مقاله تحلیلی: حفاظت کاتدی از زیرساخت‌ ها

از یک سازه پل در معرض نمک می‌توان انتظار خوردگی میلگردهای مدفون در طول دوره خدمت رسانی را داشت. حفاظت کاتدی (CP) به ‌عنوان تنها روش پایدار تعمیر میلگردهای بتن مطرح است؛ بنابراین، CP را نباید به ‌صورت مجزا در نظر گرفت، به طوری که بخشی از برنامه کامل بهسازی می‌باشد.

محافظت کاتدی (CP) یک تکنیک الکترومکانیکال برای کاهش خوردگی است که سابقه استفاده از آن به سال 1824 باز می‌گردد. قبل از آن در سال 1800، باتری‌های ولتائیک آلساندرو ولتا در انجمن سلطنتی به نمایش در آمده بود که جریان الکتریکی تولید شده در زمان برخورد فلزاتی با پتانسیل الکتریکی مختلف با هم و جدا شدن آن‌ها توسط پارچه‌ای اشباع از آب نمک را توضیح می‌داد. همفری دیوی دریافت که الکترود روی خورده می‌شود و سایر الکترودها مانند نقره، طلا و مس بدون تغییر و آسیب باقی می‌مانند. مشاهدات دیوی در نهایت او را به مفهوم مجموعه المان‌های الکترومکانیکال هدایت نمود.

در سال 1806، نتایج خود را تعمیم و نشان داد که مس در آب دریا از خوردگی آهن و روی جلوگیری می‌نماید. دیوی مشاهدات خود را در سال 1823 و با مفهوم حفاظت الکترومکانیکال برای نیروی دریایی بریتانیا با استفاده از پوشش مس برای جلوگیری از خوردگی قایق‌های چوبی بکار گرفت. دیوی تحقیقات خود را بر روی خوردگی سریع کشتی‌های سلطنتی در آب دریا متمرکز نمود. سیستم حفاظت کاتدی الکترومکانیکال او برای کشتی سامارانگ HMS که نشانه‌هایی از خوردگی پس از 3 سال استفاده در آن مشاهده می‌شد، استفاده گردید. این سیستم از چهار آهن تشکیل شده بود که دو مورد آن در کناره‌ها و دو مورد دیگر در لبه جلو و انتهای کشتی قرار گرفته بود که با نسبت 1:80 پوشش مسی پوشانده شده بودند. اتصال صفحات آهن به مس برای محافظت کشتی‌های چوبی به یک استاندارد عملی برای نیروی دریایی بریتانیا تبدیل گردید. در نهایت از روی برای محافظت فولاد استفاده گردید.

سیر تکاملی حفاظت کاتدی

این سیستم‌های جدید، بر اساس فلزات گالوانیزه بوده که دارای الکترو-پتانسیل منفی بیشتری است و محافظت بیشتری انجام می‌دهد. سیستم‌های گالوانیزه بر پایه الکترولیز فلز بر طبق قانون فارادی در سال 1833 است. اکسیداسیون گالوانیزه، الکترون‌ها را در موقعیت کاتدی قرار داده و سبب کاهش فعالیت می‌شود و محافظت بهتری ایجاد می‌نماید؛ مانند یک باتری، این سیستم نیازمند آند، کاتد، الکترولیت و یک مسیر فلزی است. همواره یک چرخه مستقیم میان آند و کاتد برقرار است. آند در نهایت نیازمند جایگزینی و تجزیه است. سیستم محافظت کاتدی بر پایه یک منبع تغذیه خارجی استوار نمی‌باشد.

سیستم‌های حفاظت کاتدی حال حاضر (ICCP) که وابسته به منبع انرژی خارجی می‌باشند، قدمت کمتری دارد و به اواخر قرن نوزدهم در بریتانیا باز می‌گردد. با توجه به مسائل خوردگی خازن‌ها، در سال 1919 یک نیروگاه در ساوتویک توسط ام.جی کریستی بررسی شد و پس از آن تاریخچه استفاده از سیستم‌های الکترولیکی کامبرلند در مجله الکتریکی منتشر گردید. وی معتقد است که خردگی لوله‌های آهنی در معرض آب دریا مهم‌ترین نگرانی استفاده کنندگان انرژی است. او اضافه می‌نماید که مسائل خوردگی در نیروگاه در ساوتویک به ‌طور مؤثری در صورت قرار دادن سیستم الکتریکی در محفظه متراکم قابل حل می‌باشد.

از سال 1920 به بعد، از ICCP در سازه‌های مدفون نظیر خطوط لوله، مخازن و فونداسیون آسیاب بادی استفاده گردید. تا سال 1950، استفاده از ICCP برای محافظت در مقابل هر گونه ماده خطرناکی به یک استاندارد تبدیل شد و حفاظت کاتدی به ‌عنوان یک روش مؤثر شناخته گردید. ICCP های جدید در راستای محافظت از سازه‌های بتن مسلح، در سال 1955 برای محافظت از لوله‌های بتنی بکار گرفته شد.

انجمن ملی مهندسان خوردگی در سال 1953 در ایالات متحده تأسیس گردید. محافظت کاتدی به بخش مهمی از روش‌های محافظت سازه‌های زیربنایی تبدیل شد و به دلیل تلاش‌های این سازمان، استفاده از CP توسعه داده شد.

اجزای سیستم ICCP

اجزای اصلی این سیستم‌ها شامل موارد زیر است:

• منبع انرژی خارجی برای جریان مستقیم
• آندها برای توزیع جریان
• الکترولیت هدایت کننده (بتن)
• فولاد محافظ
• سیم برای تکمیل چرخه
• سیستم مانیتورینگ (نظارت و کنترل)

تکنولوژی واحدهای تأمین برق و واحد کنترل اصلی به سرعت در حال تغییر است و در جهت بهتر شدن این سیستم‌ها گام بر می‌دارد.

کاربرد حفاظت کاتدی در سازه‌های زیربنایی بتنی

در سال 1959، استفاده از ICCP در بتن با استفاده از آندهای آهنی سیلیکونی در عرشه پل بتن مسلح، آغاز گردید. تا سال 1970 سیستم‌های کاملی در بتن مسلح نصب گردید. در همین زمان بود که مشخص شد بتن هدایت کننده یون‌ها بوده و قادر به پوشش جریان الکتریکی کمی می‌باشد. تاریخچه استفاده از ICCP و کاربردهای جدید آن در سیستم‌های پل سازی بین ساله‌ای 1970 و 1990 به ‌صورت مستند در گزارش SHRP S-337 سال 1993 تحت عنوان »حفاظت کاتدی المان‌های پل بتن مسلح» منتشر شده است. این گزارش اشاره می‌نماید که این تئوری در ابتدا توسط آر.اف استرافول و همکارانش در دپارتمان حمل و نقل کالیفرنیا در پل مسیر پارک اسلای در ژوئن 1973 به ‌صورت عملی استفاده گردید. اولین بار تنها بخشی از عرشه پل، با سیستم حفاظت کاتدی توسط دپارتمان حمل و نقل کالیفرنیا پوشاند شد. پس از چندین سال، بخش عرشه محافظت شده با بخش محافظت نشده مقایسه گردید و مشخص شد که سیستم CP از لایه لایه شدگی جلوگیری می‌نماید (به‌ جز نواحی که با اپوکسی تزریق شده‌اند) و تخریب شدن عرشه محافظت نشده ادامه دارد. مطالعات مشابهی در کانادا و اروپا با موفقیت مشابهی انجام گرفته است.

ICCP و سایر روش‌های پیشگیری از خوردگی زمانی مورد توجه واقع می‌شود که سازه‌های بحرانی را نتوان به دلیل هزینه‌های بازسازی زیاد برای مالک از استفاده خارج نمود. در خلال ساله‌ای 1990 و 2000 استفاده از این سیستم‌ها در اروپا گسترش یافت. بزرگراه M4 و پروژه‌های میدلند در بریتانیا، بعضی از بزرگ‌ترین سیستم‌های ICCP تا به امروز هستند که در آن‌ها این سیستم استفاده شده است.

نکته مهم در گزارش SHRP بیان می‌دارد که سازه یک پل در معرض نمک در طول دوره خدمت رسانی، در معرض خوردگی میلگردهای مدفون خود قرار دارد. CP خود را به ‌عنوان تنها روش پایدار برای ترمیم سازه‌های بتن مسلح موجود ثابت نموده است؛ بنابراین، CP را نباید به ‌طور مجزا در نظر گرفت و باید به ‌عنوان بخشی از برنامه بهسازی تلقی نمود.

سیستم‌های حفاظت کاتدی جریان مؤثر (ICCP) در ترکیب با آندهای اکسید فلز (MMO) تیتانیوم ذوب شده می‌تواند عمر طراحی بالاتر از 50 سال داشته باشد. آندهای MMO سازه‌های مرکبی با لایه‌های فلزی تیتانیوم هستند که با نواری الکتروکاتالیستی از اکسید فلز پوشانده می‌شوند. 

آندها با اکسید فلز حل شده و پوشش یکنواختی تشکیل می‌دهند. عمر سیستم‌های CP گالوانیزه محدود بوده و به فلز مصرفی در آند مرتبط است. سیستم‌های گالوانیزه مدفون امروزه نیز پس از مصرف نیازمند جایگزینی است. امروزه ICCP عموماً در تمامی سازه‌های بتن مسلح استفاده می‌شود (شکل 2)، اگرچه انتخاب فرایند صحیح پیشگیری از خوردگی به تیم طراح بازمی‌گردد.

فرایند تصمیم گیری برای استفاده از ICCP

سیستم ICCP یک خدمت طولانی مدت برای سازه‌های بتن مسلح محسوب می‌شود. با انتخاب صحیح سیستم، انتظارات مالک برآورده شده و همچنین سازه نیز در دوره خدمت رسانی خود با مشکلی مواجه نمی‌شود. برای انتخاب صحیح، سازه و عملکرد مورد انتظار، طراح باید در مورد شرایط مختلف آگاهی داشته باشد. جزئیات سازه‌ای، مصالح سازه‌ای، سطوح آلودگی، خروجی آندی، الزامات حاضر برای محافظت فولاد، کاربری سیستم و توزیع لجستیکی برای اطمینان از طرح مناسب مورد نیاز می‌باشند؛ بنابراین، قبل از طراحی یک سیستم، باید سازه تحلیل شود و تیم طراحی باتجربه‌ای در زمینه خوردگی و مصالح بادوام انتخاب گردد.

پس از تعیین شرایط خوردگی و اینکه چه مقدار از عمر مفید سازه باقی مانده است، محقق/طراح باید ماتریس سیستم را بر اساس الزامات سازه‌ای و کارفرما تعیین نماید. این ماتریس باید انواع سیستم‌های موجود برای سازه، الزامات عملکردی و نگهداری و الزامات مانیتورینگ را پوشش دهد. موفقیت یک سیستم پس از نصب به مانیتورینگ حرفه‌ای بستگی دارد. هزینه چرخه عمر انواع سیستم‌ها در مقایسه با تعمیرات مرسوم به سادگی بیانگر این مطلب است که هزینه بالاتر یک‌بار در طول دوره سبب کاهش خوردگی می‌شود. این مقایسه محافظت بلندمدت را در برابر سایر برنامه‌ها پر رنگ نموده و در نهایت به کاهش خسارت سازه‌ای منجر می‌شود.

به ‌عنوان بخشی از ادامه تحلیل سیستم مناسب برای هر سازه‌ای، نحوه انتخاب و منطق تعمیر باید طبق الزامات کارفرما ارزیابی گردد.

الزامات، عمر سرویس مورد نظر، زمینه کاری و سیستم‌های کنترل خوردگی باید برای انطباق با سازه مورد ارزیابی قرار بگیرد. بدون شرایط ارزیابی و منطق مشخص، فرایند انتخابی تعمیرات با مشکل روبرو می‌شود.

انواع سیستم موجود برای پروژه‌های زیربنایی

آندهای بسیاری را امروزه می‌توان در فروشگاه‌ها پیدا نمود و بعضی تأمین کنندگان سیستم نیز می‌فروشند. اگرچه بعضی سیستم‌ها مناسب است، اما بهترین روش ارزیابی سازه، طراحی مناسب سیستم آن است. انتخاب مصالح مناسب برای عمر مفید بالای سیستم بسیار مهم و حیاتی می‌باشد.

پس از انتخاب آند بهینه، طراح سیستم می‌تواند شروع به طراحی نماید. طراحی تمام سیستم‌های CP، صرف نظر از نوع سیستم (GCP یا ICCP) یا جنس آند (Zn یا MMO Ti) و نوع آند (پوششی، مش بندی شده)، باید توسط طراحان حرفه‌ای انجام شود. اغلب، مصالح انتخاب شده توسط تأمین کننده بر انتخاب طراح اثر می‌گذارد. این در حالی است که سایر سیستم‌ها ممکن است عملکرد بهینه‌تری داشته باشند. سیستم ICCP تنها سیستمی است که عملکرد بلند مدت داشته و شرایط اطراف فولاد را به ‌صورت الکترومکانیکال گزارش می‌دهد.

مطالعات موردی

بسیاری از انواع سازه‌ها از سازه‌های حمل و نقل گرفته تا بسیاری از سازه‌های زیربنایی، با ICCP محافظت می‌شوند. مطالعات موردی زیر بر روی بسیاری از سازه‌های با خدمت رسانی طولانی تمرکز دارد.

تونل کلاید

یکی از بزرگ‌ترین سیستم‌های حفاظت کاتدی، سیستم ICCP نصب شده در تونل کلاید در زیر رودخانه کلاید در گلاسکو اسکاتلند است. تونل طولی برابر با 2460 فوت (750 متر) و قطری برابر با 30 فوت (9 متر) دارد. هر مسیر دارای عرشه‌ای بتن مسلح می‌باشد. به دلیل وجود شرایط خوردگی در میلگردهای بتن مسلح و با توجه به گسترش خوردگی ناشی از کلورید نمک، تصمیم به حفاظت از آن گرفته شده است.

دو قرارداد تعمیراتی در تاریخ سازه تونل موجود است که هر دو با شکست مواجه شده‌اند. مهندسین و تیم پیمانکاران اعلام کرده‌اند که حذف و جایگزینی تمام بتن آلوده با روش‌های مرسوم بسیار هزینه بر می‌باشد. تحقیقات مشخص نموده است که خوردگی در تراز بالای میلگردها و در زیر سقف تونل رخ داده است.

قبل از طرح نهایی، روش‌های تعمیری الکترومکانیکالی خروج کلورید و ICCP برای به حداقل رساندن بتن آسیب دیده بکار گرفته شده است. در سال 1994، قرارداد موقتی برای CP منعقد شد. انواع مختلف سیستم‌های آندی برای ارزیابی چگونگی حفاظت آن‌ها از میلگردها مورد استفاده قرار گرفت. CP نهایی الزامات طراحی و ساخت سیستم ICCP با 25 سال عمر مفید را شامل می‌شود. کار بهسازی در تونل غربی قبل از شروع در تونل شرقی به اتمام رسید. برنامه نصب به مدت 2 سال به طول انجامید.

بزرگراه ارتباطی میدلند

بزرگراه ارتباطی میدلند (MLMV) به طول تقریبی 13 مایل (21 کیلومتر)، اولین سازه پل بتن مسلح در بریتانیا است که سیستم‌های ضد خوردگی بر روی آن نصب شده است. در کل طول MLMV بالغ بر 1300 دهانه، تیرهای گذری، درزهای انبساطی و بیش از 3600 ستون دیده می‌شود.

در طول سال‌ها، اگرچه سیستم MLMV از نظر سازه‌ای خسارت دیده اما بیشتر تحت تأثیر خوردگی میلگردها به دلیل حمله کلوریدها قرار داشته است.

سیستم‌های ICCP در بیش از 740 نقطه این پل برای کاهش خوردگی نصب شد. این برنامه بخشی اساسی از توسعه و بهسازی سیستم‌های ICCP برای سازه‌های پل محسوب می‌شود. بر اساس این مطالعات، ICCP اکنون در سرتاسر جهان برای حفاظت از خوردگی و کاهش آن در سازه پل‌ها استفاده می‌گردد.

منبع

ترجمه شده توسط تیم مترجمین ۸۰۸

اگر دوست دارید به تیم مترجمین ۸۰۸ بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.