Приложението на технологията за катодна защита във водоснабдителните тръбопроводи

Прилагането на технология за катодна защита в тръбопроводи за наземна вода (стоманени тръби и PCCP) е основният метод за предотвратяване на корозия на метали и удължаване на експлоатационния живот на тръбопровода. Поради разликите в свойствата на материала и работната среда между стоманени тръби и предварително напрегнати бетонни цилиндрични тръби (PCCP), има значителни различия в дизайна и изпълнението на катодната защита.

1. Корозионна среда и предизвикателства

Основни видове корозия:

• Електрохимична корозия: Корозионни клетки, образувани от разликите в почвената влага, соленост и кислород.
• Корозия на блуждаещ ток: Токови смущения от близки енергийни съоръжения и железопътен транспорт.
• Микробна корозия (MIC): Сулфат{0}}намаляващите бактерии (SRB) ускоряват корозията в анаеробни почви.

Високо{0}}рискови зони:

• Заваръчни шевове и дефекти на покритието: Локално откритите стоманени тръби действат като аноди.
• Почви с високо-солево/ниско съпротивление (напр. крайбрежни райони): Скоростите на корозия могат да достигнат 0,1~0,3 mm/година.

2. Избор на технология за катодна защита

Система за жертвен анод (Sacrificial Anode CP, SACP)

1) Приложими сценарии:

• Късо-разстояние (<5 km), small-diameter (
• Почва или сладководна среда.

2) Анодни материали:

• Аноди от магнезиева сплав: Високо задвижващо напрежение, подходящи за почви с високо{0}}съпротивление или сладка вода.
• Аноди от цинкова сплав: Ниско задвижващо напрежение, подходящи за почви с ниско-съпротивление (<1000 Ω·cm).

3) Параметри на дизайна:

• Плътност на защитния ток: 0,02~10 mA/m² (в зависимост от качеството на покритието и сценариите на тръбопровода, напр. 5-10 mA/m² за вкопани тръби с 3PE-покритие в регионални системи, 0,01-0,05 mA/m² за тръбопроводи на дълги разстояния с покритие от 3PE).
• Дълбочина на заравяне на анода: 1,5~2 метра (разположен във влажни почвени слоеве под тръбопроводи).

Система за впечатлен ток (CP за впечатлен ток, ICCP)

1) Приложими сценарии:

• Long-distance (>10 km), large-diameter (>DN1000) тръбопроводи.
• Почвена или водна среда.

2) Компоненти на системата:

• Анодни легла: Аноди от чугун с високо-силициево съдържание, MMO (смесен метален оксид) аноди, графитни аноди, гъвкави аноди и др.
• Захранване: Токоизправител с постоянен потенциал (контролира потенциала при -0,85~-1,20 V спрямо Cu/CuSO₄).
• Референтни електроди: Постоянни Cu/CuSO₄ електроди (заровени близо до тръбопроводи).

3) Ключови точки на дизайна:

• Отдалечени анодни легла По-големи или равни на 50 метра от тръбопроводи, за да се избегне неравномерно разпределение на тока.
• Разпределени анодни легла (множество разпръснати точки) за сложни терени или гъсто населени градски райони.

Ключови технологии и комбинирана защита

1) Покритие + CP синергия:

• Типове покрития: 3PE (три-слоен полиетилен), FBE (сплавен-епоксид) и др.
• Управление на дефектите на покритието: CP покритие за повредени точки (плътност на тока По-малка или равна на 10 mA/m² при степен на повреда<1%).

2) Свързване и изолация:

• Използвайте изолационни фланци или съединения, за да изолирате защитените тръбопроводи от други метални конструкции, които могат да повлияят на CP токовете.
• Инсталирайте свързващи кабели, за да балансирате потенциалните разлики.

1. PCCP корозионен механизъм

Структурни характеристики:

• Предварително напрегнати стоманени телове, увити около стоманени цилиндри, покрити с бетонни външни слоеве.
• Рискове от корозия на проводниците: карбонизацията на бетона или проникването на хлорид разрушава пасивиращите филми.

Последици от корозия:

• Счупвания на проводници, водещи до спукване на тръби (напр. инцидент с спукване на PCCP през 2000 г. в Тампа Бей, САЩ).

2. Технически предизвикателства на CP

Текущо екраниране:

• Бетонните слоеве пречат на тока да достигне до проводниците, което изисква специални конструкции.

Риск от водородна крехкост:

• Свръх{0}}защита (потенциал<-1.00 V vs. Cu/CuSO₄) may cause hydrogen-induced fractures in high-strength wires.

Трудности при наблюдение:

• Проводниците, вградени в бетон, изискват потенциални измервания чрез защитни слоеве.

3. Решения за внедряване на CP

Разпределени аноди:

• Инсталирайте жертвени аноди от цинкова сплав в почвата извън стените на тръбите или MMO лентови аноди/проводими полимерни аноди.

Отдалечени анодни легла:

• За съществуващи тръбопроводи използвайте дълбоки-анодни легла, за да проникнете в бетонните слоеве.

Параметри на дизайна:

• Защитен потенциал: -0,85~-1,00 V (срещу Cu/CuSO₄), за да се избегне водородна крехкост.
• Плътност на тока: 0,1~1,0 mA/m² (слабо потребление на ток поради високо съпротивление на бетона).

4. Мониторинг и поддръжка

Потенциален мониторинг:

• Сонди: Заровени наситени Cu/CuSO₄ електроди в почвата или предварително -вградени Mn/MnO₂ електроди в бетон за-наблюдение на потенциала на проводника в реално време.
• Секционна изолация: Разделете PCCP тръбопроводите на сегменти за независимо наблюдение на потенциала.

Предупреждение за скъсване на проводник:

• Акустична емисия (AE): Откриване на сигнали от стрес вълни от счупвания на проводници.
• Електромагнитен метод (EMAT): Сканирайте повърхностите на тръбите, за да оцените целостта на кабела.

• Проект EPC за воден тръбопровод № 4 на Китайското пристанище Карачи, Пакистан
• Проект за обезсоляване и водоснабдяване JAFURAH (JFD)
• Xinjiang 180km PCCP Pipeline CP проект, използващ предварително-опаковани цинкови аноди и аноди с цинкова лента с висока-чистота.
• Проект за безопасност на питейната вода в селските райони на Синдзян Каши.
• Съвместен проект за водоснабдяване на басейна на река Синдзян Пишан (фаза I) CP
• Водна централа в Нингбо Таоюан и CP проект за изходящ тръбопровод
• Проект за отклоняване на воден център Putian Jinzhong - крайбрежен PCCP тръбопровод Mazu Branch

1. Настоящи предизвикателства

• Неравномерно разпределение на тока на PCCP: Различната дебелина на бетона причинява локална недостатъчна{0}}защита/над-защита.
• Разход{0}}ефективност: PCCP CP струва 3~5 пъти повече от стоманените тръбни системи (поради изискванията за проникване в бетон).
• Контрол на водородната крехкост: Изисква прецизно регулиране на потенциала (напр. използване на потенциални ограничители).

2. Насоки за иновации

Интелигентни анодни материали:

• Само{0}}саморегулиращи се аноди (автоматично регулиране на изходящия ток въз основа на влажност/соленост).
• Нано-композитни аноди (напр. CNT-подобрен MMO за подобрена ефективност на тока).

Дигитален мониторинг:

• IoT (Интернет на нещата) платформи за-анализ в реално време на потенциални, текущи и данни за акустични емисии.
• Машинно обучение за прогнозиране на горещи точки на корозия и оптимизиране на параметрите на защита.

Зелени технологии:

• Слънчево/вятърно-захранвани ICCP системи (напр. водноелектрическата схема на Снежните планини в Австралия).

3. Стандарти и спецификации

Международни стандарти:

• NACE SP0169 (Контрол на външната корозия на подземни или потопени метални тръбопроводни системи).
• NACE SP0100 (Катодна защита за контрол на външната корозия на бетонни напорни тръбопроводи и стоманени тръбопроводи с покритие-за водоснабдяване или отпадни води).

Китайски стандарти:

• GB/T 21448-2017 „Техническа спецификация за катодна защита на вкопани стоманени тръбопроводи“ очертава стандартите за защита на вкопани стоманени тръбопроводи от корозия чрез техники за катодна защита.
• GB/T 19685-2017 „Предварително напрегнати бетонни цилиндрични тръби“ предоставя спецификациите за предварително напрегнати бетонни цилиндрични тръби, които обикновено се използват във водопроводни и канализационни системи.
• GB/T 28725-2012 „Катодна защита на вкопани предварително напрегнати бетонни цилиндрични тръби“ се фокусира върху стандартите за катодна защита специално за вкопани предварително напрегнати бетонни цилиндрични тръби, като гарантира тяхната дълготрайност и цялост.

CP приложенията в тръбопроводи за наземна вода (стомана и PCCP) изискват целеви дизайни:

• Стоманени тръби: Съсредоточете се върху синергията покритие+CP за справяне с блуждаещите токове и корозията на почвата.
• PCCP: Директна защита на проводниците през бетонни слоеве, като балансира рисковете от водородна крехкост.

Бъдещите тенденции наблягат на интелигентното наблюдение, материалите с ниска-водородна-крехкост и решенията за зелена енергия, за да отговорят на изискванията за надеждност за пренос на вода на дълги-разстояния и градски мрежи, напредвайки водната инфраструктура към век-дълъг експлоатационен живот.