تطبيق تكنولوجيا الحماية الكاثودية في خطوط أنابيب إمدادات المياه

يعد تطبيق تقنية الحماية الكاثودية في خطوط أنابيب المياه البرية (الأنابيب الفولاذية وPCCP) الطريقة الأساسية لمنع التآكل المعدني وإطالة عمر خدمة خطوط الأنابيب. بسبب الاختلافات في خصائص المواد وبيئات الخدمة بين الأنابيب الفولاذية وأنابيب الأسطوانات الخرسانية مسبقة الإجهاد (PCCP)، هناك اختلافات كبيرة في تصميم وتنفيذ الحماية الكاثودية.

1. بيئة التآكل وتحدياته

أنواع التآكل الرئيسية:

• التآكل الكهروكيميائي: خلايا التآكل التي تتشكل نتيجة الاختلافات في رطوبة التربة وملوحتها والأكسجين.
• التآكل الحالي الشارد: التداخل الحالي من مرافق الطاقة القريبة والنقل بالسكك الحديدية.
• التآكل الميكروبي (MIC): تعمل البكتيريا المختزلة للكبريتات (SRB) على تسريع عملية التآكل في التربة اللاهوائية.

المناطق-عالية الخطورة:

• طبقات اللحام وعيوب الطلاء: تعمل الأنابيب الفولاذية المكشوفة محليًا بمثابة الأنودات.
• التربة عالية الملوحة/منخفضة المقاومة (على سبيل المثال، المناطق الساحلية): يمكن أن تصل معدلات التآكل إلى 0.1~0.3 ملم/سنة.

2. اختيار تكنولوجيا الحماية الكاثودية

نظام الأنود المضحي (الأنود المضحي CP، SACP)

1) السيناريوهات القابلة للتطبيق:

• مسافة-قصيرة (<5 km), small-diameter (
• بيئات التربة أو المياه العذبة.

2) مواد الأنود:

• أنودات سبائك المغنيسيوم: جهد تشغيل عالي، مناسب للتربة ذات المقاومة العالية- أو المياه العذبة.
• أنودات سبائك الزنك: جهد تشغيل منخفض، مناسب للتربة ذات المقاومة المنخفضة- (<1000 Ω·cm).

3) معلمات التصميم:

• كثافة تيار الحماية: 0.02~10 مللي أمبير/م² (اعتمادًا على جودة الطلاء وسيناريوهات خطوط الأنابيب، على سبيل المثال، 5-10 مللي أمبير/م² للأنابيب المدفونة المطلية بـ 3PE- في الأنظمة الإقليمية، 0.01-0.05 مللي أمبير/م² لخطوط الأنابيب طويلة المسافة المطلية بـ 3PE).
• عمق دفن الأنود: 1.5 ~ 2 متر (يقع في طبقات التربة الرطبة أسفل خطوط الأنابيب).

نظام التيار المضغوط (تيار التيار CP، ICCP)

1) السيناريوهات القابلة للتطبيق:

• Long-distance (>10 km), large-diameter (>DN1000) خطوط الأنابيب.
• البيئات التربة أو المائية.

2) مكونات النظام:

• طبقات الأنود: أنودات-عالية من الحديد الزهر من السيليكون، وأنودات MMO (أكسيد المعدن المختلط)، وأنودات الجرافيت، والأنودات المرنة، وما إلى ذلك.
• مصدر الطاقة: مقوم الجهد الثابت (يتحكم في الجهد عند -0.85~-1.20 فولت مقابل Cu/CuSO₄).
• الأقطاب الكهربائية المرجعية: أقطاب Cu/CuSO₄ الدائمة (مدفونة بالقرب من خطوط الأنابيب).

3) النقاط الرئيسية في التصميم:

• طبقات الأنود البعيدة أكبر من أو تساوي 50 مترًا من خطوط الأنابيب لتجنب التوزيع غير المتساوي للتيار.
• طبقات الأنود الموزعة (نقاط متفرقة متعددة) للتضاريس المعقدة أو المناطق الحضرية الكثيفة.

التقنيات الرئيسية والحماية المشتركة

1) طلاء + CP التآزر:

• أنواع الطلاء: 3PE (ثلاث طبقات من البولي إيثيلين-)، FBE (الانصهار -الإيبوكسي المرتبط)، إلخ.
• إدارة عيوب الطلاء: تغطية CP للنقاط التالفة (كثافة التيار أقل من أو تساوي 10 مللي أمبير/م² عند معدل الضرر<1%).

2) الترابط والعزل:

• استخدم فلنجات أو وصلات عازلة لعزل خطوط الأنابيب المحمية عن الهياكل المعدنية الأخرى التي قد تتداخل مع تيارات CP.
• قم بتركيب كابلات الربط لموازنة الاختلافات المحتملة.

1. آلية التآكل PCCP

الخصائص الهيكلية:

• أسلاك فولاذية مسبقة الإجهاد ملفوفة حول أسطوانات فولاذية ومغطاة بطبقات خارجية من الخرسانة.
• مخاطر تآكل الأسلاك: يؤدي تفحيم الخرسانة أو اختراق الكلوريد إلى تدمير أفلام التخميل.

عواقب التآكل:

• كسور الأسلاك التي تؤدي إلى انفجارات الأنابيب (على سبيل المثال، حادث انفجار PCCP عام 2000 في خليج تامبا، الولايات المتحدة الأمريكية).

2. التحديات الفنية CP

التدريع الحالي:

• تمنع الطبقات الخرسانية وصول التيار إلى الأسلاك، مما يتطلب تصميمات خاصة.

خطر التقصف الهيدروجيني:

• أكثر من-الحماية (المحتملة<-1.00 V vs. Cu/CuSO₄) may cause hydrogen-induced fractures in high-strength wires.

صعوبات الرصد:

• تتطلب الأسلاك المدمجة في الخرسانة قياسات محتملة من خلال طبقات الحماية.

3. حلول تنفيذ الإنتاج الأنظف

الأنودات الموزعة:

• قم بتركيب أنودات مضحية من سبائك الزنك في التربة خارج جدران الأنابيب، أو أنودات شريطية MMO/أنودات بوليمر موصلة.

أسرة الأنود البعيدة:

• بالنسبة لخطوط الأنابيب الحالية، استخدم طبقات الأنود-العميقة لاختراق طبقات الخرسانة.

معلمات التصميم:

• إمكانية الحماية: -0.85~-1.00 فولت (مقابل Cu/CuSO₄) لتجنب تقصف الهيدروجين.
• الكثافة الحالية: 0.1~1.0 مللي أمبير/م² (انخفاض الطلب الحالي بسبب المقاومة العالية للخرسانة).

4. المراقبة والصيانة

المراقبة المحتملة:

• المجسات: أقطاب كهربائية مشبعة من Cu/CuSO₄ مدفونة في التربة أو أقطاب كهربائية -مدمجة مسبقًا من Mn/MnO₂ في الخرسانة من أجل مراقبة احتمالات السلك في الوقت الفعلي-.
• العزل المقطعي: قم بتقسيم خطوط أنابيب PCCP إلى قطاعات للمراقبة المحتملة المستقلة.

تحذير من كسر الأسلاك:

• الانبعاثات الصوتية (AE): كشف إشارات موجة الضغط الصادرة عن كسور الأسلاك.
• الطريقة الكهرومغناطيسية (EMAT): مسح أسطح الأنابيب لتقييم سلامة الأسلاك.

• مشروع خط أنابيب المياه رقم 4 في ميناء الصين كراتشي، باكستان
• مشروع الجفورة لتحلية وإمداد المياه (JFD)
• مشروع CP لخط أنابيب PCCP بطول 180 كم في شينجيانغ باستخدام أنودات الزنك المعبأة مسبقًا- وأنودات شريط الزنك عالية النقاء-.
• مشروع سلامة مياه الشرب في منطقة شينجيانغ كاشي الريفية.
• المشروع المشترك لإمدادات المياه لحوض نهر شينجيانغ بيشان (المرحلة الأولى) CP
• محطة مياه نينغبو تاويوان ومشروع CP لخط الأنابيب الصادر
• مشروع تحويل مركز المياه في بوتيان جينتشونغ - خط أنابيب PCCP الساحلي لفرع مازو

1. التحديات الحالية

• التوزيع غير المتساوي لتيار PCCP: يؤدي تباين سماكة الخرسانة إلى حماية محلية تحت -حماية/فوق-.
• فعالية التكلفة-: تكاليف PCCP CP تزيد بمقدار 3 إلى 5 مرات عن أنظمة الأنابيب الفولاذية (بسبب متطلبات اختراق الخرسانة).
• التحكم في تقصف الهيدروجين: يتطلب تنظيمًا دقيقًا محتملاً (على سبيل المثال، استخدام المحددات المحتملة).

2. اتجاهات الابتكار

مواد الأنود الذكية:

• أنودات ذاتية التنظيم- (ضبط الإخراج الحالي تلقائيًا بناءً على الرطوبة/الملوحة).
• الأنودات المركبة -النانو (على سبيل المثال، CNT-MMO المحسنة لتحسين الكفاءة الحالية).

المراقبة الرقمية:

• الأنظمة الأساسية لإنترنت الأشياء (IoT)-لتحليل بيانات الانبعاثات المحتملة والحالية والصوتية في الوقت الفعلي.
• التعلم الآلي للتنبؤ بنقاط التآكل الساخنة وتحسين معلمات الحماية.

التقنيات الخضراء:

• أنظمة ICCP التي تعمل بالطاقة الشمسية/طاقة الرياح (على سبيل المثال، مشروع Snowy Mountains الكهرومائي في أستراليا).

3. المعايير والمواصفات

المعايير الدولية:

• NACE SP0169 (التحكم في التآكل الخارجي في أنظمة الأنابيب المعدنية تحت الأرض أو المغمورة).
• NACE SP0100 (الحماية الكاثودية للتحكم في التآكل الخارجي لخطوط أنابيب ضغط الخرسانة والملاط-خطوط الأنابيب الفولاذية المطلية لخدمة المياه أو مياه الصرف الصحي).

المعايير الصينية:

• GB/T 21448-2017 "المواصفات الفنية للحماية الكاثودية لخطوط الأنابيب الفولاذية المدفونة" تحدد معايير حماية خطوط الأنابيب الفولاذية المدفونة من التآكل من خلال تقنيات الحماية الكاثودية.
• GB/T 19685-2017 "الأنابيب الأسطوانية الخرسانية سابقة الإجهاد" توفر مواصفات الأنابيب الأسطوانية الخرسانية سابقة الإجهاد، والتي تستخدم بشكل شائع في أنظمة المياه والصرف الصحي.
• GB/T 28725-2012 "الحماية الكاثودية لأنابيب الأسطوانات الخرسانية سابقة الإجهاد المدفونة" تركز على معايير الحماية الكاثودية خصيصًا لأنابيب الأسطوانات الخرسانية سابقة الإجهاد المدفونة، مما يضمن طول عمرها وسلامتها.

تتطلب تطبيقات الإنتاج الأنظف في خطوط أنابيب المياه الأرضية (الصلب وPCCP) تصميمات مستهدفة:

• الأنابيب الفولاذية: التركيز على تآزر الطلاء + CP لمعالجة التيارات الضالة وتآكل التربة.
• PCCP: حماية الأسلاك المباشرة من خلال طبقات الخرسانة مع موازنة مخاطر التقصف الهيدروجيني.

تؤكد الاتجاهات المستقبلية على المراقبة الذكية، والمواد -المتقصفة للهيدروجين- المنخفضة، وحلول الطاقة الخضراء لتلبية متطلبات الموثوقية لنقل المياه لمسافات طويلة- والشبكات الحضرية، وتطوير البنية التحتية للمياه نحو قرن- من عمر الخدمة الطويل.