Застосування технології катодного захисту в трубопроводах водопостачання

Застосування технології катодного захисту в наземних водопроводах (сталеві труби та PCCP) є основним методом запобігання корозії металу та продовження терміну служби трубопроводу. Через відмінності у властивостях матеріалу та робочому середовищі між сталевими трубами та попередньо напруженими бетонними циліндричними трубами (PCCP) існують значні відмінності в конструкції та реалізації катодного захисту.

1. Корозійне середовище та виклики

Основні види корозії:

• Електрохімічна корозія: осередки корозії, що утворюються через різницю у вологості ґрунту, солоності та кисню.
• Корозія блукаючим струмом: струмові перешкоди від сусідніх енергетичних установок і залізничного транспорту.
• Мікробна корозія (MIC): сульфат{0}}відновлюючі бактерії (SRB) прискорюють корозію в анаеробних ґрунтах.

Зони високого-ризику:

• Зварні шви та дефекти покриття: місцево оголені сталеві труби діють як аноди.
• Ґрунти з високим-питомим опором солі (наприклад, прибережні райони): швидкість корозії може досягати 0,1–0,3 мм/рік.

2. Вибір технології катодного захисту

Система жертвувального аноду (Sacrificial Anode CP, SACP)

1) Застосовні сценарії:

• Коротка-відстань (<5 km), small-diameter (
• Грунт або прісноводні середовища.

2)Анодні матеріали:

• Аноди з магнієвого сплаву: висока провідна напруга, підходить для ґрунтів із високим{0}}питомим опором або прісної води.
• Аноди зі сплаву цинку: низька провідна напруга, підходить для ґрунтів із-низьким питомим опором (<1000 Ω·cm).

3) Параметри конструкції:

• Щільність захисного струму: 0,02~10 мА/м² (залежно від якості покриття та сценаріїв трубопроводу, наприклад, 5-10 мА/м² для заглиблених труб із покриттям 3PE-в регіональних системах, 0,01-0,05 мА/м² для трубопроводів великої протяжності з покриттям 3PE).
• Глибина закладення анода: 1,5~2 метри (розташований у вологих шарах ґрунту під трубопроводами).

Система випробуваного струму (CP, ICCP)

1) Застосовні сценарії:

• Long-distance (>10 km), large-diameter (>DN1000) трубопроводів.
• Грунт або водне середовище.

2) Компоненти системи:

• Анодні шари: чавунні-аноди з високим вмістом кремнію, аноди змішаного оксиду металів (MMO), графітові аноди, гнучкі аноди тощо.
• Джерело живлення: випрямляч постійного потенціалу (регулює потенціал при -0,85~-1,20 В порівняно з Cu/CuSO₄).
• Електроди порівняння: постійні електроди Cu/CuSO₄ (вмонтовані поблизу трубопроводів).

3) Ключові моменти дизайну:

• Віддалені шари анодів Більше або дорівнює 50 метрам від трубопроводів, щоб уникнути нерівномірного розподілу струму.
• Розподілені анодні шари (кілька дисперсних точок) для складних рельєфів або густонаселених територій.

Ключові технології та комбінований захист

1) Синергія покриття + CP:

• Типи покриття: 3PE (три-шаровий поліетилен), FBE (-сплавлена ​​епоксидна смола) тощо.
• Управління дефектами покриття: покриття CP для пошкоджених точок (щільність струму менше або дорівнює 10 мА/м², коли рівень пошкодження<1%).

2) Склеювання та ізоляція:

• Використовуйте ізолюючі фланці або з’єднання, щоб ізолювати захищені трубопроводи від інших металевих конструкцій, які можуть перешкоджати струмам СР.
• Встановіть сполучні кабелі, щоб збалансувати різницю потенціалів.

1. Механізм корозії PCCP

Структурні характеристики:

• Попередньо напружені сталеві дроти, обмотані навколо сталевих циліндрів, покриті зовнішніми шарами бетону.
• Ризик корозії дроту: карбонізація бетону або проникнення хлоридів руйнує пасиваційні плівки.

Наслідки корозії:

• Розриви дроту, що призводять до розриву труб (наприклад, вибух PCCP 2000 року в Тампа-Бей, США).

2. Технічні проблеми CP

Струмове екранування:

• Бетонні шари перешкоджають проходженню струму до проводів, що вимагає спеціальних конструкцій.

Ризик водневої крихкості:

• Над-захист (потенційний<-1.00 V vs. Cu/CuSO₄) may cause hydrogen-induced fractures in high-strength wires.

Труднощі моніторингу:

• Дроти, закладені в бетон, потребують вимірювання потенціалу через захисні шари.

3. Рішення для впровадження CP

Розподілені аноди:

• Встановіть жертвуючі аноди зі сплаву цинку в ґрунт поза стінками труб або стрічкові аноди MMO/провідні полімерні аноди.

Виносні анодні ліжка:

• Для існуючих трубопроводів використовуйте глибокі -анодні шари для проникнення в бетонні шари.

Параметри конструкції:

• Потенціал захисту: -0,85~-1,00 В (проти Cu/CuSO₄), щоб уникнути водневої крихкості.
• Щільність струму: 0,1~1,0 мА/м² (низьке споживання струму через високий питомий опір бетону).

4. Моніторинг і технічне обслуговування

Потенційний моніторинг:

• Зонди: закопані насичені електроди Cu/CuSO₄ у ґрунт або попередньо-вмонтовані електроди Mn/MnO₂ у бетон для -моніторингу потенціалу дроту в реальному часі.
• Секційна ізоляція: розділіть трубопроводи PCCP на сегменти для незалежного моніторингу потенціалу.

Попередження про обрив дроту:

• Акустична емісія (AE): Виявлення сигналів хвилі напруги від розривів дроту.
• Електромагнітний метод (EMAT): сканування поверхонь труб для оцінки цілісності дроту.

• Проект водопроводу China Harbor Karachi No.4 EPC, Пакистан
• Проект опріснення та водопостачання JAFURAH (JFD)
• 180-кілометровий проект трубопроводу PCCP у Синьцзяні з використанням попередньо-запакованих цинкових анодів і високо{2}}цинкових стрічкових анодів.
• Проект безпеки питної води в сільській місцевості Сіньцзян Каші.
• Спільний проект водопостачання басейну річки Сіньцзян Пішань (фаза I) CP
• Водозавод Нінбо Таоюань і проект CP вихідного трубопроводу
• Проект відведення водного вузла Путянь Цзіньчжун - гілка прибережного газопроводу PCCP у Мацзу

1. Поточні виклики

• Нерівномірний розподіл струму PCCP: різна товщина бетону спричиняє місцевий-захист/над-захист.
• Економічна-ефективність: PCCP CP коштує в 3~5 разів дорожче, ніж системи зі сталевими трубами (через вимоги до проникнення в бетон).
• Контроль водневої крихкості: вимагає точного регулювання потенціалу (наприклад, використання обмежувачів потенціалу).

2. Інноваційні напрями

Розумні анодні матеріали:

• Само{0}}аноди з саморегулюванням (автоматично регулюють вихідний струм залежно від вологості/солоності).
• Нано-композитні аноди (наприклад, CNT-покращений MMO для покращеної ефективності струму).

Цифровий моніторинг:

• Платформи IoT (Інтернет речей) для-аналізу в реальному часі потенційних, поточних даних і даних про акустичну емісію.
• Машинне навчання для прогнозування гарячих точок корозії та оптимізації параметрів захисту.

Зелені технології:

• Системи ICCP, що живляться сонцем/вітром- (наприклад, гідроелектростанція Снігових гір Австралії).

3. Стандарти і технічні умови

Міжнародні стандарти:

• NACE SP0169 (Контроль зовнішньої корозії підземних або занурених металевих трубопровідних систем).
• NACE SP0100 (Катодний захист для контролю зовнішньої корозії бетонних напірних трубопроводів і сталевих трубопроводів із покриттям-для водопостачання та каналізації).

Китайські стандарти:

• GB/T 21448-2017 «Технічна специфікація катодного захисту підземних сталевих трубопроводів» викладає стандарти для захисту підземних сталевих трубопроводів від корозії за допомогою методів катодного захисту.
• GB/T 19685-2017 «Попередньо напружені бетонні циліндричні труби» містять специфікації попередньо напружених бетонних циліндричних труб, які зазвичай використовуються у системах водопостачання та каналізації.
• GB/T 28725-2012 «Катодний захист заглиблених попередньо напружених бетонних циліндричних труб» фокусується на стандартах катодного захисту спеціально для заглиблених попередньо напружених бетонних циліндричних труб, забезпечуючи їх довговічність і цілісність.

Застосування CP у наземних водопровідних трубопроводах (сталеві та PCCP) вимагають цільових проектів:

• Сталеві труби: зосередьтеся на синергії покриття+CP для боротьби з блукаючими струмами та корозією ґрунту.
• PCCP: прямий захист дроту через бетонні шари, збалансовуючи ризики водневої крихкості.

Майбутні тенденції наголошують на інтелектуальному моніторингу, матеріалах із низьким-водневим-окрихченням і екологічних рішеннях у сфері енергетики, щоб задовольнити вимоги до надійності передачі води на великі-відстані та міських мереж, просуваючи водопровідну інфраструктуру до-столітнього терміну служби.