Tillämpningen av katodisk skyddsteknik i vattenförsörjningsledningar

Användning av katodisk skyddsteknik i landvattenrörledningar (stålrör och PCCP) är kärnmetoden för att förhindra metallkorrosion och förlänga rörledningens livslängd. På grund av skillnader i materialegenskaper och servicemiljöer mellan stålrör och Prestressed Concrete Cylinder Pipes (PCCP) finns det betydande variationer i design och implementering av katodskydd.

1. Korrosionsmiljö och utmaningar

Huvudtyper av korrosion:

• Elektrokemisk korrosion: Korrosionsceller som bildas av skillnader i markfuktighet, salthalt och syre.
• Stray strömkorrosion: Strömstörningar från närliggande kraftanläggningar och järnvägstransitering.
• Mikrobiell korrosion (MIC): Sulfat-reducerande bakterier (SRB) påskyndar korrosion i anaerob jord.

Hög-riskområden:

• Svetsfogar och beläggningsdefekter: Lokalt exponerade stålrör fungerar som anoder.
• Jordar med hög-salt/låg resistivitet (t.ex. kustområden): Korrosionshastigheter kan nå 0,1~0,3 mm/år.

2. Val av katodiskt skyddsteknik

Sacrificial Anode System (Sacrificial Anode CP, SACP)

1) Tillämpliga scenarier:

• Kort-avstånd (<5 km), small-diameter (
• Jord- eller sötvattenmiljöer.

2) Anodmaterial:

• Magnesiumlegeringsanoder: Hög drivspänning, lämplig för jordar med hög-resistivitet eller sötvatten.
• Zinklegeringsanoder: Låg drivspänning, lämplig för jord med låg-resistivitet (<1000 Ω·cm).

3) Designparametrar:

• Skyddsströmtäthet: 0,02~10 mA/m² (beroende på beläggningskvalitet och rörledningsscenarier, t.ex. 5-10 mA/m² för 3PE-belagda nedgrävda rör i regionala system, 0,01-0,05 mA/m² för 3PE-belagda långdistansrörledningar).
• Anodgravdjup: 1,5~2 meter (belägen i fuktiga jordlager under rörledningar).

Impressed Current System (Impressed Current CP, ICCP)

1) Tillämpliga scenarier:

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

2) Systemkomponenter:

• Anodbäddar: Hög-kiselgjutjärnanoder, MMO (Mixed Metal Oxide)-anoder, grafitanoder, flexibla anoder, etc.
• Strömförsörjning: Konstantpotentiallikriktare (styr potential vid -0,85~-1,20 V mot Cu/CuSO₄).
• Referenselektroder: Permanenta Cu/CuSO₄-elektroder (begravda nära rörledningar).

3) Design nyckelpunkter:

• Fjärrstyrda anodbäddar Större än eller lika med 50 meter från rörledningar för att undvika ojämn strömfördelning.
• Fördelade anodbäddar (flera spridda punkter) för komplexa terränger eller täta stadsområden.

Nyckelteknologier och kombinerat skydd

1) Beläggning + CP synergi:

• Beläggningstyper: 3PE (tre-polyeten), FBE (fusions-bunden epoxi) etc.
• Hantering av beläggningsdefekter: CP-täckning för skadade punkter (strömdensitet Mindre än eller lika med 10 mA/m² vid skadefrekvens<1%).

2) Limning och isolering:

• Använd isolerande flänsar eller skarvar för att isolera skyddade rörledningar från andra metallstrukturer som kan störa CP-strömmar.
• Installera bindningskablar för att balansera potentialskillnader.

1. PCCP-korrosionsmekanism

Strukturella egenskaper:

• Förspända ståltrådar lindade runt stålcylindrar, täckta med ytterskikt av betong.
• Risk för trådkorrosion: Betongförkolning eller kloridinträngning förstör passiveringsfilmer.

Konsekvenser av korrosion:

• Trådbrott som leder till rörbrott (t.ex. 2000 PCCP-bristincident i Tampa Bay, USA).

2. CP Tekniska utmaningar

Nuvarande skärmning:

• Betongskikt hindrar ström från att nå ledningar, vilket kräver speciella konstruktioner.

Risk för väteförsprödning:

• Över-skydd (potentiell<-1.00 V vs. Cu/CuSO₄) may cause hydrogen-induced fractures in high-strength wires.

Övervakningssvårigheter:

• Trådar inbäddade i betong kräver potentiella mätningar genom skyddande lager.

3. CP Implementation Solutions

Distribuerade anoder:

• Installera offeranoder av zinklegering i jord utanför rörväggar, eller MMO-bandanoder/ledande polymeranoder.

Fjärrstyrda anodsängar:

• För befintliga rörledningar, använd djupa-anodbäddar för att penetrera betongskikt.

Designparametrar:

• Skyddspotential: -0,85~-1,00 V (mot Cu/CuSO₄) för att undvika väteförsprödning.
• Strömtäthet: 0,1~1,0 mA/m² (lågt strömbehov på grund av hög betongresistivitet).

4. Övervakning och underhåll

Potentiell övervakning:

• Prober: Nedgrävda mättade Cu/CuSO₄-elektroder i jord eller för-inbäddade Mn/MnO₂-elektroder i betong för övervakning av trådpotential i realtid.-
• Sektionsisolering: Dela upp PCCP-rörledningar i segment för oberoende potentiell övervakning.

Varning för trådbrott:

• Akustisk emission (AE): Upptäck stressvågssignaler från trådbrott.
• Elektromagnetisk metod (EMAT): Skanna rörytor för att bedöma trådintegriteten.

• China Harbor Karachi No.4 Water Pipeline EPC Project, Pakistan
• JAFURAH Desalination & Water Supply Project (JFD)
• Xinjiang 180 km PCCP Pipeline CP-projekt med för-förpackade zinkanoder och hög-renhetsanoder av zinkband.
• Xinjiang Kashi landsbygdens dricksvattensäkerhetsprojekt.
• Xinjiang Pishan River Basin Joint Water Supply Project (Fas I) CP
• Ningbo Taoyuan Water Plant & Outbound Pipeline CP Project
• Putian Jinzhong Water Hub Diversion Project - Mazu Branch Coastal PCCP Pipeline

1. Aktuella utmaningar

• Ojämn PCCP-strömfördelning: Varierande betongtjocklek orsakar lokalt under-underskydd/över-skydd.
• Kostnads-effektivitet: PCCP CP kostar 3~5× högre än stålrörssystem (på grund av krav på betonggenomträngning).
• Kontroll av väteförsprödning: Kräver exakt potentialreglering (t.ex. användning av potentialbegränsare).

2. Innovationsanvisningar

Smarta anodmaterial:

• Själv-reglerande anoder (justera automatiskt strömutgången baserat på luftfuktighet/salthalt).
• Nano-kompositanoder (t.ex. CNT-förbättrad MMO för förbättrad strömeffektivitet).

Digital övervakning:

• IoT-plattformar (Internet of Things) för real-tidsanalys av potentiella, aktuella och akustiska emissionsdata.
• Maskininlärning för att förutsäga hotspots för korrosion och optimera skyddsparametrar.

Grön teknik:

• Sol-/vinddrivna- ICCP-system (t.ex. Australiens Snowy Mountains Hydroelectric Scheme).

3. Standarder och specifikationer

Internationella standarder:

• NACE SP0169 (Kontroll av yttre korrosion på underjordiska eller nedsänkta metallrörsystem).
• NACE SP0100 (Katodiskt skydd för att kontrollera yttre korrosion av betongtryckrörledningar och murbruk-belagda stålrörledningar för vatten- eller avloppsvattenservice).

Kinesiska standarder:

• GB/T 21448-2017 "Teknisk specifikation för katodiskt skydd av nedgrävda stålrörledningar" beskriver standarderna för att skydda nedgrävda stålrörledningar från korrosion genom katodiska skyddstekniker.
• GB/T 19685-2017 "Förspända betongcylinderrör" tillhandahåller specifikationerna för cylinderrör för förspända betong, som vanligtvis används i vatten- och avloppssystem.
• GB/T 28725-2012 "Katodiskt skydd av nedgrävda förspända cylinderrör av förspänd betong" fokuserar på de katodiska skyddsstandarderna specifikt för nedgrävda förspända cylinderrör, vilket säkerställer deras livslängd och integritet.

CP-applikationer i landvattenledningar (stål och PCCP) kräver riktade konstruktioner:

• Stålrör: Fokusera på beläggning+CP-synergi för att hantera ströströmmar och jordkorrosion.
• PCCP: Direkt trådskydd genom betongskikt samtidigt som riskerna för väteförsprödning balanseras.

Framtida trender betonar smart övervakning, låg-väte-försprödningsmaterial och gröna energilösningar för att möta tillförlitlighetskraven för långa-vattenöverföringar och stadsnät, vilket förbättrar vatteninfrastrukturen mot en sekel-lång livslängd.