تداخل در سیستم های حفاظت کاتدی

بطور کلی تداخل (Interference) به دو دسته تداخل های DC و تداخل های AC تقسیم بندی می شوند.

تداخل های DC به دو دسته کلی تداخل های استاتیک و تداخل های دینامیک دسته بندی می شوند.

تداخل استاتیک:

اصولاً تداخل استاتیک به تداخلی اطلاق می­شود که دارای دامنه و مسیرهای  ژئوگرافیکی ثابتی دارند.

بطور کلی هر سازه ای که دارای حفاظت کاتدیک است دارای یک اختلاف پتانسیل نسبت به زمین دور (Remote Earth) خود می­باشد که این اخلاف منجر به ایجاد یک گرادیان ولتاژ خواهد شد. از این رو هر سازه­ای که در حوزه این گرادیان ولتاژ قرار داشته باشد مستعد به ایجاد خوردگی است. با توجه به این مطلب باید گفت تداخل­ها به سه طریق که عبارتند از تداخل آندی، تداخل کاتدی و تداخل مختلط (ترکیبی) خود را نشان می‌دهند.

تداخل آندی

بطور کلی در تداخل­های سازه به سازه (Structure to Structure) زمانی که سازه بیگانه در گرادیان ولتاژی قرار گیرد که نسبت به زمین دور مثبت­تر (آندی­تر) باشد جنس تداخل از نوع تداخل آندی خواهد بود که در این زمان جریان از سازه ما خارج شده و وارد سازه بیگانه خواهد شد. در این حالت پتانسیل سازه بیگانه در محل تداخل بالاتر رفته (Pick Up) و بر روی یازه ما تخلیه جریان اتفاق می­افتد. 

نوع دیگر از تداخل آندی به شکل بستر به سازه است (Groundbed to Structure) که معمولاً در نزدیکی بستر آندی اتفاق می­افتد. در اینجا، جریانی که در فواصل نزدیک به بسترآندی وارد لوله می­شود و در فواصل دورتر از آن تخلیه می­شود, در منطقه­ای که لوله به وسیله جریانهای تداخلی باردار می­شود, پتانسیل موضعی خط ­لوله را به سمت پتانسیلهای منفی­تر جابجا می­کند که این جریان اضافی ممکن است خطرات حفاظت بیش از حد را به همراه داشته باشد. اما در مناطقی که جریان از لوله تخلیه می­شود, پتانسیل موضعی لوله به سمت پتانسیل مثبت جابجا می­شود که نتیجه آن افزایش انحلال آندی در آن موضع است. شماتیک این تداخل در شکل زیر نشان داده شده­است. همانطور که در این شکل مشخص است جریان حفاظتی سازه بیگانه زمانی که می­خواهد از G.B به سمت سازه بیگانه برود بدلیل وجود مسیر فلزی (لوله ما) همواره مسیر با مقاومت کمتر را انتخاب کرده و بطور معمول در نزدیک­ترین فاصله میان سازه ما با GB، جریان وارد سازه ما خواهد شد (Pick up) و این جریان در نقطه­ای دیگر به سازه بیگانه بر خواهد گشت (Discharge). در این حالت علاوه­بر وقوع خوردگی برای سازه ما در محل Discharge، توزیع جریان حفاظتی سازه بیگانه نیز بهم خواهد خورد و احتمال تداخل در سیستم حفاظت کاتدیک این سازه نیز وجود دارد.

در این حالت زمین اطراف بستر آندی دارای پتانسیل مثبت می­باشد و مقدار آن بستگی به شکل و جریان خروجی از آن و مقاومت مخصوص خاک اطراف آن دارد, به عبارتی اگر بستر آندی در منطقه­ای با مقاومت ویژه کم خاک قرار داده شود, مقدار گرادیان پتانسیل کاهش می­یابد و اثرات جانبی آن کم می­شود. ار آنجا که میدان تحت تاثیر بستر آندی به صورت نیم­کره­ای  به شعاع r است, چنانچه مقاومت مخصوص خاک در داخل این نیم­کره یکنواخت و خروجی بستر دارای جریان I باشد, مقدار ولتاژ در فاصله r از رابطه زیر بدست خواهد آمد:

که در رابطه بالا, L طول آند و X فاصله مد نظر ما برای سنجش افزایش پتانسیل می باشد.

سازه­های فلزی همجوار بستر آندی معمولا جریان دریافت می­کنند و مانند کاتد عمل می­نمایند و جریان دریافتی را به الکترولیت اطراف و در فاصله دورتر تخلیه می­کنند که اگر محل تخلیه سطح بزرگی داشته باشد, مشکل حادی پیش نخواهد آمد ولی اگر سطح کوچکی داشته باشد ایجاد خوردگی شدیدی خواهدکرد و بنابراین بهترین راه برای کاهش اثرات جانبی اینست لوله­های همجوار بستر آندی که محل دریافتن جریانهای سرگردان آندی هستند, دارای پوشش خوبی باشند. این عمل باعث می­شود که مقدار جریان دریافتی و در نتیجه مقدار جریانی که تخلیه می­شود و منجر به خوردگی می­گردد, کاهش یابد. ضمنا در محلهای تخلیه نیز باید از آندهای فداشونده استفاده شود تا جریان از طریق آنها تخلیه و وارد الکترولیت گردد.

تداخل کاتدی

بطور کلی در تداخل­های سازه به سازه (Structure to Structure) زمانی که سازه بیگانه در گرادیان ولتاژی قرار گیرد که نسبت به زمین دور منفی تر (کاتدی تر) باشد جنس تداخل از نوع تداخل کاتدی خواهد بود که در این زمان جریان از سازه بیگانه وارد سازه ما خواهد شد. در این حالت پتانسیل سازه ما در محل تداخل بالاتر رفته (Pick Up) و بر روی سازه بیگانه تخلیه جریان اتفاق می­افتد (Discharge). 

تداخل کاتدی معمولا خطرناک می­باشد زیرا جریان سرگردان به وسیله یک لوله بیگانه در سطحی نسبتا بزرگ در فاصله­ای دور تجمع می­کند و در مجموع به صورت جریان بزرگی در نزدیکی لوله فولادی تحت حفاظت تخلیه می­شود. تاثیرات تخلیه جریان در این ناحیه به شکل کاتد بستگی دارد و در مورد سطح بزرگ کاتد (عدم تقاطع دو لوله) می­توان از فرمول ذکر شده در قسمت پیشگیری از تداخل آندی استفاده کرد( فاصله مجاز).

تداخل مختلط (آندی و کاتدی)

در این حالت هر دو نوع تداخل آندی و کاتدی به طور همزمان رخ خواهند داد. در اینجا شارژ بیش از اندازه جریان در نزدیکی آند و تخلیه جریان در نزدیکی سازه پلاریزه شده همزمان باهم رخ می­دهند. در این حالت تخریب های به وجود آمده از هرکدام تخریب ناشی از دو حالت قبل بیشتر است و این اثرات در زمانی که محل تجمع و تخلیه جریان به هم نزدیک باشند بسیار چشمگیر است.

روش سنجش جریان­های تداخلی استاتیک:

بطور کلی بمنظور سنجش جریان­های تداخلی استاتیک استفاده از چهار روش زیر مرسوم می­باشند.

1.      سنجش تغییرات پتانسیل سازه نسبت به الکترولیت که ناشی از حظور سازه­های بیگانه می باشد.

2.      تغییر در مقدار و جهت جریان داخل خط لوله ما که ناشی از حظور سازه بیگانه است. اساس استفاده از این روش استفاده از قانون شهف (مساوی بودن مجموع جریان های ورودی و خروجی به یک گره) می باشد.

3.      وجود آثار خوردگی حفره ای در حضور سازه بیگانه که خود نشان دهنده وقوع Discharge بر روی سازه ما است.

4.      شکست های موضعی بوجود آمده در پوشش خط و یا مشاهده تاول های EES بصورت موضعی در مجاورت با بستر آندی سازه بیگانه و یا سایر منابع تداخل DC

بطور کلی یکی از روشهای بسیار مناسب و مفید برای سنجش حضور جریان تداخلی بین دو سازه و یا یک سازه با بستر آندی سازه مجاور، استفاده از تست Cell to Cell است که یک تست آمریکایی و بسیار مفید می باشد. برای انجام این تست از دو الکترود مرجع و یک ولتمتر استفاده می شود که فاصله میان الکترودها بین 300 تا 750 سانتی متر می باشد. این تست به ما حضور و جهت جریان تداخلی را در زمین نشان می دهد. نحوا هنجام این تست و جهت جریان در شکل زیر نشان داده شده است.

همچنین نحوه انجام این تست و پیداکردن جریان های ورودی و خزوجی به سازه ما در شکل بعدی نشان داده شده است. با انجام این تست می توان نقاط ورود جریان و تخلیه آن از سازه ما را پیدا کرد.

تداخل های دینامیکی:

اصولاً تداخل دینامیک به تداخلی اطلاق می­شود که دامنه و مسیرهای  ژئوگرافیکی ثابتی ندارند. جریان های سرگردان (Stray Current) از این نوع تداخل ها می باشند که منابع ایجاد این تداخل ها عبارتند از:

1.      سیستم قطارهای DC

2.      استخراج معدن

3.      ماشین های جوشکاری DC

4.      واحد های صنعتی مانند واحدهای تولید آلومینیوم و کلر

5.      جریان های تلوریک

جریان های سرگردان بطور کلی می تواند دارای دو منبع انسانی و طبیعی باشند که جریانهای تلوریک دارای منبع طبیعی هستند. این نوع تداخل به دلیل جریانهای ناپایدار حاصل از قطبیت ژئومغناطیسی زمین به وجود می­­آید. زمانی که خط­لوله در معرض میدانهای مغناطیسی زمین قرار می­گیرد, اثرات تداخلی در پتانسیل حفاظت کاتدی مشاهده می­شود. این اثرات با توجه به طوفانهای مغناطیسی زمین به سه دسته آرام, مغشوش و فعال تقسیم می­شوند اما دارای اثرات خیلی ماندگار بر سیستم حفاظت کاتدی نیستند و اثرات قابل توجهی نیز بر سازه تحت حفاظت نخواهد داشت. بعضی اوقات اختلالاتی در اندازه­گیری پتانسیل خط­لوله نسبت به خاک و یا جریان جاری در لوله در یک منطقه که در آنجا هیچ نوع منبع جریان که توسط انسان احداث شده باشد وجود ندارد، پدید می­آید. علت آن معمولا در ارتباط با اختلالات مغناطیسی زمین است که اصطلاحا به" طوفان های مغناطیسی" معروف است. در زمان فعالیت شدید لحظه­ای خورشید، فعالیت اختلالات مغناطیسی شدت می­یابد. جریان سرگردان منتج از این منبع تلوریک نامیده می­شود. به علاوه تاثیر آن بر روی لوله ممکن است با ایجاد و شکل­گیری و سپس متلاشی­شدن میدان مغناطیسی زمین در ناحیه خط ­لوله در ارتباط باشد.

اما در خصوص تداخل های ناشی از منابع انسانی بایستی به تداخل ناشی از سیستمهای حمل و نقل ریلی (DC) اشاره کرد. سیستمهای حمل و نقل ریلی در شهرها یکی از عوامل عمده در تولید چنین جریانهایی هستند. از آنجا که تغذیه قطارهای برقی از طریق سیمهای هوایی (قطب مثبت) و ریلها  ( قطب منفی) انجام می­شود و با توجه به این واقعیت که ریل بر روی زمین قرار می­گیرد و به آن تکیه دارد، امکان نشت جریانهای الکتریکی به زمین وجود خواهدداشت لذا عایقهایی از جنس پلی­اتیلن و یا لاستیک در زیر ریل قرار داده می­شوند، اما اگر به هر دلیل جریان به زمین نشت کند, همانطور که در بالا اشاره شد آنچه که رخ خواهدداد اینست که در محل خروج جریان خوردگی رخ خواهدداد.

جریان خروجی از مسیر نامشخصی عبور می­کند و مسیری با کمترین مقاومت را جهت شارش انتخاب خواهدکرد. سوالی که در اینجا مطرح می­شود اینست که چه مسیرهایی با چنین ویژگیهایی وجود خواهند داشت؟ بعلت اینکه سازه­های زیرزمینی و مدفون از جمله لوله­های فولادی آب، خطوط­لوله انتقال مواد نفتی و گاز، غلاف و زره کابلهای جریان الکتریسیته و سیستمهای مخابراتی و میلگردهای موجود در داخل بتن مسلح نسبت به زمینی که در آن قرارگرفته­اند, دارای مقاومت بسیار کمتری در برابر عبور جریان هستند, مسیرهای مناسبی برای عبور جریان نشت­شده به زمین خواهند بود. معمولا سازه­های مذکور را آنگونه طراحی و در سیستم قرار می­دهند که تا آنجا که امکان داشته باشد جریانهای مذکور به داخل آنها نفوذ نکنند. در این رابطه لوله­های مدفون انتقال سیال را با پوششهای اغلب از مواد پلیمری عایق می­سازند تا از خطر نفوذ جریان محفوظ بمانند. اما از آنجا که این پوششها صددرصد کامل و بی عیب نمی­باشند به هر حال جریان نشت­شده به درون زمین، به داخل آنها نفوذ خواهدکرد که از دلایل عدم کامل بودن عایق­سازی ناشی از پوشش اعمالی و به دنبال آن ورود جریانهای سرگردان می­توان به موارد ذیل اشاره کرد:

-       عیوب ذاتی خود پوشش

-       صدمات مکانیکی در زمان نصب

-   عدم یکنواختی در پوششی اعمال شده در کارخانه نسبت به پوشش لوله در محلهای جوشکاری که در زمان نصب ترمیم می­شوند.

در ادامه، جریان ورودی در نزدیکترین محل به منبع اصلی، سازه فلزی را ترک خواهدکرد که این مطلب بیانگر رخداد خوردگی خواهدبود. از آنجا که این جریان مسیر مشخص و از پیش تعیین شده­ای نخواهدداشت و مسیر آن را عواملی از جمله ذیل تحت تاثیر قرار­ می­دهند، به آن جریان سرگردان گفته می­شود.

سیستم قطار شهری در کشور ما متاسفانه از نوع DC بوده که از این رو وقوع خوردگی ناشی از جریان های سرگردان در سیستم های لوله کشی زیر زمینی اجتناب ناپذیر خواهد بود. اما خوشبختانه این مشکل برای سیستم حمل و نقل ریلی بین شهری ما با توجه به قدیمی بودن آن وجود ندارد.

به طور کلی عوامل موثر در مقدار جریان نشتی از ریل به زمین شامل نحوه اتصال ریل‌ها، جنس و ابعاد ریل‌ها، چگونگی نصب ریل‌ها  بر روی تراورس‌ها، روش‌های عایق بندی خطوط، استفاده یا عدم استفاده از بالاست و چگونگی زیرسازی خطوط ( ضخامت و نوع لایه‌های روسازی و زیرسازی ) می باشد.

روش های جلوگیری از وقوع خوردگی ناشی از جریان های سرگردان ناشی از سیستم حمل و نقل ریلی:

تبدیل جریان مورد استفاده در مترو از DC به AC

افزایش مقاومت الکتریکی بین ریل و زمین (عایق کاری خط یا مسیر جریان برگشتی ترن )، با توجه به ملاحظات و محدودیت های ولتاژ ایمنی

کاهش مقاومت مدار شامل ریل و مسیر برگشت، به منظور فراهم کردن مسیر با مقاومت پائین برای جریان برگشتی ترن (بستن و اتصال همه ریلها به صورت عرضی و طولی به همدیگر )

افزایش مقاومت الکتریکی بین زمین و تأسیسات فلزی زیر زمینی و افزایش مقاومت خود تأسیسات

بکارگیری سیستم انتقال انرژی با سه خط جریان

بکارگیری سیستم زمین موثر در پست و در امتداد خطوط ریلی

نصب سیستم جمع کننده جریانهای سرگردان در محلهای مناسب

کاهش فاصله بین پست های تغذیه سیستم حمل ونقل برقی

جداسازی تمام تأسیسات فلزی از اطراف ریلها یا اصلاح ساختار آنها

بکارگیری سیستم آب بندی مطمئن و موثر برای ریلها

کاهش دامنه ولتاژ dc تغذیه کننده خط ریلی برقی

اعمال پلاریته مناسب به ریل (استفاده از تجهیزات کنترل کننده پتانسیل ریل )

طراحی سیستم حفاظتی مناسب به منظور تخلیه بارهای الکتریکی

اصلاح ساختار سازه های فلزی مجاور خط راه آهن برقی

افزایش استقامت عایقی سیستم (پوشش دادن فلزات در معرض عبور جریان سرگردان )

استفاده از حفاظت کاتدی برای سازه های فلزی زیر زمینی مجاور سیستم حمل و نقل ریلی برقی

 

سنجش حضور و میزان جریان های سرگردان:

بطور کلی روش اصلی برای سنجش میزان و جهت جریان های سرگردان سنجش پتانسیل سازه نسبت به خاک می باشد اما دو نکته مهم در انجام این امر وجود دارد. اول آنکه محل نقاط اندازه گیری پتانسیل بسیار مهم بوده و هر چه تعداد این نقاط بیشتر شود نتایج دقیق تری حاصل خواهد شد. دوم آنکه سنجش پتانسیل بایستی بصورت پیوسته و در بازه زمانی طولانی انجام شود و از این رو نیاز به داشتن چندین Datalogger وجود دارد. درخصوص سنجش حضور جریان سرگردان در خاک باز هم میتوان از تست Cell to cell استفاده کرد.

نکته دیگری که هم که در آنالیز نتایج بدست آمده از Datalogger ها باید بدان توجه نمود تفکیک منابع جریان تداخلی DC استاتیک از دینامیک است. روش تحلیل نتایج هم بطور کلی بر مبنای بررسی ارتباط و همبستگی میان منحنی های تغییرات ولتاژ نسبت به زمان بدست آمده از  TP های مختلف و همچنین مقایسه آنها با یکدیگر می باشد.