حفاظت کاتدی سازههای بتن مسلح
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.
حفاظت کاتدی کشتی با استفاده از سیستم تزریق جریان
خوردگی کشتی – حفاظت کاتدی و سیستم تزریق جریان
ساختار فولادی کشتی که در معرض آب دریا است به طور طبیعی مستعد خوردگی است. استفاده از یک سیستم پوشش مناسب، یک روش استاندارد برای کنترل خوردگی است. با این وجود ، سایش مکانیکی ، حمله بیولوژیکی و فرسایش در تمام مدت سرویس کشتی اتفاق می افتد. بنابراین با گذشت زمان سیستم پوشش از بین رفته و توانایی خود جهت کنترل خوردگی را از دست میدهد. ترکیبی از سیستمهای پوشش و سیستمهای تزریق جریان اطمینانی از حفاظت در برابر خوردگی در طول عمر مفید کشتی حاصل مینماید.
نحوه عملکرد سیستم حفاظت کاتدی تزریق جریان
سیستم های حفاظت کاتدی تزریق جریان (ICCP) متشکل از یک یا چند الکترود مرجع و چندین آند تزریق جریان است که همگی به یک منبع تغذیه متصل هستند. الکترودهای مرجع پتانسیل حفاظت الکتریکی زیر آب را اندازه گیری می کنند و بر اساس این داده ها ، واحد جریان مورد نیاز آندها را تنظیم می کند. جریان تزریق شده مانع از ایجاد فرایند خوردگی می شود. این سیستم های پیشرفته امکان نظارت در زمان واقعی را فراهم می کنند و سطح حفاظت مورد نیاز را در همه زمان ها تضمین می کنند. یک سیستم ICCP نصب شده ، راه اندازی شده و سرویس شده می تواند به مدت ۲۵ سال یا بیشتر کار کند.
با اتصال یک نقطه از بدنه کشتی به یک الکترود مرجع، جریان خوردگی که همان اختلاف پتانسیل بین بدنه و الکترود مرجع است، اندازه گیری میشود. سپس یک جریان DC که برابر یا کمی بیشتر از آن است (در جهت مخالف) به آند تزریق جریان اعمال میکنیم. این عمل، یک جریان حفاظتی را به بدنه کشتی می دهد و بدنه را در برابر خوردگی محافظت می کند.
اجزای سیستم تزریق جریان
- واحد منبع تغذیه خروجی DC 24V و کنترل پنل:
منبع تغذیه شامل یک رکتیفایر است که جریان متناوب AC را به جریان مستقیم که همان جریان مورد نیاز سیستم تزریق جریان است، تبدیل میکند.
- آندهای تزریق جریان:
در بدنه کشتی عموما از آندهای MMO به صورت دیسکی یا نواری شکل استفاده میشود.
- الکترود مرجع روی:
این الکترودها در بین آندها، جایی که کمترین پتانسیل ممکن است وجود داشته باشد، نصب میشود تا پتانسیل الکتریکی کنترل شود و کمترین جریان خوردگی بین بدنه و آب دریا شناسایی گردد. این میزان جریان به کنترل پنل باز می گردد که به طور خودکار خروجی آند تزریق جریان را تنظیم می کند.
- صفحهی کنترل از راه دور: جهت کنترل عملکرد سیستم تزریق جریان.
- کابل اتصال دهنده سکان:
به منظور حفاظت سکان در برابر خوردگی، از یک کابل اتصال دهنده انعطاف پذیر که یک انتهای آن به سکان و انتهای دیگر آن به بدنه متصل میگردد، استفاده میشود.
- مونتاژ زمینی شافت پروانه

گذرگاه آب شیرین
آانتقال کشتی از آب دریا به آبهای شیرین منجر به کاهش رسانایی الکتریکی میگردد. به دلیل کاهش رسانایی ، الکترود مرجع قادر به تشخیص اختلاف پتانسیل نخواهد بود. در این زمان، نیاز است که جریان خروجی آندهای تزریق جریان را محدود نماییم.
در هنگام عبور از آب شیرین ، کنترل اتوماتیک در واحد منبع تغذیه، ولتاژ تصحیح شده خود را به حداکثر می رساند تا جریان تزریقی را محدود کرده و از محافظت بیش از حد جلوگیری کند و بدنه کشتی را در برابر خوردگی محافظت کند.
در بنادر، سیستم تزریق جریان در صورت فعال بودن ، با افزایش جریان سعی در محافظت از اسکله دارد که می تواند منجر به ایجاد جریان اضافی شود. از این رو منبع تغذیه سیستم تزریق جریان همیشه در بندر خاموش است.
بکارگیری سیستم تزریق جریان در کشتی به کاهش مصرف سوخت، افزایش سرعت کشتی به دلیل کاهش مقاومت بدنه و حفظ کیفیت فلز بدنه برای بازه های زمانی طولانی تر و در نتیجه افزایش فواصل نگهداری و مقرون به صرفه بودن کمک می کند. بنابراین اکثر صاحبان کشتی از این سیستم جهت حفاظت کشتی از خوردگی استفاده میکنند.
حفاظت کاتدی مخازن ذخیره سازی رو زمینی (Aboveground Tanks)
حفاظت مخازن رو زمینی در برابر خوردگی
جهت حفاظت کاتدی مخزن های رو زمینی از هر دو روش آندهای فداشونده و سیستم تزریق جریان استفاده میشود. در این روش حفاظت سطح داخلی مخزن بوسیله روش آندهای فداشونده و حفاظت سطح خارجی کف مخزن توسط آندهای MMO ریبونی انجام میشود. از آنجا که مخزن دارای ابعاد بزرگ و در نتیجه وزن زیاد است، جهت تحمل وزن مخزن از آندهای ریبون با سطح مقطع تخت استفاده میشود. همچنین تخت بودن آند منجر به جریان دهی بهتری در کف مخزن خواهد شد. قبل از قرار دادن کف و بدنه مخزن در مکان مورد نظر، ابتدا آندها به روش صحیح کار گذاشته شده سپس روی آن یک لایه شن مخصوص ریخته شده و در نهایت کف مخزن روی شن قرار میگیرد.
حفاظت کاتدی کف مخزن
قرارگیری سیستم حفاظت تزریق جریان در کف مخزن به این صورت است که ابتدا آندهای MMO ریبونی به صورت نوارهای افقی در کف مخزن خوابانده شده و جهت اتصال آندها به ترانس رکتیفایر از کنداکتور بار که نوارهایی از جنس تیتانیوم بدون پوشش می باشند، به صورت عمود بر آندهای ریبونی استفاده میکنند. اتصال تیتانیوم بار به آندهای ریبونی توسط جوش نقطهای انجام میشود. فاز منفی ترانس رکتیفایر به چندین نقطه از بدنه مخزن متصل میگردد. فاز مثبت ترانس رکتیفایر به یک جانکشن باکس متصل شده و سپس از آن طریق تیتانیوم بارها به آند وصل میگردد. وظیفه تیتانیوم بار رساندن جریان به آند میباشد. این اتصالات به خوبی و در نقاط مختلفی انجام میشود تا قطعی رخ ندهد. همچنین تعدادی رفرنس الکترود دائمی کف مخزن کار گذاشته میشود تا پتانسیل نقاط مختلف مخزن قابل اندازهگیری باشد.

در گذشته از روشهای دیگری جهت حفاظت کاتدی مخزن در اطراف آن همچون حفر چاه و قرار دادن آند در اطراف مخزن استفاده میکردند. اما این روشها جریان را به طور یکنواخت به کف مخزن نمیرساندند.
حفاظت کاتدی داخل مخزن
آندهای ریبونی قرار گرفته در داخل خاک، تنها از سطح بیرونی کف مخزن در برابر خوردگی محافظت میکنند. از آنجا که داخل مخزن الکترولیتی متفاوت همچون آب یا نفت خام قرار دارد، لذا جهت حفاظت داخل مخزن نیز باید از آندهای دیگری استفاده شود. عموما جهت حفاظت سطح داخلی مخزن، آندهای فداشونده و در بعضی موارد آندهای تزریق جریان به کار گرفته میشود. درداخل مخازن نفت خام تنها از آند فداشونده روی استفاده میگردد.
انواع پشت بند(بکفیل) در سیستم حفاظت کاتدی
انواع پشت بند یا بکفیل
نوع بکفیل مورد استفاده در سیستم حفاظت کاتدی در بسترهای زمینی، بستگی به نوع سیستم حفاظت کاتدی به کار گرفته شده دارد. با توجه به اینکه سیستم حفاظت کاتدی در دو نوع سیستم آندهای فداشونده و سیستم آندهای تزریق جریان وجود دارد، لذا از دو نوع مواد بکفیل نیز استفاده میشود.
سیستم آندهای فداشونده
آندهای فداشونده روی و منیزیم که جهت حفاظت کاتدی سازه های مدفون در خاک استفاده میشوند، گاهی اوقات به همراه یک ماده پشت بند در داخل یک کیسه کتانی بستهبندی میشوند. این مواد با جلوگیری از تماس مستقیم آند با خاک، خوردگی موضعی آند را کاهش میدهد. همچنین از پسیو شدن آند در اثر واکنش با نمک های موجود در خاک جلوگیری میکند. بکفیل به کار برده شده با ایجاد محیطی با مقاومت پایین در اطراف آند، عملکرد آند را بهبود میبخشد. این مواد عموما ترکیبی از سه نوع مادهی گچ گیپسوم، بنتونیت و سولفات سدیم میباشد و درصد ترکیبات آنها بستگی به محیط مورد استفاده دارد.
در جدول زیر انواع بکفیل بر اساس استاندارد IPS-M-TP 750 را ملاحظه مینمایید:

سیستم تزریق جریان
آندهای تزریق جریان برای حفاظت کاتدی سازههای زیرزمینی معمولا توسط یک پشتبند کربنی احاطه میشوند. هدف از به کارگیری این پشتبند این است که:
- با کاهش مقاومت محیط اطراف آند، منجر به افزایش مقدار جریان تولید شده توسط آند گردد.
- با افزایش سطح آند، مقدار جریان را افزایش دهد.
- نرخ خوردگی آند را کاهش و در نتیجه طول عمر آند را افزایش دهد.
پشت بند کربنی بر اساس استاندارد IPS-M-TP 750 در سه نوع کک متالورژی ۸۰%، کک پترولیوم ۹۰% و کک پترولیوم ویژه ۹۵% وجود دارد.
ترکیب شیمیایی این سه نوع پشتبند در جدول زیر مشخص شده است:

ذغال کک در حالت کلی در بسترهای افقی کم عمق مورد استفاده قرار می گیرد. برای به کار گیری در چاههای عمیق از کک پترولیوم یا پترولیوم ویژه استفاده میشود.
آند اکسید فلزی مختلط (MMO) و کاربردهای آن
آند اکسید فلزی مختلط چیست؟
آندهای اکسید فلزی مختلط (Mixed Metal Oxide anodes) از زیرسطحی از جنس تیتانیوم ساخته میشود که توسط اکسیدهای فلزی مختلط پوشش داده میشود. پوشش توسط چندین فرایند حرارتی روی پایه تیتانیومی اعمال میشود تا یک لایه مقاوم در برابر مواد شیمیایی را ایجاد نماید. با توجه به پایداری ذاتی تیتانیوم این پوشش با تقویت رسانایی آند، بهترین عملکرد آند را به دنبال دارد.
آندهای MMO دارای مزیت هایی چون نرخ خوردگی بسیار پایین و ظرفیت جریان بالا میباشد.پایین بودن نرخ خوردگی آند باعث میشود که ابعاد آند در مدت زمان طول عمر آند، تقریبا ثابت باقی بماند. لذا این آندها مصرف بسیار گستردهای در سیستم های تزریق جریان برای سازههای زمینی و دریایی دارد.
کاربردهای آند MMO
آند MMO در سیستم حفاظت کاتدی در انواع مختلف لولهای، ریبونی، مش، وایری و صفحهای استفاده میشود. این آندها در همه محیطها مانند خاک، آب شیرین و آب شور به طور مؤثر قابل استفاده هستند. با توجه به محیطی که آند در آن قرار میگیرد، دو نوع پوشش برای آند در نظر گرفته میشود. در محیط خاک و آب شیرین از پوشش ایریدیوم-تانتالیوم و در آب شور از پوشش ایریدیوم-تانتالیوم-روتینیوم استفاده میشود. ظرفیت جریان آند در خاک، ذغال کک و یا آب شیرین ۱۰۰Amps\m2 و در آب شور ۶۰۰Amps\m2 میباشد.

انواع آندهای MMO
- آند لولهای (Tubular Anode)
آند لولهای متداولترین نوع آند MMO است که در سیستم های حفاظت کاتدی به کار برده میشود. تیتانیوم این آند بر اساس استاندارد ASTM B338 Grade1 تولید میشود. آندهای لولهای معمولا به صورت استرینگ در چاههای عمیق استفاده میشوند.

- آند ریبونی (Ribbon Anode)
پایه تیتانیوم این آندها بر اساس استاندارد ASTM B265 Grade1 تولید میشود و از پوشش اکسید فلزی مختلط ایریدیوم/تانتالیوم استفاده میشود. از این نوع آند جهت حفاظت پایههای خارجی مخازن ذخیرهسازی روزمینی استفاده میشود. آندهای ریبونی برای اتصال به کنداکتورهای تیتانیومی از طریق جوشکاری نقطهای برای ایجاد یک شبکه در زیر مخزن مناسب هستند که توزیع یکنواخت جریان را نیز فراهم میکنند.
- آند مش (Mesh Anode)
آندهای MMO از نوع Mesh در سیستم های حفاظت کاتدی سازههای بتن مسلح به کار برده میشود. پایه تیتانیوم آند مش همانند آند ریبونی بر اساس استاندارد ASTM B265 Grade1 تولید میشود و کیفیت آند مطابق با استاندارد NACE TM0294 مورد بررسی قرار میگیرد.

- آند وایری (Wire Anode)
آند وایری تیتانیومی یک محصول حفاظت کاتدی ایدهآل برای محافظت کف مخازن، شناورهای زیرزمینی و خطوط لوله میباشد. این نوع آند از تیتانیوم گرید بالا با پوشش اکسید فلزی مختلط ساخته میشود و دارای طول عمر بیش از ۵۰ سال میباشد.
- آند صفحهای/دیسکی (Plate Anode)
این نوع آندها به صورت صفحه های مستطیلی یا دایرهای برای کاربرد در کشتیها و شناورها طراحی میشوند.
طراحی طول عمر سیستم حفاظت کاتدی
ضرورت طراحی طول عمر سیستم حفاظت کاتدی
به منظور حفاظت سازه های فلزی غوطه ور در آب و یا مدفون در خاک در برابر خوردگی، استفاده از یک سیستم حفاظت کاتدی مناسب ضروری است. سیستم حفاظت کاتدی باید به گونه ای طراحی شود که جریان لازم را برای هر قسمت از ساختار، برای طول عمر مورد نیاز تأمین کند. این امر مستلزم تعیین اندازه، وزن، تعداد و نوع آند است. همچنین طراحی طول عمر بر اساس هر یک از سیستم های حفاظت کاتدی با در نظر گرفتن شرایط خاص آن سیستم ها انجام میشود.
طراحی بر اساس سیستم تزریق جریان
محاسبات برای سیستمهای حفاظت کاتدی تزریق جریان نسبتا ساده است. از آنجا که آندهای تزریق جریان از نوع پایدار وزنی هستند، در این حالت تنها نیاز است که تعداد آندها با جریان خروجی مشخص را با مقدار جریان مورد نیاز کل سازه تطابق دهیم. توزیع آند باید به گونهای باشد که منجر به توزیع یکنواخت و متعادل جریان شود.

طراحی بر اساس سیستم آندهای فداشونده
محاسبات مربوط به سیستم آندهای فداشونده کمی پیچیدهتر است. مقدار مورد نیاز آندهای فداشونده برای حفاظت سازههای فلزی، ارتباط مستقیم با سطح در معرض خوردگی دارد. هر چه پوشش اولیه بهتر باشد، تعداد آند کمتری مورد نیاز است. چیدمان آندها روی سطح سازه به گونهای تنظیم میشود که توزیع یکنواخت جریان را در کل ساختار فراهم کند.
آند فداشونده با از دست دادن وزن خود، جریان مورد نیاز حفاظت را ایجاد میکند. لذا در سیستم آندهای فداشونده، تعداد آندها نه تنها باید جریان فعلی مورد نیاز سازه را تأمین کند، بلکه باید دارای وزن کافی برای تأمین جریان برای عمر طراحی شده سازه نیز باشد. اندازه و شکل آند بر اساس عوامل زیر تعیین میشود:
- الزامات حداقل و حداکثر جریان خروجی.
- الزامات نصب و اتصال.
- الزامات وزن آند مورد نیاز.
- مقرون به صرفه بودن.

تعمیر و نگهداری آندهای فداشونده برای سازههای ثابت فراساحلی عموما بسیار پرهزینه و گاه غیرعملی میباشد. بنابراین استفاده از تعداد و وزن بهینه برای سازه تحت حفاظت بسیار پراهمیت میباشد.
در این راستا می توانید از واحد فروش سیستم کاتدی استفاده نمایید و همچنین می توانید از ادرس پستی مربوطه اقدام به خرید محصولات شرکت توانا ذوب بفرمایید.
حال باید پرسید چرا طراحی طول عمر سیستم حفاظت کاتدی برای ما اهمیت دارد ؟
جواب این سوال را در سایر مقالات آموزشی شرکت توانا ذوب خواهیم داد تا درباره سیستم حفاظت کاتدی بیشتر بدانیم
- 1
- 2