陸上水道パイプライン (鋼管および PCCP) への陰極防食技術の適用は、金属腐食を防止し、パイプラインの耐用年数を延ばすための中核となる方法です。鋼管とプレストレストコンクリート円筒管 (PCCP) では材料特性と使用環境が異なるため、陰極防食の設計と実装には大きな違いがあります。
鋼製水道パイプラインの陰極防食
1. 腐食環境と課題
主な腐食の種類:
- 電気化学腐食: 土壌の水分、塩分、酸素の違いによって形成される腐食セル。
- 漂遊電流腐食: 近くの電力施設や鉄道輸送からの電流干渉。
- 微生物腐食（MIC）: 硫酸塩還元細菌（SRB）-は、嫌気性土壌の腐食を促進します。
高リスク地域:-
- 溶接継ぎ目とコーティングの欠陥: 局所的に露出した鋼管は陽極として機能します。
- 高塩分/低抵抗率の土壌（海岸地域など）: 腐食速度は年間 0.1～0.3 mm に達する可能性があります。
2. 電気防食技術の選択
犠牲陽極システム (犠牲陽極 CP、SACP)
1) 適用可能なシナリオ:
- 短距離-（<5 km), small-diameter (
- 土壌または淡水環境。
2) 陽極材料:
- マグネシウム合金陽極: 駆動電圧が高く、抵抗率の高い土壌または淡水に適しています。-
- 亜鉛合金陽極: 駆動電圧が低く、低抵抗率の土壌に適しています。-<1000 Ω·cm).
3) 設計パラメータ:
- 保護電流密度: 0.02~10 mA/m² (コーティングの品質とパイプラインのシナリオによって異なります。たとえば、地域システムの 3PE コーティングされた埋設パイプの場合は 5-10 mA/m²-、3PE コーティングされた長距離パイプラインの場合は 0.01-0.05 mA/m²)。
- 陽極の埋設深さ：1.5〜2メートル（パイプラインの下の湿った土壌層に位置）。
印加電流方式（印加電流CP、ICCP）
1) 適用可能なシナリオ:
- Long-distance (>10 km), large-diameter (>DN1000) パイプライン。
- 土壌または水環境。
2) システムコンポーネント:
- 陽極床: 高シリコン鋳鉄陽極、MMO (混合金属酸化物) 陽極、グラファイト陽極、フレキシブル陽極など。
- 電源：定電位整流器（Cu/CuSO4に対して-0.85〜-1.20Vで電位を制御）。
- 参照電極: 永久 Cu/CuSO₄ 電極 (パイプラインの近くに埋め込まれます)。
3) 設計の重要なポイント:
- リモートアノードベッド 不均一な電流分布を避けるため、パイプラインから 50 メートル以上離れた場所にあります。
- 複雑な地形または都市の密集地域向けの分散陽極層 (複数の分散点)。
主要なテクノロジーと複合的な保護
1)コーティング＋CPの相乗効果：
- コーティングの種類: 3PE (三層ポリエチレン)、FBE (融着エポキシ-) など
- コーティング欠陥管理: 損傷箇所の CP カバレッジ (電流密度、損傷率が 10 mA/m² 以下)<1%).
2) 接着と絶縁:
- 絶縁フランジまたはジョイントを使用して、保護されたパイプラインを CP 電流を妨げる可能性のある他の金属構造物から隔離します。
- 電位差のバランスをとるためにボンディング ケーブルを取り付けます。
PCCP の陰極防食
1. PCCPの腐食メカニズム
構造的特徴:
- プレストレスト鋼線を鋼シリンダーに巻き付け、コンクリートの外層で覆います。
- ワイヤー腐食のリスク: コンクリートの炭化または塩化物の浸透により、不動態皮膜が破壊されます。
腐食の影響:
- パイプの破裂につながるワイヤの破損 (例: 2000 年に米国タンパ湾で発生した PCCP 破裂事件)。
2. CP の技術的課題
現在のシールド:
- コンクリート層は電流がワイヤに到達するのを妨げるため、特別な設計が必要になります。
水素脆化のリスク:
- 過剰保護（潜在的な）-<-1.00 V vs. Cu/CuSO₄) may cause hydrogen-induced fractures in high-strength wires.
モニタリングの問題:
- コンクリートに埋め込まれたワイヤーでは、保護層を介して電位を測定する必要があります。
3. CP実装ソリューション
分散型アノード:
- 亜鉛合金犠牲陽極をパイプ壁の外側の土壌に設置するか、MMO リボン陽極/導電性ポリマー陽極を設置します。
リモート陽極ベッド:
- 既存のパイプラインの場合は、深井戸陽極層を使用してコンクリート層を貫通します。{0}
設計パラメータ:
- 保護電位: -0.85~-1.00 V (対 Cu/CuSO4) 水素脆化を回避します。
- 電流密度: 0.1~1.0 mA/m² (コンクリートの抵抗率が高いため、電流需要が低い)。
4. 監視と保守
潜在的なモニタリング:
- プローブ: 飽和 Cu/CuSO₄ 電極を土壌に埋め込むか、事前にコンクリートに埋め込んだ Mn/MnO₂ 電極を使用して、リアルタイムのワイヤ電位モニタリングを行います。{0}{1}{1}
- セクション絶縁: PCCP パイプラインをセグメントに分割し、独立した電位監視を行います。
断線警告:
- アコースティック エミッション (AE): ワイヤの破断からの応力波信号を検出します。
- 電磁法 (EMAT): パイプの表面をスキャンしてワイヤの完全性を評価します。
典型的なケーススタディ
- パキスタン・チャイナ・ハーバー・カラチNo.4送水管EPCプロジェクト
- JAFURAH 淡水化・給水プロジェクト (JFD)
- 新疆 180 km PCCP パイプライン CP プロジェクト。パッケージ済みの亜鉛陽極と高純度亜鉛リボン陽極を使用。-
- 新疆カシ地方の飲料水安全プロジェクト。
- 新疆ピ山河流域共同給水事業（第1期）CP
- 寧波桃園水力発電所及び下りパイプラインCPプロジェクト
- 莆田晋中水ハブ分流プロジェクト - 媽祖支線沿岸 PCCP パイプライン
技術的な課題と今後の動向
1. 現在の課題
- 不均一な PCCP 電流分布: コンクリートの厚さが変化すると、局所的な保護不足/保護過剰が発生します。{0}{1}
- -費用対効果: PCCP CP のコストは鋼管システムの 3～5 倍です（コンクリート貫通要件のため）。
- 水素脆化制御: 正確な電位調整が必要です (電位リミッターの使用など)。
2. イノベーションの方向性
スマートアノード材料:
- 自己調整アノード（湿度/塩分に基づいて電流出力を自動的に調整します）。{0}
- ナノ-複合陽極（電流効率を向上させるための CNT- 強化 MMO など）。
デジタルモニタリング:
- 電位、電流、音響放射データをリアルタイムで分析するための IoT（モノのインターネット）プラットフォーム。{0}
- 機械学習により腐食ホットスポットを予測し、保護パラメータを最適化します。
グリーンテクノロジー:
- 太陽光/風力発電の ICCP システム（例: オーストラリアのスノーウィー マウンテンズ水力発電計画）。{0}
3. 規格と仕様
国際規格:
- NACE SP0169 (地下または水没した金属配管システムの外部腐食の制御)。
- NACE SP0100 (上下水道用のコンクリート圧力パイプラインおよびモルタルでコーティングされた鋼管パイプラインの外部腐食を制御する陰極防食)。-
中国の基準:
- GB/T 21448-2017「埋設鋼パイプラインの陰極防食に関する技術仕様」は、陰極防食技術によって埋設鋼パイプラインを腐食から保護するための基準を概説しています。
- GB/T 19685-2017「プレストレスト コンクリート シリンダー パイプ」は、上下水道システムで一般的に使用されるプレストレスト コンクリート シリンダー パイプの仕様を規定します。
- GB/T 28725-2012「埋設プレストレスト コンクリート シリンダー パイプの陰極防食」は、埋設プレストレスト コンクリート シリンダー パイプの寿命と完全性を保証する、特に埋設プレストレスト コンクリート シリンダー パイプの陰極防食基準に焦点を当てています。
結論
陸水パイプライン (鋼鉄および PCCP) での CP アプリケーションには、目的を絞った設計が必要です。
- 鋼管:迷走電流と土壌腐食に対処するために、コーティング+CPの相乗効果に焦点を当てます。
- PCCP: 水素脆化リスクのバランスをとりながら、コンクリート層を介してワイヤーを直接保護します。
今後のトレンドでは、スマート モニタリング、{0}{1}低水素脆化材料、グリーン エネルギー ソリューションが重視され、長距離送水や都市ネットワークの信頼性の需要に応え、{2}}1 世紀にわたる耐用年数に向けて水道インフラを進化させています。{3}}