Zastosowanie technologii ochrony katodowej w rurociągach wodociągowych

Zastosowanie technologii ochrony katodowej w lądowych rurociągach wodociągowych (rury stalowe i PCCP) jest podstawową metodą zapobiegania korozji metali i wydłużania żywotności rurociągów. Ze względu na różnice we właściwościach materiałów i środowisku pracy pomiędzy rurami stalowymi a rurami butlowymi z betonu sprężonego (PCCP), istnieją znaczne różnice w projektowaniu i wdrażaniu ochrony katodowej.

1. Środowisko korozyjne i wyzwania

Główne rodzaje korozji:

• Korozja elektrochemiczna: Komórki korozyjne utworzone przez różnice w wilgotności gleby, zasoleniu i tlenie.
• Korozja prądów błądzących: Zakłócenia prądu z pobliskich obiektów energetycznych i transportu kolejowego.
• Korozja mikrobiologiczna (MIC): bakterie-redukujące siarczany (SRB) przyspieszają korozję w glebach beztlenowych.

Obszary-wysokiego ryzyka:

• Szwy spawalnicze i wady powłoki: Lokalnie odsłonięte rury stalowe działają jak anody.
• Gleby o wysokiej-solności/niskiej oporności (np. obszary przybrzeżne): szybkość korozji może osiągnąć 0,1–0,3 mm/rok.

2. Wybór technologii ochrony katodowej

System anod protektorowych (anoda ofiarna CP, SACP)

1) Obowiązujące scenariusze:

• Krótki-odległość (<5 km), small-diameter (
• Środowiska glebowe lub słodkowodne.

2) Materiały anodowe:

• Anody ze stopu magnezu: wysokie napięcie sterujące, odpowiednie do gleby o wysokiej-oporności lub słodkiej wody.
• Anody ze stopu cynku: niskie napięcie sterujące, odpowiednie do gruntów o niskiej-rezystywności (<1000 Ω·cm).

3) Parametry projektowe:

• Gęstość prądu ochronnego: 0,02~10 mA/m² (w zależności od jakości powłoki i scenariuszy rurociągów, np. 5-10 mA/m² dla rur podziemnych z powłoką 3PE-w instalacjach regionalnych, 0,01-0,05 mA/m² dla rurociągów dalekobieżnych z powłoką 3PE).
• Głębokość zakopania anody: 1,5 ~ 2 metry (umieszczona w wilgotnych warstwach gleby poniżej rurociągów).

System prądu pod wrażeniem (prąd pod wrażeniem CP, ICCP)

1) Obowiązujące scenariusze:

• Long-distance (>10 km), large-diameter (>DN1000) rurociągi.
• Środowisko glebowe lub wodne.

2) Elementy systemu:

• Złoża anodowe: anody z żeliwa wysoko-krzemowego, anody MMO (mieszane tlenki metali), anody grafitowe, anody elastyczne itp.
• Zasilanie: Prostownik stałopotencjalny (kontroluje potencjał przy -0,85 ~ -1,20 V w porównaniu z Cu/CuSO₄).
• Elektrody odniesienia: Stałe elektrody Cu/CuSO₄ (zakopane w pobliżu rurociągów).

3) Kluczowe punkty projektu:

• Odległe złoża anodowe Większe lub równe 50 metrów od rurociągów, aby uniknąć nierównomiernego rozkładu prądu.
• Rozproszone złoża anodowe (wiele rozproszonych punktów) dla złożonych terenów lub gęsto zabudowanych obszarów miejskich.

Kluczowe technologie i łączona ochrona

1) Powłoka + synergia CP:

• Typy powłok: 3PE (trój-polietylen trójwarstwowy), FBE (epoksyd-spajany) itp.
• Zarządzanie defektami powłoki: pokrycie CP dla uszkodzonych punktów (gęstość prądu mniejsza lub równa 10 mA/m², gdy stopień uszkodzenia<1%).

2) Klejenie i izolacja:

• Do izolowania chronionych rurociągów od innych konstrukcji metalowych, które mogą zakłócać prądy CP, należy używać kołnierzy lub złączy izolacyjnych.
• Zainstaluj kable łączące, aby zrównoważyć różnice potencjałów.

1. Mechanizm korozji PCCP

Charakterystyka strukturalna:

• Sprężone druty stalowe owinięte wokół stalowych cylindrów, pokryte betonowymi warstwami zewnętrznymi.
• Ryzyko korozji drutu: Karbonizacja betonu lub penetracja chlorków niszczy warstwy pasywacyjne.

Konsekwencje korozji:

• Pęknięcia przewodów prowadzące do pęknięć rur (np. zdarzenie związane z pęknięciem PCCP w 2000 r. w Tampa Bay, USA).

2. Wyzwania techniczne CP

Aktualne ekranowanie:

• Warstwy betonu utrudniają dopływ prądu do przewodów, co wymaga specjalnych konstrukcji.

Ryzyko kruchości wodorowej:

• Nadmierna-ochrona (potencjalna<-1.00 V vs. Cu/CuSO₄) may cause hydrogen-induced fractures in high-strength wires.

Trudności w monitorowaniu:

• Przewody zatopione w betonie wymagają pomiarów potencjału przez warstwy ochronne.

3. Rozwiązania wdrożeniowe CP

Anody rozproszone:

• Zainstalować anody protektorowe ze stopu cynku w glebie na zewnątrz ścian rur lub anody wstęgowe MMO/anody z przewodzącego polimeru.

Odległe łóżka anodowe:

• W przypadku istniejących rurociągów użyj-głębokich złóż anodowych, aby penetrować warstwy betonu.

Parametry projektowe:

• Potencjał ochronny: -0,85 ~ -1,00 V (w porównaniu z Cu/CuSO₄), aby uniknąć kruchości wodorowej.
• Gęstość prądu: 0,1~1,0 mA/m² (niskie zapotrzebowanie na prąd ze względu na wysoką rezystywność betonu).

4. Monitorowanie i konserwacja

Potencjalne monitorowanie:

• Sondy: zakopane nasycone elektrody Cu/CuSO₄ w glebie lub-wstępnie osadzone elektrody Mn/MnO₂ w betonie do monitorowania-potencjału drutu w czasie rzeczywistym.
• Izolacja segmentowa: Podzielić rurociągi PCCP na odcinki w celu niezależnego monitorowania potencjału.

Ostrzeżenie o uszkodzeniu drutu:

• Emisja akustyczna (AE): wykrywa sygnały fal naprężeń z pęknięć drutu.
• Metoda elektromagnetyczna (EMAT): Skanuj powierzchnie rur, aby ocenić integralność przewodów.

• Projekt EPC dotyczący rurociągu wodnego nr 4 w China Harbor Karachi, Pakistan
• Projekt odsalania i zaopatrzenia w wodę JAFURAH (JFD)
• Projekt CP rurociągu PCCP o długości 180 km w Xinjiang z wykorzystaniem-opakowanych anod cynkowych i anod wstęgowych cynku-o wysokiej czystości.
• Projekt dotyczący bezpieczeństwa wody pitnej na obszarach wiejskich Xinjiang Kashi.
• Projekt wspólnego zaopatrzenia w wodę dorzecza rzeki Xinjiang Pishan (faza I) CP
• Projekt CP dotyczący elektrowni wodnej i rurociągu wychodzącego w Ningbo Taoyuan
• Projekt zmiany kierunku węzła wodnego Putian Jinzhong - Przybrzeżny rurociąg PCCP oddziału w Mazu

1. Aktualne wyzwania

• Nierówny rozkład prądu PCCP: różna grubość betonu powoduje lokalną-nadmierną lub niewystarczającą-ochronę.
• Opłacalność-: PCCP CP kosztuje 3–5 razy więcej niż systemy rur stalowych (ze względu na wymagania dotyczące penetracji betonu).
• Kontrola kruchości wodorowej: wymaga precyzyjnej regulacji potencjału (np. przy użyciu ograniczników potencjału).

2. Kierunki innowacji

Inteligentne materiały anodowe:

• Anody-samoregulujące (automatycznie dostosowują prąd wyjściowy na podstawie wilgotności/zasolenia).
• Anody-nanokompozytowe (np. MMO wzmocnione CNT-w celu poprawy wydajności prądowej).

Monitorowanie cyfrowe:

• Platformy IoT (Internet rzeczy) umożliwiające analizę-w czasie rzeczywistym danych o potencjale, prądzie i emisji akustycznej.
• Uczenie maszynowe w celu przewidywania gorących punktów korozji i optymalizacji parametrów ochrony.

Zielone technologie:

• Systemy ICCP zasilane energią słoneczną/wiatrową- (np. australijski program elektrowni wodnych Snowy Mountains).

3. Normy i specyfikacje

Międzynarodowe standardy:

• NACE SP0169 (Kontrola korozji zewnętrznej w podziemnych lub zanurzonych systemach rurociągów metalowych).
• NACE SP0100 (Ochrona katodowa w celu kontroli korozji zewnętrznej betonowych rurociągów ciśnieniowych i zapraw-rurociągów stalowych powlekanych do zastosowań wodno-ściekowych).

Chińskie standardy:

• GB/T 21448-2017 „Specyfikacja techniczna dotycząca ochrony katodowej podziemnych rurociągów stalowych” określa standardy ochrony podziemnych rurociągów stalowych przed korozją poprzez techniki ochrony katodowej.
• GB/T 19685-2017 „Rury butlowe z betonu sprężonego” zawiera specyfikacje rur butlowych z betonu sprężonego, które są powszechnie stosowane w instalacjach wodno-kanalizacyjnych.
• GB/T 28725-2012 „Ochrona katodowa zakopanych rur butlowych z betonu sprężonego” koncentruje się na normach ochrony katodowej specjalnie dla zakopanych rur butlowych z betonu sprężonego, zapewniając ich trwałość i integralność.

Zastosowania CP w lądowych rurociągach wody (stalowych i PCCP) wymagają ukierunkowanych projektów:

• Rury stalowe: Skoncentruj się na powlekaniu i synergii CP, aby zaradzić prądom błądzącym i korozji gleby.
• PCCP: Bezpośrednia ochrona przewodów przez warstwy betonu przy jednoczesnym równoważeniu ryzyka kruchości wodorowej.

Przyszłe trendy kładą nacisk na inteligentne monitorowanie, materiały o niskiej-wodorze-kruchości i rozwiązania w zakresie zielonej energii, aby sprostać wymaganiom w zakresie niezawodności w przypadku-przesyłu wody na duże odległości i sieci miejskich, przyczyniając się do poprawy infrastruktury wodnej w kierunku osiągnięcia-stoletniej żywotności.