Ứng dụng công nghệ bảo vệ catốt trong đường ống cấp nước

Ứng dụng công nghệ bảo vệ catốt trong đường ống dẫn nước trên đất liền (Ống thép và PCCP) là phương pháp cốt lõi để ngăn chặn sự ăn mòn kim loại và kéo dài tuổi thọ của đường ống. Do sự khác biệt về đặc tính vật liệu và môi trường sử dụng giữa ống thép và Ống xi lanh bê tông dự ứng lực (PCCP), nên có sự khác biệt đáng kể trong thiết kế và thực hiện bảo vệ ca-tốt.

1. Môi trường ăn mòn và những thách thức

Các loại ăn mòn chính:

• Ăn mòn điện hóa: Các tế bào ăn mòn được hình thành do sự khác biệt về độ ẩm, độ mặn và oxy của đất.
• Ăn mòn dòng điện rò: Sự can thiệp của dòng điện từ các cơ sở điện lực gần đó và hoạt động vận chuyển đường sắt.
• Ăn mòn do vi sinh vật (MIC): Vi khuẩn khử sunfat-(SRB) đẩy nhanh quá trình ăn mòn trong đất kỵ khí.

Các khu vực có nguy cơ-cao:

• Các mối hàn và khuyết tật lớp phủ: Ống thép lộ ra cục bộ đóng vai trò là cực dương.
• Đất-có muối cao/điện trở suất thấp (ví dụ: vùng ven biển): Tốc độ ăn mòn có thể đạt 0,1~0,3 mm/năm.

2. Lựa chọn công nghệ bảo vệ catốt

Hệ thống anode hy sinh (Anode hy sinh CP, SACP)

1) Các tình huống áp dụng:

• Khoảng cách-ngắn (<5 km), small-diameter (
• Môi trường đất hoặc nước ngọt.

2) Vật liệu cực dương:

• Cực dương bằng hợp kim magie: Điện áp dẫn động cao, thích hợp cho đất hoặc nước ngọt có điện trở suất-cao.
• Cực dương bằng hợp kim kẽm: Điện áp truyền động thấp, phù hợp với đất có điện trở suất-thấp (<1000 Ω·cm).

3) Thông số thiết kế:

• Mật độ dòng bảo vệ: 0,02~10 mA/m² (tùy thuộc vào chất lượng lớp phủ và tình huống đường ống, ví dụ: 5-10 mA/m² đối với ống chôn phủ 3PE-trong hệ thống khu vực, 0,01-0,05 mA/m² đối với đường ống chôn đường dài phủ 3PE).
• Độ sâu chôn anode: 1,5 ~ 2 mét (nằm trong lớp đất ẩm bên dưới đường ống).

Hệ thống hiện tại ấn tượng (CP hiện tại ấn tượng, ICCP)

1) Các tình huống áp dụng:

• Long-distance (>10 km), large-diameter (>đường ống DN1000).
• Môi trường đất hoặc nước.

2)Thành phần hệ thống:

• Lớp cực dương: Cực dương bằng gang silic-cao, cực dương MMO (Ôxít kim loại hỗn hợp), cực dương than chì, cực dương linh hoạt, v.v.
• Nguồn điện: Bộ chỉnh lưu điện thế không đổi (điều khiển điện thế ở -0,85~-1,20 V so với Cu/CuSO₄).
• Điện cực tham chiếu: Điện cực Cu/CuSO₄ cố định (chôn gần đường ống).

3) Thiết kế các điểm chính:

• Giường anode từ xa Cách đường ống lớn hơn hoặc bằng 50 mét để tránh phân phối dòng điện không đều.
• Lớp anode phân tán (nhiều điểm phân tán) dành cho địa hình phức tạp hoặc khu vực đô thị đông đúc.

Công nghệ chủ chốt và bảo vệ kết hợp

1) Sức mạnh tổng hợp của lớp phủ + CP:

• Các loại lớp phủ: 3PE (polyethylen ba{1}}lớp), FBE (epoxy liên kết-nhiệt hạch), v.v.
• Quản lý khuyết tật lớp phủ: Phạm vi CP cho các điểm bị hư hỏng (mật độ dòng điện Nhỏ hơn hoặc bằng 10 mA/m2 khi tỷ lệ hư hỏng<1%).

2) Liên kết và cách nhiệt:

• Sử dụng mặt bích hoặc khớp cách điện để cách ly đường ống được bảo vệ khỏi các cấu trúc kim loại khác có thể gây nhiễu dòng CP.
• Lắp đặt cáp liên kết để cân bằng sự chênh lệch điện thế.

1. Cơ chế ăn mòn PCCP

Đặc điểm kết cấu:

• Dây thép dự ứng lực quấn quanh trụ thép, bọc ngoài bằng các lớp bê tông.
• Rủi ro ăn mòn dây: Sự cacbon hóa bê tông hoặc sự xâm nhập của clorua sẽ phá hủy màng thụ động.

Hậu quả ăn mòn:

• Đứt dây dẫn đến vỡ đường ống (ví dụ, vụ nổ PCCP năm 2000 ở Vịnh Tampa, Hoa Kỳ).

2. Những thách thức kỹ thuật của CP

Che chắn hiện tại:

• Các lớp bê tông cản trở dòng điện tiếp cận dây dẫn, đòi hỏi phải có thiết kế đặc biệt.

Nguy cơ giòn do hydro:

• -bảo vệ quá mức (tiềm năng<-1.00 V vs. Cu/CuSO₄) may cause hydrogen-induced fractures in high-strength wires.

Khó khăn trong giám sát:

• Dây nhúng trong bê tông yêu cầu đo điện thế thông qua các lớp bảo vệ.

3. Giải pháp thực hiện CP

Cực dương phân phối:

• Lắp đặt cực dương hy sinh bằng hợp kim kẽm vào đất bên ngoài thành ống, hoặc cực dương dải băng MMO/cực dương polyme dẫn điện.

Giường anode từ xa:

• Đối với các đường ống hiện có, hãy sử dụng các lớp cực dương-giếng sâu để xuyên qua các lớp bê tông.

Thông số thiết kế:

• Khả năng bảo vệ: -0,85~-1,00 V (so với Cu/CuSO₄) để tránh hiện tượng giòn do hydro.
• Mật độ dòng điện: 0,1~1,0 mA/m2 (nhu cầu dòng điện thấp do điện trở suất của bê tông cao).

4. Giám sát và bảo trì

Giám sát tiềm năng:

• Đầu dò: Các điện cực Cu/CuSO₄ bão hòa được chôn trong đất hoặc các điện cực Mn/MnO₂ được nhúng trước trong bê tông để-theo dõi điện thế dây theo thời gian thực.
• Cách nhiệt từng phần: Chia đường ống PCCP thành các đoạn để giám sát điện thế độc lập.

Cảnh báo đứt dây:

• Phát xạ âm thanh (AE): Phát hiện tín hiệu sóng ứng suất từ ​​các vết đứt dây.
• Phương pháp điện từ (EMAT): Quét bề mặt ống để đánh giá tính toàn vẹn của dây.

• Dự án EPC đường ống dẫn nước số 4 tại Cảng Trung Quốc Karachi, Pakistan
• Dự án khử muối và cấp nước JAFURAH (JFD)
• Dự án CP đường ống PCCP dài 180km Tân Cương sử dụng cực dương kẽm đóng gói sẵn-và cực dương dải kẽm có độ tinh khiết cao-.
• Dự án An toàn Nước uống Nông thôn Kashi Tân Cương.
• Dự án cấp nước chung lưu vực sông Pishan Tân Cương (Giai đoạn I) CP
• Dự án CP Nhà máy nước và đường ống dẫn nước ngoài Ninh Ba Đào Viên
• Dự án chuyển hướng trung tâm nước Putian Jinzhong - Đường ống PCCP ven biển chi nhánh Mazu

1. Những thách thức hiện tại

• Phân bố dòng PCCP không đồng đều: Độ dày bê tông thay đổi gây ra sự bảo vệ-thiếu/bảo vệ quá mức- cục bộ.
• Hiệu quả-về chi phí: PCCP CP có giá cao hơn 3~5× so với hệ thống ống thép (do yêu cầu xuyên qua bê tông).
• Kiểm soát độ giòn hydro: Yêu cầu điều chỉnh điện thế chính xác (ví dụ: sử dụng các bộ hạn chế điện thế).

2. Định hướng đổi mới

Vật liệu cực dương thông minh:

• Cực dương-tự điều chỉnh (tự động điều chỉnh dòng điện đầu ra dựa trên độ ẩm/độ mặn).
• Cực dương tổng hợp Nano-(ví dụ: CNT-MMO nâng cao để cải thiện hiệu suất dòng điện).

Giám sát kỹ thuật số:

• Nền tảng IoT (Internet of Things) để phân tích-dữ liệu phát ra điện thế, dòng điện và âm thanh theo thời gian thực.
• Học máy để dự đoán các điểm nóng ăn mòn và tối ưu hóa các thông số bảo vệ.

Công nghệ xanh:

• Hệ thống ICCP chạy bằng năng lượng mặt trời/gió- (ví dụ: Hệ thống thủy điện vùng núi tuyết của Úc).

3. Tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật

Tiêu chuẩn quốc tế:

• NACE SP0169 (Kiểm soát ăn mòn bên ngoài trên hệ thống đường ống kim loại ngầm hoặc chìm).
• NACE SP0100 (Bảo vệ ca-tốt để kiểm soát sự ăn mòn bên ngoài của đường ống áp lực bê tông và vữa-Đường ống thép mạ cho dịch vụ nước hoặc nước thải).

Tiêu chuẩn Trung Quốc:

• GB/T 21448-2017 "Thông số kỹ thuật về bảo vệ catốt cho đường ống thép chôn dưới đất" nêu các tiêu chuẩn để bảo vệ đường ống thép chôn dưới đất khỏi bị ăn mòn thông qua kỹ thuật bảo vệ catốt.
• GB/T 19685-2017 "Ống trụ bê tông dự ứng lực" cung cấp các thông số kỹ thuật cho ống trụ bê tông dự ứng lực, thường được sử dụng trong hệ thống nước và nước thải.
• GB/T 28725-2012 "Bảo vệ catốt cho ống trụ bê tông dự ứng lực chôn" tập trung vào các tiêu chuẩn bảo vệ catốt dành riêng cho ống trụ bê tông dự ứng lực chôn dưới đất, đảm bảo tuổi thọ và tính toàn vẹn của chúng.

Ứng dụng CP trong đường ống dẫn nước trên đất liền (thép và PCCP) yêu cầu các thiết kế có mục tiêu:

• Ống thép: Tập trung vào sức mạnh tổng hợp của lớp phủ+CP để giải quyết dòng rò và ăn mòn đất.
• PCCP: Bảo vệ dây trực tiếp qua các lớp bê tông đồng thời cân bằng rủi ro giòn do hydro.

Xu hướng trong tương lai nhấn mạnh vào hoạt động giám sát thông minh, vật liệu có độ giòn-hydro-thấp và các giải pháp năng lượng xanh nhằm đáp ứng nhu cầu về độ tin cậy cho-truyền nước đường dài và mạng lưới đô thị, nâng cao cơ sở hạ tầng nước hướng tới tuổi thọ lâu dài-thế kỷ.