육상 송수관(강관 및 PCCP)에 음극방식 기술을 적용하는 것은 금속 부식을 방지하고 배관 수명을 연장하는 핵심 방법입니다. 강관과 프리스트레스 콘크리트 실린더 파이프(PCCP) 사이의 재료 특성과 사용 환경의 차이로 인해 음극 방식의 설계 및 구현에 상당한 차이가 있습니다.
강철 수도 파이프라인의 음극 보호
1. 부식 환경과 과제
주요 부식 유형:
- 전기화학적 부식: 토양 수분, 염도 및 산소의 차이로 인해 형성된 부식 세포입니다.
- 표류 전류 부식: 인근 전력 시설 및 철도 운송으로 인한 전류 간섭.
- 미생물 부식(MIC): 황산염-환원 박테리아(SRB)는 혐기성 토양의 부식을 가속화합니다.
고-위험 지역:
- 용접 이음새 및 코팅 결함: 국부적으로 노출된 강관이 양극 역할을 합니다.
- 고-염분/저저항 토양(예: 해안 지역): 부식 속도는 연간 0.1~0.3mm에 달할 수 있습니다.
2. 음극방식 기술 선정
희생양극시스템(Sacrificial Anode CP, SACP)
1) 적용 가능한 시나리오:
- 단-거리(<5 km), small-diameter (
- 토양 또는 담수 환경.
2)양극 재료:
- 마그네슘 합금 양극: 높은 구동 전압으로 저항력이 높은 토양이나 담수-에 적합합니다.
- 아연 합금 양극: 낮은 구동 전압, 낮은 저항 토양에 적합한-<1000 Ω·cm).
3)설계 매개변수:
- 보호 전류 밀도: 0.02~10mA/m²(코팅 품질 및 파이프라인 시나리오에 따라 다름, 예: 지역 시스템의 3PE 코팅 매립 파이프의 경우 5-10mA/m², 3PE 코팅 장거리 파이프라인의 경우 0.01-0.05mA/m²).
- 양극 매설 깊이: 1.5~2m(파이프라인 아래의 습한 토양층에 위치)
감동전류 시스템(Impressed Current CP, ICCP)
1) 적용 가능한 시나리오:
- Long-distance (>10 km), large-diameter (>DN1000) 파이프라인.
- 토양 또는 수질 환경.
2)시스템 구성요소:
- 양극판: 고-실리콘 주철 양극, MMO(혼합 금속 산화물) 양극, 흑연 양극, 유연한 양극 등
- 전원 공급 장치: 정전위 정류기(Cu/CuSO₄ 대비 -0.85~-1.20V에서 전위 제어).
- 기준 전극: 영구 Cu/CuSO₄ 전극(파이프라인 근처에 매립).
3) 디자인 요점:
- 불균등한 전류 분포를 피하기 위해 파이프라인에서 50미터 이상 떨어진 원격 양극 베드.
- 복잡한 지형이나 도시 밀집 지역을 위한 분산 양극층(다중 분산 지점)입니다.
핵심 기술 및 결합된 보호
1)코팅 + CP 시너지 효과:
- 코팅 유형: 3PE(3-층 폴리에틸렌), FBE(융착-결합 에폭시) 등
- 코팅불량 관리 : 손상개소 CP Coverage (손상율시 전류밀도 10mA/m² 이하)<1%).
2) 접착 및 절연:
- CP 전류를 방해할 수 있는 다른 금속 구조물로부터 보호된 파이프라인을 분리하려면 절연 플랜지 또는 조인트를 사용하십시오.
- 전위차의 균형을 맞추기 위해 본딩 케이블을 설치하십시오.
PCCP에 대한 음극 보호
1. PCCP 부식 메커니즘
구조적 특성:
- 콘크리트 외층으로 덮인 강철 실린더를 압축 응력을 받은 강철 와이어로 감싼 것입니다.
- 와이어 부식 위험: 콘크리트 탄화 또는 염화물 침투로 인해 부동태막이 파괴됩니다.
부식 결과:
- 파이프 파열로 이어지는 와이어 파손(예: 미국 탬파 베이에서 발생한 2000년 PCCP 파열 사고).
2. CP 기술 과제
전류 차폐:
- 콘크리트 층은 전류가 전선에 도달하는 것을 방해하므로 특별한 설계가 필요합니다.
수소 취성 위험:
- 과잉-보호(잠재적<-1.00 V vs. Cu/CuSO₄) may cause hydrogen-induced fractures in high-strength wires.
모니터링의 어려움:
- 콘크리트에 매설된 전선은 보호층을 통한 전위 측정이 필요합니다.
3. CP 구현 솔루션
분산된 양극:
- 파이프 벽 외부 토양에 아연 합금 희생 양극을 설치하거나 MMO 리본 양극/전도성 폴리머 양극을 설치합니다.
원격 양극층:
- 기존 파이프라인의 경우 깊은-우물 양극층을 사용하여 콘크리트 층을 관통합니다.
디자인 매개변수:
- 보호 잠재력: -0.85~-1.00 V(Cu/CuSO₄ 대비)로 수소 취성을 방지합니다.
- 전류밀도: 0.1~1.0 mA/m²(콘크리트 저항력이 높아 전류 수요가 낮음).
4. 모니터링 및 유지 관리
잠재적인 모니터링:
- 프로브: 실시간 전선 전위 모니터링을 위해 토양에 매립된 포화 Cu/CuSO₄ 전극 또는 콘크리트에 미리 내장된-Mn/MnO2 전극-.
- 단면 절연: 독립적인 전위 모니터링을 위해 PCCP 파이프라인을 세그먼트로 나눕니다.
와이어 파손 경고:
- 음향 방출(AE): 와이어 파손으로 인한 응력파 신호를 감지합니다.
- 전자기 방법(EMAT): 파이프 표면을 스캔하여 와이어 무결성을 평가합니다.
일반적인 사례 연구
- 파키스탄 China Harbour Karachi No.4 송수관 EPC 프로젝트
- JAFURAH 담수화 및 물 공급 프로젝트(JFD)
- 사전 포장된 아연 양극과-고순도 아연 리본 양극을 사용하는 신장 180km PCCP 파이프라인 CP 프로젝트.
- 신장 카시(Xinjiang Kashi) 농촌 식수 안전 프로젝트.
- 신장 피산 강 유역 공동 물 공급 프로젝트(1단계) CP
- 닝보 타오위안 수자원 플랜트 및 아웃바운드 파이프라인 CP 프로젝트
- Putian Jinzhong Water Hub 전환 프로젝트 - Mazu Branch 해안 PCCP 파이프라인
기술적 과제와 미래 동향
1. 현재의 과제
- PCCP 전류 분포가 고르지 않음: 콘크리트 두께가 다양하면 국부적으로 과소-보호/과잉-보호가 발생합니다.
- 비용- 효율성: PCCP CP는 강관 시스템보다 비용이 3~5배 더 높습니다(콘크리트 관통 요구 사항으로 인해).
- 수소 취성 제어: 정확한 전위 조절이 필요합니다(예: 전위 제한기 사용).
2. 혁신방향
스마트 양극 재료:
- 자체{0}조절 양극(습도/염도에 따라 현재 출력을 자동으로 조정)
- 나노-복합 양극(예: 전류 효율성 향상을 위한 CNT-향상된 MMO)
디지털 모니터링:
- 잠재력, 현재 및 음향 방출 데이터를 실시간으로 분석하기 위한 IoT(사물 인터넷) 플랫폼입니다.{0}}
- 부식 핫스팟을 예측하고 보호 매개변수를 최적화하는 기계 학습.
녹색 기술:
- 태양광/풍력-으로 구동되는 ICCP 시스템(예: 호주의 스노이 산맥 수력 발전 계획)
3. 표준 및 사양
국제 표준:
- NACE SP0169(지하 또는 수중 금속 배관 시스템의 외부 부식 제어).
- NACE SP0100(콘크리트 압력 파이프라인 및 모르타르{1}}상수 또는 폐수 처리용 코팅 강철 파이프라인의 외부 부식을 제어하기 위한 음극 보호).
중국 표준:
- GB/T 21448-2017 "매설 강철 파이프라인의 음극 보호 기술 사양"은 음극 보호 기술을 통해 매설 강철 파이프라인을 부식으로부터 보호하기 위한 표준을 설명합니다.
- GB/T 19685-2017 "프레스트레스트 콘크리트 실린더 파이프"는 상하수도 시스템에 일반적으로 사용되는 프리스트레스트 콘크리트 실린더 파이프에 대한 사양을 제공합니다.
- GB/T 28725-2012 "매장된 프리스트레스트 콘크리트 실린더 파이프의 음극 보호"는 특히 매립된 프리스트레스트 콘크리트 실린더 파이프에 대한 음극 보호 표준에 중점을 두고 수명과 무결성을 보장합니다.
결론
육상 송수관(강철 및 PCCP)의 CP 적용에는 다음과 같은 목표 설계가 필요합니다.
- 강관: 표류 및 토양 부식을 해결하기 위해 코팅+CP 시너지에 중점을 둡니다.
- PCCP: 수소 취성 위험의 균형을 유지하면서 콘크리트 층을 통해 와이어를 직접 보호합니다.
미래 트렌드는 장거리 물 운송 및 도시 네트워크에 대한 신뢰성 요구를 충족하기 위한 스마트 모니터링, 저-수소-취성 소재, 그린 에너지 솔루션을 강조하고, 수자원 인프라를 100년- 긴 서비스 수명으로 발전시킵니다.