og har høy elektrolyseeffektivitet.

Kjernekomponenter: Består av platinabelagte titanelektroder (eller spesialdesignede korrosjonsbestandige elektroder), en elektrolytisk reaksjonstank, en likestrømsforsyning og en modul for overvåking av oksidantkonsentrasjon. Reaksjonstanken er kjernekomponenten og sikrer fullstendig elektrolyse av sjøvann for å generere en stabil konsentrasjon av oksidant.

Driftsegenskaper: Elektrolyse av sjøvann produserer sterke oksidanter som klor (Cl₂) og hypoklorsyre (HClO). Disse stoffene har sterke bakteriedrepende egenskaper, i stand til å drepe alger og skalldyrlarver på kort tid, og oppnår en bunnstoffeffektivitet på over 95 %. Det kreves ingen periodisk påfylling av metallelektrodene (bare vedlikehold av platinabelegglaget er nødvendig).

Gjeldende scenarier: Havner og kaier i tropiske, svært bioaktive hav, som de i Sør-Kina, Sørøst-Asia og Midtøsten. På grunn av høye vanntemperaturer, rikelig sollys og kraftig vekst av marint liv, skjer biofouling raskt, noe som nødvendiggjør at denne typen system oppfyller krav til høyintensiv bunnstoffbehandling.

Forholdsregler: Oksidantkonsentrasjonen må overvåkes i sanntid for å unngå for høye konsentrasjoner som kan korrodere utstyr eller forurense havmiljøet etter utslipp. Noen land har etablert klare standarder for oksidantutslippskonsentrasjoner fra sjøvannselektrolysetype MGPS (f.eks. enkeltutslippskonsentrasjon som ikke overstiger 0.5 mg/L).

(III) Sammensatte MGPS

Kompositt-MGPS er et oppgradert produkt som kombinerer fordelene med de to typene nevnt ovenfor. Gjennom en dobbel modus med «elektrolyse av metallioner + elektrolyse av sjøvann» kan den både hemme marin biologisk vekst og forbedre utstyrets korrosjonsmotstand. Den er egnet for store havneterminaler med store svingninger i biologisk aktivitet og komplekse utstyrstyper.

Kjernefordeler: Driftsmodusen kan justeres i henhold til sesongmessige endringer og marin biologisk aktivitet – bytting til sjøvannselektrolysemodus om sommeren når den biologiske veksten er kraftig for å forbedre steriliseringseffektiviteten; bytting til metallionelektrolysemodus om vinteren når den biologiske veksten er langsom for å redusere energiforbruket og forlenge elektrodens levetid.

Bruksområder: Store globale knutepunkthavner, som Singapore havn og Dubai havn, bruker ofte kompositt MGPS-systemer for å oppnå beskyttelse i alle scenarier og hele året på grunn av de forskjellige typene havneutstyr (inkludert kjølesystemer, avsaltingsanlegg for sjøvann og containerterminalutstyr) og de betydelige sesongmessige svingningene i marin biologisk aktivitet.

Arbeidsprinsipp for MGPS-systemer

Kjerneprinsippet for MGPS-systemer er «elektrolyse». En stabil likestrøm påføres elektrodene, med sjøvann som elektrolytt, noe som forårsaker en redoksreaksjon som genererer stoffer med bunnstoff- og korrosjonshemmende funksjoner. Ulike typer MGPS-systemer har forskjellige elektrolyseprosesser, som beskrevet nedenfor:

(I) Virkningsprinsipp for elektrolytisk metalliontype MGPS

Denne typen system oppnår beskyttelse gjennom en dobbel mekanisme med «metallion-bunnstoff + hydroksidflokkulent antikorrosjon». Reaksjonsprosessen kan deles inn i tre kjernefaser:

Kobberanodisk oksidasjonsreaksjon (kjernen i bunnstoff): Under påvirkning av en likestrømsforsyning gjennomgår kobberanoden en oksidasjonsreaksjon. Kobberatomer mister elektroner og løses opp i sjøvann, og genererer kobberioner (Cu²⁺). Reaksjonsformelen er: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻. Når konsentrasjonen av kobberioner i sjøvann når 2 μg/L (2 mg/m³), kan den effektivt hemme celledeling og vekst av alge- og skalldyrlarver, og forhindre at de fester seg til innerveggen i rør eller overflaten på utstyr, og dermed kutter av dannelsesveien for biologisk begroing ved kilden. Kobberioner viser målrettet toksisitet, kun effektiv mot marine larver, med minimal innvirkning på det marine økosystemet, og oppfyller dermed krav til grønn beskyttelse.

Aluminium/jern-anodiseringsreaksjon (kjernen i korrosjonsforebygging): Aluminiumanoden (eller jernanoden) gjennomgår en oksidasjonsreaksjon samtidig, der aluminiumatomer mister elektroner for å generere aluminiumioner (Al³⁺). Reaksjonsformelen er: Al → Al³⁺ + 3e⁻. Disse aluminiumionene kombineres med hydroksidioner (OH⁻) i sjøvann for å danne aluminiumhydroksid (Al(OH)₃) flokkulenter. Disse flokkulentene er svært viskøse og fester seg til innerveggene i rør, undervannsporter og pelefundamenter med strømmen av sjøvann, og danner en tett beskyttende film som er omtrent 0.1–0.3 mm tykk.

Katodisk reduksjonsreaksjon: Jernkatoden i systemet fungerer som katode og gjennomgår en reduksjonsreaksjon. Vannmolekyler får elektroner på katodeoverflaten, og genererer hydrogengass (H₂) og hydroksidioner (OH⁻). Reaksjonsligningen er: 3H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻. Denne reaksjonen opprettholder ikke bare stabil drift av elektrolysekretsen, men reduserer også, gjennom katodisk beskyttelsesprinsipp, potensialet til omkringliggende metallutstyr, øker elektrontettheten på utstyrsoverflaten og hemmer ytterligere sjøvannskorrosjon av utstyret, noe som oppnår en synergistisk effekt av "anti-fouling + anti-corrosion".

(II) Virkningsprinsipp for sjøvannselektrolyse av type MGPS

Kjernen i denne typen system er «elektrolyse av sjøvann for å generere et sterkt oksidasjonsmiddel som dreper marine organismer». Reaksjonsprosessen er konsentrert i elektrolysereaksjonstanken, noe som gir større kontrollerbarhet:

Sjøvannselektrolysereaksjon: Drevet av en likestrømsforsyning danner en elektrolysekrets en platinabelagt titanelektrode (anode) og katode. Sjøvann (som inneholder natriumklorid) gjennomgår en elektrolysereaksjon på elektrodeoverflaten. Klorgass (Cl₂) genereres ved anoden, med reaksjonsformelen: 2Cl⁻ – 2e⁻ → Cl₂↑; hydrogengass (H₂) og hydroksidioner (OH⁻) genereres ved katoden, med reaksjonsformelen: 2H₂O + 2e⁻ → H₂↑ + 2OH⁻.

Oksidasjonsgenerering: Klorgass som genereres ved anoden reagerer med sjøvann for å produsere hypoklorsyre (HClO) og natriumhypokloritt (NaClO), med følgende reaksjonsligninger: Cl₂ + H₂O → HClO + HCl, Cl₂ + 2NaOH → NaClO + NaCl + H₂O. Både hypoklorsyre og natriumhypokloritt er sterke oksidanter som kan ødelegge cellemembranene til marine larver og hemme deres respiratoriske enzymaktivitet, og drepe alge- og skalldyrlarver innen 10–20 sekunder. Denne bunnstoffhastigheten er mye raskere enn for elektrolytiske metallionsystemer.

Konsentrasjonskontroll: DC-kontrollenheten justerer automatisk elektrolysestrømmen basert på sjøvannsstrøm og data om biologisk aktivitet for å sikre at oksidantkonsentrasjonen holdes innenfor et trygt område på 0.2–0.5 mg/L. For lav konsentrasjon vil ikke oppnå ønsket bunnstoffeffekt, mens for høy konsentrasjon vil korrodere metallsubstratet på rørets innervegg og kan også føre til marin forurensning etter utslipp av sjøvann.

MGPS-systemets kjerneapplikasjoner

Bruksscenariene for MGPS-systemer i havneterminaler dekker hele kjeden av «sjøvannsbehandling – utstyrsbeskyttelse – økologisk samsvar». Kjernen deres dreier seg om tre hovedkategorier: sjøvannskjølesystemer, undervannsinfrastruktur og spesialdriftsutstyr.

(I) Beskyttelse av sjøvannskjølesystemet

Sjøvannskjølesystemer er sentralt energikrevende utstyr i havneterminaler, hovedsakelig brukt til kjøling av containerkraner, generatorsett og kjølte containere. MGPS-systemer er den viktigste beskyttelsesmetoden i dette scenariet og står for 45 % av den totale MGPS-behovet i havner.

Installasjonssted: Elektroder er installert ved innløpsrøret eller den fremre enden av kjøletårnet til sjøvannskjølesystemet, noe som sikrer at metallioner eller oksidanter kan komme inn i kjølerørene og varmevekslerne sammen med sjøvannet, og dekke hele kjølesløyfen.

Systemkonfigurasjon: Elektrolytisk metalliontype (kobber + aluminiumanode) brukes for tempererte havner, og elektrolytisk sjøvannstype (platinabelagte titanelektroder) brukes for tropiske havner. For store kjølesystemer (som kjøling av generatorsett) kreves det flere sett med elektroder for å sikre full dekning av beskyttelsesområdet.

(II) Beskyttelse av ubåtsluser og rørledninger

Ubåtsluser (brukes til å kontrollere innstrømning og utstrømning av sjøvann) og sjøvannsrørledninger ved havneterminaler er store områder med biologisk begroing. Skalldyr og alger som fester seg til åpningene i slusene og innerveggene i rørledningene kan forårsake vanskeligheter med å åpne og lukke slusene og blokkeringer i rørledningene. I alvorlige tilfeller kan dette føre til tilbakestrømning av sjøvann, noe som påvirker normal havnedrift.

Installasjonsmetode: Elektroder for ubåtsluser installeres på begge sider og i bunnen av slusene ved hjelp av en innebygd installasjonsmetode for å unngå å forstyrre åpning og lukking av slusene. Elektroder for sjøvannsrørledninger installeres ved rørledningens innløp i en ringanordning for å sikre jevn diffusjon av metallioner til rørledningens indre vegg.

Viktige beskyttelsespunkter: I tillegg til bunnstoff må korrosjonsbeskyttelsen styrkes. Ubåtsluser er for det meste laget av stål og er svært utsatt for korrosjon på grunn av langvarig nedsenking i sjøvann (som inneholder salt- og kloridioner). Derfor må aluminiumanoder brukes. De genererte aluminiumhydroksidflokkulentene kan danne en tett beskyttende film på sluseoverflaten. Kombinert med katodisk beskyttelse reduserer dette korrosjonshastigheten.

(III) Beskyttelse av kaihaug

Fundamenter og kaikonstruksjoner Fundamenter av kaipel og bryggefendere i havneterminaler er konstant nedsenket i sjøvann, og de utsettes ikke bare for biologisk begroing, men også for forringelse av strukturell styrke på grunn av sjøvannskorrosjon og tidevannserosjon, noe som påvirker kaisikkerheten. MGPS-systemet forlenger levetiden til pelefundamenter og kaikonstruksjoner gjennom dobbel beskyttelse av «bunnstoff + korrosjonsbeskyttelse».

Systemkonfigurasjon: Ved bruk av elektrolytisk metallion-type MGPS brukes kobberanoder til bunnstoff og aluminiumanoder til korrosjonsbeskyttelse. Elektroder er installert i bunnen og midten av pelefundamentet (i det tidevannspåvirkede området) for å sikre beskyttende dekning av kritiske korrosjonsutsatte områder.

Beskyttende effekt: Etter installasjon av MGPS-systemet kan biofouling-raten på pelefundamentets overflate kontrolleres til under 10 %, korrosjonsraten synker fra 0.2 mm/år til under 0.05 mm/år, og levetiden til pelefundamentet forlenges fra 20 år til 30–35 år. For eksempel, i containerkai-pelefundamentene i Dubai havn, oppsto det ingen betydelig korrosjon eller biofouling innen 10 år etter installasjon av MGPS-systemet, og den strukturelle styrken forble god.

Viktige punkter for vedlikehold: Sjekk elektrodens slitasje regelmessig. Levetiden til kobberanoder er omtrent 3–5 år, og til aluminiumanoder er den omtrent 2–3 år. Elektroder med slitasje på over 70 % bør skiftes ut raskt for å sikre stabil beskyttelse.

(IV) Beskyttelse av avsalting av sjøvann

Noen store havneterminaler er utstyrt med avsaltingsanlegg for sjøvann (for rengjøring av husholdningsvann og utstyr i havner), samt brannslukking av sjøvannssystemer og vanninjeksjonsrørledninger for oljefelt (i havneindustriområder). Disse enhetene har høye krav til vannkvalitet, og bioforurensning kan føre til utstyrssvikt og forringelse av vannkvaliteten, noe som krever målrettet beskyttelse fra MGPS-systemet.

Avsaltingsenhet for sjøvann: En elektrolytisk sjøvannstype MGPS velges og installeres i forbehandlingstrinnet for sjøvann i avsaltingsenheten. Den genererer et sterkt oksidasjonsmiddel som dreper marine organismer, og hindrer dem i å komme inn i omvendt osmosemembranen og forårsake blokkering og skade på membranen (utskiftningskostnadene for omvendt osmosemembraner er ekstremt høye og når millioner av yuan per utskifting).

Brannslukningsanlegg for sjøvann: Det brukes et elektrolytisk metallionsystem av typen MGPS. Elektroder er installert ved innløpet til sjøvannstanken for brannslukningsanlegg for å sikre at det ikke fester seg biologisk på tankens innervegg, noe som forhindrer normal tilførsel av sjøvann til brannslukningsanlegget på grunn av blokkering i rørledningen under en brann.

Vanninjeksjonsrørledninger i Lingang industriområde: Den aktuelle systemtypen velges basert på den marine biologiske aktiviteten, med fokus på å beskytte rørledningens indre vegg for å forhindre biologisk begroing som kan redusere vannstrømmen og påvirke produksjonseffektiviteten til Lingang-fabrikkene.