การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีป้องกัน Cathodic ในท่อส่งน้ำ

การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการป้องกัน Cathodic ในท่อส่งน้ำบนบก (ท่อเหล็กและ PCCP) เป็นวิธีการหลักในการป้องกันการกัดกร่อนของโลหะและยืดอายุการใช้งานของท่อ เนื่องจากคุณสมบัติของวัสดุและสภาพแวดล้อมการบริการที่แตกต่างกันระหว่างท่อเหล็กและท่อทรงกระบอกคอนกรีตอัดแรง (PCCP) จึงมีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในการออกแบบและการใช้งานการป้องกันแคโทด

1. สภาพแวดล้อมและความท้าทายจากการกัดกร่อน

ประเภทการกัดกร่อนหลัก:

• การกัดกร่อนด้วยไฟฟ้าเคมี: เซลล์การกัดกร่อนเกิดขึ้นจากความชื้นในดิน ความเค็ม และออกซิเจนที่แตกต่างกัน
• การกัดกร่อนของกระแสรั่วไหล: การรบกวนในปัจจุบันจากแหล่งพลังงานใกล้เคียงและการขนส่งทางรถไฟ
• การกัดกร่อนของจุลินทรีย์ (MIC): ซัลเฟต-รีดิวซิ่งแบคทีเรีย (SRB) เร่งการกัดกร่อนในดินไร้อากาศ

พื้นที่เสี่ยง-สูง:

• รอยเชื่อมและข้อบกพร่องในการเคลือบ: ท่อเหล็กที่สัมผัสเฉพาะที่ทำหน้าที่เป็นขั้วบวก
• ดินที่มีเกลือสูง/ต้านทานต่ำ (เช่น พื้นที่ชายฝั่ง): อัตราการกัดกร่อนอาจสูงถึง 0.1~0.3 มม./ปี

2. การเลือกเทคโนโลยีการป้องกัน Cathodic

ระบบแซคริฟิเชียลแอโนด (Sacrificial Anode CP, SACP)

1) สถานการณ์ที่เกี่ยวข้อง:

• ระยะสั้น-(<5 km), small-diameter (
• สภาพแวดล้อมทางดินหรือน้ำจืด

2) วัสดุแอโนด:

• แอโนดโลหะผสมแมกนีเซียม: แรงดันไฟขับสูง เหมาะสำหรับดินหรือน้ำจืดที่มีความต้านทานสูง-
• แอโนดโลหะผสมสังกะสี: แรงดันไฟฟ้าขับเคลื่อนต่ำ เหมาะสำหรับดินที่มีความต้านทาน-ต่ำ (<1000 Ω·cm).

3) พารามิเตอร์การออกแบบ:

• ความหนาแน่นกระแสป้องกัน: 0.02~10 mA/m² (ขึ้นอยู่กับคุณภาพการเคลือบและสถานการณ์ของท่อ เช่น 5-10 mA/m² สำหรับท่อฝังแบบเคลือบ 3PE- ในระบบระดับภูมิภาค 0.01-0.05 mA/m² สำหรับท่อส่งทางไกลที่เคลือบ 3PE)
• ความลึกของการฝังแอโนด: 1.5~2 เมตร (อยู่ในชั้นดินชื้นใต้ท่อ)

ระบบปัจจุบันที่ประทับใจ (CP ปัจจุบันที่ประทับใจ, ICCP)

1) สถานการณ์ที่เกี่ยวข้อง:

• Long-distance (>10 km), large-diameter (>ท่อ DN1000)
• สภาพแวดล้อมทางดินหรือน้ำ

2) ส่วนประกอบของระบบ:

• แอโนดเบด: แอโนดเหล็กหล่อซิลิกอนสูง- แอโนด MMO (มิกซ์เมทัลออกไซด์) แอโนดกราไฟท์ แอโนดแบบยืดหยุ่น ฯลฯ
• แหล่งจ่ายไฟ: วงจรเรียงกระแสแบบคงที่ (ควบคุมศักย์ไฟฟ้าที่ -0.85~-1.20 V เทียบกับ Cu/CuSO₄)
• อิเล็กโทรดอ้างอิง: อิเล็กโทรด Cu/CuSO₄ ถาวร (ฝังไว้ใกล้ท่อ)

3) ประเด็นสำคัญในการออกแบบ:

• เตียงแอโนดระยะไกล ห่างจากท่อมากกว่าหรือเท่ากับ 50 เมตร เพื่อหลีกเลี่ยงการกระจายกระแสที่ไม่สม่ำเสมอ
• การกระจายแอโนดเบด (หลายจุดกระจาย) สำหรับภูมิประเทศที่ซับซ้อนหรือพื้นที่หนาแน่นในเมือง

เทคโนโลยีหลักและการป้องกันแบบผสมผสาน

1) การเคลือบ + การทำงานร่วมกันของ CP:

• ประเภทการเคลือบ: 3PE (โพลีเอทิลีนสาม-ชั้น), FBE (อีพอกซีฟิวชั่น-) ฯลฯ
• การจัดการข้อบกพร่องในการเคลือบ: การครอบคลุม CP สำหรับจุดที่เสียหาย (ความหนาแน่นกระแสน้อยกว่าหรือเท่ากับ 10 mA/m² เมื่ออัตราความเสียหาย<1%).

2) พันธะและฉนวน:

• ใช้หน้าแปลนหรือข้อต่อฉนวนเพื่อแยกท่อที่ได้รับการป้องกันออกจากโครงสร้างโลหะอื่น ๆ ที่อาจรบกวนกระแส CP
• ติดตั้งสายเคเบิลประสานเพื่อสร้างความสมดุลระหว่างความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้น

1. กลไกการกัดกร่อนของ PCCP

ลักษณะโครงสร้าง:

• ลวดเหล็กอัดแรงพันรอบกระบอกเหล็กปิดด้วยชั้นนอกคอนกรีต
• ความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนของลวด: การทำให้คอนกรีตเป็นคาร์บอนหรือการแทรกซึมของคลอไรด์จะทำลายฟิล์มฟิล์ม

ผลที่ตามมาจากการกัดกร่อน:

• ลวดแตกหักจนทำให้ท่อแตก (เช่น เหตุการณ์ PCCP ระเบิดในปี 2000 ที่แทมปาเบย์ สหรัฐอเมริกา)

2. ความท้าทายด้านเทคนิคของ CP

การป้องกันปัจจุบัน:

• ชั้นคอนกรีตขัดขวางกระแสไม่ให้เข้าถึงสายไฟ จำเป็นต้องมีการออกแบบพิเศษ

ความเสี่ยงจากการแตกตัวของไฮโดรเจน:

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

การตรวจสอบปัญหา:

• สายไฟที่ฝังอยู่ในคอนกรีตจำเป็นต้องมีการวัดศักยภาพผ่านชั้นป้องกัน

3. โซลูชั่นการดำเนินงาน CP

แอโนดแบบกระจาย:

• ติดตั้งแอโนดบูชายัญโลหะผสมสังกะสีในดินนอกผนังท่อ หรือแอโนดริบบิ้น MMO/แอโนดโพลีเมอร์นำไฟฟ้า

เตียงแอโนดระยะไกล:

• สำหรับท่อที่มีอยู่ ให้ใช้เบดแอโนดบ่อลึก-เพื่อเจาะชั้นคอนกรีต

พารามิเตอร์การออกแบบ:

• ศักยภาพในการป้องกัน: -0.85~-1.00 V (เทียบกับ Cu/CuSO₄) เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดการเปราะของไฮโดรเจน
• ความหนาแน่นกระแส: 0.1~1.0 mA/m² (ความต้องการกระแสต่ำเนื่องจากความต้านทานคอนกรีตสูง)

4. การติดตามและบำรุงรักษา

การตรวจสอบศักยภาพ:

• โพรบ: ฝังอิเล็กโทรด Cu/CuSO₄ อิ่มตัวในดิน หรืออิเล็กโทรด Mn/MnO₂ -ที่ฝังไว้ล่วงหน้าในคอนกรีตสำหรับการตรวจสอบ-ความเป็นไปได้ของสายไฟตามเวลาจริง
• ฉนวนแบบตัดขวาง: แบ่งท่อ PCCP ออกเป็นส่วนๆ เพื่อการตรวจสอบศักยภาพที่เป็นอิสระ

คำเตือนการแตกหักของสายไฟ:

• การปล่อยเสียง (AE): ตรวจจับสัญญาณคลื่นความเค้นจากการแตกหักของสายไฟ
• วิธีการแม่เหล็กไฟฟ้า (EMAT): สแกนพื้นผิวท่อเพื่อประเมินความสมบูรณ์ของสายไฟ

• โครงการ EPC ทางท่อส่งน้ำ China Harbor Karachi No.4 ประเทศปากีสถาน
• โครงการแยกเกลือและน้ำประปาของ JAFURAH (JFD)
• โครงการ PCCP Pipeline CP ของซินเจียง 180 กม. โดยใช้แอโนดสังกะสีก่อน-ในบรรจุภัณฑ์และแอโนดริบบิ้นสังกะสีที่มีความบริสุทธิ์สูง-
• โครงการความปลอดภัยน้ำดื่มในชนบทซินเจียงคาชิ
• โครงการประปาร่วมลุ่มน้ำซินเจียง Pishan (ระยะที่ 1) CP
• โครงการโรงไฟฟ้าน้ำ Ningbo Taoyuan และโครงการ CP ท่อส่งน้ำขาออก
• โครงการผันแหล่งน้ำ Putian Jinzhong - ท่อ PCCP ชายฝั่งทะเลสาขา Mazu

1. ความท้าทายในปัจจุบัน

• การกระจายกระแสไฟ PCCP ไม่เท่ากัน: ความหนาของคอนกรีตที่แตกต่างกันทำให้เกิดการป้องกันเฉพาะที่ภายใต้-การป้องกัน/เกิน-
• ต้นทุน-ประสิทธิผล: PCCP CP มีราคาสูงกว่าระบบท่อเหล็ก 3~5 เท่า (เนื่องจากข้อกำหนดในการเจาะคอนกรีต)
• การควบคุมการเปราะของไฮโดรเจน: ต้องมีการควบคุมศักยภาพที่แม่นยำ (เช่น การใช้ตัวจำกัดศักยภาพ)

2. ทิศทางนวัตกรรม

วัสดุแอโนดอัจฉริยะ:

• แอโนดควบคุมตัวเอง- (ปรับเอาต์พุตกระแสโดยอัตโนมัติตามความชื้น/ความเค็ม)
• แอโนดคอมโพสิตนาโน- (เช่น CNT- MMO ที่ปรับปรุงแล้วเพื่อประสิทธิภาพในปัจจุบันที่ดีขึ้น)

การตรวจสอบแบบดิจิตอล:

• แพลตฟอร์ม IoT (Internet of Things) สำหรับการวิเคราะห์-แบบเรียลไทม์ของข้อมูลศักยภาพ กระแส และเสียงที่ปล่อยออกมา
• การเรียนรู้ของเครื่องเพื่อคาดการณ์จุดที่มีการกัดกร่อนและเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์การป้องกัน

เทคโนโลยีสีเขียว:

• ระบบ ICCP ที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์/ลม- (เช่น โครงการไฟฟ้าพลังน้ำที่เทือกเขาสโนวี่เมาเท่นของออสเตรเลีย)

3. มาตรฐานและข้อมูลจำเพาะ

มาตรฐานสากล:

• NACE SP0169 (การควบคุมการกัดกร่อนภายนอกบนระบบท่อโลหะใต้ดินหรือใต้น้ำ)
• NACE SP0100 (การป้องกันแบบคาโทดิกเพื่อควบคุมการกัดกร่อนภายนอกของท่อแรงดันคอนกรีตและปูน-ท่อเหล็กเคลือบสำหรับบริการน้ำหรือน้ำเสีย)

มาตรฐานจีน:

• GB/T 21448-2017 "ข้อกำหนดทางเทคนิคสำหรับการป้องกันแคโทดของท่อเหล็กฝัง" สรุปมาตรฐานสำหรับการปกป้องท่อเหล็กฝังจากการกัดกร่อนผ่านเทคนิคการป้องกันแคโทด
• GB/T 19685-2017 "ท่อทรงกระบอกคอนกรีตอัดแรง" ระบุข้อกำหนดสำหรับท่อทรงกระบอกคอนกรีตอัดแรง ซึ่งมักใช้ในระบบน้ำและระบบบำบัดน้ำเสีย
• GB/T 28725-2012 "การป้องกันแคโทดของท่อทรงกระบอกคอนกรีตอัดแรงแบบฝัง" มุ่งเน้นไปที่มาตรฐานการป้องกันแคโทดสำหรับท่อทรงกระบอกคอนกรีตอัดแรงแบบฝังโดยเฉพาะ เพื่อให้มั่นใจถึงอายุการใช้งานที่ยาวนานและความสมบูรณ์

การใช้งาน CP ในท่อส่งน้ำบนบก (เหล็กและ PCCP) จำเป็นต้องมีการออกแบบที่ตรงเป้าหมาย:

• ท่อเหล็ก: มุ่งเน้นไปที่การเคลือบ+การทำงานร่วมกันของ CP เพื่อจัดการกับกระแสน้ำและการกัดกร่อนของดิน
• PCCP: การป้องกันสายไฟโดยตรงผ่านชั้นคอนกรีต ในขณะเดียวกันก็ช่วยรักษาสมดุลความเสี่ยงของการเปราะของไฮโดรเจน

แนวโน้มในอนาคตเน้นที่การตรวจสอบอย่างชาญฉลาด วัสดุที่มีไฮโดรเจน-แตกตัวต่ำ และโซลูชันพลังงานสีเขียว เพื่อตอบสนองความต้องการความน่าเชื่อถือสำหรับการถ่ายโอนน้ำระยะไกล-และเครือข่ายในเมือง พัฒนาโครงสร้างพื้นฐานของน้ำให้มีอายุการใช้งานยาวนานนับศตวรรษ-