اسأل أي شخص شاهد جدارًا من الأكوام الفولاذية في نهر مد وجزر لمدة عقد من الزمن، وسوف تسمع نفس القصة. يبدو الهيكل جيدًا لسنوات، ثم يظهر فقدان القسم أسفل المياه المنخفضة مباشرةً، حيث لا يمكن لأحد رؤيته. الحماية الكاثودية والأنودات المضحية موجودة لمقاطعة تلك القصة. إنها ليست تكنولوجيا جديدة وليست معقدة بمجرد تجريدها من المصطلحات، ولكن من السهل أيضًا تحديدها بشكل سيء. يستعرض هذا الدليل كيفية عمل الطريقتين، وكيفية تحديد حجم نظام الأنود عمليًا، وحيث يتغير الحوار بأكمله بمجرد أن يصبح الجدار نفسه مصنوعًا من البوليمر بدلاً من الفولاذ.

ما الذي تفعله الحماية الكاثودية في الواقع؟

يتآكل الفولاذ لأنه يشكل خلية كهروكيميائية مع محيطه. يتصرف جزء من السطح كأنود ويطلق أيونات الحديد إلى الماء أو التربة، ويطلق الإلكترونات. وجزء آخر يتصرف ككاثود، حيث يتم استهلاك تلك الإلكترونات. يحمل المنحل بالكهرباء (مياه البحر، المياه قليلة الملوحة، التربة الرطبة) التيار الأيوني، والفولاذ نفسه يحمل التيار الإلكتروني. قم بإزالة أي من هذه العناصر الثلاثة وسيتوقف التآكل.

الحماية الكاثودية تعالج المشكلة من الجانب الكهربائي. بدلًا من السماح للفولاذ بتزويد الفولاذ بإلكتروناته الخاصة في المواقع الأنودية، يمكنك تغذية الإلكترونات من مصدر خارجي. يتم دفع المناطق النشطة إلى حالة سلبية كاثودية. في الواقع، أنت لا توقف تفاعل التآكل بقدر ما تعطيه مكانًا آخر ليحدث.

هناك طريقتان فقط لتزويد تلك الإلكترونات. إما أن تقوم بتوصيل الفولاذ بمعدن أكثر تفاعلية يتآكل في مكانه (أنود مضحي أو كلفاني)، أو تقوم بدفع التيار إلى الهيكل من مصدر الطاقة من خلال الأنودات الخاملة (الحماية الكاثودية الحالية المؤثرة، وعادة ما يتم تقصيرها إلى ICCP).

كيف يعمل الأنود المضحي

الأنود المضحي هو ببساطة كتلة من المعدن أقل نبلاً من الفولاذ الذي يحميه. قم بتوصيل الاثنين كهربائيًا، ثم ضع كليهما في نفس المنحل بالكهرباء، ويصبح الأنود هو السطح المتآكل. غالبًا ما يتم تجهيز الأكوام الفولاذية الموجودة في الرصيف بأساور من سبائك الزنك أو الألومنيوم مثبتة بمسامير على الشبكة، أو أقواس ملحومة على خط الحاجز. يذوب الأنود ببطء؛ تبقى الكومة سليمة.

نظرًا لأن جهد القيادة يأتي من فرق الجهد بين المعدنين، فلا حاجة إلى طاقة خارجية. هذه هي القوة العظيمة للأنظمة الكلفانية وكذلك سقفها. الجهد صغير، وبالتالي فإن التيار الذي يصل إلى سطح بعيد أو مطلي جيدًا يكون محدودًا، ويكون للأنود كتلة محدودة يتم استهلاكها طوال العمر التصميمي. عندما تختفي الأنودات، تختفي الحماية، ولهذا السبب فإن الوصول البديل مهم بقدر أهمية الحساب الأولي.

مطابقة معدن الأنود للماء

يتم اختيار الأنود في الغالب حول المنحل بالكهرباء. إن المقاومة والملوحة ودرجة الحرارة والأكسجين المذاب كلها تغير الاختيار، والخطأ في الاختيار عادة ما يعني إما كتلة ضائعة، أو ما هو أسوأ من ذلك، الحماية الزائدة التي تلحق الضرر بالطلاء الذي كان من المفترض أن يساعد.

يتم ترك المغنيسيوم عمدا خارج صف مياه البحر. يعد جهد القيادة العالي مفيدًا في التربة الجافة والمقاومة، ولكن في المياه المالحة يمكن أن يدفع إمكانات الفولاذ إلى مسافة سلبية كافية لتوليد الهيدروجين على السطح وتقرح الطلاء. كما يتم استهلاكه بشكل أسرع مما تقترحه الرياضيات. إن سبائك الزنك والألومنيوم هي العامل الرئيسي في العالم البحري لهذا السبب بالضبط.

الأنودات المضحية أو التيار المؤثر؟

بالنسبة لجدار كومة واحد قصير مع وصول معقول للغواصين أو قارب صغير، من الصعب التغلب على الأنودات الجلفانية. لا يوجد مقوم محول في المنزل، ولا توجد كابلات للحماية، ولا يوجد مصدر طاقة يتعطل، والنظام لا يحتاج إلى صيانة بشكل أساسي حتى تحتاج الأنودات إلى الاستبدال.

ICCP يفوز على الهياكل الأكبر. يحتاج الرصيف الطويل الذي يحتوي على مئات الأكوام، أو الهيكل الذي توضع فيه الأنودات في زلاجات بعيدة في قاع البحر، إلى تيار أكبر مما يمكن للنظام الجلفاني توفيره. يمكن تشغيل أنودات التيار المضغوط، والتي عادةً ما تكون مطلية بأكسيد المعدن المختلط من التيتانيوم أو الجرافيت، بجهد أعلى بكثير ويمكن ضبط الخرج مع تدهور الطلاء أو تغير البيئة. في المقابل، فإنك تقبل تكلفة رأسمالية أعلى، ومتطلبات طاقة دائمة، ومعدات مراقبة، ونظام يجب على المشغل المختص الاعتناء به.

القاعدة الأساسية المعقولة هي: إذا كان الطلب الحالي متواضعًا وكان الهيكل مضغوطًا، فابق مكلفًا. إذا كنت تحمي آلاف الأمتار المربعة من الفولاذ وتريد لوحة تحكم واحدة بدلاً من عدة أطنان من الألومنيوم، فانظر إلى التيار المؤثر.

تحجيم النظام: الحالي والمساحة والوقت

يبدأ كل تصميم بالطلب الحالي، ويبدأ الطلب الحالي بالمساحة المبللة:

• احسب مساحة سطح الفولاذ المغمور والمدفن المراد حمايته.
• اضرب في كثافة التيار التصميمي لتلك البيئة، والتي يتم التعبير عنها عادةً بالمللي أمبير لكل متر مربع.
• قم بتطبيق عامل انهيار الطلاء إذا كان الفولاذ مطليًا، لأن الطلاء الذي يكون سليمًا بنسبة 95 بالمائة اليوم لن يكون كذلك بعد خمسة عشر عامًا.

رسم توضيحي سريع. تحتاج ستمائة متر مربع من الفولاذ العاري في مياه البحر عند 25 مللي أمبير/م2 إلى 15 أمبير تقريبًا. وللاحتفاظ بذلك لمدة عشرين عامًا، تحتاج إلى حوالي 2.6 مليون أمبير/ساعة من الشحن، والتي عند 2000 أمبير/كجم تنتج حوالي 1.3 طن من مادة الأنود المصنوعة من سبائك الألومنيوم قبل تطبيق أي عامل استخدام. هذا هو الرقم الذي فاجأ الأشخاص الذين افترضوا أن الأنودات كانت مجرد ملحق صغير.

البعدان يتحكمان في شيئين مختلفين. يحدد طول الأنود، وبالتالي مساحة السطح، مقدار التيار الذي يمكن أن يدفعه الأنود في أي لحظة. يحدد المقطع العرضي للأنود، وبالتالي الكتلة، المدة التي يمكن أن يستمر فيها القيام بذلك. يوفر الأنود الطويل والرفيع تيارًا عاليًا لمدة حياة قصيرة؛ وقصير سمين يعطي العكس. توازن التصميمات الجيدة مع فترة الاستبدال التي يمكن للمالك التعايش معها بالفعل.

الحدود التي تستحق المعرفة قبل أن تحددها

تعمل الحماية الكاثودية فقط في حالة وجود إلكتروليت مستمر ومسار كهربائي واضح. وهذا يخلق بعض الحدود العملية:

• لا يمكن حماية منطقة الرش وكل ما فوقها، لأنه لا يوجد ماء لتحمل التيار. يحتاج هذا النطاق إلى سُمك طلاء، أو بدل تآكل، أو مادة مختلفة تمامًا.
• الأسطح المحمية، مثل الفولاذ المخفي خلف حاجز محكم أو المحصور في شق، تتلقى تيارًا ضئيلًا أو لا تتلقى أي تيار بغض النظر عن عدد الأنودات التي تناسبها بالقرب منها.
• يمكن للتيارات الضالة الصادرة من مجموعات اللحام القريبة أو أنظمة الترام أو غيرها من منشآت CP أن تسرع من تآكل الفولاذ غير المحمي بدلاً من منعه.
• الحماية الزائدة هي وضع فشل حقيقي. يؤدي وجود تيار زائد جدًا إلى إتلاف الطلاءات، وإهدار كتلة الأنود، كما أنه يثير مخاوف بشأن تقصف الهيدروجين في حالة الفولاذ عالي القوة.

ماذا يعني هذا بالنسبة لأكوام صفائح البوليمر

هذا هو الجزء من المحادثة الذي يتم تخطيه غالبًا. الحماية الكاثودية تحمي الفولاذ. إن جدار كومة الفينيل أو PVC عبارة عن مادة عازلة: لا يوجد حديد للتخلي عن الأيونات، ولا توجد خلية كهروكيميائية لمقاطعتها، ولا يوجد أنود يمكنه فعل أي شيء مفيد حتى لو قمت بتثبيت أحدها على اللوحة. عندما يتحول المشروع من أكوام من الصلب إلى صفائح البوليمر، عادةً ما تختفي حزمة الحماية الكاثودية بالكامل، جنبًا إلى جنب مع المقوم والمسح السنوي وبرنامج استبدال الأنود.

وهذا لا يجعل البوليمر هو الحل لكل مشكلة. يجب أن يتم اختياره للأحمال المناسبة، والتربة المناسبة، والتعرض المناسب، ولا يزال الجدار بحاجة إلى تصميم معقول. ولكن عندما يكون الدافع وراء الحماية هو الهجوم بالكلوريد أو المياه قليلة الملوحة أو أفق الصيانة الطويل جدًا، فإن اقتصاديات أكوام صفائح PVC المقاومة للتآكل غالبًا ما تبدو مختلفة تمامًا عن الجدار الفولاذي بالإضافة إلى عشرين عامًا من استبدال الأنود.

تحذير واحد من ورشة العمل: العديد من جدران البوليمر المزعومة لا تزال تحتوي على الفولاذ. غالبًا ما تكون قضبان الربط وألواح التثبيت وأقواس التوصيل من الفولاذ المجلفن أو المطلي وتظل معرضة بالكامل لنفس الكيمياء الكهربائية الموصوفة أعلاه. وربما لا تزال هذه المكونات تستحق أنودات، أو تغييرًا في المادة، حتى عندما تكون كومة الصفائح نفسها خاملة. نرى هذا في أغلب الأحيان على جدران كومة من صفائح الفينيل في الأعمال البحرية ، حيث تكون الألواح من البوليمر ولكن المثبت خلف الجدار ليس كذلك.

المراقبة والصيانة بعبارات واضحة

يمكن فحص النظام الجلفاني باستخدام قطب كهربائي مرجعي وفولتميتر عالي المعاوقة. بالنسبة للفولاذ الموجود في مياه البحر، فإن معيار القبول الشائع هو جهد يبلغ حوالي -0.80 فولت مقابل مرجع كلوريد الفضة/الفضة، أو تحول بمقدار 100 مللي فولت عن جهد التآكل الحر الذي تم قياسه قبل التثبيت. ومهما كان المعيار الذي يعتمده التصميم، قم بتسجيل القراءات الأولية، لأنها تمثل خط الأساس الوحيد الذي سيكون موجودًا على الإطلاق.

عادة ما تكون المسوحات سنوية أو مرتين في السنة. تتمثل المخرجات المفيدة في إمكانية الحماية على طول الجدار، واستهلاك الأنود مقابل المعدل المتوقع، وأي علامة على أن الطلاء قد تفكك بشكل أسرع من المفترض. إذا تم استهلاك الأنودات بشكل أسرع من المتوقع، فقد تم التقليل من تقدير الطلب الحالي ويجب إجراء التعديل التحديثي قبل سقوط الحماية.

الأسئلة التي نسمعها من فرق المشروع

هل يمكنني إضافة الأنودات إلى جدار موجود؟

نعم، وهو شائع. يمكن للغواصين تركيب الأساور والأنودات العازلة، كما يمكن وضع أنظمة الأنودات البعيدة في قاع البحر القريب. عادة ما يكون القيد هو الوصول وحالة الفولاذ الموجود، وليس النظرية.

هل أحتاج إلى الحماية الكاثودية إذا كان الفولاذ مطليًا جيدًا؟

إن الطلاء الجيد يقلل من الطلب الحالي بشكل كبير، لكنه لا يلغي الحاجة إلى الحماية عند كل عيب أو حافة أو لحام. تفترض رموز التصميم عامل انهيار الطلاء لهذا السبب بالتحديد.

هل يحتاج جدار البوليمر إلى أي حماية من التآكل على الإطلاق؟

الألواح لا تفعل ذلك، لكن كل مكون فولاذي في النظام لا يزال يفعل ذلك. تحقق من المراسي والوصلات وأي شيء يظل مبللاً.

لقد علمتنا عشر سنوات من بناء جدران الأكوام من الألواح أن قرارات التآكل عادة ما يتم اتخاذها مبكرًا، بمعلومات غير كاملة، ثم يتم التعايش معها لعقود من الزمن. إذا كان مشروعك يتجه نحو حزمة الحماية الكاثودية، فحدد حجمها بشكل صحيح وخصص ميزانية للاستبدال من اليوم الأول. إذا كان يتجه نحو جدار خالٍ من الفولاذ، فتأكد من أن النظام بأكمله خالٍ من الفولاذ، وليس فقط الجزء الذي يمكنك رؤيته من الماء. وفي كلتا الحالتين، يسعدنا التحدث عن الجانب المادي لهذا القرار مع مهندسيك.