حفاظت کاتدی برای جلوگیری از خوردگی میله های تقویت کننده در بتن

سالهاست که  شرکتهای صنعتی و مهندسان  برای محافظت از بتن مسلح فولادی در برابر خوردگی با هدف کاهش هزینه های تعمیر و نگهداری و تعمیر خوردگی بتن و افزایش عمر سازه تلاش کرده اند. عوامل اصلی خوردگی در بتن شامل نمک ، کلراید و یخ زدایی است. حفظ سازه های بتنی بزرگ مانند پل ها ، پارکینگ ها و اسکله های دریایی، عملی پایدار با مزایای زیست محیطی و عمومی است.

حفاظت کاتدی یک راه حل اثبات شده برای دوام بیشتر ساختارهای جدید و موجود است. تعمیر بتن به تنهایی یک راه حل طولانی مدت نیست زیرا ممکن است حتی پس از ترمیم لایه های ناشی از خوردگی، بتن هنوز آلوده به کلراید در اطراف میلگرد باشد. متأسفانه ، این وضعیت می تواند منجر به ایجاد محل های خوردگی ثانویه در اطراف منطقه‌ی تعمیرشده گردد.

برای ارائه یک راه حل بلند مدت و اساسی ، روشهای مختلف حفاظت کاتدی وجود دارد. همه سیستم ها از این نظر که جریان محافظتی را به فولاد تقویت کننده می رسانند مشابه هستند ، اما مزایا و کاربردهای متفاوتی دارند. هر یک از این سیستم‌ها می تواند سطوح متفاوتی از حفاظت و هزینه خوردگی را ارائه دهد. درک قابلیت ها و محدودیت ها به مهندسین و مالکان اجازه می دهد تا بهترین سیستم را برای حفاظت سازه پیاده سازی کنند.

سیستم حفاظت کاتدی تزریق جریان

سیستم  تزریق جریان به کارگرفته شده شامل آندهای اکسید فلزی مختلط(MMO) مانند مش و روبان تیتانیوم ، سرامیک های رسانا یا پوشش های رسانا و یک منبع تغذیه DC خارجی برای تأمین جریان کافی به فولاد برای غلبه بر فعالیت خوردگی بتن است.

سیستم آندهای فداشونده

سیستم آندهای فداشونده از فلزاتی استفاده می کند که دارای اختلاف ولتاژ کافی نسبت به فولاد خورنده هستند و جریان محافظتی از آند در محیط الکترولیت  به ساختار خورنده وارد می شود. معمولا از انواع مختلف آند فداشونده روی در برنامه های تعمیر بتن یا ترمیم بتن ، استفاده می شود. یک جریان الکتریکی با خوردگی آند فداشونده روی ایجاد می شود تا خوردگی فولاد تقویت کننده را کاهش دهد. آندها به صورت جداگانه بر روی فولاد تقویت شده با حفر یا سوراخکاری روی الگوی شبکه نصب می شوند.

آندهای فداشونده همچنین برای محافظت از شمع های بتنی و فولادی در محیط دریایی استفاده می شوند. شمع های بتنی و فولادی در محیط دریایی در معرض خوردگی جدی قرار دارند. برای محافظت از شمع های دریایی ، از آندهای جکتی روی استفاده می‌شود.

خوردگی فولاد مقاوم در سازه های بتنی مانند ساختمانها ، پارکینگها ، سازه های دریایی بتنی ، بسترهای جاده ای ، عرشه پلها و زیرسازی پلها یک مشکل در سطح جهان است و منجر به ایجاد ترک ، نشتی از سطح و در نهایت ضعف ساختاری می شود. از طرفی تعمیر مناطق فرسوده که هزینه بسیاری نیز دارد تضمینی برای حل مشکل نمی‌باشد زیرا ممکن است شرایط برای ادامه خوردگی در سازه ایجاد شده باشد. این فرایند خوردگی می تواند پیامدهای ایمنی جدی داشته باشد ، به همین دلیل نظارت بر خوردگی با استفاده از یک روش دقیق و قابل اعتماد بسیار مهم است.

آزمایش پتانسیل نیم-سلولی تنها تکنیک پایش خوردگی استاندارد شده در استاندارد ASTM C876-15 است که برای تعیین احتمال خوردگی در میلگرد در سازه های بتنی مسلح استفاده می شود.

مبانی خوردگی بتن

در سازه های بتنی مسلح ، یک لایه محافظ طبیعی در اطراف میلگرد وجود دارد که از خوردگی آن جلوگیری می کند. با گذشت زمان ، کلرایدها (از یخ زدایی نمک ها یا قرار گرفتن در معرض دریاها) و یا CO2 به بتن نفوذ کرده و آن لایه محافظ را تجزیه می کنند.  CO2 با کاهش میزان pH بتن تا زیر سطح پایداری لایه‌ی محافظ، منجر به تجزیه موضعی آن می شود.

این فرایند خوردگی را می توان در شکل زیر مشاهده کرد:

فلز (میلگرد) در محلول (موجود در منافذ بتن)  واکنش می دهد و الکترونها را از آند (جایی که اکسیداسیون اتفاق می افتد) به کاتد (جایی که کاهش اتفاق می افتد) می دهد. یونهای مثبت تشکیل شده در سطح آند واکنش نشان داده و محصولات جانبی خوردگی ایجاد خواهند کرد. این واکنش الکتروشیمیایی یک اختلاف پتانسیل و در نتیجه یک جریان خوردگی بین مناطق آندی و کاتدی در سطح آرماتور فولادی ایجاد می کند. این جریان یا توزیع پتانسیل روی سطح بتن ، چیزی است که هنگام اندازه گیری پتانسیل نیم سلولی مورد توجه است.

تکنیک پتانسیل نیم-سلولی

شکل ۲ نشان دهنده سلولی است که در آن هر طرف به عنوان نیم سلول نامیده می شود. هر نیم سلول توسط یک الکترود در یک محلول (الکترولیت) نشان داده می شود و هر دو نیم سلول به یکدیگر متصل می شوند. از آنجا که یکی از الکترودها در مقایسه با دیگری تمایل بیشتری به خوردگی دارد ، آن الکترود (آند) اکسیده شده و الکترون آزاد می‌کند.

برای حفظ تعادل سیستم و تعادل بارها در الکترولیت ها ، تبادل یون ها از طریق پل نمک انجام می شود. اختلاف پتانسیل (ولتاژ) بین هر دو الکترود توسط ولت متر اندازه گیری می شود ، که میزان انحلال آند را نشان می دهد.

برای اعمال این مفهوم در بتن و تفسیر نتایج پتانسیل خوردگی ، یک الکترود مرجع با پتانسیل شناخته شده مورد نیاز است. به طور معمول ، برای کاربردهای بتن مسلح ، از الکترود مرجع مس/ سولفات مس (Cu/CuSO4) یا الکترود نقره/ کلرید نقره (Ag/AgCl) به عنوان الکترود مرجع استفاده می شود. با اتصال این الکترود مرجع به میلگرد و قرار دادن الکترود مرجع در سطح بتن ، می توان اختلاف پتانسیل بین دو نیم سلول را اندازه گیری کرد.

نحوه انجام این اندازه گیری و رابطه بین مقادیر پتانسیل اندازه گیری شده در استاندارد ASTM C876 ارائه شده است. در این اندازه گیری محدودیت هایی از جمله شرایط بتن (خشک یا مرطوب) ، وجود کلراید ، عدم وجود اکسیژن در سطح میلگرد (به دلیل اشباع شدن) ، ضخامت پوشش ، مقاومت بتن و دما وجود دارند که در تفسیر داده های بدست آمده باید در نظر گرفته شوند.

خوردگی مخازن ذخیره سازی زیرزمینی

مخازن ذخیره سازی زیرزمینی (Underground Storage Tank) به طور کلی در تماس با موادی چون خاک، شن و ماسه قرار دارند. واکنش الکتروشیمیایی بین مخزن و خاک اطراف آن (الکترولیت) منجر به خوردگی مخزن می شود. اختلاف ولتاژ کمی که در سطح فولاد وجود دارد منجر به ایجاد جریان از یک قسمت مخزن به قسمت دیگر آن می شود. جایی که جریان از آن به درون خاک (الکترولیت) می رود خوردگی رخ می دهد. این قسمت در پیل گالوانیک، آند نامیده می شود. جایی که جریان از خاک به مخزن وارد می شود کاتد می باشد و خوردگی رخ نمی دهد.

جلوگیری از خوردگی مخزن (حفاظت کاتدی مخازن ذخیره سازی زیرزمینی)

جهت محافظت از مخازن زیرزمینی از خوردگی، از یک پوشش خارجی و همچنین یک سیستم حافظت کاتدی استفاده می شود. یک پوشش خارجی مناسب می تواند بیش از ۹۹٪ از سطح مخزن را محافظت کند. اما از آنجا که ، هیچ پوششی کامل نیست علاوه بر پوشش خارجی باید از یک سیستم حافظت کاتدی جهت محافظت از خوردگی مخزن استفاده کرد. سیستم حفاظت کاتدی با اعمال جریان خارجی، مخزن را به کاتد تبدیل کرده و از خوردگی آن محافظت می کند. در مواردی که مقدار جریان مورد نیاز برای حفاظت سازه اندک باشد، از آندهای فداشونده استفاده می شود. برای سازه های بزرگ مانند خطوط لوله با قطر زیاد از سیستم تزریق جریان استفاده می شود.

آند فداشونده منیزیم جهت حفاظت کاتدی مخازن ذخیره سازی زیرزمینی

آند فداشونده منیزیم متداولترین آند فداشونده ای است که در حفاظت کاتدی مخازن زیرزمینی به کار گرفته می شود. آند منیزیم از مخازن زیرزمینی در هر خاکی می تواند محافظت کند. به منظور کاهش مقاومت الکتریکی آند نسبت به خاک، آند منیزیم معمولا به همراه یک پشت بند که ترکیبی از گچ گیپسوم، بنتونیت و سدیم سولفات است، در داخل کیسه کتانی به کار گرفته می شود. آند منیزیم در دو نوع استاندارد و پتانسیل بالا تولید می شود. در خاکهایی با مقاومت حدود ۱۰۰۰۰اهم – سانتی متر از آند منیزیم پتانسیل بالا استفاده می شود. براساس ابعاد مخزن و مقاومت خاکی که مخزن در آن قرار دارد، تعداد و ابعاد آند های مورد نیاز مشخص می شود. دو اندازه رایج آندهای منیزیم برای محافظت مخازن زیرزمینی،آندهای ۱۷ پوندی و ۳۲ پوندی می باشد. آندها در فاصله و عمق مناسب نسبت به مخزن نصب می شوند. سیم آند به قسمت بالایی مخزن با یک اتصال الکتریکی با مقاومت پایین، متصل می شود. کلیه اتصالات با عایق رطوبتی پوشیده می شود.

در راستای حفاظت کاتدی مخازن ذخیره سازی زیرزمینی دپارتمان فنی و مهندسی شرکت توانا ذوب آماده ی ارایه خدمات مشاوره ای می باشد که بدین منظور می توانید با ما در تماس باشید.

انواع بکفیل(Backfill)  و کاربردهای آن:

در سیستم های حفاظت کاتدی خطوط لوله و یا سازه های زیرزمینی مدفون در خاک، آند مورد استفاده در تماس مستقیم با خاک قرار ندارد. زیرا مواد معدنی و شیمیایی موجود در خاک ممکن است با ایجاد یک لایه با مقاومت بالا هدایت جریان را مختل کند. جهت افزایش بازدهی آند، گاهی اوقات آندهای فداشونده منیزیم و روی همراه یک بکفیل (پشت بند) در کیسه های کتانی ارائه می شوند. مواد بکفیل به سرعت رطوبت خاک را جذب کرده و باعث کاهش مقاومت الکترولیت می شود بنابراین اجرای عملی حفاظت، بهبود می یابد. مواد بکفیل عموما شامل گچ گیپسوم، بنتونیت و سدیم سولفات می باشد. با توجه به محیطی که آند در آن قرار می گیرد یکی از انواع بکفیل که در جدول زیر ملاحظه می شود، مورد استفاده قرار می گیرد.

جدول ترکیب انواع بکفیل بر اساس استاندارد IPS-M-TP-750:

بکفیل نوع A، با توجه به خاصیت نگهدارندگی رطوبت بنتونیت، در مناطقی که رطوبت خاک پایین است مورد استفاده قرار می گیرد.

بکفیل نوع B، معمولا برای آندهای فداشونده روی مورد استفاده قرار می گیرد.

بکفیل نوع C، برای آند فداشونده منیزیم یا روی در خاکهای بسیار مرطوب یا باتلاقی مفید است تا از خروج سریع بکفیل از سطح آند جلوگیری شود.

بکفیل نوع D، این نوع بکفیل مقاومت پایینی دارد ودر نواحی که مقاومت خاک زیاد است جهت کاهش مقاومت آند نسبت به زمین به کار گرفته می شود.

ابعاد کیسه بکفیل

مطابق با استاندارد  IPS-M-TP-750 قطر کیسه بکفیل باید حداقل ۵۰ میلی متر از قطر آند بزرگتر باشد. مواد پشت بند باید به گونه ای محکم در کیسه بسته بندی شود که از حرکت آند جلوگیری شود و پوشش کافی را در اطراف آند بدست آورد.

آند فداشونده چگونه از سازه های فلزی محافظت میکند؟

خوردگی قطعات فلزی غوطه ور در آب و یا مدفون در خاک موجب ایجاد آسیبهای بسیار خطرناک و پرهزینه خواهد شد. یکی از راههای حفاظت از این ساختارها، استفاده از آندهای فداشونده (sacrificial anodes) می باشد. آند فداشونده خود را با از بین رفتن به جای پروانه ، شاخه پروانه ، موتور یا سایر اجزای فلزی موجود در آب یا خاک، به دلیل فرایند الکتروشیمیایی خوردگی ، قربانی می کند.
آندهای فداشونده قطعات نسبتاً ارزان فلزی هستند. آنها که به عنوان فلزات فعال شناخته می شوند، بطور خاص طراحی شده اند تا به جای قطعات فلزی گران قیمت سازه ها دچار خوردگی شوند. این آندها از فلزاتی که دارای ولتاژ منفی تری نسبت به فلز سازه باشند ساخته می شوند. معمولاً آندهای فداشونده از فلز روی (Zinc) ساخته می شدند ، از این رو به آنها “آندهای روی” نیز می گویند اما برای تولید آن می توان از منیزیم یا آلیاژ مخصوص آلومینیوم نیز استفاده کرد.. هر کدام از این فلزات ویژگیها و کاربردهای متفاوتی دارند. پتانسیل الکتریکی و ظرفیت جریان فلزات آندی دو ویژگی مهم در تعیین نوع و میزان استفاده از آندهای فداشونده هستند. آندهای فداشونده در هر شکل و اندازه ای وجود دارند اما همه آنها مشابه عمل می کنند. آنها بصورت الکتریکی به ساختار فلزی متصل می شوند تا از آن در برابر خوردگی محافظت کنند.

آند فداشونده چگونه عمل می کند؟

اختلاف پتانسیل بین آند فداشونده و سازه تحت حفاظت باعث می شود که در الکترولیت جریانی از سمت آند به سمت کاتد روانه شود. آند و کاتد هر دو باید داخل یک الکترولیت قرار داشته باشند و بین آنها یک اتصال الکتریکی برقرار باشد. آند فداشونده فلزی است که پتانسیل منفی تری نسبت به سازه دارد و قطب منفی یک سلول خوردگی را تشکیل می دهد. قطب مثبت این سلول خوردگی، فلزی (کاتد) است که از آن محافظت می شود. هرچه آب شورتر یا آلوده تر باشد ، آند فداشونده سریعتر فرسایش می یابد.

از آنجایی که جریان خروجی آندهای فداشونده نسبت به آندهای تزریق جریان بسیار کمتر می باشد، بنابراین از این آندها در جاهایی که نیاز به جریان کمی برای حفاظت باشد استفاده میشود. همچنین در جاهایی مانند خطوط لوله زیردریا که دسترسی به برق و تنظیم جریان نداریم، سیستم آندهای فداشونده به کار گرفته می شود.

حفاظت کاتدی (cathodic protection) روشی برای کاهش خوردگی با به حداقل رساندن اختلاف پتانسیل بین آند و کاتد است. این امر با استفاده از ایجاد یک جریان از منبع خارجی بر روی سازه ای که باید از آن محافظت شود (مانند یک خط لوله) حاصل می شود. هنگامی که جریان کافی استفاده شود ، کل ساختار در یک پتانسیل قرار خواهد گرفت. بنابراین ، سایت های آند و کاتد وجود نخواهد داشت. حفاظت کاتدی معمولاً برای محافظت از سازه های بی شماری در برابر خوردگی ، مانند کشتی ها ، شناورهای دریایی ، تجهیزات زیر دریایی ، بندرها ، خطوط لوله و مخازن مورد استفاده قرار می گیرد.
انواع سیستم های حفاظت کاتدی
دو نوع اصلی از سیستم های حفاظت کاتدی وجود دارد: سیستم گالوانیک و سیستم تزریق جریان. توجه داشته باشید که هر دو نوع شامل یک آند (که از آن جریان به داخل الکترولیت هدایت می شود)، یک الکترولیت مداوم از آند به ساختار محافظت شده و یک اتصال فلزی خارجی می باشد.

• سیستم گالوانیک:

سیستم حفاظت کاتدی گالوانیک (galvanic cathodic protection system) از پتانسیل های خوردگی برای فلزات مختلف استفاده می کند. بدون حفاظت کاتدی ، یک ناحیه از ساختار با پتانسیل منفی بیشتری نسبت به نواحی دیگر وجود دارد و خوردگی به وجود می آید. در این حالت اگر یک جسم با پتانسیل منفی بیشتری (مانند آند منیزیم) در مجاورت ساختار تحت حفاظت (مانند خط لوله) قرار گیرد و یک اتصال فلزی ایجاد شود، جسم به آند تبدیل می شود و کل ساختار تبدیل به کاتد می شود.
بنابراین، سیستم حفاظت کاتدی گالوانیک یک سیستم حافظت کاتدی آند فداشونده (Sacrificial anode) نامیده می شود ، زیرا آند برای محافظت از ساختار به صورت قربانی خورده می شود. آندهای فداشونده معمولا از فلزاتی چون منیزیم، روی و آلومینیوم ساخته می شوند.

• سیستم تزریق جریان:

سیستم حفاظت کاتدی تزریق جریان (Impressed current cathodic protection) نوعی از سیستم است که معمولاً در مواردی که الزامات جریان بالا برای محافظت در برابر خوردگی وجود دارد، اعمال می شود. تفاوت اصلی بین سیستم های تزریق جریان و آندهای فداشونده این است که سیستم آندهای فداشونده به تفاوت پتانسیل بین آند و ساختار متکی است ، در حالی که سیستم تزریق جریان از منبع انرژی خارجی برای هدایت جریان استفاده می کند. آندهای تزریق جریان معمولا آندهای چدنی پر سیلیس (آندهای سیلیکونی) یا آندهای اکسید فلزی مختلط (Mixed Metal Oxide anode) هستند.