o           Hình dạng anốt

A1.1.9.          Có ba loại anốt chính được thiết kế cho công trình biển là:

·         Loại mảnh đặt cách đường ống;

·         Loại dài được lắp phẳng áp vào ống;

·         Loại hình xuyến

A1.1.10.        Loại anốt dùng trong thiết kế thường do Nhà khai thác quy định và phải tính đến các yếu tố khác nhau gồm:

(a)           Hệ số sử dụng và dòng anốt;

(b)           Trọng lượng và lực cản xuất hiện do dòng chảy;

(c)           Chi phi sản xuất và lắp đặt;

...

...

...

A1.1.11.        Anốt loại mảnh đặt cách đường ống có dòng và hệ số sử dụng cao nhất. Tuy nhiên các anốt này lại là vật cản và gây ra lực cản lớn.

o           Sử dụng lớp bọc kết hợp với bảo vệ catốt

A1.1.12.        Việc áp dụng lớp bọc không phải là kim loại sẽ giảm dòng cần thiết cho việc bảo vệ catốt và do đó giảm trọng lượng anốt hy sinh cần thiết. Đặc biệt đối với kết cấu nhậy cảm với trọng lượng có tuổi thọ thiết kế lớn thì việc kết hợp sử dụng lớp bọc và bảo vệ catốt có thể là biện pháp bảo vệ chống ăn mòn tiết kiệm nhất.

A1.1.13.        Lớp bọc cũng có lợi trong việc đạt được độ phân cực nhanh nhất và giúp sự phân phối dòng có hiệu quả hơn đối với các đối tượng có hình dạng phức tạp.

A1.1.14.        Việc sử dụng lớp bọc cũng giảm rủi ro ăn mòn sinh vật của thép C và thép hợp kim thấp ở trong các vùng bị khuất đối với dòng bảo vệ catốt.

A1.1.15.        Việc sử dụng kết hợp hệ thống bảo vệ catốt và lớp bọc phải được lựa chọn trên kinh nghiệm thực tế.

A1.1.16.        Một số loại lớp bọc đường ống nhất định (chủ yếu là loại có mức độ các bon đen cao) có thể có tính dẫn điện cao cho phép phóng điện dòng catốt tại lớp giao nước biển/lớp bọc. Điện trở kháng được khuyến nghị tối thiểu là 1,0 x10⁴ ohm.cm.

A2.  Các thông số thiết kế

A2.1.            Quy định chung

...

...

...

A2.1.2.          Trừ tuổi đời thiết kế, các thông số thiết kế khác thường được giả thiết là do Nhà thiết kế hệ thống bảo vệ catốt lựa chọn/đưa ra.

A2.1.3.          Các dữ liệu đưa ra trong phụ lục này được lựa chọn một cách thống nhất theo một tiếp cận thiên về an toàn. Do đó việc sử dụng các hệ số này sẽ đưa ra một tuổi thọ thực lớn hơn tuổi thọ thiết kế của hệ thống trong hầu hết các trường hợp. Với kinh nghiệm của Nhà khai thác hoặc các xem xét đặc biệt khác có thể bảo vệ cho việc áp dụng các dữ liệu thiết kế thấp hơn hoặc áp dụng các dữ liệu thiết kế thậm chí an toàn hơn nữa trong một số trường hợp nhất định.

A2.2.            Tuổi thọ thiết kế

A2.2.1.          Tuổi thọ thiết kế (t_f) của một hệ thống bảo vệ catốt phải được Nhà khai thác đưa ra. Khi đưa ra tuổi thọ thiết kế của hệ thống, Nhà khai thác cũng nên xem xét khả năng kéo dài tuổi thọ của hệ thống.

A2.2.2.          Việc bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống bảo vệ catốt dùng anốt hy sinh cho hệ thống đường ống biển nói chung là rất đắt và thường là không thực tế. Do đó, thông thường tuổi thọ thiết kế anốt được lấy bằng tuổi thọ công trình được bảo vệ.

A2.3.            Mật độ dòng điện thiết kế

A2.3.1.          Mật độ dòng điện là dòng bảo vệ catốt trên diện tích bề mặt đơn vị. Mật độ dòng thiết kế ban đầu (i_c) và cuối cùng (i_f) là một số đo mật độ dòng catốt cần thiết dự đoán để có được sự bảo vệ cho bề mặt kim loại trần trong một khoảng thời gian ngắn hợp lý. Chúng được sử dụng để tính toán dòng điện cần thiết ban đầu và cuối cùng để dùng trong việc tính toán số lượng và kích cỡ anốt. ảnh hưởng của các lớp bọc được tính đến thong qua việc sử dụng hệ số suy giảm lớp bọc.

A2.3.2.           Mật độ dòng thiết kế trung bình (hay duy trì) là một số đo dòng catốt cần thiết dự đoán, khi hệ thống bảo vệ catốt đã đạt được điện thế bảo vệ ở trạng thái đều. Khi đó hiệu điện thế dẫn sẽ thấp hơn và do đó mật độ dòng thiết kế trung bình thấp hơn cả hai mật độ dòng thiết kế ban đầu và cuối cùng.

A2.3.3.           Mật độ dòng thiết kế phụ thuộc vào nhiều yếu tố và những yếu tố này phụ thuộc vào vị trí địa lý và độ sâu nước. Mật độ dòng thiết kế được quy định ở bảng A2.3-1 và bảng A2.3-2. Các mật độ dòng thiết kế này được lựa chọn thiên về an toàn để tính đến trạng thái thời tiết gồm sóng và dòng chảy, tuy nhiên không tính đến hiệu ứng mài mòn do bùn cát.

...

...

...

Bảng A2.3-1: Mật độ dòng thiết kế ban đầu và cuối cùng

Độ sâu

(m)

Mật độ dòng thiết kế ban đầu và cuối cùng – A/m²

Nhiệt đới

(>20⁰ C)

Cận nhiệt đới

(12⁰ C -20⁰ C)

Ôn đới

...

...

...

Cực

(<7⁰ C)

0 – 30

0,15 - 0,09

0,17 - 0,11

0,2 - 0,13

0,25 - 0,17

> 30

0,13 - 0,08

...

...

...

0,18 - 0,11

0,22 - 0,13

Bảng A2.3-2: Mật độ dòng thiết kế trung bình

Độ sâu

(m)

Mật độ dòng thiết kế trung bình – A/m²

Nhiệt đới

(>20⁰ C)

Cận nhiệt đới

...

...

...

Ôn đới

(7⁰ C -12⁰ C)

Cực

(<7⁰ C)

0 – 30

0,07

0,08

0,10

0,12

...

...

...

0,06

0,07

0,08

0,10

A2.3.5.          Đối với đường ống và các bộ phận khác được hâm nóng bởi dung chất bên trong, mật độ dòng thiết kế (ban đầu/cuối cùng và trung bình) như quy định tại bảng A2.3-1, A2.3-2 và mục A2.3.4 phải được tăng thêm 0,001 A/m² cho mỗi ⁰C vượt quá 25⁰ C của nhiệt độ tại ranh giới giữa kim loại và môi trường. Đối với ống một vách (không có bọc cách nhiệt và bọc bê tông gia tải), nhiệt độ này được giả thiết là bằng nhiệt độ của dung chất bên trong.

A2.4.            Hệ số suy giảm lớp bọc và sơn phủ

A2.4.1.          Hệ số suy giảm lớp bọc, f_c, mô tả độ giảm dự đoán của mật độ dòng thiết kế do việc dùng lớp bọc có tính cách điện. f_c = 0 nghĩa là lớp bọc 100% cách điện do đó độ giảm của mật độ dòng thiết kế là bằng 0 và f_c = 1 tương ứng với lớp bọc không có đặc tính bảo vệ.

A2.4.2.          Hệ số suy giảm lớp bọc là một hàm của đặc tính lớp bọc, các thông số khai thác và thời gian. Đặc tính lớp bọc phụ thuộc vào vật liệu lớp bọc, việc chuẩn bị bề mặt và bọc. Hệ số suy giảm lớp bọc có thể được mô tả bằng:

f_c = k₁ + k₂t                                                                    (A2.4-1)

...

...

...

t là tuổi thọ của lớp bọc, tính theo năm;

k₁ và k₂ là các hằng số phụ thuộc vào đặc tính lớp bọc. Các hệ số này được đưa ra trong bảng A2.4-1.

A2.4.3.          Bốn loại sơn phủ được xác định để đơn giản hóa việc hiệu chỉnh hệ số suy giảm lớp bọc cho phù hợp với đặc tính của lớp bọc:

·         Loại I          : Một lớp sơn lót với chiều dày màng khô bảo vệ (DFT- Dry Film Thickness) danh nghĩa khoảng 50 mm;

·         Loại II         : Một lớp sơn lót, cộng với tối thiểu một lớp sơn phủ ngay bên trên, với DFT danh nghĩa là150 mm đến 250 mm;

·         Loại III         : Một lớp sơn lót, cộng với tối thiểu hai lớp sơn phủ ngay bên trên, với DFT danh nghĩa tối thiểu là 300 mm;

·         Loại IV        : Một lớp sơn lót, cộng với tối thiểu ba lớp sơn phủ ngay bên trên, với DFT danh nghĩa tối thiểu là 450 mm;

A2.4.4.          Hư hỏng lớp bọc được giả thiết phần lớn là do hà bám và hiệu ứng mài mòn do sóng và dòng chảy. Tất cả các yếu tố này liên quan đến độ sâu và để đơn giản hoá hiệu ứng của nhiệt độ nước biển được bỏ qua.

A2.4.5.          Để thiết kế bảo vệ catốt, hệ số suy giảm lớp bọc trung bình và cuối cùng được tính dựa trên tuổi thọ thiết kế, t_f:

...

...

...

f_c(cuối cùng) = k₁ + k₂t_f                                                  (A2.4-3)

Nếu giá trị tính toán vượt quá 1, giá trị f_c = 1 phải được áp dụng trong thiết kế.

Khi tuổi thọ thiết kế của hệ thống bảo vệ catốt vượt quá tuổi thọ của hệ thống lớp bọc, f_c(trung bình) có thể được tính theo:

                                     (A2.4-4)

Bảng A2.4-1: Các hằng số k₁ và k₂ cho tính toán hế số suy giảm lớp sơn

Độ sâu

(m)

Loại lớp bọc

...

...

...

(k₁ = 0,1)

k₂

II

(k₁ = 0,05)

k₂

III

(k₁ = 0,02)

k₂

IV

...

...

...

k₂

0 – 30

0,10

0,03

0,015

0,012

> 30

0,05

0,02

...

...

...

0,012

A2.4.6.          Hệ số suy giảm lớp bọc như định nghĩa ở trên không tính đến lượng dự trữ đối với sự hư hỏng lớp sơn phủ trong quá trình chế tạo và lắp đặt. Nếu những hư hỏng này được dự đoán là đáng kể thì diện tích bề mặt bị ảnh hưởng phải được ước tính và đưa vào trong tính toán thiết kế như là bề mặt kim loại trần.

A2.5.            Lớp bọc đường ống

A2.5.1.          Hệ số suy giảm lớp bọc đối với lớp bọc đường ống như định nghĩa tại mục A2.4 và các quy định dưới đây phải được áp dụng trong tính toán thiết kế, trừ khi có quy định khác. Hệ số suy giảm lớp bọc được áp dụng cho các hệ thống bọc đường ống sau đây:

·         Lớp bọc nhựa đường + bê tông gia tải;

·         Epoxi nóng chảy + chất dính + polyethylene hoặc polypropylene;

·         Cao su polychloroprene;

·         Các hệ thống bọc tương đương có 2 lớp, lớp trong dùng để chống ăn mòn và 1 lớp ở ngoài để bảo vệ cơ học và có thể kết hợp bọc cách nhiệt.

A2.5.2.          Các hệ số suy giảm lớp bọc sau liên quan đến hệ thống lớp bọc nêu trong mục A2.5.1 được áp dụng cho cả đường ống không bị chôn và đường ống bị chôn:

...

...

...

                        f_c (cuối cùng) = 0,07 + 0,004(t_f – 20)                                           (A2.5-2)

A2.5.3.          Đối với đường ống bọc bằng epoxi nóng chảy với DFT tối thiểu là 300 mm không được bọc đè lên nhau thì dùng hệ số suy giảm lớp bọc cho Loại III, thay đổi cho k₁ = 0,05.

A2.6.            Công thức điện trở cho anốt

A2.6.1.          Bảng A2.6-1 đưa ra các công thức tính toán điện trở cho anốt cho các hình dạng anốt khác nhau. Các công thức trong bảng A2.6-1 phải được áp dụng cho mỗi thiết kế anốt liên quan trong tính toán thiến kế trừ khi có quy định khác:

Bảng A2.6-1: Công thức tính toán điện trở cho anốt

Loại anốt

Công thức

Loại mảnh, dài đặt cách đường ống

L ³ 4r

...

...

...

Loại mảnh, ngắn đặt cách đường ống

L < 4r

 (A2.6-2)

Loại dài, lắp áp vào ống

L ³ 4 lần bề rộng và chiều dầy

 (A2.6-3)

Loại ngắn, lắp áp vào ống, loại vòng xuyến và các loại khác

 (A2.6-4)

Trong đó:

...

...

...

L (m)     = chiều dài anốt;

r (m)     = bán kính anốt;

S (m)    = trung bình của chiều dài và chiều rộng anốt;

A (m)    = diện tích bề mặt anốt .

Các công thức trên được áp dụng cho anốt với khoảng cách tối thiểu là 0,3m từ đường ống. Nếu khoảng cách từ anốt đến đường ống nhỏ hơn 0,3m nhưng tối thiểu là 0,15 m thì có thể áp dụng công thức trên với một hệ số hiệu chỉnh là 1,3.

Đối với các anốt không phải là hình trụ: r = C/2p trong đó C(m) là chu vi mặt cắt ngang.

A2.6.2.          Để tính điện trở anốt ban đầu, R_a (ban đầu), các kích thước anốt ban đầu phải được đưa vào trong công thức tương ứng trong bảng A2.6-1.

A2.6.3.          Đối với tất cả các loại anốt, khi anốt bị tiêu hao theo hệ số sử dụng u của nó thì khối lượng anốt còn lại được xác định bằng:

                                                      (A2.6-5)

...

...

...

                                 (A2.6-6)

 trong đó, L là chiều dài anốt.

A2.6.5.          Đối với anốt loại dài, lắp áp vào ống, giả thiết hình dạng cuối cùng là dạng bán trụ. Chiều dài và bán kính cuối cùng được tính như trong mục A2.6.4.

A2.6.6.          Đối với anốt loại vòng xuyến dùng cho đường ống với các đầu của nó được lắp áp vào lớp bọc bê tông gia tải và điền đầy bằng mát tít thì tính diện tích bề mặt hở cuối cùng được tính từ trọng lượng thực và kích thước cuối cùng và hệ số sử dụng được cho trong bảng A2.8-1.

A2.6.7.          Đối với anốt loại ngắn, lắp áp vào ống và các loại khác với điện trở của anốt được tính theo công thức A2.6-4, giả thiết bề mặt hở cuối cùng là tương đương với diện tích bề mặt ban đầu của anốt đối diện với bề mặt được bảo vệ.

A2.7.           Điện trở suất

A2.7.1.          Điện trở suất r (ohm.m) của nước biển là một hàm của độ mặn và nhiệt độ. Trong vùng biển mở độ mặn không thay đổi lớn và nhiệt độ là yếu tố chính. Hình A2.7-1 đưa ra mối quan hệ giữa điện trở suất và nhiệt độ tại độ mặn từ 30 đến 40‰ (phần nghìn – parts per thousand).

A2.7.2.          Tại các vùng gần bờ đặc biệt là trong vùng gần cửa sông và trong các vịnh khép kín độ mặn sẽ thay đổi đáng kể. Do đó thiết kế hệ thống bảo vệ catốt trong các vùng này được khuyến nghị là dựa trên việc đo điện trở kháng.

A2.7.3.          So với nước biển điện, trở kháng của trầm tích biển cao hơn khoảng 2 lần cho đất sét rất mềm và khoảng 5 lần đối với cát. Hệ số cao nhất sẽ được dùng trừ khi có dữ liệu trầm tích thực tế.

...

...

...

Hình A2.7-1 Điện trở suất

A2.8.            Hệ số sử dụng anốt

A2.8.1.           Hệ số sử dụng anốt (u) miêu tả phần vật liệu anốt có thể được sử dụng cho mục đích thiết kế. Khi anốt bị tiêu hao quá hệ số sử dụng, khả năng làm việc của anốt sẽ trở nên không đoán được do mất sự trợ giúp của vật liệu anốt và/hoặc điện thế anốt tăng quá nhanh.

A2.8.2.           Hệ số sử dụng anốt phụ thuộc vào thiết kế anốt chi tiết, đặc biệt là kích thước và vị trí của lõi anốt. Hệ số sử dụng trong bảng A2.8-1 là các giá trị thiên về an toàn, không phụ thuộc vào thiết kế anốt chi tiết và sẽ được dùng trong tính toán thiết kế, trừ khi có quy định khác.

Bảng A2.8-1: Hệ số sử dụng anốt thiết kế

Loại anốt

Hệ số sử dụng anốt

Loại mảnh, dài đặt cách đường ống ⁽¹⁾

...

...

...

Loại dài, lắp áp vào ống ⁽¹⁾

0,85

Loại ngắn, lắp áp vào ống ⁽²¹⁾

0,8

Vòng xuyến, nửa hình tròn

0,8

Vòng xuyến, một cung tròn

0,75

 Ghi chú:

...

...

...

(2)        Chiều dài anốt < 4 lần chiều dày.

A3.  Các bước thiết kế

A3.1.       Phân loại vật được bảo vệ

A3.1.1.      Trong thiết kế hệ thống bảo vệ catốt cho kết cấu lớn và phức tạp việc phân loại kết cấu ra thành nhiều đơn vị rất thuận tiện và thường là cần thiết.

A3.1.2.      Việc chia kết cấu ra thành nhiều đơn vị có thể dựa trên các tham số môi trường hoặc khai thác.

A3.2.           Tính toán diện tích bề mặt

A3.2.1.      Cho mỗi đơn vị chia ra, các vùng bề mặt được bảo vệ catốt sẽ được tính riêng biệt cho các vùng mà các trạng thái môi trường hoặc việc áp dụng lớp bọc đưa ra các yêu cầu dòng điện khác nhau.

A3.2.2.      Các tính toán diện tích bề mặt sẽ được đưa ra trong báo cáo thiết kế và tham chiếu đến các bản vẽ có liên quan.

A3.3.           Tính toán dòng điện cần thiết

...

...

...

A3.3.2.      Dòng điện cần thiết (I_c) sẽ được tính bằng tích của diện tích riêng biệt (A_c) cho mỗi đơn vị được bảo vệ catốt với cường độ dòng thiết kế tương ứng (i_c) và hệ số suy giảm lớp bọc (f_c) nếu có:

                                                                    (A3.3-1)

trong đó:

I_c là dòng điện cần thiết cho một diện tích bề mặt cụ thể;

i_c được chọn từ phần A2.3;

f_c lấy từ phần A2.4 và A2.5 cho sơn và bọc đường ống theo thự tự;

A3.4.           Lựa chọn loại và kích thước anốt

A3.4.1.      Loại anốt được sử dụng phụ thuộc chính vào các thông số chế tạo, lắp đặt và khai thác, do đó Nhà khai thác thường quy định loại anốt.

A3.4.2.      Đối với anốt dạng xuyến dùng cho đường ống mà được lắp áp vào lớp bọc thì chiều dầy lớp bọc sẽ quyết định đến kích thước anốt.

...

...

...

A3.5.1.      Tổng khối lượng anốt thực M (kg) cần thiết để duy trì sự bảo vệ catốt trong suốt quãng thời gian làm việc t_f (năm) được tính từ I_c (trung bình).

                                                            (A3.5-1)

trong đó:

e (A.h/kg) là hiệu suất điện hoá của vật liệu anốt;

u là hệ số sử dụng;

8760 là số giờ trong năm;

A3.6.           Tính toán số lượng anốt

A3.6.1.       Khi đã lựa chọn loại anốt, số lượng anốt, kích thước anốt và khối lượng thực anốt sẽ được lựa chọn để thoả mãn các yêu cầu về dòng ban đầu/cuối cùng (A) và năng lượng điện hoá (A.h)

A3.6.2.      Cường độ dòng anốt được tính theo định luật Ohm

...

...

...

trong đó:

 - Điện thế thiết kế trong mạch kín của anốt (V);

R_a - Điện trở của anốt (W);

 - Điện thế bảo vệ thiết kế được chọn là -0,80 V (Ag/AgCl/nước biển).

A3.6.3.      Cường độ dòng anốt được tính cho quãng thời gian làm việc ban đầu và cuối cùng của hệ thống bảo vệ catốt.

A3.6.4.      Năng lượng điện hoá anốt (c_a) được tính bằng:

                                                                (A3.6-2)

trong đó: m là khối lượng thực của mỗi anốt

Do đó tổng năng lượng điện hoá anốt C_a = n.c_a (A.h), trong đó n là số lượng anốt

...

...

...

A3.6.6.      Kích thước và khối lượng thực anốt phải được chọn để thoả mãn tất cả các yêu cầu về cường độ dòng (ban đầu/cuối cùng) và năng lượng điện hoá dòng anốt cho một số lượng anốt cụ thể, đây là một vòng tính lặp.

A3.6.7.      Việc tính toán phải được thực hiện để chứng minh được rằng các yêu cầu sau được thoả mãn:

                                                (A3.6-3)

và

                            (A3.6-4)

trong đó:

            I_c là dòng yêu cầu bảo vệ catốt của phần được bảo vệ.

A3.7.          Thiết kế anốt chi tiết

A3.7.1.      Trước khi đưa ra thiết kế anốt cuối cùng, Nhà thiết kế phải liên hệ với Nhà cung cấp anốt hy sinh để đảm bảo thiết kế đưa ra có thể sản xuất được.

...

...

...

A3.7.3.      Để tránh anốt bị tuột khỏi đường ống trong quá trình rải ống, các anốt lắp phía trên lớp bọc nên được thiết kế hàn trực tiếp lõi vào tấm ốp trên đường ống.

A3.7.4.      Việc ước tính kích thước anốt còn lại khi bị tiêu hao đến hệ số sử dụng được dùng trong thiết kế phải được thực hiện để kiểm tra xác định rằng lõi anốt không bị lộ ra đáng kể.

A3.7.5.      Các bản vẽ chi tiết thiết kế anốt gồm các thiết bị bắt chặt phải được chuẩn bị cho mỗi kích cỡ/loại anốt. Các cáp nối, nếu có phải được thiết kế chi tiết. Trọng lượng của từng anốt và tổng trọng lượng của các anốt bao gồm cả dung sai phải được ghi rõ trên bản vẽ.

A3.8.          Bố trí anốt

A3.8.1.      Số lượng anốt tính toán phải được bố trí để có được sự phân phối đều của dòng.

A3.8.2.      Nếu thực tế, các anốt dùng cho việc bảo vệ các bề mặt chôn trong lớp trầm tích nên được đặt tự do phía trên, tiếp xúc với nước biển.

A3.8.3.      Tốt nhất là đặt anốt tại các khoảng cách thích hợp để tránh sự tương tác làm giảm dòng có ích.

A3.8.4.      Khoảng cách giữa các anốt trên đường ống thông thường không nên vượt quá 150 m.