Применение технологии катодной защиты на трубопроводах водоснабжения

Применение технологии катодной защиты в наземных водопроводах (стальные трубы и PCCP) является основным методом предотвращения коррозии металла и продления срока службы трубопроводов. Из-за различий в свойствах материалов и условиях эксплуатации стальных труб и цилиндрических труб из предварительно напряженного бетона (PCCP) существуют значительные различия в проектировании и реализации катодной защиты.

1. Коррозионная среда и проблемы

Основные виды коррозии:

• Электрохимическая коррозия: Коррозионные ячейки, образующиеся из-за разницы во влажности, солености и кислороде почвы.
• Коррозия паразитным током: Помехи тока от близлежащих электростанций и железнодорожного транспорта.
• Микробная коррозия (MIC). Сульфатвосстанавливающие-бактерии (SRB) ускоряют коррозию в анаэробных почвах.

Области повышенного-риска:

• Сварные швы и дефекты покрытия: Местно обнаженные стальные трубы действуют как аноды.
• Почвы с высоким-солем и низким удельным сопротивлением (например, прибрежные районы): скорость коррозии может достигать 0,1–0,3 мм/год.

2. Выбор технологии катодной защиты

Система жертвенного анода (жертвенный анод CP, SACP)

1)Применимые сценарии:

• Короткое-расстояние (<5 km), small-diameter (
• Почва или пресноводная среда.

2)Анодные материалы:

• Аноды из магниевого сплава: высокое напряжение возбуждения, подходят для почв с высоким-удельным сопротивлением или пресной воды.
• Аноды из цинкового сплава: низкое напряжение возбуждения, подходят для грунтов с низким-удельным сопротивлением (<1000 Ω·cm).

3)Параметры конструкции:

• Плотность защитного тока: 0,02~10 мА/м² (в зависимости от качества покрытия и сценария трубопровода, например, 5-10 мА/м² для подземных труб с покрытием 3PE- в региональных системах, 0,01-0,05 мА/м² для трубопроводов на большие расстояния с покрытием 3PE).
• Глубина закладки анода: 1,5~2 метра (расположен во влажных слоях почвы под трубопроводами).

Система нагруженного тока (CP наложенного тока, ICCP)

1)Применимые сценарии:

• Long-distance (>10 km), large-diameter (>DN1000) трубопроводы.
• Почвенная или водная среда.

2)Компоненты системы:

• Анодные слои: аноды из чугуна с высоким-кремнием, аноды из MMO (смешанных оксидов металлов), графитовые аноды, гибкие аноды и т. д.
• Источник питания: выпрямитель постоянного потенциала (регулирует потенциал при -0,85~-1,20 В по сравнению с Cu/CuSO₄).
• Электроды сравнения: Постоянные электроды Cu/CuSO₄ (закапываются возле трубопроводов).

3) Ключевые моменты дизайна:

• Удаленные анодные слои На расстоянии более 50 метров от трубопроводов во избежание неравномерного распределения тока.
• Распределенные анодные слои (несколько рассредоточенных точек) для сложных ландшафтов или плотных городских территорий.

Ключевые технологии и комбинированная защита

1) Синергия покрытия + CP:

• Типы покрытия: 3PE (трех-слойный полиэтилен), FBE (эпоксидная смола, связанная-сваркой) и т. д.
• Управление дефектами покрытия: покрытие CP поврежденных мест (плотность тока менее или равна 10 мА/м² при степени повреждения<1%).

2)Склеивание и изоляция:

• Для изоляции защищаемых трубопроводов от других металлических конструкций, которые могут создавать помехи токам КП, используйте изолирующие фланцы или соединения.
• Установите соединительные кабели, чтобы сбалансировать разницу потенциалов.

1. Механизм коррозии PCCP

Структурные характеристики:

• Предварительно напряженные стальные проволоки обернуты вокруг стальных цилиндров, покрытых внешними слоями бетона.
• Риски коррозии проволоки: Карбонизация бетона или проникновение хлоридов разрушают пассивирующие пленки.

Последствия коррозии:

• Переломы проводов, приводящие к разрывам труб (например, инцидент с взрывом PCCP в 2000 году в заливе Тампа, США).

2. Технические проблемы ЧП

Текущее экранирование:

• Бетонные слои препятствуют попаданию тока в провода, что требует специальных конструкций.

Риск водородного охрупчивания:

• Чрезмерная-защита (потенциальная<-1.00 V vs. Cu/CuSO₄) may cause hydrogen-induced fractures in high-strength wires.

Трудности мониторинга:

• Провода, залитые в бетон, требуют измерения потенциала через защитные слои.

3. Решения по внедрению CP

Распределенные аноды:

• Установите жертвенные аноды из цинкового сплава в почву за стенками труб или ленточные аноды из ММО/аноды из проводящего полимера.

Выносные анодные слои:

• Для существующих трубопроводов используйте глубокие-аноды для проникновения в слои бетона.

Параметры конструкции:

• Потенциал защиты: -0,85~-1,00 В (по сравнению с Cu/CuSO₄), чтобы избежать водородного охрупчивания.
• Плотность тока: 0,1–1,0 мА/м² (низкое потребление тока из-за высокого удельного сопротивления бетона).

4. Мониторинг и обслуживание

Возможный мониторинг:

• Зонды: электроды из насыщенной меди/CuSO₄, закопанные в почву, или электроды из Mn/MnO₂, предварительно-замурованные в бетоне, для-мониторинга потенциала проводов в реальном времени.
• Секционная изоляция: разделите трубопроводы PCCP на сегменты для независимого мониторинга потенциала.

Предупреждение об обрыве провода:

• Акустическая эмиссия (AE): Обнаружение сигналов волн напряжения от переломов проволоки.
• Электромагнитный метод (ЭМАП). Сканирование поверхностей труб для оценки целостности проводов.

• Проект EPC водопровода № 4 в китайской гавани Карачи, Пакистан
• Проект опреснения и водоснабжения ДЖАФУРА (JFD)
• Проект трубопровода PCCP длиной 180 км в Синьцзяне с использованием предварительно-упакованных цинковых анодов и ленточных анодов из цинка высокой-чистоты.
• Проект обеспечения безопасности питьевой воды в сельских районах Синьцзян-Каши.
• Совместный проект водоснабжения бассейна реки Пишань в Синьцзяне (Фаза I) CP
• Проект водопроводной станции Нинбо-Таоюань и отводящего трубопровода CP
• Проект переброски водного узла Путянь Цзиньчжун - Прибрежный трубопровод PCCP ответвления Мацзу

1. Текущие проблемы

• Неравномерное распределение тока PCCP. Различная толщина бетона приводит к локальной недостаточной-/избыточной-защите.
• Экономическая-эффективность: стоимость PCCP CP в 3–5 раз выше, чем у систем из стальных труб (из-за требований к проникновению в бетон).
• Контроль водородного охрупчивания: требует точного регулирования потенциала (например, с помощью ограничителей потенциала).

2. Инновационные направления

Умные анодные материалы:

• Саморегулирующиеся-аноды (автоматическая регулировка выходного тока в зависимости от влажности/солености).
• Нано-композитные аноды (например, ММО с усилением УНТ-для повышения эффективности по току).

Цифровой мониторинг:

• Платформы IoT (Интернета вещей) для-анализа в реальном времени потенциальных, текущих данных и данных об акустической эмиссии.
• Машинное обучение позволяет прогнозировать очаги коррозии и оптимизировать параметры защиты.

Зеленые технологии:

• Системы ICCP, работающие на солнечной или ветровой энергии- (например, гидроэлектростанция в Снежных горах Австралии).

3. Стандарты и спецификации

Международные стандарты:

• NACE SP0169 (Контроль внешней коррозии в подземных или погружных металлических трубопроводных системах).
• NACE SP0100 (Катодная защита для контроля внешней коррозии бетонных напорных трубопроводов и стальных трубопроводов с растворным-покрытием для водоснабжения и водоотведения).

Китайские стандарты:

• GB/T 21448-2017 «Технические спецификации катодной защиты подземных стальных трубопроводов» излагают стандарты защиты подземных стальных трубопроводов от коррозии с помощью методов катодной защиты.
• GB/T 19685-2017 «Цилиндрические трубы из предварительно напряженного бетона» содержит спецификации для цилиндрических труб из предварительно напряженного бетона, которые обычно используются в системах водоснабжения и канализации.
• GB/T 28725-2012 «Катодная защита заглубленных цилиндрических труб из предварительно напряженного бетона» фокусируется на стандартах катодной защиты, специально предназначенных для заглубленных цилиндрических труб из предварительно напряженного бетона, обеспечивая их долговечность и целостность.

Применение CP в наземных водопроводах (сталь и PCCP) требует целенаправленного проектирования:

• Стальные трубы: сосредоточьтесь на синергии покрытия и CP для борьбы с блуждающими токами и коррозией почвы.
• PCCP: Прямая защита проводов через слои бетона и балансирование рисков водородного охрупчивания.

В будущих тенденциях особое внимание будет уделяться интеллектуальному мониторингу, материалам с низким-водородным-охрупчиванием и экологически чистым энергетическим решениям, отвечающим требованиям надежности для-передачи воды на большие расстояния и городских сетей, продвигая инфраструктуру водоснабжения к столетнему-сроку службы.