حفاظت کاتدی کولینگ تاور بتنی

حفاظت کاتدی از روش‌های محافظت و ترمیم انواع کولینگ تاور بتنی و سازه‌های فلزی آن محسوب می‌شود. هنگامی که انواع برج‌های خنک کن بتنی (ساخته‌شده از بتن مسلح) در معرض محیط‌های عملیاتی سخت قرار می‌گیرند، خوردگی شدید آرماتورهای فولادی تعبیه شده، می‌تواند در آن‌ها ایجاد شود. اتفاقی که منجر به لایه‌برداری و پوسته پوسته شدن سطوح و اجزای برج خنک کننده بتنی می‌گردد. به‌ دلیل اندازه، هندسه و محدودیت‌های عملیاتی، تعیین وضعیت برج‌های خنک کن می‌تواند چالش برانگیز باشد. با این حال، ارزیابی دقیق دانش حیاتی را برای اطمینان از سلامت ساختاری آن‌ها فراهم می‌کند. بنابراین، تعمیر و نگهداری و تعمیرات می‌تواند برای به حداکثر رساندن عمر مفید برنامه‌ریزی شود.

برای بررسی ابعاد دقیق‌تر این نوع محافظت‌ها، در ادامه به سراغ یک نمونه‌ی عینی و پیشرفته خواهیم رفت. برج‌های موجود در نیروگاه برق منطقه آتلانتیک، از نمونه‌هایی هستند که بمنظور بهبود ساختار، در آن‌ها از شیوه حفاظت کاتدی (cp و iccp) استفاده شده است.

معرفی برج خنک کننده بتنی نیروگاه برق آتلانتیک

در یک نیروگاه برق در منطقه آتلانتیک میانی ایالات متحده، دو برج خنک کننده بتنی طبیعی با بدنه هذلولی بتن آرمه و با طراحی یکسان (واحد 3 و واحد 4)، در حل فعالیت هستند. این دو کولینگ تاور بتنی به طور متناوب برای برآورده کردن نیازهای شبکه انرژی اوج، کار می‌کنند. هر برج جزء اصلی یک سیستم خنک کننده آب با چرخه بسته است که آب فرآیندی شور را از رودخانه مجاور می‌گیرد.

برج قدیمی‌تر از دو برج که به واحد شماره 3 خدمات می‌دهد، در سال 1974 ساخته شد. بهره برداری از این کولینگ تاور بتنی، یکسال پس از شروع و در سال 1975 صورت پذیرفت. سیستم کولینگ دوم نیز در خدمت واحد شماره 4، در سال 1975 ساخته شد و در سال 1981 به بهره‌ برداری رسید. هر دو برج خنک کننده بتنی ارتفاعی در حدود 122 متر دارند. همراه با اتصالات ساختمانی افقی که در هر 5 فوت (1.5 متر) افزایش می یابد. 70 “بالابر” قابل شناسایی نیز در این مجموعه‌ها تشکیل یافته‌اند.

ابعاد ساختاری برج خنک کننده بتنی نیروگاه آتلانتیک

ضخامت پوسته هر برج در امتداد ارتفاع خود حدود 8 اینچ (203 میلیمتر) است. لازم به ذکر است که ضخامت آن‌ها در پنج بالابر در پایین، به تدریج افزایش می‌یابد تا یک تیر حلقه‌ای به ضخامت 36 اینچ (914 میلیمتر) تشکیل گردد. همچنین در سه بالابر نیز در در قسمت بالا، یک قرنیز ضخیم 26 اینچی (660 میلیمتری) تشکیل می‌شود.

سطوح داخلی و خارجی پوسته‌های بتنی هر کدام با یک تشک با میله‌های تقویت شده فولادی که به‌صورت عمودی و محیطی، اجرا می‌شوند، تقویت شده‌اند. از گلوی برج به سمت بالا، میلگردهای تقویت کننده (معمولاً 5 میلگرد با قطر 16 میلیمتر) هستند که در هر جهت بین 12 تا 16 اینچ (305 تا 406 میلیمتر) در مرکز قرار دارند. حجم فولاد تقویت‌کننده به سمت پایه برج‌ها افزایش می‌یابد. جایی که میلگردهای قطر 22 میلیمتر و میلگردهای قطر 25 میلیمتر، به ترتیب به‌طور عمودی در فاصله 5 اینچ (127 میلیمتر) در مرکز و بصورت محیطی در فاصله 6 اینچ (152 میلیمتر)، قرار گرفته‌اند.

پوشش پوسته‌ای و اسمی بتنی روی آرماتورهای ضخامت 2 اینچ (51 میلیمتر) دارد. این پوسته توسط 32 ستون X بتن آرمه پیش‌ساخته با ارتفاع 60 فوت (18 متر) با سطح مقطع 20 در 33 اینچ (508 در 838 میلیمتر) پشتیبانی می‌شود. (حاوی 16 میلگرد عمودی)

آسیب‌های برج خنک کننده بتنی آتلانتیک

اواسط دهه 1980، ابتدا تخریب بتن در سطح خارجی پوسته برج خنک کننده بتنی واحد شماره 3 مشاهده شد. با گذشت زمان، فرسودگی بتن در برج‌های خنک کن برای هر دو واحد 3 و 4 پیشرفت کرد. آسیب‌ها شامل:

• نواحی وسیع لایه لایه شدن و پوسته پوسته شدن بتن در قسمت‌های خارجی پوسته،
• لایه لایه شدگی بتن در قسمت‌های داخلی پوسته
• و ترک خوردگی و رنگ آمیزی خوردگی در ستون‌های X

مشاهده شده بود. بمنظور محدود کردن خطر ریزش بتن فرسوده از پوسته‌ها، مالک چندین بار از یک پیمانکار برای حذف بتن لایه لایه سست از برج‌ها استفاده نمود. علاوه بر این، زوال قابل مشاهده در 30 ستون از 32 ستون X یافت شد. نیمه پایینی ی X (زیر پرکننده) مقدار بیشتری از تخریب را نشان می‌دهند. تخریب‌ها و آسیب‌هایی که عمدتاً شامل ترک‌های طولی در گوشه‌ها می‌شد که با لایه‌ برداری بتن پوششی ناشی از خوردگی آرماتورهای فولادی تعبیه‌شده، همراه بود.

نکته: منظور از ستون‌های X در برج خنک کن هذلولی بتنی، ستون‌های زیر پرکننده است. ستون‌های اصلی ضربدری که بار نگهداری پوسته و ساختار را به دوش می‌کشند.

ارزیابی شرایط کولینگ تاور بتن مسلح

ارزیابی‌های چندگانه شرایط در سال 2006 برای مشخص کردن مکانیسم‌های زوال و تعیین یکپارچگی ساختاری دو برج و همچنین توسعه برنامه‌های تعمیر برای برآورده کردن عمر مفید 25 ساله مالک، انجام شد. ارزیابی‌های برج‌ها شامل بازرسی‌های بصری از درجه، راهروها، نردبان‌های برج، قرنیز و حوض بود. بازرسی‌های عملی نیز از مراحل نوسانی و بالابرهای هوایی انجام شد. طی این بازرسی‌ها، آزمایش‌های غیرمخرب (NDT) مانند صدای چکش، قرائت پوشش و خوانش پتانسیل نیمه سلولی انجام شد. پنجره‌های بازرسی در مناطق موردنظر در بتن ساخته شد و نمونه‌های هسته برای آنالیز پتروگرافی و آزمایش محتوای کلرید استخراج شد.

نتایج ارزیابی سال 2006، مناطق وسیعی از بتن پوسته شده را در سراسر سطح بیرونی پوسته واحد شماره 3، نشان داد. میزان پوسته شدن البته در یک سوم بالایی برج‌ها بیشتر بود. لایه ‌برداری‌های شناسایی‌ شده در سطح داخلی پوسته توسط NDT نیز عمدتاً در یک سوم بالایی پوسته قرار داشتند. لایه‌هایی که نشان داد خوردگی در سطح داخلی پوسته بیشتر رخ می‌دهد. نتایج آزمایش‌های نیمه سلولی انجام شده در سطح داخلی پوسته بالای گلوی برج (بالابرهای 48 تا 68) از 0.02 تا 0.61- ولت در مقابل الکترود سولفات مس/مس (Cu/CuSO4) (CSE) متغیر بود. مقداری خوردگی فعال نیز در قسمت بالایی برج شناسایی شد.

نمونه‌های بتنی از برج خنک کننده بتنی موردنظر، مورد آزمایش آزمایشگاهی قرار گرفتند. درنتیجه نتایج آزمایشگاهی، نفوذ کلرید قابل توجهی به عمق فولاد تقویت کننده را نشان داد. سطح کلرید معمولاً در قسمت بالایی کولینگ تاور بتنی بالاتر بود. یعنی تا 11 برابر بیشتر از غلظت آستانه خوردگی در سطوح داخلی و خارجی پوسته و به‌ ترتیب تا 3 و 6 برابر بیشتر از غلظت آستانه در عمق.

تقویت برج خنک کن با شیوه حفاظت کاتدی کولینگ تاور بتنی

تا سال 2010، مقدار بتن پوسته پوسته‌ شده در قسمت بیرونی پوسته افزایش یافته بود. اما چشمگیرترین تغییر، افزایش قابل توجه لایه‌ برداری‌ها در سطح داخلی پوسته بود که نشان‌ دهنده‌ی افزایش سرعت آسیب‌های ناشی از خوردگی بود. این نرخ رشد بالای لایه لایه شدن بتن، خطر قابل توجهی برای یکپارچگی سازه برج خنک کننده بتنی بشمار می‌رفت؛ زیرا پایداری سازه و استحکام پوسته کولینگ تاور، به دست نخورده بودن ضخامت دیواره بتنی بستگی دارد. بنابراین فولاد تقویت‌کننده، قادر به مقاومت در برابر تنش‌های کششی داخل صفحه و همچنین مقاومت بیرونی پوسته است.

از آنجایی که لایه برداری در بخش بالایی پوسته برج منجر به تخریب گسترده داخلی و آسیب‌های خارجی بتن شده بود، مالک تصمیم به تخریب و بازسازی یک سوم بالای پوسته برج خنک کننده بتنی را گرفت. خرابی بتن در زیر گلویی، شدیدتر بود و تعمیرات بتن سازه‌ای انتخاب شد. تعمیراتی که شامل ترمیم موضعی بتن (با عمق جزئی در داخل و خارج پوسته) و برخی تعمیرات ضخامت کامل دیوار بود. ستون‌های X در این مراحل، نیازی به تعمیر نداشتند. طبق ارزیابی مجدد، دو عنصر ساختاری مهم‌تر برای محافظت، تشخیص داده شدند:

• کاهش خوردگی فولاد تقویت‌کننده؛ برای کل پوسته و
• ی X؛ برای محافظت در برابر خرابی آینده و حفظ یکپارچگی ساختاری برج.

بنابراین یک سیستم حفاظت کاتدی هیبریدی (CP) متشکل از هر دو CP گالوانیکی و CP جریان تحت تاثیر (ICCP) بر روی کولینگ تاور بتنی نصب شد. برای پوسته، ICCP انتخاب شد. زیرا سطوح ولتاژ در مکان‌های مختلف روی پوسته بزرگ را می‌توان در طول عمر سیستم CP کنترل کرد. بدلیل آنکه ی X در معرض یک محیط مرطوب و طیف وسیعی از دمای سرویس (از -20 تا 50 درجه سانتیگراد) قرار دارند، حفاظت کاتدی گالوانیکی برای محافظت از آن‌ها انتخاب شد؛ زیرا اجزای آن توانایی مقاومت در برابر محیط خشن را دارند.

شیوه حفاظت کاتدی کولینگ تاور بتنی چیست؟

حفاظت کاتدی کولینگ تاور بتنی تکنیکی برای کنترل خوردگی سطح فلز است. طی این شیوه، با تبدیل فلزات به عنوان کاتد، یک سلول الکتروشیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. ساده ترین روش برای اعمال CP با اتصال فلزی است که قرار است با فلز دیگری که به راحتی خورده می‌شود، محافظت شود تا به عنوان آند سلول الکتروشیمیایی عمل کند. اصولاً حفاظت کاتدی را می‌توان برای هر ساختار فلزی در تماس با الکترولیت حجیم اعمال کرد. اگرچه عملاً کاربرد اصلی آن برای محافظت از سازه‌های فولادی مدفون در خاک یا غوطه‌ور در آب است؛ سازه‌هایی همچون برج خنک کننده هذلولی بتنی.

سیستم‌های حفاظت کاتدی برای حفاظت از طیف وسیعی از سازه‌های فلزی در محیط‌های مختلف استفاده می‌شوند. رایج‌ترین برنامه‌های کاربردی مربوط به این شیوه محافظتی عبارتند از:

• خطوط لوله آب و سوخت،
• مخازن ذخیره سازی کشتی‌ها و قایق‌ها،
• سکوهای نفتی فراساحلی
• روکش چاه نفت
• طراحی حفاظت کاتدی
• سازه‌های فلزی درون برج خنک کننده بتنی

بکارگیری شیوه حفاظت کاتدی کولینگ تاور بتنی، از خوردگی جلوگیری می‌کند. بنابراین امکان استفاده از ضخامت‌های فلزی نازک‌تر را فراهم می‌کند و همچنین می‌تواند در طول عمر عملیاتی یک دارایی استراتژیک زیرزمینی، بسیار مقرون به صرفه باشد. هنگام طراحی یک سیستم حفاظت کاتدی (Cathodic protection) جدید، بایستی به پارامترهای زیر توجه داشت:

• تعیین توجیه اقتصادی برای پروژه
• مشخصات پروژه
• دستورالعمل‌های ملی و بین المللی
• مذاکره با مالکان، ارگان‌های عمومی یا سایر طرف‌های ذینفع
• نوع شیوه (جریان گالوانیکی یا تحت تاثیر)
• تقاضای فعلی و نیازهای عرضه برق
• تعداد و محل آندها یا یکسو کننده‌های ترانسفورماتور
• الزامات نظارت

سیستم ICCP در کولینگ تاور بتنی آتلانتیک

سیستم ICCP مورد نظر برای تقویت دو برج خنک کننده بتنی نیروگاه برق آتلانتیک امریکا، از 48 منطقه مجزا تشکیل شده است. هریک از این نواحی، به طور مساوی در اطراف پوسته برج در شش پشته عمودی از هشت منطقه توزیع شده است. هر منطقه دارای چهار الکترود مرجع است که در مجموع، 192 الکترود مرجع برای کل پوسته موجود می‌باشد.

سه ناحیه پایینی، پایه بتنی ضخیم و قوی پوسته دارای آند لوله سرامیکی ساب اکسید تیتانیوم است. همچنین سه ناحیه بعدی از آندهای مش نواری اکسید فلزی مخلوط (MMO) استفاده می‌کنند. تزریق این آندها در شکاف‌های بریده شده در سطح خارجی انجام شده است. این شکاف‌ها برای محافظت از ارتفاع ترمیم شده‌ی پوسته موجود، بین لایه‌های تقویت کننده‌ی قسمت بازسازی قرار گرفته‌اند. در هر پشته عمودی، اجزایی نظیر:

• یک کابینت یکسو کننده؛ شامل هشت منبع تغذیه مستقل ترانسفورماتور
• یکسو کننده جریان مستقیم (DC)؛ برای هر منطقه یک عدد
• و یک واحد نظارت از راه دور (RMU)

می‌باشد که داده‌های الکترود مرجع را به‌ همراه ولتاژ DC، نظارت و ثبت می‌کند. جریان هر مدار مجزا، در راهروی سایبان قرار دارد. واحد نظارت از راه دور (RMU) را می‌توان توسط نرم افزارهای مبتنی بر وب برای اندازه گیری ولتاژ، جریان و پتانسیل‌ها و همچنین انجام تست واپاشی قطبی کنترل کرد.

سیستم حفاظت کاتدی کولینگ تاور بتنی

رسیدگی به وضعیت مقاوم سازی ستون‌های 2 برج خنک کننده بتنی نیروگاه برق آتلانتیک، امری بسیار واجب بود. سیستم CP گالوانیکی در ی X از ژاکت‌های گالوانیکی استفاده می‌کند. ژاکت‌های گالوانیکی حاوی آندهای روی فعال‌شده با عناصر قلیایی هستند که با ملات سیمان در قالب‌های پلیمری تقویت‌شده با الیاف، در محل نصب شده‌اند. آندهای گالوانیکی موردنظر، اساساً به عنوان یک باتری کم ولتاژ عمل می‌کنند. زیرا قادرند جریان حفاظتی را برای فولاد تقویت کننده‌ی ستون‌ها تامین نماید. همچنین این ژاکت‌ها برای ایجاد حفاظت طولانی مدت در برابر خوردگی، نیازی به نگهداری یا نظارت ندارند.

با این حال، چهار مورد از 32 ستون X، با الکترودهای مرجع دی اکسید منگنز سیم‌کشی شدند. چنین اقدامی به منظور نظارت بیشتر صورت گرفت و داده‌های خوبی را برای ارزیابی عملکرد کلی سیستم CP گالوانیکی به‌دست داد. به همین دلیل، جعبه‌های مانیتورینگ در پایه پوسته برج نصب شده بودند تا به راحتی از راهروی سایبان قابل دسترسی باشند.

این سیستم در مارس 2017 روشن شد. تنظیمات پس از فرآیندهای دو هفته‌ای، سه ماهه و شش ماهه انجام شد. همچنین آزمایشات، تنظیمات و بازرسی‌های بیشتر، هر شش ماه یکبار انجام می‌شود. مجموعاً بایستی گفت که:

بیش از 6 مایل (9.7 کیلومتر) آند توری نواری و بیش از 4300 آند لوله‌ای سرامیکی مجزا در پروژه بهبود وضعیت برج خنک کننده بتنی نیروگاه برق آتلانتیک به شیوه حفاظت کاتدی (CP) نصب شد. مواردی که نتایج و تعمیرات بسیار مثبتی را برای پروژه به ارمغان آورد.

معایب برج خنک کننده بتنی

قطعاً این سوالات ذهن هر کارفرمای صنعتی را به خود مشغول می سازد: 1) چرا بسیاری از کارشناسان ساخت کولینگ تاورهای بتنی را پیشنهاد نمی‌کنند؟!. 2) دلیل توجه به مباحث حفاظت و نگهداری مداوم در سیستم‌های کولینگ بتن مسلح چیست؟!. 3) و اصولاً چه پارامترهای منفی در رابطه به این تجهیزات وجود دارد؟. برای پاسخ به سوالات عنوان‌شده‌، توجه به فاکتورهای زیر الزامیست:

• هزینه‌های ساخت و نگهداری: هزینه‌های طراحی، احداث و همچنین نگهداری و تعمیر این تجهیزات بالاست. (گرچه بلحاظ عدم نیاز به تعمیر و مقاومت محیطی، سرآمد هستند)
• هزینه‌های گودبرداری و پی: وزن این تجهیزات بسیار سنگین است. لذا نیاز به حفر فونداسیونی قدرتمند دارند تا بتواند سازه‌های سنگین بتنی کولینگ تاور را تحمل کرده و فرو ننشیند.

• زمان ساخت: قطعاً بدلیل خشک شدن مرحله به مرحله‌ی بتن‌های تزریقی به پوسته، کف و جداره‌ها، ساخت این تجهیزات زمانبر خواهد بود.
• مقاومت بدنه: متریال بتن، بسیار در برابر ضربه مقاوم است. اما ضعف شدید در برخورد با سیالات اسیدیته، شیمیایی و کلریته از خود نشان می‌دهد. همچنین درصورت وقوع آتش نشانی و پس از استفاده از تجهیزات اطفای حریق، متریال بدنه بلحاظ استحکام، شدیداً افت می‌کند.
• شرایط محیطی: دارای ضعف مفرطی برای استفاده در مناطق مرطوب است.
• عدم جابجایی: انواع برج خنک کننده بتنی را نمی‌توان پس از ساخت، به مکان دیگری منتقل نمود. بنابراین ساخت این سیستم‌های کولینگ، یکبار برای همیشه صورت می‌پذیرد.
• فاقد قابلیت گسترش پذیری: احداث این تجهیزات بایستی با حساسیت و دقت بالایی انجام شود. زیرا پس از اجرا و بهره‌برداری، امکان اضافه سازی قطعات در جهت تغییر کارایی و ظرفیت، وجود ندارد.

مهتاب گستر؛ تولیدکننده برج خنک کن بتنی باکیفیت

شرکت مهتاب گستر با توجه به قرارگیری در جایگاه تخصصی‌ترین شرکت‌های طراحی و تولید انواع برج‌های خنک کن، مفتخر است که در بسیاری از پروژه‌های موفق و بزرگ کشور عزیزمان ایران حضور داشته است. لذا با توجه به  ویژگیهایی نظیر:

• تنوع تولید،
• کیفیت و تجربه بالای مهندسین فنی،
• تضمین کیفیت محصولات خود و
• قابلیت طراحی دقیق بر اساس نیازها،

حتماً پیش از هرگونه خرید نهایی، به جهت دریافت اطلاعات تخصصی و آخرین قیمت انواع کولینگ تاور، پکینگ برج خنک کننده بتنی، الکترموتور، نازل برج خنک‌کن و… با مشاوران زبده‌ی گروه صنعتی مهتاب گستر تماس بگیرید.