L'applicazione della tecnologia di protezione catodica nelle condotte di approvvigionamento idrico

L'applicazione della tecnologia di protezione catodica nelle condotte idriche terrestri (tubi in acciaio e PCCP) è il metodo principale per prevenire la corrosione dei metalli e prolungare la durata di servizio delle condotte. A causa delle differenze nelle proprietà dei materiali e negli ambienti di servizio tra tubi in acciaio e tubi cilindrici in calcestruzzo precompresso (PCCP), esistono variazioni significative nella progettazione e nell'implementazione della protezione catodica.

1. Ambiente e sfide della corrosione

Principali tipi di corrosione:

• Corrosione elettrochimica: cellule di corrosione formate da differenze di umidità del suolo, salinità e ossigeno.
• Corrosione da corrente vagante: interferenza di corrente da impianti elettrici vicini e transito ferroviario.
• Corrosione microbica (MIC): i batteri solfato{0}}riduttori (SRB) accelerano la corrosione nei terreni anaerobici.

Aree ad alto-rischio:

• Giunti di saldatura e difetti del rivestimento: i tubi di acciaio localmente esposti fungono da anodi.
• Suoli ad alta-sale/bassa resistività (ad es. aree costiere): i tassi di corrosione possono raggiungere 0,1~0,3 mm/anno.

2. Selezione della tecnologia di protezione catodica

Sistema di anodo sacrificale (anodo sacrificale CP, SACP)

1) Scenari applicabili:

• Breve-distanza (<5 km), small-diameter (
• Ambienti del suolo o di acqua dolce.

2) Materiali anodici:

• Anodi in lega di magnesio: tensione di pilotaggio elevata, adatta per terreni ad alta-resistività o acqua dolce.
• Anodi in lega di zinco: bassa tensione di pilotaggio, adatti per terreni a bassa-resistività (<1000 Ω·cm).

3)Parametri di progettazione:

• Densità di corrente di protezione: 0,02~10 mA/m² (a seconda della qualità del rivestimento e degli scenari della tubazione, ad esempio, 5-10 mA/m² per tubazioni interrate rivestite in 3PE-in sistemi regionali, 0,01-0,05 mA/m² per tubazioni a lunga distanza rivestite in 3PE).
• Profondità di sepoltura dell'anodo: 1,5~2 metri (situato negli strati di terreno umido sotto le tubazioni).

Sistema di corrente impressa (CP corrente impressa, ICCP)

1) Scenari applicabili:

• Long-distance (>10 km), large-diameter (>tubazioni DN1000).
• Ambienti del suolo o dell'acqua.

2)Componenti del sistema:

• Letti anodici: anodi in ghisa ad alto contenuto di-silicio, anodi MMO (ossido di metallo misto), anodi di grafite, anodi flessibili, ecc.
• Alimentazione: raddrizzatore a potenziale costante (controlla il potenziale a -0,85~-1,20 V rispetto a Cu/CuSO₄).
• Elettrodi di riferimento: elettrodi permanenti Cu/CuSO₄ (interrati vicino a tubazioni).

3) Punti chiave della progettazione:

• Letti anodici remoti Maggiori o uguali a 50 metri dalle tubazioni per evitare una distribuzione non uniforme della corrente.
• Letti anodici distribuiti (più punti dispersi) per terreni complessi o aree urbane dense.

Tecnologie chiave e protezione combinata

1)Rivestimento + sinergia CP:

• Tipi di rivestimento: 3PE (polietilene a tre-strato), FBE (resina epossidica per fusione-), ecc.
• Gestione dei difetti del rivestimento: copertura CP per punti danneggiati (densità di corrente inferiore o uguale a 10 mA/m² quando il tasso di danno<1%).

2)Incollaggio e isolamento:

• Utilizzare flange o giunti isolanti per isolare le tubazioni protette da altre strutture metalliche che potrebbero interferire con le correnti CP.
• Installare cavi di collegamento per bilanciare le differenze di potenziale.

1. Meccanismo di corrosione PCCP

Caratteristiche strutturali:

• Fili di acciaio precompresso avvolti attorno a cilindri di acciaio, ricoperti con strati esterni di cemento.
• Rischi di corrosione del filo: la carbonizzazione del calcestruzzo o la penetrazione di cloruro distruggono i film di passivazione.

Conseguenze della corrosione:

• Fratture dei cavi che hanno portato alla rottura di tubi (ad esempio, incidente di scoppio del PCCP nel 2000 a Tampa Bay, USA).

2. Sfide tecniche CP

Schermatura corrente:

• Gli strati di cemento impediscono alla corrente di raggiungere i cavi, richiedendo progetti speciali.

Rischio di infragilimento da idrogeno:

• Sovra-protezione (potenziale<-1.00 V vs. Cu/CuSO₄) may cause hydrogen-induced fractures in high-strength wires.

Difficoltà di monitoraggio:

• I cavi incorporati nel calcestruzzo richiedono misurazioni del potenziale attraverso strati protettivi.

3. Soluzioni di implementazione del CP

Anodi distribuiti:

• Installare anodi sacrificali in lega di zinco nel terreno all'esterno delle pareti dei tubi oppure anodi a nastro MMO/anodi polimerici conduttivi.

Letti anodici remoti:

• Per le condutture esistenti, utilizzare letti di anodi-pozzi profondi per penetrare negli strati di cemento.

Parametri di progettazione:

• Potenziale di protezione: -0,85~-1,00 V (rispetto a Cu/CuSO₄) per evitare l'infragilimento da idrogeno.
• Densità di corrente: 0,1~1,0 mA/m² (bassa richiesta di corrente dovuta all'elevata resistività del calcestruzzo).

4. Monitoraggio e Manutenzione

Monitoraggio potenziale:

• Sonde: elettrodi Cu/CuSO₄ saturi interrati nel terreno o elettrodi Mn/MnO₂ pre-incorporati nel cemento per il monitoraggio del potenziale del filo in tempo reale-.
• Isolamento sezionale: dividere le tubazioni PCCP in segmenti per il monitoraggio del potenziale indipendente.

Avviso di rottura del filo:

• Emissione acustica (AE): rileva i segnali delle onde di stress dalle fratture dei fili.
• Metodo elettromagnetico (EMAT): scansione delle superfici dei tubi per valutare l'integrità del filo.

• Progetto EPC della conduttura idrica n. 4 del porto cinese di Karachi, Pakistan
• Progetto di desalinizzazione e approvvigionamento idrico JAFURAH (JFD)
• Progetto CP di pipeline PCCP da 180 km nello Xinjiang che utilizza anodi di zinco preconfezionati e anodi a nastro di zinco ad elevata purezza-.
• Progetto per la sicurezza dell'acqua potabile rurale nello Xinjiang Kashi.
• Progetto congiunto di approvvigionamento idrico del bacino del fiume Xinjiang Pishan (Fase I) CP
• Progetto CP dell'impianto idrico di Ningbo Taoyuan e della conduttura in uscita
• Progetto di deviazione dell'hub idrico Putian Jinzhong - Gasdotto PCCP costiero del ramo di Mazu

1. Sfide attuali

• Distribuzione non uniforme della corrente PCCP: la variazione dello spessore del calcestruzzo provoca una sotto-protezione/sovra{1}}protezione locale.
• Efficacia in termini di costi-: PCCP CP costa 3~5 volte più alto rispetto ai sistemi di tubazioni in acciaio (a causa dei requisiti di penetrazione del calcestruzzo).
• Controllo dell'infragilimento da idrogeno: richiede una precisa regolazione del potenziale (ad esempio, utilizzando limitatori di potenziale).

2. Direzioni dell'innovazione

Materiali dell'anodo intelligente:

• Anodi autoregolanti- (regola automaticamente l'uscita di corrente in base a umidità/salinità).
• Anodi nano-compositi (ad es. MMO potenziato con CNT-per una migliore efficienza di corrente).

Monitoraggio digitale:

• Piattaforme IoT (Internet of Things) per l'analisi-in tempo reale dei dati sulle emissioni potenziali, attuali e acustiche.
• Apprendimento automatico per prevedere i punti caldi della corrosione e ottimizzare i parametri di protezione.

Tecnologie verdi:

• Sistemi ICCP alimentati da energia solare/eolica- (ad esempio, il progetto idroelettrico Snowy Mountains in Australia).

3. Standard e specifiche

Standard internazionali:

• NACE SP0169 (Controllo della corrosione esterna su sistemi di tubazioni metalliche sotterranee o sommerse).
• NACE SP0100 (Protezione catodica per controllare la corrosione esterna di tubazioni in pressione di calcestruzzo e tubazioni in acciaio rivestito di malta-per il servizio idrico o di acque reflue).

Standard cinesi:

• GB/T 21448-2017 "Specifica tecnica per la protezione catodica delle condotte in acciaio interrate" delinea gli standard per la protezione delle condotte in acciaio interrate dalla corrosione attraverso tecniche di protezione catodica.
• GB/T 19685-2017 "Tubi cilindrici in cemento precompresso" fornisce le specifiche per tubi cilindrici in cemento precompresso, che sono comunemente utilizzati nei sistemi idrici e fognari.
• GB/T 28725-2012 "Protezione catodica dei tubi cilindrici in calcestruzzo precompresso interrati" si concentra sugli standard di protezione catodica specifici per i tubi cilindrici in calcestruzzo precompresso interrati, garantendone la longevità e l'integrità.

Le applicazioni CP nelle condotte idriche terrestri (acciaio e PCCP) richiedono progettazioni mirate:

• Tubi in acciaio: focus sulla sinergia rivestimento+CP per affrontare le correnti vaganti e la corrosione del suolo.
• PCCP: protezione diretta dei cavi attraverso gli strati di cemento bilanciando i rischi di infragilimento da idrogeno.

Le tendenze future pongono l'accento sul monitoraggio intelligente, sui materiali a basso-infragilimento da idrogeno-e sulle soluzioni di energia verde per soddisfare le esigenze di affidabilità per il trasferimento dell'acqua a lunga-distanza e le reti urbane, facendo avanzare le infrastrutture idriche verso una durata di servizio secolare-.