Die Anwendung der kathodischen Schutztechnologie in Wasserversorgungsleitungen

Die Anwendung der kathodischen Schutztechnologie in Landwasserleitungen (Stahlrohre und PCCP) ist die Kernmethode zur Verhinderung von Metallkorrosion und zur Verlängerung der Lebensdauer von Rohrleitungen. Aufgrund der unterschiedlichen Materialeigenschaften und Betriebsumgebungen zwischen Stahlrohren und vorgespannten Betonzylinderrohren (PCCP) gibt es erhebliche Unterschiede bei der Gestaltung und Umsetzung des kathodischen Schutzes.

1. Korrosionsumgebung und Herausforderungen

Hauptkorrosionsarten:

• Elektrochemische Korrosion: Korrosionszellen, die durch Unterschiede in der Bodenfeuchtigkeit, dem Salzgehalt und dem Sauerstoff entstehen.
• Streustromkorrosion: Stromstörungen durch nahegelegene Energieanlagen und den Schienenverkehr.
• Mikrobielle Korrosion (MIC): Sulfatreduzierende Bakterien (SRB) beschleunigen die Korrosion in anaeroben Böden.

Hoch-Risikogebiete:

• Schweißnähte und Beschichtungsfehler: Lokal freiliegende Stahlrohre wirken als Anoden.
• Böden mit hohem-Salzgehalt/niedrigem Widerstand (z. B. Küstengebiete): Die Korrosionsraten können 0,1–0,3 mm/Jahr erreichen.

2. Auswahl der kathodischen Schutztechnologie

Opferanodensystem (Opferanode CP, SACP)

1)Anwendbare Szenarien:

• Kurze-Distanz (<5 km), small-diameter (
• Boden- oder Süßwasserumgebungen.

2)Anodenmaterialien:

• Anoden aus Magnesiumlegierung: Hohe Antriebsspannung, geeignet für Böden mit hohem -Widerstand oder Süßwasser.
• Anoden aus Zinklegierung: Niedrige Betriebsspannung, geeignet für Böden mit niedrigem spezifischen Widerstand (<1000 Ω·cm).

3) Designparameter:

• Schutzstromdichte: 0,02–10 mA/m² (je nach Beschichtungsqualität und Rohrleitungsszenarien, z. B. 5-10 mA/m² für 3PE-beschichtete erdverlegte Rohre in regionalen Systemen, 0,01-0,05 mA/m² für 3PE-beschichtete Fernleitungen).
• Vergrabungstiefe der Anode: 1,5 bis 2 Meter (in feuchten Bodenschichten unter Rohrleitungen gelegen).

Impressed Current System (Impressed Current CP, ICCP)

1)Anwendbare Szenarien:

• Long-distance (>10 km), large-diameter (>DN1000) Rohrleitungen.
• Boden- oder Wasserumgebungen.

2)Systemkomponenten:

• Anodenbetten: Gusseisenanoden mit hohem -Siliziumgehalt, MMO-Anoden (Mischmetalloxid), Graphitanoden, flexible Anoden usw.
• Stromversorgung: Gleichrichter mit konstantem Potenzial (steuert das Potenzial auf -0,85 bis -1,20 V gegenüber Cu/CuSO₄).
• Referenzelektroden: Permanente Cu/CuSO₄-Elektroden (in der Nähe von Rohrleitungen vergraben).

3)Design-Schlüsselpunkte:

• Entfernte Anodenbetten Mindestens 50 Meter von den Rohrleitungen entfernt, um eine ungleichmäßige Stromverteilung zu vermeiden.
• Verteilte Anodenbetten (mehrere verteilte Punkte) für komplexes Gelände oder dicht besiedelte Stadtgebiete.

Schlüsseltechnologien und kombinierter Schutz

1)Beschichtung + CP-Synergie:

• Beschichtungsarten: 3PE (dreischichtiges Polyethylen), FBE (schmelzgebundenes Epoxidharz) usw.
• Management von Beschichtungsfehlern: CP-Abdeckung für beschädigte Stellen (Stromdichte kleiner oder gleich 10 mA/m² bei Schadensrate).<1%).

2)Verklebung und Isolierung:

• Verwenden Sie isolierende Flansche oder Verbindungen, um geschützte Rohrleitungen von anderen Metallstrukturen zu isolieren, die die CP-Ströme beeinträchtigen könnten.
• Installieren Sie Potentialausgleichskabel, um Potenzialunterschiede auszugleichen.

1. PCCP-Korrosionsmechanismus

Strukturmerkmale:

• Vorgespannte Stahldrähte umwickelt Stahlzylinder, bedeckt mit Betonaußenschichten.
• Risiken der Drahtkorrosion: Durch Karbonisierung oder Chloriddurchdringung des Betons werden Passivierungsfilme zerstört.

Korrosionsfolgen:

• Drahtbrüche, die zu Rohrbrüchen führen (z. B. PCCP-Burstvorfall im Jahr 2000 in Tampa Bay, USA).

2. Technische Herausforderungen bei CP

Aktuelle Abschirmung:

• Betonschichten verhindern, dass der Strom die Leitungen erreicht, was spezielle Konstruktionen erfordert.

Gefahr der Wasserstoffversprödung:

• Über-Schutz (potenziell<-1.00 V vs. Cu/CuSO₄) may cause hydrogen-induced fractures in high-strength wires.

Überwachungsschwierigkeiten:

• In Beton eingebettete Drähte erfordern Potenzialmessungen durch Schutzschichten.

3. CP-Implementierungslösungen

Verteilte Anoden:

• Installieren Sie Opferanoden aus Zinklegierung im Boden außerhalb der Rohrwände oder MMO-Bandanoden/leitende Polymeranoden.

Fernanodenbetten:

• Verwenden Sie für bestehende Pipelines tiefe -Brunnenanodenbetten, um Betonschichten zu durchdringen.

Designparameter:

• Schutzpotential: -0,85~-1,00 V (gegen Cu/CuSO₄) zur Vermeidung von Wasserstoffversprödung.
• Stromdichte: 0,1~1,0 mA/m² (geringer Strombedarf aufgrund des hohen Betonwiderstands).

4. Überwachung und Wartung

Potenzialüberwachung:

• Sonden: Im Boden vergrabene gesättigte Cu/CuSO₄-Elektroden oder in Beton vor-eingebettete Mn/MnO₂-Elektroden zur Echtzeitüberwachung des Drahtpotentials.
• Abschnittsisolierung: Teilen Sie PCCP-Rohrleitungen zur unabhängigen Potenzialüberwachung in Segmente auf.

Warnung vor Drahtbruch:

• Akustische Emission (AE): Erkennen Sie Spannungswellensignale von Drahtbrüchen.
• Elektromagnetische Methode (EMAT): Rohroberflächen scannen, um die Drahtintegrität zu beurteilen.

• China Harbour Karachi No.4 Wasserpipeline-EPC-Projekt, Pakistan
• JAFURAH Entsalzungs- und Wasserversorgungsprojekt (JFD)
• Xinjiang 180 km langes PCCP-Pipeline-CP-Projekt mit vor-verpackten Zinkanoden und hoch-reinen Zinkbandanoden.
• Xinjiang Kashi ländliches Trinkwassersicherheitsprojekt.
• Gemeinsames Wasserversorgungsprojekt des Xinjiang Pishan River Basin (Phase I) CP
• Ningbo Taoyuan Water Plant & Outbound Pipeline CP-Projekt
• Putian Jinzhong Water Hub Diversion Project - Mazu Branch Coastal PCCP Pipeline

1. Aktuelle Herausforderungen

• Ungleichmäßige PCCP-Stromverteilung: Unterschiedliche Betondicken führen zu lokalem Unter-Schutz/Über-Schutz.
• Kosteneffizienz: PCCP CP kostet 3 bis 5 Mal mehr als Stahlrohrsysteme (aufgrund der Anforderungen an die Betondurchdringung).
• Kontrolle der Wasserstoffversprödung: Erfordert eine präzise Potenzialregulierung (z. B. Verwendung von Potenzialbegrenzern).

2. Innovationsrichtungen

Intelligente Anodenmaterialien:

• Selbst-regulierende Anoden (passen die Stromabgabe automatisch an die Luftfeuchtigkeit/den Salzgehalt an).
• Nano-Verbundanoden (z. B. CNT-verstärktes MMO für verbesserte Stromeffizienz).

Digitale Überwachung:

• IoT-Plattformen (Internet of Things) für die Echtzeitanalyse potenzieller, aktueller und akustischer Emissionsdaten.
• Maschinelles Lernen zur Vorhersage von Korrosions-Hotspots und Optimierung der Schutzparameter.

Grüne Technologien:

• Solar-/wind-betriebene ICCP-Systeme (z. B. Australiens Snowy Mountains Hydroelectric Scheme).

3. Standards und Spezifikationen

Internationale Standards:

• NACE SP0169 (Kontrolle der äußeren Korrosion an unterirdischen oder untergetauchten metallischen Rohrleitungssystemen).
• NACE SP0100 (Kathodischer Schutz zur Kontrolle der äußeren Korrosion von Betondruckrohrleitungen und mörtelbeschichteten Stahlrohrleitungen für die Wasser- oder Abwasserversorgung).

Chinesische Standards:

• GB/T 21448-2017 „Technische Spezifikation für den kathodischen Schutz erdverlegter Stahlrohrleitungen“ beschreibt die Standards zum Schutz erdverlegter Stahlrohrleitungen vor Korrosion durch kathodische Schutztechniken.
• GB/T 19685-2017 „Vorgespannte Betonzylinderrohre“ enthält die Spezifikationen für Spannbetonzylinderrohre, die üblicherweise in Wasser- und Abwassersystemen verwendet werden.
• GB/T 28725-2012 „Kathodischer Schutz von erdverlegten Spannbetonzylinderrohren“ konzentriert sich auf die kathodischen Schutzstandards speziell für erdverlegte Spannbetonzylinderrohre und stellt deren Langlebigkeit und Integrität sicher.

CP-Anwendungen in Landwasserleitungen (Stahl und PCCP) erfordern gezielte Designs:

• Stahlrohre: Konzentrieren Sie sich auf die Synergie zwischen Beschichtung und CP, um Streuströme und Bodenkorrosion zu bekämpfen.
• PCCP: Direkter Drahtschutz durch Betonschichten bei gleichzeitigem Ausgleich des Risikos einer Wasserstoffversprödung.

Zukünftige Trends konzentrieren sich auf intelligente Überwachung, Materialien mit geringer -Wasserstoffversprödung- und umweltfreundliche Energielösungen, um den Zuverlässigkeitsanforderungen für den Wassertransport über große Distanzen und städtische Netzwerke gerecht zu werden und die Wasserinfrastruktur auf eine jahrhundertelange Lebensdauer zu bringen.