معرفی خوردگی جریان سرگردان
خوردگی جریان سرگردان در حفاظت کاتدی موضوع این صفحه از دانش آریا می باشد که به بررسی تخصصی این مساله خواهیم پرداخت .
حفاظت کاتدی شاخه ای از مطالعات خوردگی تداخلی ناشی از خطوط آهن برقی و خطوط تراموا است که در سالهای آغازین این قرن در سرتاسر ایالات متحده گسترده شده بود. جریان مستقیم دشارژ شده به زمین نقصهای بسیاری در سیستم لوله گذاری مجاور ایجاد مینماید. کمیته های الکترولیز (Electrolysis Committess) برای یافتن راهکارهایی برای حل مسایل خوردگی حاصل از جریانهای سرگردان تشکیل شدند و اکثر دانستههای ما از اندازهگیری جریان خوردگی و روشهای اتصال، مدتها پیش از سال 1913، وقتی آر. ای. کوهن شروع به انجام حفاظت کاتدی در نیواورلئان کرد، به دست آمدند.
امروزه، ترامواها جز در برخی پاتیختها از بین رفتهاند، و قطارهای برقی جایگزین موتورهای دیزلی شدهاند که پیشتر در راه آهن استفاده میشدند. به هر حال، سیستمهای انتقال جریان مستقیم تجربی متعددی برای شبکه های قارهپیما پیشنهاد شده اند، و مسئله جریان سرگردان دوباره افزایش یافته است.
منابع جریانهای سرگردان
مطالب مرتبط : حفاظت کاتدیک شناورها
قسمتی از جریانهای الکتریکی که خطوط لوله را میخورند آنهایی هستند که از اختلاف پتانسیل گالوانیک بین قسمتهای مختلف سازه در تماس با زمین به وجود می آیند. دیگر جریانها، منتج از نشتی جریان از برخی سیستمهای الکتریکی میباشند که در آن قسمتی از مسیر جریان از زمین میگذرد. هر گاه یک خط لوله در چنین مسیر جریانی قرار گیرد، فرصتی برای ورود و خروج جریان به دست میآید؛ در نقاطی که جریان خط را ترک مینماید، لوله خورده خواهد شد.
به دلیل طبیعت ذاتاً تصادفی و غیر عمدی، این جریانها اغلب به “جریانهای سرگردان” معروفند، و صدمه ای که وارد میکنند با عنوان “الکترولیز جریان سرگردان” شناخته میشود.
منبع قابل ملاحظه و بزرگی از جریان سرگردان، راه آهن برقی یا نوع شهری آن، قطار شهری میباشد. شکل زیر مسیر انتخاب شده توسط جریان را به شکل ساده نشان میدهد. باید توجه کرد که گمان میرود ریل مسیر بازگشت را فراهم مینماید؛ شاید فرض شود که اگر اتصالات ریل به طور مناسبی متصل شوند خرابیبه بار نخواهد آمد. به هر حال این فرض حقیقت ندارد. جریان برق مسیر با کمترین مقاومت را دنبال نمیکند یا حداقل تمام جریان این مسیر را دنبال نمیکند.
جریان الکتریکی، وقتی دو یا چند مسیر موازی در اختیار دارد، برعکس مقاومت بین خطوط تقسیم میشود. اگر مسیر ریل یک دهم مقاومت مسیر زمین را داشته باشد، بنابراین جریانی تا 10 مرتبه بزرگتر را حمل خواهد کرد – اما قسمت باقی مانده یک یازدهم کل جریان که در زمین جاری میشود برای ایجاد صدمات بزرگ کافی است. وضعیت همواره به سادگی آن چه در نمودار نشان داده شده نمیباشد. گاهی خط تحت تأثیر ممکن است در فاصله قابل ملاحظهای از مسیرها قرار داشته باشد، احتمالاً نقطه حمله نزدیک محل تقاطع دو خط میباشد، جایی که مقداری جریان از یک خط خارج و وارد خط دیگر میشود. شکل زیر موردی را نشان میدهد که از منظر فاصله از نزدیکترین مسیر تا نقطه آسیب دیده به سختی قابل شناسایی است؛ با این وجود اگر مسیر یک بار شناخته و رسم شده باشد، رابطه روشن خواهد بود.
علاوه بر راههای آهن برقی منابع دیگری از جریان سرگردان وجود دارند. تقریباً هر شبکه برق DC قادر به ایجاد آسیب از این طریق میباشد، اگرچه اغلب آنها بی زیان هستند. خط آهن معدن جرثقیلها و سایر ماشینهای استفاده کننده از برق DC نیز مورد شک هستند. داخل و نزدیک کارخانههای شیمیایی که از فرآیندهای الکترولیتی استفاده میکنند، به دفعات موقعیتهای خطرناکی به وجود میآید. تجهیزات جوشکاری، به ویژه در کارهای تولیدی به کار گرفته میشوند، منبع متداول مشکل هستند، اگرچه به ندرت آسیب در فاصله زیادی از این تجهیزات اتفاق میافتد؛ این مسئله تعیین موقعیت را بسیار سادهتر میسازد.
در نهایت، متأسفانه این حقیقت وجود دارد که جریانهای مستقیمی که به طور عمدی با هدف حفاظت کاتدی به یک سازه وارد میشوند، قادر هستند به سایر سازههایی که در همان منطقه قرار دارند صدمه وارد کنند. اینها دقیقاً “جریان سرگردان” نیستند؛ اثر مخرب تماماً تصادفی میباشد، اما حضور جریان در زمین تصادفی نیست. بررسی این مشکل به بعد موکول میشود.
الکترولیز جریان سرگردان. جریان بازگشتی از واگن برقی تقسیم میشود، قسمتی به ایستگاه فرعی ریل باز میگردد و قسمتی نیز از ریلها به خط لوله نشت میکند. نزدیک ایستگاه فرعی این جریان از خط لوله به خاک و به سیستم ریل شارش میکند و باعث خوردگی لوله میشود. نصب اتصال فلزی از لوله به ترمینال منفی در ایستگاه از آسیب جلوگیری خواهد کرد.
قرار گرفتن در معرض جریان سرگردان پیچیده. نقطهای که در آن آسیب در خط لوله رخ میدهد “A” از مسیرهای ترن برقی مهاجم دور میشود. این شرایط معمولاً توسط پتانسیلهای متغیر یا جریان در خط لوله “A ” توسط یک نقشه جریان خط تشخیص داده میشود.
مطالب مرتبط : اصول حفاظت کاتدی
آشکار سازی جریان سرگردان
هرگاه اندازهگیری کمیتهای الکتریکی متصل به یک خط لوله – جریان خط، پتانسیل لوله نسبت به خاک، یا هر کمیت دیگر – مقادیر نوسانی نشان دهد، با یک مورد جریان سرگردان مواجه هستیم اغلب با رها کردن ابزار متصل و بررسی نوسانات در یک دوره زمانی مفید میباشد. سرعت و طبیعت تغییرات اغلی سرنخی درباره منشأ میدهد و این شاید همان چیزی است که از عملکرد واقعی سیستم مهاجم قابل مشاهده است؛ برای مثال، معمولاً تغییری که در اثر حرکت ترن برقی ایجاد میشود موقعیت نقص را تعیین مینماید.
هنگامی که تعیین موقعیت منبع توسط این روش ممکن نمیشود، ثبت کنندهای باید متصل شود. به دلیل حساسیت پایینتر ابزار حتی وقتی مقدار ثبت شده مقدار صحیح نیست، ثبت 24 ساعته میتواند مفید باشد. برای مثال، اگر توقفی در نوسان برای نصف روز وجود داشته باشد، منبع میتواند یک ماشین صنعتی باشد نه وسایل حمل و نقل. با استفاده از توجیه مشایه با ثبت روزهای پیاپی مختلف، معمولاً مسیریابی سیستم DC مولد جریانهای سرگردان ممکن میگردد.
اندازه گیری های اصلاحی
پوشش خوب در کاهش صدمه کلی حاصل از جریان سرگردان مؤثر میباشد؛ یک خط با پوشش خوب ممکن است سرعت نفوذ بیشتری را در چند نقص (Holiday) نسبت به آن چه در یک خط بدون پوشش پیشبینی میشود ایجاد کند. پوشش به تنهایی برای حفاظت خط در برابر آسیب جریان سرگردان کافی نیست، چنانچه چه برای خوردگی خاک نیز کافی نمیباشد.
نصب اتصالات ایزوله در دو طرف راه آهن برقی از بسیاری از حملات جلوگیری خواهد کرد: قرار گرفتن در معرض تهاجم به مقاطع کوتاه بین اتصالات محدود خواهد شد و این میتواند توسط سایر روشهای نام برده شده در این جا رفع شود. این اتصالات اگر به درستی نصب شوند، میتوانند حمله را متمرکز نمایند بدون آن که آن را به طور قابل ملاحظهای به حداقل برسانند.
رهیافت مستقیم به مشکل جریان سرگردان، نصب اتصالاتی بین لوله مورد تهدید ترمینال منفی سیستم DC است که آسیب را به وجود میآورد؛ این کار مسیری با مقاومت پایین ایجاد میکند که توسط آن جریان بر خطی با مقاطع طولانی جمع میشود، و بدون آسیب به خط مقطع متمرکز کوچکتر آن را ترک میکند. اتصال “صلب”، در جایی که مسیر با پایینترین مقاومت ممکن ایجاد میگردد، سادهترین روش میباشد و همواره مؤثر است و اتصال با مقادیر مقاومت خاص انتقال ضروری میباشد.
در مناطقی که مقدار یا حتی جهت شار جریان سرگردان به موقعیت ترامواها یا ترنها وابسته میباشد، عملاً نصب سوئیچهای اتصال کنترل شده کمکی که به سوئیچهای الکترولیز معروفند پیشنهاد شده است. سوئیچها به بزرگی و جهت پتانسیلهای درگیر وابستهاند و از طریق ایجاد اختلال در مدار یا بستن آن عمل مینمایند. اصلاح این سیستم با استفاده از واحدهای یکسو کننده به عنوان سوپاپ کنترل برقی، به جریان اجازه میدهد از خط لوله وقتی پتانسیل در آن جهت است حرکت نماید، اما وقتی پتانسیل معکوس میباشد شار جریان در خط را متوقف مینماید.
اتصال ترمینال منفی
در وضعیتی نظیر آن چه در شکل زیر نشان داده شده، آسیب میتواند توسط نصب اتصال فلزی یا اتصال بین لوله و ترمینال منفی در ایستگاه فرعی حذف شود. وقتی هندسه مشابه حالت نشان داده شده ساده میباشد، ناحیه بیشینه در معرض خطر بودن در همسایگی نزدیک ایستگاه فرعی خواهد بود. در موارد پیچیدهتر، نقشهای برای تعیین موقعیت این ناحیه ضروری خواهد بود.
نصب چنین اتصالی مقداری حفاظت کاتدی برای خط فراهم مینماید. در یک شبکه گسترده، شامل خطوط لوله و مسیرهای فراوان، مانند آن چه در سیستم گاز یک شهر با ترن برقی دیده میشود، تقریباً همه سیستم توزیع گاز با نصب این اتصالات تحت حفاظت کاتدی قرار میگیرد. آیا این کار برای شرکت قطار شهری هزینه ساز میباشد؟ از آن جا که آنها برق را مصرف میکنند، اولین جواب آری میباشد. اما در نظر بگیرید که نصب این اتصالات عملاً مقاومت کل مدار آنها را کاهش میدهد و دیده خواهد شد که عملاً برق کمتری برای اجرای مقدار کار مشابه لازم است.
باز هم این هزینه عملاً بر عهده شرکت راه آهن شهری میباشد – نه از باب مصرف برق بلکه از لحاظ صدمه به سیستم ریلی. وجود اتصالات به این معنی است که درصد بالایی از جریان برگشتی به ریلها نشت میکند و از طریق مسیر اتصال لوله به زمین باز میگردد که در این صورت مشکل ایجاد میشود. این به آن دلیل است که همواره تلاش در جهت نصب اتصالات مقاوم محدوده کننده جریان و پیشگیری از آسیب به خط مبذول میشود، بدون آن که عملاً آنها را علیه در برابر تماس با خاک حفاظت کاتدی کند.
مناطق در معرض
اگر اثر جریان سرگردان بر یک خط لوله پایدار باشد، محل مناطق حداکثر تماس میتواند به راحتی توسط نقشه جریان خط یا یک نقشه پتانسیل سطحی برای تعیین نواحی که در آن جریان، خط را ترک مینماید، تعیین موقعیت شود. این نوسانات باعث ایجاد اشکالات و پیچیدگیهای بیشتری میشود و نیازمند راهکارهای ویژه است.
یک راهبرد اصلاح نقشه جریان خط میباشد. اندازهگیریهای جریان به طور هم زمان در دو منطقه انجام میگیرند و 20 تا 40 جفت از خواندهها گرفته میشوند. سپس جفتهای مرتبط بر روی نموداری رسم میشوند، مانند آن چه در شکل زیر نشان داده شده است؛ اگر خط راست شکل گرفته در زاویه 45 درجه باشد و از مبدا بگذرد، دیگر بهره یا افت جریان در مقطع موردنظر وجود ندارد؛ اگر این خط در زاویهای غیر از 45 درجه باشد، بنابراین بهره جریان یا افت جریان به دلیل اثر گذاری جریان سرگردان وجود دارد؛ اگر این خط از مبدا عبور ننماید، یک بهره یا افت ثابت مستقل از جریانهای نوسانی وجود دارد. در نهایت، اگر نقاط در جایی نزدیک خط مستقیم قرار نگیرند، منبع جریان سرگردانی وجود دارد که تنها بر یکی از نقاط اثر میگذارد.
به مجرد این که مجموعهای از خواندهها برای یک زوج از اتصالات کامل میشود، یک خدمه بلافاصله جلو میرود و مقطع دیگر مطالعه میشود. اگر بیش از دو خدمه و مجموعه ابزار در دسترس باشد، هم زمان بیش از یک مقطع میتواند مطالعه گردد. خواندها معمولاً با استفاده از دستگاه علامتدهی (یک فرستنده مکان یاب لوله و گیرنده میتوانند استفاده شوند) و یا با استفاده از ساعتهای هماهنگ شده، هم زمان میشوند. این نقشهها به ندرت طولهای بسیار بزرگی از خط را پوشش میدهند، و معمولاً به نواحی که با مطالعه نقشهها احتمالاً مناطق در معرض هستند محدود میشوند.
موقعیت نواحی حداکثر تماس. در نمودار نشان داده شده شیب بزرگتر از 45 درجه به محور نزدیکتر میباشد و نشان میدهد که مؤلفه جریان سرگردان در A بزرگتر از B میباشد؛ بنابراین، افت جریان در مقطع AB وجود دارد؛ مقطع بالای محور مؤلفه پایدار کوچکی در A نشان میدهد؛ این یعنی، مقداری افت جریان در مقطع به دلیل منابعی غیر از جریان سرگردان وجود دارد. اگر این نقاط، یک خط مستقیم تشکیل ندهند، دو ی چند منبع جریان سرگردان وجود دارند. تکنیکی مشابه میتواند برای نقشههای پتانسیل سطحی استفاده شود.
نقشه های پتانسیل
اگرچه مطالعه جریانهای خط، چنان چه شرح داده شد، جنبه مثبتی دارد و شواهدی از بهره یا افت جریان عملی را تعریف مینماید – و اینها شواهد مستقیمی ازخوردگی میباشند – اطلاعات بیشتری میتواند از طریق مطالعه پتانسیلهای لوله نسبت به خاک، و لوله نسبت به لوله، یا حتی، از پتانسیلهای سازه نسبت به سازه در نواحی مشکوک به آسیب به دست آید. برای انجام مؤثر این امر، اندازهگیری تعدادی از پتانسیلها به طور هم زمان ضروری میباشند و دقیق بودن این کار بسیار مهم است، زیرا اختلاف کمتر از یک ثانیه نیز میتواند ازتباط بین نکات قابل فهم را از بین ببرد.
کمیته تخصصی T-4B انجمن ملی مهندسین خوردگی اولین بار ابزاری را معرفی کرد که این وظیفه خطیر را کاملاً درست انجام میدهد. تعدادی خازن به ترمینالهای مختلف که بین آنها پتانسیلها اندازهگیری میشوند متصل میگردند. وقتی مجموعهای از خواندهها مورد نیاز است، دکمهای فشرده میشود (این کار میتوانداز راه دور انجام گیرد) و تمام خازنها به طور هم زمان قطع میشوند، به این طریق پتانسیلهای مجزای آنها “ثابت نگهداشته” میشوند. اینها سپس، یک به یک، و توسط ولت سنج با تیوپ تخلیه خوانده میشوند.
ابزار شرح داده شده در مرجع، 19 مدار داشت که به طور ابتدایی برای تحقیق خوردگی کابل روکش دار طراحی شد؛ در کار خط لوله به ندرت به این تعداد مدار نیاز میباشد و حالت اصلاح شده بسیار سادهای از این دستگاه که از دو یا سه خازن 4 میکروفارادی استفاده میکند به راحتی میتواند ساحته شود. با این تعداد کم، ابزارهای کمکی و کنترل از راه دور میتواند به کار روند و حتی سوئیچ دوار غیر ضروری است؛ گیره کابل میتواند در صورت لزوم از یک ترمینال به ترمینال دیگر جابجا شود. ویژگی مهم کل دستگاه آن است که خازنها باید تماماً در یک زمان از پتانسیلهایشان قطع شوند.
تماس ثانویه
وضعیتی را نشان داد که در آن ناحیه در تماس در فاصلهای از چند مسیر قرار دارد. جریان از مسیرها بر روی خط لوله “A” نشت میکند و به سمت پایین تقاطع حرکت میکنند، سپس از “A ” به “B” نشت میکند و “B” را تا همسایگی از ایستگاه فرعی یا مسیر دنبال میکند.
برای پیشگیری از آسیب، اتصالات میبایست در هر دو مکان نصب شوند؛ نصب هر اتصال، به تنهایی، تماس را در منطقه دیگر توسط کاهش مقاومت مسیر بازگشت کل تشدید خواهد کرد. این تماسها پیچیده هستند و تنها میتوانند توسط نقشه برداریهای بسیار دقیق و کامل یافته شوند؛ اغلب اینها توسط رخ دادن نشتیها آشکار میشوند. به هر حال، نقشه برداری پتانسیل سطحی، پتانسیلهای نوسانی را نشان خواهد داد، تا زمانی که این نقشهها بدون تفسیر باقی میمانند، در معرض بودن در هر جایی از خط وجود دارد و کار دقیق بالاخره آن را ردیابی خواهد نمود. پتانسیلهای نوسانی یا جریانهای خط هرگز نباید نادیده انگاشته شوند. آنها اغلب بی ضرر هستند، اما تا زمانی که منبع آنها شناخته نشده است باید مورد تحقیق قرار گیرند.
در یک خط خوب پوشش شده در خاک با مقاومت ویژه بالا، و به ویژه در عرض جغرافیایی شمالی، اغلب نوسانات گسترده پتانسیلها مشاهده میشوند که تنها میتوانند با جریانهای طبیعی زمین مرتبط باشند. اینها در طول دورههای فعالیت مغناطیسی بسیار وحشتناکتر میباشند، مثلاً وقتی سپیده شمالی فعال است، اما گاهی تا هفتهها ادامه مییابند. واضح است این جریانها خطر کمی دارند و اگر خطی تحت حفاظت کاتدی قرار گیرد، آنها ناپدید میشوند. به هر حال، آنها تهیه نقشههای جریان مورد نیاز را کاملاً مشکل میسازد و تقریباً از اتخاذ هر پتانسیل استاتیکی جلوگیری میکنند.
خلاصه
دیده میشود که مشکل اصلی حاصل از الکترولیز جریان سرگردان در گذشته نشتی مستقیم جریان از واگنها و ترنهای برقی بوده است. به هر حال، دلیل فعلی، جریان مستقیم از یک خط لوله بدون اتصال تحت حفاظت کاتدی میباشد. تمام تکنیکهایی که برای اندازهگیری جریان الکتریکی آموختهایم، شامل سنجه ثبت کننده، معمولاً، نیاز به تعیین مشکل و منابع آن دارد. فلنجهای ایزوله شده و اتصال ترمینال منفی اغلب برای حداقل کردن آسیب ایجاد شده توسط الکترولیز به کار میروند.
تداخل در حفاظت کاتدی
مشکل
در بخش قبلی، جریان سرگردان به صورت جریان نشتی از برخی سیستمهای الکتریکی، که به صورت اتفاقی از زمین جریان مییابد، تعریف شد. اگر این جریان قادر به ایجاد آسیب باشد، جریانهایی که هنگام اعمال حفاظت کاتدی از زمین میگذارند، نیز قابلیت ایجاد تخریب دارند. در مورد اول، مشکل مهندس خوردگی جلوگیری از آسیب ساختارهای زیر زمین تحت کنترل او است؛ در مورد دوم، وظیفه او اقدام برای جلوگیری از آسیب رسیدن به سایر سازهها توسط عملکرد سیستمهای حفاظت کاتدی وی است. هرگز نباید تصور شود که جریان الکتریسیته کاملاً به زمینی که بین آند و ساختار حفاظت شده قرار گرفته است، محدود میشود.
جریان الکتریکی میتواند در سمت سطح زمین با استفاده از دو الکترود و یک پتانسیومتر، در فاصله چندین صد فوت در هر سمت خط لوله محافظت شده و تقریباً در هر فاصلهای از آند مشاهده شود. هم چنین جریان میتواند در فاصله چند هزار فوتی در هر جهتی از آند شناسایی شود. هیچ حد قابل تعریفی برای میدان وجود ندارد؛ ابزارهای حساستر وقتی جریانی در زمین وجود دارد میتوانند فواصل دورتری را تحت پوشش قرار دهند، و از هر منبعی یک قطعه فلز مدفون در خاک میتواند به عنوان بخشی از مسیر حرکت آن جریان عمل کند و آن را در بخشی از سطح خود جمع و سپس در محلی دیگر – همراه خوردگی – تخلیه نماید.
مقدار جریان جمع شده و سپس تخلیه شده توسط عوامل بسیاری کنترل میشود: پوشش روی سازه، در صورت وجود؛ طول سازه در جهت جریان؛ شیب پتانسیل یا دانسیته جریان در نقطه تماس و توانایی سازه برای انتقال جریان. یک خط لوله بدون پوشش، که در جهت جریان الکتریکی، نزدیک به بستر آند (جایی که دانسیته جریان و شیب پتانسیل زیاد است) قرار گرفته است، در موقعیتی بسیار خطرناک قرار دارد؛ خط لوله خوب پوشش داده شدهای که از بستر آند دور است، و با میدان جریان زاویه میسازد در شرایط کم خطرتری قرار دارد.
مشکل تداخل کاتدی از بسیاری لحاظ سادهتر از جریان سرگردان است. به طور کلی شرایط پایدارتر از حالت نوسانی است، لذا اندازه گیریها و تنظیمات دقیقتری انجام میشود. منبع جریان اعمال شده تحت کنترل است، در صورت نیاز یکسو کننده میتواند خاموش یا روشن شود، یا از یک وقفه سازه استفاده شود تا اثرات واحد به روشنی شناسایی و مطالعه شوند. تحت بدترین شرایط، این تداخل به علت مقدار جریانهای اعمال شده به شدت خطرناک است: به دلیل مقدار زیاد جریانهای موجود، همه جریان بازگشتی از طریق مسیر زمین است، در حالی که فقط بخشی از آن مانند جریانهای سرگردان نشت میکند.
راه حلهای اساسی
سه راهبرد اساسی برای این مشکل وجود دارد: (۱) طرحی که حداقل تماس را ایجاد میکند، (۲) اتصالی که بازگشت فلزی جریان جمعآوری شده توسط یک خط خارجی را تأمین میکند، و (۳) تخلیه کمکی جریان جمعآوری شده.
طراحی
دانسیته جریان در زمین، در اطراف بستر آند بزرگتر از هر جای دیگر است؛ لذا این منطقهای است که پر خطرترین شرایط را دارد. هر تلاشی باید صورت گیرد تا نقاطی برای نصب یکسو کنندههایی که دور از خطوط خارجی هستند، انتخاب شوند. شکل زیر مسیر جریان در مورد عبور یک خط خارجی را که از نزدیکی بستر آند میگذرد، را نشان میدهد؛ موقعیت وقتی خط عبور کننده دورتر واقع شده است مشابه، ولی بسیار مساعدتر است. شکل موردی از تداخل را نشان میدهد که تنها وقتی بستر آند خیلی نزدیک است، خطرناک میباشد. حالت طرح کلی که چنین آسیبی را به حداقل میرساند، به وضوح حالتی است که بستر آندها بسیار دورتر از سازههای دیگر قرار گرفته است.
لینکدین دانش آریا را دنبال کنید.
دیدگاه خود را بنویسید