سیستم‌های حفاظت کاتدی با آند فداشونده
تئوری
سیستم‌های حفاظت کاتدی با آند فداشونده بر پایه تشکیل پیل الکتروشیمیایی استوار است مانند آنچه در مبحث سیستم اعمال جریان توضیح داده شد الکترون‌های دارای انرژی بالا از آند به سازه تحت حفاظت جریان می‌یابد. پتانسیل سازه به الکترولیت مورد نیاز برای حفاظت در این سیستم دقیقاً برابر با این پتانسیل در سیستم حفاظت کاتدیک از نوع اعمال جریان می‌باشد.
الکترون‌های دارای انرژی بالا، توسط خوردگی فلزات فعالی چون منیزیم و روی حاصل میشود. در این سیستم فلز آند در حین فرآیند، مصرف و یا به عبارت دیگر فدا میشود. به همین خاطر آند باید به طور ادواری تعویض گردد تا عمل حفاظت سازه بتواند به طور پیوسته ادامه داشته باشد. به منظور آن که دوره‌های تعویض ادواری آندها به حداقل رسانده شود باید مقدار ماده آند را به اندازه کافی به کار برد در این صورت فاصله تعویض آندها به مقدار قابل قبول و مطلوب و رسانده میشود.
معمولاً برای سازه‌های مدفون در خاک، این سیستم به صورتی طراحی میشود تا عمر آندها بین ۱۰ تا ۱۵ سال باشد برای سازه‌های غوطه‌ور در آب و یا برای سازه‌های مدفون که در آن‌ها عمل تعویض آندها با دشواری صورت می‌پذیرد باید سیستم طوری طراحی شود تا عمر آندها به ۲۰ تا ۳۰ سال برسد.
مطالب مرتبط : سیستم حفاظت کاتدی تزریق جریان
مزایای سیستم حفاظت کاتدی از نوع آندهای فداشونده
مزیت اولیه سیستم فداشونده در مقایسه با سیستم اعمال جریان، ساده و مطمئن بودن آن است. در این سیستم از وسایل حساسی هم‌چون دستگاه یکسو کننده استفاده نمی‌شود. در این سیستم کابل رابط بین یکسو کننده و آندها که در آن‌ها احتمال خوردگی و آسیب‌پذیری بسیار زیاد است وجود ندارد. در سیستم آندهای فداشونده کابل رابط بین آندها و سازه نیز تحت پتانسیل منفی قرار داشته، بنابراین تمام کابل نیز تحت حفاظت می‌باشد. سیستم حفاظت کاتدی از نوع فداشونده در مقایسه با سیستم اعمال جریان از لحاظ نصب و نگهداری کم هزینه‌تر است.
این مورد به ویژه برای سیستم‌هایی که در آن‌ها جریان لازم برای حفاظت کم است (0/5 آمپر یا کمتر بازاء ۱۰۰ فوت از طول سازه) بیشتر صادق است. در سیستم آندها فداشونده هزینه مصرف برق یا هزینه مربوط به انتقال جریان برق به اتفاق نقاط دور دست سازه جهت حفاظت وجود ندارد. مزیت مهم دیگر سیستم آندهای فداشونده آنست که در آن احتمال ایجاد تداخل با سازه‌های دیگر وجود ندارد. در این سیستم معمولاً آندها برای انجام حفاظت کاتدی سازه، در طول سازه و در کل سطح سازه توزیع می‌شوند و این به خاطره پتانسیل‌های محرکه پایین بین مواد آندهای فداشونده و سازه‌های تحت حفاظت می‌باشد.
مطالب مرتبط : طراحی حفاظت کاتدی
معایب سیستم آندهای فداشونده
مهم‌ترین عیب این سیستم پایین بودن میزان ولتاژ محرکه بین ماده آند فداشونده و سازه تحت حفاظت است. این باعث محدود شدن جریان خروجی آندها شده و در نتیجه آن، میزان سطح سازه تحت حفاظت که توسط یک آند حفاظت میشود محدود می‌گردد. مصرف شدن و خورده شدن آندها در سیستم آندهای فداشونده جزء خواص ذاتی آندها بوده و در نتیجه، آندها باید پس از گذشت یک دوره زمانی تعویض گردند.
روش‌های طراحی سیستم آندهای فداشونده
اصول و پایه طراحی سیستم حفاظت کاتدی از نوع آندهای فداشونده در قسمت ۲ – ۴ توضیح داده شده است. ابتدا جریان کل لازم برای حفاظت تعیین میشود. سپس خروجی جریان هر آند تعیین می‌گردد. پس از آن تعداد آندهای لازم برای حفاظت و عمر آن‌ها تعیین میشود. می‌توان نوع آندها و اندازه آن‌ها را طوری تعیین و تنظیم نمود تا سیستم حفاظت کاتدی حاصله دارای عملکرد مطلوب و دلخواه بوده و همچنین عمر آندها نیز بهبود یابد.
تعیین میزان جریان لازم برای حفاظت
اولین مرحله در طراحی سیستم آندهای فداشونده تعیین جریان کل لازم برای حفاظت می‌باشد. در این صورت می‌توان تعداد آندهای مورد نیاز برای تأمین این مقدار جریان را تعیین نمود و یا به عبارتی می‌توان تعیین نمود که هر آند باید چه مقدار از جریان مورد نیاز برای حفاظت را تأمین نماید.
تعیین خروجی جریان هر آند
میزان خروجی جریان هر آند در محیط تعیین میشود. این توسط یک روش ساده که در آن از فاکتورهای استاندارد مطابق با نوع و اندازه آندها و پتانسیل سازه به الکترولیت مطلوب استفاده میشود تعیین می‌گردد. خروجی جریان هر آند تک با استفاده از پتانسیل محرکه بین آند و سازه و مقاومت کل مدار نیز قابل تعیین می‌باشد. مقاومت آند به الکترولیت یک عامل مهم در اکثر موارد است. این روش اصولاً از هر لحاظ شبیه روش طراحی برای سیستم حفاظت کاتدی از نوع اعمال جریان است.
سیستم‌های حفاظت کاتدی با آند فداشونده : روش ساده برای شرایط معمولی
برای تخمین خروجی جریان آندهای روی یا منیزیم در محیط‌های با مقاومت مخصوص بالای ۵۰۰ اهم – سانتیمتر می‌توان از فرمول ارائه شده در قسمت ۵- ۲- ۴ استفاده نمود. فرمول ذیل برای تعیین خروجی جریان آندها با تقریب خوب در اکثر موارد قابل استفاده است.
همانند روش سیستم اعمال جریان، در این روش نیز مقاومت مدار حفاظت کاتدی شامل مقاومت آند به الکترولیت، مقاومت سازه به الکترولیت و مقاومت تمام اتصالات الکتریکی تعیین میشود. سپس با استفاده از میزان اختلاف بین پتانسیل آند و پتانسیل سازه تحت حفاظت، خروج جریان با استفاده از قانون اهم به دست میآید.
محاسبه مقاومت آند به الکترولیت
همانند روش سیستم اعمال جریان، در اینجا نیز مقاومت بین آند و محیط، بالاترین مقاومت در مدار حفاظت کاتدی می‌باشد این مطلب به ویژه در هنگامی که آندها در فاصله کمی (۱۰ فوت یا کمتر) از سازه تحت حفاظت قرار دارند به خوبی صادق می‌باشد. مقاومت آند به الکترولیت با استفاده از معادلات ساده شده که هم برای شرایط عادی و هم برای شرایط پیچیده کاربرد دارد، محاسبه میشود. فرمول ساده شده برای تعیین مقاومت آند به الکترولیت برای یک آند عمومی تک در قسمت ۶- ۲- ۱- ۴ ارائه شده است. این فرمول هم برای سیستم اعمال جریان و هم برای سیستم آندهای فداشوند قابل استفاده است.
فرمول‌های اصلی در قسمت ۶- ۲- ۱- ۳ نیز هم برای سیستم اعمال جریان و هم برای سیستم آندهای فداشونده صادق است. در بعضی موارد، استفاده از گروهی متشکل از ۲ یا ۳ آند فداشونده به منظور فراهم آوردن و تأمین جریان لازم برای حفاظت و همچنین تأمین دوام و عمر مناسب از آندها با استفاده از آندهای موجود در انبار ضروری می‌باشد. در این صورت لازم است تا از فاکتوری موسوم به فاکتور موازی که در قسمت مجزا معرفی شده است برای محاسبه مقاومت معادل آندهای موازی استفاده شود.
در بعضی از مواقع وقتی که این آندها استفاده میشود باید یک رزیستور قابل تنظیم یا رزیستور سیم از جنس نایکرم بین کابل آند به سازه قرار داده شود تا جریان به میزان مورد نیاز تنظیم و محدود شود. در این حالت با تعیین مقاومت آند به الکترولیت مقدار رزیستور مورد نیاز محاسبه میشود.
تعیین مقاومت سازه به الکترولیت
مقاومت سازه به الکترولیت معمولاً در طراحی سیستم حفاظت کاتدی از نوع آندهای فداشونده در نظر گرفته نمی‌شود و این به خاطر آنست که این مقاومت در مقایسه با مقاومت آند به الکترولیت کوچک است.
مقاومت کابل رابط
مقاومت کابل رابط توسط طول و قطر کابل تعیین میشود. انتخاب اندازه سیم کابل در قسمت ۶- ۶- ۱ توضیح داده شده است. سیم‌های مسی با شمارهAWG 12 بر روی آندهای فدا شونده نصب می‌شوند از سیم‌های مسی با شمارهAWG 10 نیز به عنوان سیم رابط آندهای فداشونده استفاده میشود. این سیم‌ها به ترتیب دارای مقاومت‌های 1/02 و 1/62 اهم بر ۱۰۰۰ فوت می‌باشند. از آنجا که در سیستم‌های آند فداشونده معمولاً طول کابل‌های رابط، کوتاه و مقدار جریان نیز کم می‌باشد بنابراین از مقاومت کابل رابط می‌توان صرف نظر کرد.
مقاومت الکتریکی در محل‌های اتصالات
ضرورت پایین نگهداشتن مقاومت الکتریکی در تمام طول عمر آندها فداشونده مهم‌تر از ضرورت انتخاب سیم‌های رابط با مقاومت الکتریکی اولیه کم می‌باشد. اگر چه محل اتصالات در سیستم آندهای فداشونده تحت حفاظت از خوردگی است. با وجود این، همچنان خوردگی در این اتصالات وجود دارد که این امر موجب افزایش مقاومت الکتریکی در محل اتصالات میشود. همانند سیستم حفاظت کاتدی از نوع اعمال جریان در مورد سیستم آندهای فداشونده نیز باید تعداد محل‌های اتصال را به حداقل ممکن کاهش داد. اتصالات را باید به خوبی انجام داده، عایق‌بندی نمونه، بازرسی کرده و بهره‌برداری نمود. تعداد و محل‌های اتصالات را باید در هنگام طراحی سیستم تعیین نموده و باید از محول نمودن زمان تعیین آن‌ها به زمان نصب و راه‌اندازه سیستم پرهیز نمود.
مقاومت کل مدار
مقاومت کل مدار (معمولاً فقط مقاومت آند به الکترولیت به عنوان عامل اصلی در نظر گرفته میشود) از طریق جمع نمودن مقاومت کلیه اجزاء موجود در مدار به دست میآید.
پتانسیل آند به سازه
در اینجا نیاز است تا اختلاف پتانسیلی بین آند و سازه تحت حفاظت تعیین شود در اکثر موارد میزان اختلاف پتانسیل مدار باید آند و پتانسیل سازه تحت حفاظت (برای فولاد برابر با ۸۵۰- میلی‌ولت نسبت به الکترود مرجع مس / سولفات مس در نظر گرفته میشود) استفاده میشود. در صورت نیاز می‌توان از دیگر معیارهای حفاظت نیز استفاده نمود. در شرایطی که خروجی جریان آندها به راحتی انجام میشود (مثلاً هنگامی که آندها در محیطی با مقاومت مخصوص پایین قرار داشته باشند) می‌توان برای حفاظت، از آندهای با پتانسیل مدار باز کمتر نیز استفاده نمود.
خروجی جریان آندها
خروجی جریان آند ها را می‌توان با استفاده از مقاومت مدار و پتانسیل سازه به آند و با استفاده از قانون اهم به دست آورد.
اندازه‌گیری میدانی خروجی جریان آند
محاسبات بر اساس آنچه که در سیستم‌های حفاظت کاتدی از نوع اعمال جریان گفته شد فقط مقدار تقریبی مقاومت آند نسبت به الکترولیت را تحت شرایط واقعی ارائه می‌دهد. اگر چه از این محاسبات برای طراحی اولیه سیستم‌های حفاظت کاتدی استفاده میشود اما خروجی جریان واقعی به اندازه کافی از مقدار محاسبه شده متفاوت است بنابراین نیاز به تنظیم و تغییر نیز وجود خواهد داشت.
این برای سیستم آندهای فداشونده بیشتر یک مشکل محسوب میشود زیرا پتانسیل خروجی در سیستم‌های آندهای فداشونده بر اختلاف سیستم اعمال جریان قابل تنظیم نمی‌باشد. در مناطقی که مقاومت مخصوص خاک بر حسب محل تغییر می‌کند اندازه گیری‌های میدانی باید برای موقعیت هر آند انجام شود. اغلب تنها روش برای رفع مشکل آندها با خروجی جریان پایین، افزودن آندهای اضافی به سیستم است. یک روش برای رفع مشکل آندها با خروجی جریان بالا قرار دادن رزیستور محدود کننده جریان در سیستم هادی آندهای می‌باشد، اگر چه حد حتی الامکان باید از این روش خودداری نمود. مقدار واقعی خروجی جریان آند را باید از طریق اندازه گیری‌های میدانی تعیین نمود.
بهترین روش برای تعیین خروجی جریان آند آنست که یک آند را در محل واقعی پیش‌بینی شده در تأسیسات حفاظت کاتدی قرار داده و آن را به سازه تحت حفاظت متصل نمود. مقدار خروجی جریان آند با استفاده از یک شنت جریان (با مقاومت 0/01 یا 0/1 اهم) که در سیم هادی آند نصب میشود اندازه‌گیری میشود. از آنجا که این غیر محتمل است تا یک آند تک بتواند سازه را به یک پتانسیل مطلوب پلاریزه کند بنابراین اصلاح خروجی آند برای رسیدن به یک پتانسیل مطلوب ضروری است. این امر یا با استفاده از فاکتور پتانسیل سازه در معادله ساده شده‌ای که در قسمت ۴- ۲- ۵ ارائه شده است، و یا با تعیین مقاومت آند به الکترولیت امکان پذیر است. برای تعیین مقاومت آند به الکترولیت، از اختلاف پتانسیل واقعی و خروجی جریان آند استفاده میشود.
تعیین تعداد آندهای مورد نیاز
پس از آن که خروجی جریان هر آند تعیین شد، تعداد آندهای لازم برای حفاظت سازه محاسبه میشود. برای این کار باید جریان کل لازم برای حفاظت به میزان جریان خروجی هر آند تقسیم شود. در عمل تقریباً ۱۰ درصد به تعداد آندهای حاصل از این محاسبات اضافه میشود. این برای جبران بی‌دقتی‌ها در طراحی سیستم، اثر تغییرات فصلی در خروجی جریان آندها کاهش خروجی آن‌ها به دنبال مصرف فیزیکی آندها می‌باشد. البته باید توجه داشت که افزودن این درصد آند به آندهای محاسبه شده هیچ اثر مضری ندارد زیرا حتی اگر تعداد آندهای محاسبه شده کافی نیز بوده باشند، افزون تعدادی آند می‌تواند صرفاً منجر به افزایش عمر آندها گردد.
تعیین عمر آند
عمر آند بر اساس میزان جریان خروجی، وزن آند و راندمان آند محاسبه میشود این محاسبات شامل تعداد آمپر ساعت‌های حاصل از یک آند بر حسب هر پوند آند مصرفی می‌باشد. مصرف آندها با استفاده از فرمول ذیل محاسبه میشود:
که در آن:
W= میزان مصرف آند بر حسب پوند
Y= تعداد سال‌ها
S= نرخ روز تئوری آند بر حسب پوند بر آمپر در سال
I= خروجی جریان آند بر حسب آمپر
برای برخی از آندها، راندمان آند دانسیته جریان آند (همانند شکل ۷۳) بستگی دارد. برای این مواد، راندمان آند از فرمول ذیل محاسبه میشود:
که در آن:
W= میزان مصرف آند بر حسب پوند
Y= تعداد سال‌ها
S= نرخ مصرف تئوری آند بر حسب پوند بر آمپر در سال
I= خروجی جریان آند بر حسب آمپر
E= راندمان آند
برای آندهای با آلیاژ منیزیم استاندارد، راندمان آند در صورتی که دانسیته جریان آند بالای ۲۵۰ میلی‌آمپر بر فوت مربع باشد تقریباً ثابت است. حال اگر راندمان آند در دانسیته جریانی از آند کار می‌کند پایین باشد. ماده آند در اثر خود خوردگی بهدر می‌رود. در صورتی که راندمان آند ۵۰ درصد باشد نیمی از ماده آند در اثر خوردگی از بین رفته و فقط نیمی از ماده آند برای تولید جریان حفاظتی سازه مصرف میشود. اگر عمر مطلوب آند، با انتخاب جنس، نوع و اندازه آن حاصل نشود در این صورت باید جنس آند و یا اندازه آند تغییر یابد و این فرایند آنقدر ادامه یابد تا سرانجام آندی با جنس، ابعاد و مشخصات مناسب حاصل شود تا قادر باشد عمر مناسب را تأمین نماید.
تأثیر تغییرات فصلی در جریان خروجی آند
با تغییر در مقاومت مخصوص محیط، میزان جریان خروجی آند نیز تغییر خواهد کرد. تغییرات فصلی از طریق ایجاد تغییرات در رطوبت خاک برای سیستم‌های مدفون در خاک و یا رقیق نمودن آب دریا برای سیستم‌های غوطه‌ور در آب دریا باعث ایجاد تغییرات در خروجی جریان آند میشود. خوشبختانه در بیشتر موارد، مقدار جریان مورد نیاز برای حفاظت نیز با افزایش مقاومت مخصوص محیط، کاهش می‌یابد، به هر حال در بعضی موارد جریان خروجی آند از حد حفاظت تقدیر کرده و سیستم نیازمند تنظیمات فصلی برای دستیابی به حفاظت کافی می‌باشد.
مواد آند فدا شونده
منیزیم
منیزیم رایج‌ترین ماده آند فداشونده مورد استفاده برای حفاظت سازه‌های مدفون می‌باشد. همچنین آندهای منیزیم برای حفاظت داخل گرمکن‌ها و مخازن آبی، مبدل‌های حرارتی، کندانسورها و دیگر سازه‌هایی که در تماس با آب دریا هستند به کار می‌روند. آندهای منیزیم هم به صورت ریخته‌گری و هم اکسترود شده با وزن‌های از ۱ تا ۲۰۰ پوندی و در اشکال مختلف موجود می‌باشد (رجوع شود به قسمت ۷- ۸- ۱- ۴). دو ترکیب معمول آند، آلیاژ استاندارد و آلیاژ پتانسیل بالا می‌باشد. ترکیب هر آلیاژ در قسمت ۷- ۸- ۱- ۱ آورده شده است.
ترکیب
ترکیب آلیاژ استاندارد و آلیاژ منیزیم پتانسیل بالا به صورت زیر می‌باشد:
راندمان آند
ظرفیت جریان‌دهی تئوری آند منیزیم ۱۰۰۰ آمپر در ساعت بر پوند بوده و نرخ مصرف تئوری آن نیز ۸/۸ پوند بر آمپر در سال می‌باشد. راندمان آلیاژهای منیزیم مورد استفاده برای حفاظت کاتدی به علت خود خوردگی به ندرت از ۶۵ درصد تجاوز می‌کند. راندمان هر دو نوع آلیاژ منیزیم استاندارد و آلیاژهای منیزیم پتانسیل بالا مطابق شکل ۷۳ به دانسیته جریان‌های موجود بر روی سطوح خودشان بستگی دارد. راندمان آلیاژ منیزیم استاندارد بیشتر از آلیاژ منیزیم پتانسیل بالا می‌باشد. پس، آلیاژ پتانسیل بالا باید تنها هنگامی که پتانسیل محرک بالاتری مورد نیاز است، به کار رود (معمولاً برای خاک‌های با مقاومت مخصوص‌های بالای ۱۲۰۰۰ اهم – سانتیمتر). برای مقاصد طراحی، معمولاً راندمان هر دو نوع آند ۵۰ درصد در نظر گرفته میشود.
نمودار راندمان بر حسب دانسیته جریان برای آندهای منیزیم
پتانسیل‌ها
پتانسیل مدار با آلیاژ منیزیم استاندارد تقریباً 1/55- ولت بر حسب الکترود مرجع مس / سولفات مس و پتانسیل مدار باز آلیاژ منیزیم پتانسیل بالا تقریباً 1/75- ولت بر حسب الکترود مرجع مس / سولفات مس می‌باشد.
سیستم‌های حفاظت کاتدی با آند فداشونده : اندازه‌ها
آندهای منیزیم در اندازه‌ها و شکل‌های مختلفی موجود می‌باشند که در جداول ۱۲ تا ۱۷ نشان داده شده‌اند. علاوه بر اندازه‌های نشان داده شده، آند آلیاژی منیزیم به صورت یک آند نواری نیز موجود می‌باشد که شامل یک میله فولادی مرکزی است که اطراف آن را آلیاژ منیزیم پتانسیل بالا با ضخامت ؟؟؟ اینچ ؟؟؟؟؟؟ اینچ می‌پوشاند. آندهای نواری منیزیم در موقعیت‌هایی مثل درون غلاف‌ها که فضای در دسترس آن‌ها محدود است و یا برای حفاظت کابل‌های با قطر کوچک، مورد استفاده قرار می‌گیرند.
جدول اندازه‌های استاندارد آندهای آلیاژ منیزیم از نوع استاندارد برای کاربرد در خاک
* این آند بیشترین کاربرد را دارد.
توجه:
هسته مرکزی آندهای مورد استفاده در خاک از تسمه مارپیچی از جنس فولاد گالوانیزه با قطر داخلی “متفاوت” اینچ و قطر خارجی “متفاوت ” اینچ ساخته شده است. سیم رابط این آندها مسی و تک رشته‌ای به شمارهAWG 12 و با طول ۱۰ فوت است. این سیم با مواد ترموپلاستیک ضد آب عایق و با نقره به هسته مرکزی لحیم شده است. محل اتصالات در برابر رطوبت آب‌بندی میشود. سیم‌های با اتصالات ویژه و طول‌های دیگر غیر از ۱۰ فوت نیز موجود می‌باشد.
جدول اندازه‌های آندهای آلیاژ منیزیم از نوع استاندارد برای کاربرد در آب
پشتبند
برای حفاظت کاتدی سازه‌های مدفون در خاک استفاده از پشتبند بسیار مطلوب بوده و در تمامی موارد مورد نیاز است. ترکیب شیمیایی پشتبند برای استفاده با آندهای منیزیم در زیر آورده شده است:
ترکیب شیمیایی پشتبند برای آندهای منیزیم:
گچ آبدار ۷۵ درصد
بنتونیت ۲۰ درصد
سولفات سدیم ۵ درصد
آندها در کیسه‌های کتانی رطوبت پذیر با پشتبند پر شده به صورت بسته‌بندی شده، موجود می‌باشند. آندهای بسته‌بندی شده معمولاً با یک پوشش خارجی رطوبت ناپذیر مثل پلاستیک تهیه می‌گردند. این آندها باید قبل از نصب از پوشش ضد رطوبت خالی خارجی‌شان بیرون آورده شوند.
روی
آندهای روی معمولاً در وزن‌های ۵ تا ۲۵۰ پوندی به صورت وزن، شمش و میله موجود می‌باشند که در جداول ۱۸ تا ۲۱ شرح داده شده است. همچنین روی به صورت آندهای نواری در اندازه‌های اینچ ؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟؟ موجود می‌باشند. این آندها برای حفاظت سازه‌ها یا غوطه‌ور در آب شیرین یا شور به کار می‌روند. البته آن‌ها برای حفاظت سازه‌های مدفون هم استفاده می‌شوند. به طور معمول دو ترکیب آند روی موجود می‌باشد. آندهای با فرمول آلیاژ استاندارد برای استفاده در آب شیرین و خاک می‌باشند و آندهای با فرمول آلیاژی خاص در آب دریا استفاده می‌گردند. ترکیب این آلیاژها در قسمت قبلی آورده شده است.
جدول اندازه‌های استاندارد آندهای روی برای استفاده در خاک یا آب شیرین
توجه:
از میله مرکزی فولادی الکتروگالوانیزه شده به قطر ؟؟؟ اینچ برای آندهای استاندارد روی استفاده شده است.
جدول اندازه‌های ویژه آندهای روی برای استفاده در خاک یا آب شیرین
جدول اندازه‌های استاندارد آندهای روی برای کاربرد در آب دریا
توجه:
آندهای با وزن ۲۴ پوند و کمتر از آن دارای هسته مرکزی به شکل تسمه از جنس فولاد گالوانیزه هستند. آندهای با وزن ۵۰ پوند دارای هسته مرکزی به شکل استوانه به قطر ؟؟؟ اینچ از جنس فولاد گالوانیزه هستند. آندها سنگین‌تر دارای هسته مرکزی به شکل استوانه به قطر ؟؟؟ اینچ یا ۱ اینچ از جنس فولاد گالوانیزه هستند.
جدول ۲۱- اندازه‌های ویژه آندهای روی برای استفاده در آب دریا
توجه: برای آندهای فوق هسته‌های مرکزی متنوع با اندازه‌های مختلف موجود می‌باشند.
ترکیب شیمیایی
ترکیب شیمیایی آلیاژ آند فداشونده روی از نوع استاندارد و از نوع مورد استفاده در آب دریا در ذیل ارائه شده است.
(1) مشخصات مطابق با استاندارد ASTM – B 418 type II
(2) مشخصات مطابق با استاندارد ASTM – B 418 type I یا MIL – A – 18001
راندمان آند
میزان مصرف آند روی بر اساس محاسبات تئوری برابر با 23/5 پوند بر آمپر سال است. ظرفیت جریان‌دهی تئوری این آند نیز برابر با ۳۷۲ آمپر در ساعت بر پوند می‌باشد. راندمان آند روی بیشتر از آند منیزیم است. راندمان آند روی با صرف نظر از میزان جریان خروجی آن ما بین 95 – ۹۰ درصد است. برای مراحل طراحی میزان راندمان آند روی معادل ۹۰ درصد در نظر گرفته میشود.
پتانسیل‌ها
پتانسیل مدار باز هر دو نوع آند روی در اکثر خاک‌ها یا آب‌های طبیعی برابر با ۱/۱- ولت نسبت به الکترود مرجع مس / سولفات مس است. پتانسیل نسبی بین روی و آهن به درجه حرارت بستگی دارد. در درجه حرارت‌های بالاتر از درجه حرارت محیط، اختلاف پتانسیل بین آهن و روی کاهش می‌یابد. در بعضی از آب‌های شیرین در درجه حرارت‌های بالاتر از ۶۰ درجه سانتیگراد پلاریته بین آهن و روی عکس میشود. یعنی آن که روی نسبت به آهن از لحاظ پتانسیل کاتدی‌تر میشود. بنابراین روی دیگر قادر نیست تا آهن را به صورت فداشوندگی حفاظت کند. بنابراین در محیط‌های آبی با درجه حرارت بالاتر از ۶۰ درجه سانتیگراد نباید از روی برای حفاظت آهن استفاده نمود.
خروجی جریان آند
خروجی جریان آندهای روی ممکن است توسط محاسبات ارائه شده در قسمت ۷- ۴- ۲ و یا از طریق اندازه گیری‌های میدانی که در قسمت ۷- ۴- ۳ توضیح داده شده است، تعیین گردد. هنگامی که آندهای روی بدون پشتبند مورد استفاده قرار گیرند، سطح آندها از محصولات خوردگی نارسانای الکتریکی پوشیده میشود که این امر باعث کاهش خروجی جریان آندها میشود. آندهای آلیاژهای روی که در آب دریا مورد استفاده قرار می‌گیرند. به صورتی طراحی شده‌اند که تمایل به تشکیل محصولات خوردگی نارسانا بر سطح آندها کاهش یابد. هنگامی که آندهای روی در خاک‌های حاوی مقادیر زیادی اکسیژن، کربنات‌ها یا فسفات‌ها استفاده شوند باید برای جلوگیری از تشکیل محصولات خوردگی بر سطح آن‌ها از پشتبند استفاده شود.
پشتبند
دو نمونه از پشت بندهای مورد استفاده با آندهای روی در خاک در ذیل ارائه شده است.
آندهای آلومینیم
آندهای فداشونده آلومینیمی پس از به کارگیری آندهای فداشونده منیزیم و روی تهیه شده و مورد استفاده قرار گرفته‌اند. کاربرد اصلی این آندها در حفاظت کاتدی سازه‌های فولادی در آب دریا است. اگر چه این آندها در آب شیرین و یا خاک نیز می‌توانند قابل استفاده باشند. هنگامی که از آندهایی از جنس آلیاژ آلومینیم برای حفاظت استفاده شود و عملکرد آن‌ها نیز رضایت بخش باشد باید آندها پس از مصرف شدن، مجدداً با آندهای مشابه خود تعویض شوند. در ترکیب شیمیایی آلیاژهای فداشوند و آلومینیمی که قبلاً تولید می‌شد، جیوه وجود داشت اگر چه میزان جیوه موجود در آلیاژ کم بود با این حال با مصرف بدنه اصلی آند این مقدار جیوه در مواد به جا مانده از آند تغلیظ می‌شد. بنابراین در صورت استفاده از این نوع آندها باید در هنگام خارج کردن باقیمانده آند قبلی و تعویض آن دقت و احتیاط لازم اعمال گردد. تا از مسمومیت افراد به جیوه جلوگیری شود.
ترکیب شیمیایی
ترکیب شیمیایی بیشتر آندهای آلیاژ آلومینیوم به صورت اختصاصی می‌باشد. ترکیب شیمیایی اختصاصی سه نوع آلیاژ به صورت نمونه در زیر آورده شده است:
آند نوع اوّل در موارد غوطه‌وری در آب دریاهای خیلی شور به کار می‌رود. آلیاژ نوع دوّم در مواردی که آند در زیر رسوبات کف دریا فرو برده میشود، به کار می‌رود. آلیاژ نوع سوّم برای استفاده در زیر رسوبات کف دریا، آب دریاهای شور و یا خیلی شور، ساخته شده است.
راندمان آند
ظرفیت جریان‌دهی آندهای آلومینیوم نوع اوّل تقریباً ۱۲۵۰ آمپر در ساعت بر پوند و نرخ مصرف آن نیز 6/8 پوند بر آمپر در سال می‌باشد. آندهای آلومینیوم نوع دوّم مورد استفاده در زیر رسوبات کف دریا، راندمان کمتری داشته و ظرفیت جریان‌دهی آن‌ها تقریباً ۷۷۰ آمپر در ساعت بر پوند و نرخ مصرف آن‌ها نیز 11/4 پوند بر آمپر در سال می‌باشد. آندهای آلومینیوم نوع سوّم، ظرفیت جریان‌دهی تقریباً ۱۱۵۰ آمپر در ساعت بر پوند و نرخ مصرف 7/6 پوند بر آمپر در سال دارند.
پتانسیل‌ها
پتانسیل آندهای آلومینیوم نوع اوّل و دوّم، 10/1- ولت بر حسب الکترود مرجع مس / سولفات مس می‌باشد. آندهای نوع سوّم، پتانسیل محرک کمی بالاتر، به مقدار 1/15- ولت بر حسب الکترود مرجع مس / سولفات مس دارند.
اندازه‌ها
آندهای آلیاژ آلومینیوم اصولاً برای حفاظت سازه‌های دریایی تهیه شده‌اند. آن‌ها در اندازه‌ها و شکل‌های مختلفی موجود می‌باشند که در جداول نشان داده شده است. آندهای دستبندی (bracelet) که در جدول ۲۴ شرح داده شده است، در شکل مشاهده میشود. این آندها برای حفاظت خطوط لوله غوطه‌ور در آب، همچنین پایه‌های سکوهای دریایی به کار می‌روند.
جدول اندازه‌های استاندارد آندهای آلومینیومی مورد استفاده در پایه‌های اسکله‌ها و سکوهای دریایی
مگر این که طور دیگر مشخص شده باشد، اندازه هسته فولادی که به دنبال میآید در سه نوع تأمین میشود.
توجه: همه ابعاد و وزن‌ها به صورت اسمی نشان داده شده است.
جدول اندازه‌های استاندارد آندهای آلیاژ آلومینیوم نوع اول برای کاربرد فرا ساحلی
آندهای آلیاژ آلومینیم از نوع دستبندی
جدول اندازه‌های استاندارد آند آلیاژ آلومینیم از نوع دستبندی
حداقل طول کمان هر قطعه آندی تقریباً در محدوده ۱۴ اینچ تا ۲۷ اینچ است.
در هر قطعه آندی حداقل یک هسته مرکزی فولادی که به شکل کمانی مطابق با محیط لوله تهيه شده جاسازی شده است.
خروجی جریان
خروجی جریان بعضی از اندازه‌های آندهای آلومینیم، توسط سازندگان آند، تعیین می‌گردد در محاسبات آن‌ها، پتانسیل سازه ۸۵۰- میلی‌ولت بر حسب الکترود مرجع مس / سولفات مس و مقاومت مخصوص محیط نیز ۲۰ اهم – سانتیمتر در نظر گرفته میشود. باید توجه کرد که مقادیر ارائه شده برای خروجی جریان آندها عمدتاً تخمینی است و باید از طریق انجام محاسبات و آزمایشات مورد ارزیابی قرار گیرد.
سایر اجزای سیستم
کابل‌ها
انتخاب صحیح اندازه کابل، نوع عایق و مسیر عبوری کابل، لازمه صحت و اطمینان عملکرد سیستم می‌باشد. تنها کابل‌های مسی باید در نصب حفاظت کاتدی، مورد استفاده قرار گیرند. استفاده از سیم‌های آلومینیمی در حفاظت کاتدی به دلیل ایجاد اتصال‌های با مقاومت بالا و ایجاد اشکال اتصالات جوشکاری شده، مجاز نمی‌باشد.
تعیین نوع و اندازه سیم‌های کابل‌ها
از آن جایی که جریان‌ها معمولاً در سیستم‌های حفاظت کاتدی با آند فداشونده، خیلی پایین است. بنابراین انتخاب شماره سیم‌های هادی کابل‌ها بیشتر تابع استحکام مکانیکی آن‌ها است تا مقاومت الکتریکی. در سیستم‌هایی که آندهای فداشونده در طول سازه حفاظت شده، توزیع شده باشند و به یک کابل اصلی جریان متصل شده باشند. شماره سیم کابل اصلی جریان باید شمارهAWG 10 باشد. حداقل شماره سیم برای آندهای تکی شمارهAWG 12 می‌باشد.
از آنجایی که سیم‌های کابل‌ها در سیستم‌های حفاظت کاتدی با آند فداشونده به صورت کاتدی حفاظت می‌گردند، بنابراین عایق کردن آن‌ها در مقایسه با عایق کردن سیم‌ها در سیستم‌های حفاظت کاتدی با اعمال جریان آن چنان حیاتی نمی‌باشد. برای این سیم‌ها از عایق نوع TW، نوع RHW – USE یا عایق پلی‌اتیلنی استفاده می‌گردد.
از کابل‌های آندها هرگز نباید برای معلق کردن، حمل یا نصب آندها استفاده گردد. معمولاً شماره کابل‌های آندها، شمارهAWG 12 و نوع عایق آن‌ها نیز نوع TW می‌باشند. به جز در موارد ضرورت، در بقیه موارد سیم‌های کابل آندهای تکی باید مس خالص با شمارهAWG 12 باشد.
هنگامی که جریان در هر قسمت مدار آند فداشونده بزرگ‌تر از ۱ آمپر باشد، اقتصادی‌ترین اندازه و نوع سیم باید، تعیین کرد. به جای استفاده از هزینه توان مصرفی که در تعیین اقتصادی اندازه و نوع سیم برای سیستم‌های حفاظت کاتدی با اعمال جریان استفاده میشود در اینجا باید هزینه آندهای اضافی که برای غلبه بر افت‌های مقاومتی استفاده میشود ملاک قرار گیرد. البته لازم است که این هزینه‌ها برابر با هزینه‌های ثابت سالیانه برای اندازه کابل مورد آنالیز باشد.
پیوندها و اتصالات
پیوندها و اتصالات سیم‌ها باید در حداقل تعداد ممکن نگه داشته شود و نوع اتصالات به کار رفته باید دارای مقاومت پایین، قابلیت اطمینان بالا و مقاومت به خوردگی خوبی باشند. اتصالات باید به طریق اگزوترمیک یا مکانیکی ایجاد گردد.. عایق کاری اتصالات زیرزمینی یا با استفاده از اپوکسی و یا عایق کاری با قیر قطران ذغال سنگ انجام میشود. پس از انجام عایق کاری باید از پوشش بیرونی از جنس نمد نیز استفاده شود. برای اتصالات بالای زمین مثلاً در ایستگاه‌های آزمایش، معمولاً از نوع اتصالات مکانیکی استفاده میشود و باید برای جلوگیری از خوردگی حاصل از ورود رطوبت، به دقت نواربندی شوند.
اتصالات زیر برای سیستم‌های آند فداشونده مورد نیاز می‌باشند:
- اتصال بین آند (یا آندها) و سازه
- اتصال بین کابل و آند (معمولاً توسط سازه و در کارخانه انجام شده است)
- باندهای ضروری و سیم‌های آزمایش
نیاز به وجود پیوندها و اتصالات اضافی باید به دقت مورد ارزیابی قرار گیرد. همچنین در مورد سیستم‌های اعمال جریان موقعیت تمامی اتصالات مورد نیاز باید دقیقاً بر روی نقشه‌های طراحی، نشان داده شود. نیاز به انجام اتصالات اضافی باید توسط طراح سیستم، تعیین گردد و نباید آن را به عهده نصاب سیستم حفاظت کاتدی گذارد.
باندها و اتصالات عایق
باندها و اتصالات عایق در بعضی سیستم‌های حفاظت کاتدی با آند فداشونده، مورد نیاز می‌باشد. راهنمایی‌هایی در این زمینه در قسمت‌های آورده شده است که باید برای تمامی باندها و اتصالات عایق، مورد استفاده قرار گیرد.
موقعیت و عملکرد ایستگاه آزمایش
متداول‌ترین نوع ایستگاه آزمایش مورد استفاده در سیستم‌های حفاظت کاتدی آند فداشونده، ایستگاه آزمایش جریان – پتانسیل است که در شکل ۷۵ نشان داده شده است. در این ایستگاه آزمایش سیستم آند توسط یک مقاومت 0/01 اهمی (شنت) به سیم سازه متصل میشود و بدین ترتیب می‌توان خروجی جریان آند را از طریق اندازه‌گیری افت ولتاژ و شنت اندازه‌گیری نمود. برای اندازه‌گیری پتانسیل سازه از سیم رابط ثانویه سازه استفاده میشود قابل ذکر است که از این سیم رابط ثانویه جریانی عبور نمی‌کند بنابراین هر گونه افت پتانسیل در طول آن حذف می‌گردد.
ایستگاه آزمایش جریان – پتانسیل
همچنین در صورت تخریب یا آسیب در سیم رابط اولیه سازه، از سیم رابط ثانوی سازه به عنوان یدکی استفاده میشود. ایستگاه‌های آزمایش برای سیستم‌های حفاظت کاتدی با آند فداشونده یا از نوع نصب شده هم سطح با زمین و یا از نوع قرار گرفته در بالای زمین می‌باشد که در قسمت ۶- ۷- ۳ شرح داده شده است. اگر این ایستگاه‌های آزمایش هم سطح با زمین استفاده می‌گردد، از خاک قرار گرفته در کف ایستگاه آزمایش می‌توان برای اندازه‌گیری پتانسیل «سازه به الکترولیت» استفاده نمود زیرا این نوع ایستگاه‌های آزمایش درست در بالای سازه قرار گرفته‌اند بنابراین اندازه‌گیری پتانسیل در چنین وضعیتی یک مزیت است چون افت ولتاژ (IR – drop) در اثر عبور جریان از میان خاک حداقل می‌گردد.
ایستگاه‌های آزمایش دیگری که در سیستم‌های حفاظت کاتدی آند فداشونده استفاده میشود عبارت از ایستگاه آزمایش پتانسیل، ایستگاه آزمایش تماس خاک، ایستگاه آزمایش جریان عبوری از خط لوله (افت ولتاژ)، ایستگاه آزمایش اتصال عایق، ایستگاه آزمایش غلاف و ایستگاه آزمایش باند می‌باشند. این ایستگاه‌های آزمایش در قسمت زیر شرح داده شده‌اند.
پشتبند
استفاده از پشتبند در کاربردهای خاکی برای انواع آندهای مورد استفاده در سیستم‌های حفاظت کاتدی با آند فداشونده در بخش مربوط به مواد آند شرح داده شد. هنگامی که آندهای بسته‌بندی شده مورد استفاده قرار می‌گیرند باید قبل از نصب، پوشش خارجی نفوذ ناپذیری که برای حفاظت آندها در خلال انبارداری و حمل و نقل مورد استفاده قرار گرفته است از روی آن‌ها برداشته شود
لینکدین دانش آریا را دنبال کنید.
دیدگاه خود را بنویسید