حفاظت کاتدی در برج خنک کننده بتنی

5
(16)

حفاظت کاتدی برج خنک کننده بتنی از روش های محافظت و ترمیم این کولینگ تاور و سازه‌ های فلزی وابسته به آن می باشد. هنگامی که برج خنک کن بتنی در محیط های عملیاتی سخت قرار می گیرند، خوردگی شدیدی در آرماتورهای فولادی تعبیه شده در آن به وجود می آید. اتفاقی که باعث لایه برداری و پوسته پوسته شدن سطوح و اجزای برج خنک کننده بتنی می‌ شود. به‌ دلیل اندازه، هندسه و محدودیت های عملیاتی، تعیین وضعیت کولینگ تاور می تواند یک مسئله چالش برانگیز باشد. بنابراین داشتن برنامه ریزی منظم برای انجام عملیات تعمیر و نگهداری می تواند برای افزایش عمر مفید، موثر خواهد بود.

بتن ماده ای با مقاومت بالا می باشد؛ اما در مقابل نیروهای کششی ضعیف می باشد. برای اینکه بتوانیم مقاومت بتن را در نیروهای کششی تقویت کنیم، نیاز به استفاده از آهن در بتن داریم. برای این کار از میلگرد در بتن استفاده می شود تا مقاومت کششی در بتن را افزایش دهیم. اما از طرف دیگر وجود آهن یا میلگرد در بتن باعث خوردگی آهن در طولانی مدت شده و باعث کاهش مقاومت بتن در آینده نزدیک می شود.

انواع حفاظت کاتدی در برج خنک کننده بتنی

حفاظت کاتدی برج های خنک کن بتنی تکنیکی است که برای کنترل خوردگی در بتن دارای آهن استفاده می شود.

دو نوع حفاظت کاتدی برای برج های خنک کننده بتنی وجود دارد:

  1. Impressed current cathodic protection (ICCP): حفاظت کاتدی جریان تحت تاثیر، یک سیستم حفاظتی در برابر خوردگی است که متشکل از آندهای تیتانیوم با پوشش اکسید فلزی مخلوط (MMO) است که به یک منبع تغذیه خارجی متصل است. این منبع انرژی جریانی را فراهم می کند که منجر به واکنش الکتروشیمیایی مورد نیاز برای انجام حفاظت کاتدی می شود.
  2. Cathodic protection (CP): به عنوان تکنیکی برای کنترل خوردگی سطح فلز با تبدیل آن به کاتد یک سلول الکتروشیمیایی تعریف می شود. این امر با تزریق جریان مستقیم کم (DC) به آرماتور از طریق بتن حاصل می شود. سپس آرماتور فولادی به صورت کاتدی محافظت شده در نظر گرفته می شود.

عکس ذیل نمونه ایی از سیستم حفاظتی کاتدی برای میلگرد ستون های برج خنک کننده بتنی می باشد.

سیستم حفاظتی کاتدی برای میلگرد ستون های برج خنک کننده بتنی
سیستم حفاظتی کاتدی برای میلگرد ستون های برج خنک کننده بتنی

تقویت برج خنک کننده بتنی با شیوه CP

یکی از فناوری های اثبات شده در این مورد، حفاظت کاتدی (CP) است که می توان آن را در مرحله ساخت و ساز بر روی یک سازه جدید یا به عنوان بخشی از یک راه حل تعمیری با هدف افزایش عمر مفید سازه نصب کرد. برنامه تحقیقاتی استراتژیک در گزارش سال 1993 خود بیان کرد که “حفاظت کاتدی (CP) خود را به عنوان تنها تعمیر دائمی بتن دارای فولاد خورنده موجود ثابت کرده است. بنابراین، CP نباید به طور جداگانه در نظر گرفته شود، بلکه باید به عنوان بخشی از یک برنامه توانبخشی کامل در نظر گرفته شود.

CP به عنوان تکنیکی برای کنترل خوردگی سطح فلز با تبدیل آن به کاتد یک سلول الکتروشیمیایی تعریف می شود. این امر با تزریق جریان مستقیم کم (DC) به آرماتور از طریق بتن حاصل می شود. سپس آرماتور فولادی به صورت کاتدی محافظت شده در نظر گرفته می شود. منبع جریان می تواند از یک منبع تغذیه خارجی باشد یا می تواند از یک فلز فداکاری نصب شده در داخل یا روی سطح بتن که جریان محافظ را با فدا کردن خود (خورده شدن) ارائه می دهد.

دلیل اینکه CP روشی موثر و کاربردی برای کاهش آسیب ناشی از خوردگی به فولاد تقویت‌ کننده می باشد، این است که می‌تواند واکنش های الکتروشیمیایی روی سطح فولاد را تغییر دهد. CP زمانی که به درستی طراحی و اجرا شود، اثر کلرید یا خوردگی ناشی از کربنات را با حفظ و ترمیم لایه غیرفعال روی آرماتور فولادی داخل بتن، از بین می برد. هیچ روش دیگری قادر نیست آسیب وارد شده به لایه غیرفعال شدن آرماتور فولادی را با چنین کارایی برای مدت زمان طولانی معکوس کند.

بررسی تداوم فولاد تقویت کننده در حفاظت کاتدی
بررسی تداوم فولاد تقویت کننده در حفاظت کاتدی

با استفاده از جریان تحت تاثیر (ICCP) می توان برای کاهش خوردگی برای سطوح شدید خوردگی و قرار گرفتن مداوم در معرض خوردگی بدون نیاز به هیچ گونه تغییر فیزیکی در سیستم طراحی شود. چنین تطبیق پذیری، ارائه شده توسط منابع تغذیه پیشرفته و تجهیزات نظارتی که قادر به ارائه جریان های حفاظتی دقیق میلی آمپر هستند.

در تأسیسات صنعتی، برج های خنک کننده که از آب دریا یا آب شور به‌ عنوان یک سیال خنک‌ کننده استفاده می‌کنند، با محیط‌ های تهاجمی خوردگی مواجه می‌ شوند. فراوانی کلریدها، رطوبت و اکسیژن همراه با دماهای بالا، شرایط بیشتری را برای آسیب خوردگی با سرعت بالا فراهم می کند.

شیوه عمل حفاظت کاتدی (CP)

برای مثال می توان پروژه ایی که در آن برج خنک کنندهنیاز به تعمیر داشت را عنوان کرد. زیرا نشانه های قابل توجهی از نشت، ترک، بتن لایه لایه شده و خوردگی را نشان می داد. این برج خنک کن آب دریا را به عنوان بخشی از محیط خنک کننده خود استفاده می کند که در نهایت منجر به خوردگی گسترده آرماتورهای تعبیه شده در کل ساختار بتن می شود.

به عنوان بخشی از روند تعمیر یک سیستم، برای انجام تعمیرات اساسی از روش CP استفاده می شود که برای این کار نیاز به خاموش شدن برج خنک کننده در زمان های برنامه ریزی شده برای تعمیر و نگهداری منظم خواهیم داشت. با توجه به مقدار کلریدها و فعالیت خوردگی مشاهده شده در عمق میلگرد، آندهای گالوانیکی برای ایجاد حفاظت در برابر خوردگی کافی نبودند. در عوض، یک سیستم ICCP انتخاب شد. با این حال، به دلیل برنامه ریزی برای توسعه ظرفیت برج خنک کننده در آینده نزدیک، دو دیوار از چهار دیوار برج خنک کن از اجرای سیستم ICCP حذف شد و تنها تعمیر بر روی دو دیوار باقی مانده انجام شد. پس از اتمام تعمیر و نصب سیستم CP، سیستم ICCP راه اندازی، بهره برداری و نگهداری شد.

به از گذشت هفت سال، هر دو دیوار شمالی و جنوبی علائم قابل توجهی از لایه لایه شدن، ترک‌ ناشی از خوردگی سطحی و شکست را به دلیل آسیب ناشی از خوردگی نشان دادند (مناطق بدون ICCP). در مقابل، دیوارهای شرقی و غربی که در آن سیستم ICCP در حال کار بود، هیچ نشانه‌ ای از خوردگی یا زوال فیزیکی از خود نشان ندادند. اثر داشتن سیستم ICCP که باعث افزایش عمر دیوارها بود و صرفه جویی در عدم نیاز به تعمیر روی همان دیوارها هفت سال بعد هزینه نصب سیستم را جبران کرد. شایان ذکر است که این سیستم حداقل 20 سال دیگر بدون نیاز به تعمیر و نگهداری از دیوارها محافظت می کند.

مزیت داشتن سیستم ICCP که سازه را در برابر خوردگی و خراب شدن محافظت می کند این است که مالک را از انجام تعمیرات مکرر دیوارهای برج خنک کننده بی نیاز می کند. مشتری مزایای مالی و عملیاتی را درک کرد و یک سیستم ICCP روی دیوار شمالی و جنوبی باقی مانده نصب کرد.

مثال بالا، همراه با بسیاری موارد دیگر، نشان می دهد که سیستم های ICCP قادر به افزایش عمر مفید برای سازه های بتن دارای فولاد هستند. هنگام انتخاب اندازه صحیح سیستم، انتظارات مالک برای افزایش عمر سرویس و همچنین نقطه ساختار در چرخه عمر آن باید مشخص شود. برای دستیابی به مناسب ترین طراحی سیستم، طراح باید از پارامترهای مختلفی مانند جزئیات ساخت و ساز، مصالح ساختمانی، سطوح در معرض خوردگی، خروجی آند، الزامات جریان محافظ فولاد، عملیات سیستم و لجستیک توزیع آگاه باشد. بنابراین، تجزیه و تحلیل عمیق ساختار باید قبل از طراحی یک سیستم، ترجیحاً توسط یک تیم واجد شرایط با تجربه در مسائل خوردگی و دوام مواد و همچنین درک فناوری های موجود برای تعمیر انجام شود.

حفاظت کاتدی
حفاظت کاتدی

روش دیگر، حفاظت Sacrificial Anode Cathodic Protection (SACP) می باشد. آندهای قربانی، فلزات بسیار فعالی هستند که برای جلوگیری از خوردگی سطح مواد فعال کمتر مورد استفاده قرار می گیرند. در کاربرد SACP، از پتانسیل های الکتروشیمیایی طبیعی فلزات مختلف برای ایجاد حفاظت استفاده می شود. آندهای قربانی به سازه تحت حفاظت کوپل می شوند و تا زمانی که آند نسبت به سازه “فعال تر” باشد، جریان معمولی از آند به سازه می رود. همانطور که جریان دارد، تمام خوردگی روی آند رخ می دهد که خود را قربانی می کند تا از خوردگی سازه محافظت کند.

هنگام طراحی یک سیستم CP (حفاظت کاتدی) جدید، بایستی به پارامترهای زیر توجه داشت:

  • تعیین توجیه اقتصادی برای پروژه
  • مشخصات پروژه
  • دستورالعمل های ملی و بین المللی
  • مذاکره با مالکان، ارگان های عمومی یا سایر طرف های ذینفع
  • نوع شیوه (جریان گالوانیکی یا تحت تاثیر)
  • تقاضای فعلی و نیازهای عرضه برق
  • تعداد و محل آندها یا یکسو کننده های ترانسفورماتور
  • الزامات نظارت

ویژگی ها و مزایای حفاظت SACP

  1. نیازی به منبع مستقل برق نیست
  2. تأثیرات محدود بر سازه های مجاور
  3. اتصالات آند نیز محافظت می شوند
  4. انتخاب صحیح مواد، محافظت بیش از حد را تضمین نمی کند، بنابراین از شکنندگی فلز و آسیب پوشش جلوگیری می کند
  5. نصب، راه اندازی و نگهداری ساده است

انواع حفاظت کاتدی برج خنک کننده

دو نوع حفاظت کاتدی برج های خنک کن بتنی بر اساس تامین الکترون به یک ساختار وجود دارد:

  1. حفاظت کاتدی آند قربانی (SACP) : یک ماده کمتر نجیب به عنوان آند قربانی عمل می کند.
  2. حفاظت کاتدی جریان تحت تاثیر (ICCP) : یک منبع جریان خارجی و یکسو کننده استفاده می شود.
حفاظت از طریق نصب آند گالوانیکی در ملات های با مقاومت بالا
حفاظت از طریق نصب آند گالوانیکی در ملات های با مقاومت بالا

تفاوت اصلی بین این دو است که ICCP از یک منبع تغذیه خارجی با آندهای بی اثر استفاده می کند و SACP از تفاوت پتانسیل الکتروشیمیایی طبیعی بین عناصر فلزی مختلف برای ایجاد حفاظت استفاده می کند.

هر دو SACP و ICCP مزایای متفاوتی نسبت به یکدیگر دارند. انتخاب روش مورد استفاده، به مواردی چون کاربرد، کارایی، الزامات عملیاتی و تحلیل هزینه یک پروژه خاص بستگی دارد.

سوالات تکمیلی

1. چند نوع حفاظت کاتدی برج های خنک کننده بتنی براساس تامین الکترون وجود دارد؟

الف. حفاظت کاتدی آند قربانی (SACP) – یک ماده کمتر نجیب به عنوان آند قربانی عمل می کند.
ب . حفاظت کاتدی جریان تحت تاثیر (ICCP) – یک منبع جریان خارجی و یکسو کننده استفاده می شود.

2. به طور کلی چند نوع حفاظت کاتدی برج خنک کننده وجود دارد؟

الف. Impressed current cathodic protection (ICCP): حفاظت کاتدی جریان تحت تاثیر، یک سیستم حفاظتی در برابر خوردگی است که متشکل از آندهای تیتانیوم با پوشش اکسید فلزی مخلوط (MMO) است که به یک منبع تغذیه خارجی متصل است. این منبع انرژی جریانی را فراهم می کند که منجر به واکنش الکتروشیمیایی مورد نیاز برای انجام حفاظت کاتدی می شود.
ب. Cathodic protection (CP): به عنوان تکنیکی برای کنترل خوردگی سطح فلز با تبدیل آن به کاتد یک سلول الکتروشیمیایی تعریف می شود. این امر با تزریق جریان مستقیم کم (DC) به آرماتور از طریق بتن حاصل می شود. سپس آرماتور فولادی به صورت کاتدی محافظت شده در نظر گرفته می شود.

3. آیا بتن مقاومت در مقابل نیروهای کششی را دارد؟

بتن ماده ای با مقاومت بالا می باشد اما در اثر نیروهای کششی ضعیف می باشد. برای اینکه بتوانیم مقاومت بتن را در نیروهای کششی تقویت کنیم نیاز به استفاده از آهن در بتن داریم برای این کار از میلگرد در بتن استفاده می شود تا مقاومت کششی را در بتن افزایش دهیم اما از طرفی وجود آهن یا میلگرد در بتن باعث خوردگی آهن در طولانی مدت می شود و باعث کاهش مقاومت بتن در آینده نزدیک می شود.

چقدر این مطلب برای شما مفید بوده است؟