Anvendelsen af ​​katodisk beskyttelsesteknologi i vandforsyningsrørledninger

Anvendelse af katodisk beskyttelsesteknologi i landvandsrørledninger (stålrør og PCCP) er kernemetoden til at forhindre metalkorrosion og forlænge rørledningens levetid. På grund af forskelle i materialeegenskaber og servicemiljøer mellem stålrør og Prestressed Concrete Cylinder Pipes (PCCP), er der betydelige variationer i design og implementering af katodisk beskyttelse.

1. Korrosionsmiljø og udfordringer

Vigtigste korrosionstyper:

• Elektrokemisk korrosion: Korrosionsceller dannet af forskelle i jordfugtighed, saltholdighed og ilt.
• Stray strømkorrosion: Strøminterferens fra nærliggende strømanlæg og jernbanetransit.
• Mikrobiel korrosion (MIC): Sulfat-reducerende bakterier (SRB) fremskynder korrosion i anaerob jord.

Høj-risikoområder:

• Svejsesømme og belægningsfejl: Lokalt udsatte stålrør fungerer som anoder.
• Jord med høj-salt/lav resistivitet (f.eks. kystområder): Korrosionshastigheder kan nå op på 0,1~0,3 mm/år.

2. Valg af katodisk beskyttelsesteknologi

Offeranodesystem (Sacrificial Anode CP, SACP)

1) Gældende scenarier:

• Kort-distance (<5 km), small-diameter (
• Jord- eller ferskvandsmiljøer.

2) Anode materialer:

• Magnesiumlegeringsanoder: Høj drivspænding, velegnet til jord med høj-resistivitet eller ferskvand.
• Zinklegeringsanoder: Lav drivspænding, velegnet til jord med lav-resistivitet (<1000 Ω·cm).

3) Designparametre:

• Beskyttelsesstrømtæthed: 0,02~10 mA/m² (afhængig af belægningskvalitet og rørledningsscenarier, f.eks. 5-10 mA/m² for 3PE-belagte nedgravede rør i regionale systemer, 0,01-0,05 mA/m² for 3PE-belagte langdistancerørledninger).
• Anodegravdybde: 1,5~2 meter (placeret i fugtige jordlag under rørledninger).

Impressed Current System (Impressed Current CP, ICCP)

1) Gældende scenarier:

• Long-distance (>10 km), large-diameter (>DN1000) rørledninger.
• Jord- eller vandmiljøer.

2) Systemkomponenter:

• Anodesenge: Høje-siliciumstøbejernsanoder, MMO (Mixed Metal Oxide) anoder, grafitanoder, fleksible anoder osv.
• Strømforsyning: Ensretter med konstant potentiale (styrer potentialet ved -0,85~-1,20 V vs. Cu/CuSO₄).
• Referenceelektroder: Permanente Cu/CuSO₄-elektroder (begravet nær rørledninger).

3) Design nøglepunkter:

• Fjerntliggende anodebede Større end eller lig med 50 meter fra rørledninger for at undgå ujævn strømfordeling.
• Fordelte anodebede (flere spredte punkter) til komplekse terræner eller tætte byområder.

Nøgleteknologier og kombineret beskyttelse

1) Coating + CP synergi:

• Belægningstyper: 3PE (tre-lags polyethylen), FBE (fusions-bundet epoxy) osv.
• Håndtering af belægningsfejl: CP-dækning for beskadigede punkter (strømtæthed Mindre end eller lig med 10 mA/m² ved skadefrekvens<1%).

2) Limning og isolering:

• Brug isolerende flanger eller samlinger til at isolere beskyttede rørledninger fra andre metalstrukturer, der kan interferere med CP-strømme.
• Installer bindingskabler for at udligne potentialforskelle.

1. PCCP-korrosionsmekanisme

Strukturelle egenskaber:

• Forspændte ståltråde viklet omkring stålcylindre, dækket med yderlag af beton.
• Trådkorrosionsrisici: Betonforkulning eller kloridindtrængning ødelægger passiveringsfilm.

Konsekvenser af korrosion:

• Ledningsbrud, der fører til rørbrud (f.eks. 2000 PCCP-brud i Tampa Bay, USA).

2. CP tekniske udfordringer

Nuværende afskærmning:

• Betonlag forhindrer strøm i at nå ledninger, hvilket kræver specielle designs.

Risiko for brintskørhed:

• Over-beskyttelse (potentiel<-1.00 V vs. Cu/CuSO₄) may cause hydrogen-induced fractures in high-strength wires.

Overvågningsproblemer:

• Tråde indlejret i beton kræver potentielle målinger gennem beskyttende lag.

3. CP implementeringsløsninger

Fordelte anoder:

• Installer zinklegeringsofferanoder i jord uden for rørvægge eller MMO-båndanoder/ledende polymeranoder.

Fjernbetjente anodesenge:

• Til eksisterende rørledninger skal du bruge dybe-brøndanodebede til at penetrere betonlag.

Designparametre:

• Beskyttelsespotentiale: -0,85~-1,00 V (vs. Cu/CuSO₄) for at undgå brintskørhed.
• Strømtæthed: 0,1~1,0 mA/m² (lavt strømbehov på grund af høj betonresistivitet).

4. Overvågning og vedligeholdelse

Mulig overvågning:

• Prober: Nedgravede mættede Cu/CuSO₄-elektroder i jord eller præ-indlejrede Mn/MnO₂-elektroder i beton til-realtidsovervågning af ledningspotentiale.
• Sektionsisolering: Opdel PCCP-rørledninger i segmenter til uafhængig potentiel overvågning.

Advarsel om ledningsbrud:

• Akustisk emission (AE): Registrer stressbølgesignaler fra ledningsbrud.
• Elektromagnetisk metode (EMAT): Scan røroverflader for at vurdere ledningsintegritet.

• China Harbor Karachi No.4 Water Pipeline EPC Project, Pakistan
• JAFURAH Desalination & Water Supply Project (JFD)
• Xinjiang 180 km PCCP Pipeline CP-projekt med præ-pakkede zinkanoder og zinkbåndanoder med høj-renhed.
• Xinjiang Kashi Landdistrikternes drikkevandssikkerhedsprojekt.
• Xinjiang Pishan River Basin fælles vandforsyningsprojekt (fase I) CP
• Ningbo Taoyuan Water Plant & Outbound Pipeline CP Project
• Putian Jinzhong Water Hub Diversion Project - Mazu Branch Coastal PCCP Pipeline

1. Aktuelle udfordringer

• Ujævn PCCP-strømfordeling: Varierende betontykkelse forårsager lokal under-beskyttelse/over-beskyttelse.
• Omkostnings-effektivitet: PCCP CP koster 3~5× højere end stålrørsystemer (på grund af krav til betongennemtrængning).
• Brintskørhedskontrol: Kræver præcis potentialregulering (f.eks. brug af potentialbegrænsere).

2. Innovationsretninger

Smart anode materialer:

• Selv-regulerende anoder (juster automatisk strømudgang baseret på luftfugtighed/saltholdighed).
• Nano-kompositanoder (f.eks. CNT-forbedret MMO for forbedret strømeffektivitet).

Digital overvågning:

• IoT-platforme (Internet of Things) til-realtidsanalyse af potentielle, aktuelle og akustiske emissionsdata.
• Maskinlæring til at forudsige korrosionshotspots og optimere beskyttelsesparametre.

Grønne teknologier:

• Sol-/vind--drevne ICCP-systemer (f.eks. Australiens Snowy Mountains Hydroelectric Scheme).

3. Standarder og specifikationer

Internationale standarder:

• NACE SP0169 (Kontrol af ekstern korrosion på underjordiske eller nedsænkede metalliske rørsystemer).
• NACE SP0100 (Katodisk beskyttelse til kontrol af ekstern korrosion af betontrykrørledninger og mørtel-coated stålrørledninger til vand- eller spildevandsservice).

Kinesiske standarder:

• GB/T 21448-2017 "Teknisk specifikation for katodisk beskyttelse af nedgravede stålrørledninger" skitserer standarderne for beskyttelse af nedgravede stålrørledninger mod korrosion gennem katodisk beskyttelsesteknikker.
• GB/T 19685-2017 "Forspændte betoncylinderrør" giver specifikationerne for forspændte betoncylinderrør, som almindeligvis anvendes i vand- og kloaksystemer.
• GB/T 28725-2012 "Katodisk beskyttelse af nedgravede forspændte betoncylinderrør" fokuserer på de katodiske beskyttelsesstandarder specifikt for nedgravede forspændte betoncylinderrør, hvilket sikrer deres levetid og integritet.

CP-applikationer i landvandsrørledninger (stål og PCCP) kræver målrettede designs:

• Stålrør: Fokus på belægning+CP-synergi for at imødegå herreløse strømme og jordkorrosion.
• PCCP: Direkte ledningsbeskyttelse gennem betonlag, mens risikoen for brintskørhed afbalanceres.

Fremtidige tendenser lægger vægt på smart overvågning, materialer med lavt-brint-skørhed og grønne energiløsninger for at imødekomme pålidelighedskrav til lang-vandoverførsel og bynetværk, hvilket fremmer vandinfrastrukturen mod en århundredes-lang levetid.