استفاده از آندهای MMO در سیستمهای حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان جهت جلوگیری از خوردگی بتن(بخش اول)

سیستم حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان به عنوان یک روش علمی و عملی جهت جلوگیری از خوردگی شیمیایی آرماتورهای موجود در بتون مسلح، چندین سال است که در کشورهای صنعتی و توسعه یافته مورد استفاده و بهره برداری قرار گرفته است. استفاده از چنین سیستمی مخصوصا در شرایط جوی و محیطی که یون کلر وجود دارد نه تنها باعث افزایش طول عمر سازه های بتنی می گردد بلکه از تخریب و تعمیر مجدد بتن و در نتیجه افزایش سرعت خوردگی بدلیل تعمیرات جلوگیری بعمل می آورد. انتخاب و استفاده از فلز یا ترکیبی که بتواند نقش یک آند را بخوبی ایفا کند امری مهم، اقتصادی و فنی میباشد. لذا با توجه به پیشرفتهای انجام شده در کشورهای صنعتی، آندی که امروزه در سیستم های حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان جهت جلوگیری از خوردگی آرماتورها و در نتیجه تخریب بتن مسلح مورد استفاده قرار میگیرد آندی است با پایه تیتانیومی و روکش اکسیدی که به آندهای MIXED METAL OXIDE)) MMO)) معروف میباشند. این نوع آندها عموما به شکل توری بوده و دارای قدرت جریان دهی حدود ۲۰۰۰-6۰۰ آمپر بر متر مربع میباشند. با توجه به پایین بودن سرعت مصرف این نوع آندها، طول عمر این نوع آندها به بیش از بیست سال و حتی در مواردی به ۷۵ سال میرسد. همچنین بدلیل دارا بودن پوشش اکسیدی، سطح این نوع آندها از سختی بالایی برخوردار میباشند.

تخریبهای ناشی از خوردگی همواره به عنوان عمده ترین مشکلات سازه های بتنی بخصوص سازه های بتنی مسلح با آرماتورهای فولادی شناخته شده است. روشهای فراوانی جهت جلوگیری و یا کاهش خوردگی وجود دارد. از جمله این روشها می توان به اعمال سیستمهای حفاظت کاتدی اشاره نمود. حفاظت کاتدی به دو روش طبقه بندی می شود که عبارتند از: روش آندهای فداشونده (Sacrificial Anodes) و اعمال جریان (Impressed Current). هر یک از روشهای فوق دارای محدودیتها و مزایایی هستند. در روش آندهای فداشونده از یک سری فلزات فعال (بعنوان آند) در کنار آرماتورهای فولادی (بعنوان کاتد) استفاده می شود. این فلزات دارای پتانسیل منفی تری نسبت به فولاد بوده و خورده می شوند. انحلال و خورده شدن آندها باعث حفاظت سطح آرماتورهای فولادی از خوردگی می شود. از جمله آندهای فداشونده می توان به آندهای منیزیمی، آلومینیمی و آندهای روی اشاره کرد. از جمله مشکلات این روش در سازه های بتنی، ایجاد محصولات خوردگی آندها می باشد که ممکن است گاهی اوقات باعث ایجاد ترک درون بتن شوند. در روش اعمال جریان از یک ترانسفورمر رکتیفایر جهت تولید برق مستقیم استفاده می شود. ترانسفورمر رکتیفایر جریان لازم جهت حفاظت سازه را از طریق یک سری آندها به سطح فولاد می رساند. تفاوت این آندها با آندهای فداشونده این است که تنها نقش توزیع جریان را داشته و به همین علت دارای سرعت مصرف بسیار کمی می باشند.
با بررسی و مقایسه دو روش آندهای فداشونده و اعمال جریان و همچنین در نظر داشتن شرایط سازه های بتنی و محیط اطراف آنها، طراحان را به استفاده عمومی تر از روش اعمال جریان در این گونه سازه ها سوق می دهد.

حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان

همانطور که بیان شد اجزای اصلی تشکیل دهنده یک سیستم حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان را می توان به صورت زیر بیان نمود.

کاتد

فلزی که باید به روش حفاظت کاتدی تحت حفاظت قرار گرفته و از خوردگی آن جلوگیری شود. کاتد در سازه های بتن مسلح همان آرماتورهای موجود در بتن می باشد.

آند

فلز یا ترکیبی که نقش توزیع جریان را داشته و جریان لازم جهت حفاظت را از طريق الكترولیت به سطح کاتد می رساند.

الکترولیت

محیطی که در آن واکنشهای شیمیایی و الکتروشیمیایی رخ می دهد. در سازه های فوق، توده بتن نقش الکترولیت را دارد. الکترولیت باید قادر به انتقال یونی باشد.

منبع تغذیه جریان مستقیم

یک ترانسفورمررکتیفایر با ظرفیت مشخص (بر اساس نتایج طراحی) که برق متناوب را به برق مستقیم تبدیل کرده و جریان لازم را از طریق کابل به آندها می رساند.

همانطور که بیان شد کاتد و الکترولیت در روش اعمال جریان مشخص می باشد. در این روش از ترکیبهای بسیاری بعنوان آندهای اعمال جریان استفاده می شود. از جمله این آندها می توان به آندهای گرافیتی، آندهای فروسیلیکون، آندهای مگنتیتی، آندهای سرامیکی، آندهای پلاتینی، تیتانیم با پوشش پلاتین (پلاتینایز شده) و … اشاره نمود. آندهای فوق دارای خواص فیزیکی، مکانیکی، شیمیایی و الکتروشیمیایی متفاوتی بوده و به همین علت کاربردهای مختلفی دارند. با در نظر داشتن مسائل فنی و اقتصادی در کنار یکدیگر می توان نوع آند مناسب با سازه را انتخاب نمود. برای مثال از آندهای گرافیتی در سازه های بتنی نمی توان استفاده کرد چرا که این آندها بسیار ترد بوده و می شکنند. در حفاظت کاتدی خطوط لوله مدفون از آندهای پلاتینی و یا فلزات مختلف پلاتینایز شده استفاده نمی شود چرا که از نظر هزینه های اقتصادی قابل توجیه نمی باشد. از نظر مسائل فنی نمی توان از آندهای فروسیلیکون جهت حفاظت لوله های کندانسور استفاده کرد.
آندها یکی از بحرانی ترین اجزاء سیستم حفاظت کاتدی می باشند چرا که نقش توزیع جریان حفاظتی را به سطح آرماتورهای فولادی داخل بتن داشته و شرایط مناسب را جهت انجام واکنشهای آندی ایجاد می کنند. از جمله خواص مهم آندهای فوق، سرعت مصرف، راندمان و دانسیته جریان اعمالی می باشد. سرعت مصرف با واحد Kg / A . y بیان میشود و بدین مفهوم است که یک آند به ازای توزیع یک آمپر جریان در سال، چند کیلوگرم مصرف می شود. برای مثال اگر آند فروسیلیکون دارای سرعت مصرفی برابر 250kg/A  می باشد.

یعنی اگر در طول یکسال، یک آمپر جریان از این آند عبور داده شده و توزیع یابد، ۰ / ۲۵ کیلوگرم از وزن آن مصرف می شود. راندمان، همان کارآیی آند بوده و بر اساس درصد بیان می شود. هرچه قدر یک آند دارای راندمان بیشتری باشد، از نظر سرعت مصرف به حالت ایده آل تئوری (۱۰۰) نزدیکتر است. دانسیته جریان اعمالی آند را می توان به عنوان مهمترین فاکتور الکتروشیمیایی آندهای اعمال جریان معرفی نمود. دانسیته جریان با واحد A / بیان می شود و بیانگر قدرت اعمال جریان از سطح آند می باشد. اگر آندی با سطح جانبی m 5/. دارای دانسیته جریانی برابر 20 A/ m باشد، می تواند ۱۰ آمپر جریان را از سطح خود عبور دهد. از نظر مسائل فنی، استفاده از آندهایی با دانسیته جریان بیشتر بسیار عالی می باشد چرا که جهت تأمین جریان لازم جهت حفاظت به وزن کمتری آند احتیاج است. البته معمولا آندهای فوق دارای قیمتهای زیادی می باشند که باید همراه با مسائل فنی، توجیه اقتصادی را نیز در نظر گرفت.

آندهای (MMO (Mixed Metal Oxide

طراحی سیستمهای حفاظت کاتدی بایستی با در نظر داشتن مسائل فنی و اقتصادی در کنار یکدیگر صورت پذیرد. در سازه های بتن مسلح با آرماتورهای فولادی، با توجه به اینکه آندها باید در زمینه بتن قرار گیرند، بنابراین بایستی حداقل وزن و حجم را داشته باشند تا از افزایش حجم زیاد سازه جلوگیری شود. در گذشته (دهه ۱۹۹۰) از آندهای فروسیلیکون همراه با یک پشت بند ککی جهت حفاظت کاتدی بتن استفاده می شد است. این آندها دارای سرعت مصرف بالایی بوده و فضای بسیار زیادی را به خود اختصاص می دادند. تولید آندهای جدیدتر با کارایی های بیشتر، طراحان سیستمهای حفاظت کاتدی را به استفاده از آندهایی از قبیل آندهای پلاتینی، آندهای تیتانیمی، آندهای سرامیکی (مفتول مسی با پوشش سرامیک)، آندهای تیتانیمی با پوشش پلاتین و اخيرا آندهای تیتانیمی با پوشش اکسیدهای فلزی (MMO) سوق داده است.
استفاده از این نوع آندها، اطمینان طراحان را از عملکرد سیستمهای حفاظت کاتدی نصب شده افزایش داده و در نهایت رضایت کامل کارفرما را بهمراه داشته است. آندهای MMO دارای انواع و اشکال مختلفی بوده و در سازه های بتن مسلح شده (و اکثر صنایع بزرگ از قبیل لوله های کندانسور و …) به خوبی مورد استفاده قرار گرفته و کنترل و مانیتورینگ آنها نیز بسیار رضایت بخش بوده است. این آندها به شکلهای ورقه ای، سیمی، توری، میله ای و … تهیه و تولید می شوند. این آندها از یک مغزی تیتانیمی و یک پوشش اکسید فلزی تشکیل شده است. اکسید فلزی می تواند اکسیدهای ایریدیم (Ir O2)، تیتانیم (Ti02)، تانتالیم (Ta o2) و یا رتونیم (Ru O2) باشد. با توجه به نوع پوشش اکسیدی، آندها دارای خواص الکتروشیمیایی مختلف و دانسیته جریانهای متفاوتی می باشند.