مقدمة
تُصنع السفن البحرية وأنظمة أنابيب مياه البحر فيها أساسًا من الفولاذ، ومياه البحر لها قدرة عالية على تآكل الفولاذ. وبدون تدابير حماية فعّالة لألواح الهيكل وأنابيب مياه البحر، ستتعرض هذه المواد لتفاعلات كيميائية و/أو كهروكيميائية أثناء الاستخدام، مما يؤدي إلى التآكل، وبالتالي تقصير عمر السفينة بشكل كبير. تشمل طرق الحماية الشائعة حاليًا تطبيق طبقات مقاومة للتآكل أسفل خط الماء، وطلاء الأسطح الخارجية لأنابيب مياه البحر بطلاء مقاوم للصدأ، وتغطية الجدران الداخلية بطبقات رقيقة مقاومة للتآكل، أو استخدام بطانات مقاومة للتآكل.
ومع ذلك، عندما ترسو السفينة أو تغادر الرصيف، يحتك هيكلها حتماً بالرصيف والمصدات والقاطرات وما إلى ذلك، مما يتسبب في تلف طلاء الهيكل المقاوم للصدأ أو الطلاء المقاوم للتآكل؛ وعند إزالة الكائنات البحرية الملتصقة بالهيكل، قد يتضرر طلاء الهيكل المقاوم للصدأ أو الطبقة الواقية المقاومة للتآكل أثناء إزالة الكائنات البحرية؛ ويتعرض الهيكل وأنابيب مياه البحر للإجهاد الحراري والإجهاد الالتوائي وتقادم الطبقة الواقية وظهور ثقوب دقيقة في الطلاء؛ وأثناء عمليات الصيانة على أنابيب مياه البحر (خاصة عند استخدام اللحام الكهربائي)، تتلف الطبقات الواقية المقاومة للتآكل داخل الأنابيب وخارجها بسهولة؛ بالإضافة إلى ذلك، تتلامس شفرات الدفة والمراوح وأعمدة المراوح حتماً مع مياه البحر. ستؤدي هذه الأضرار والعيوب والتدمير في النهاية إلى اتصال مباشر بين الأجزاء المعدنية المكشوفة للسفينة ومياه البحر، مما يؤدي إلى تآكل كيميائي و/أو كهروكيميائي موضعي.
لمنع تآكل الهياكل المتضررة، وخطوط أنابيب مياه البحر ذات الطبقات الواقية الداخلية والخارجية المتضررة، بالإضافة إلى شفرات الدفة، والأعمدة، والمراوح، والأجزاء الأخرى الملامسة لمياه البحر، ولإطالة عمر خدمة السفينة، ظهرت أجهزة حماية السفن من التآكل مثل نظام الحماية الكاثودية بالتيار المفروض (ICCP)، وجهاز تأريض العمود، ونظام منع نمو الكائنات البحرية (MGPS).
التفاعلات الكهروكيميائية
عندما يتم وضع معدنين أو معادن تحتوي على شوائب في محلول إلكتروليتي (مياه البحر هي محلول إلكتروليتي)، فإن المعدن ذو النشاط الأعلى (الزنك Zn في الشكل أدناه) يميل إلى فقدان الإلكترونات، ويخضع للأكسدة، ويصبح مصعدًا مستهلكًا؛ أما المعدن ذو النشاط الأقل (الحديد Fe في الشكل أدناه) فيكتسب الإلكترونات، ويخضع للاختزال، ويصبح مهبطًا محميًا.
وفقًا للطرق المختلفة لتوفير التيار الكاثودي، تنقسم الحماية الكاثودية للسفن إلى طريقة الأنود التضحوي وطريقة التيار المفروض.
تعتمد طريقة الأنود التضحوي على توصيل معدن أكثر نشاطًا (مثل الألومنيوم أو الزنك) بالهيكل المعدني المحمي (مثل الفولاذ). ومن خلال الذوبان والاستهلاك المستمر للمعدن الأكثر نشاطًا، يتم توفير تيار وقائي للهيكل المعدني المحمي، وبالتالي حمايته.
لحماية الأنودات التضحية في السفن، تُركّب عادةً مجموعة من سبائك الزنك كأنودات تضحية على طول الجانب الخارجي للهيكل، بمحاذاة خط انسياب عارضة القاع، وصناديق صمامات مياه البحر، والقيعان المزدوجة، والمناطق الداخلية لحجرات الهيكل المزدوج، ومراوح الدفة. يُحسّن استخدام سبائك الألومنيوم من فعالية الحماية، ولكنه ممنوع في مناطق مثل غرف المحركات وخزانات وقود الشحن (بسبب احتمالية حدوث شرارات نتيجة فرق الجهد الزائد). يبلغ العمر الافتراضي للأنودات التضحية عادةً من سنتين إلى ثلاث سنوات، ويجب فحصها واستبدالها بالكامل خلال كل عملية صيانة دورية في الحوض الجاف.
تعمل طريقة التيار المفروض على عكس عملية التآكل الكهروكيميائي. فهي تُغير جهد البيئة المحيطة عبر مصدر طاقة خارجي، مما يُبقي جهد الجزء المراد حمايته أقل من جهد البيئة المحيطة، ليصبح بذلك بمثابة المهبط في البيئة بأكملها. وبهذه الطريقة، لا يتعرض الجزء المحمي للتآكل نتيجة فقدان الإلكترونات.
(صورة: الجزء المحمي - مياه البحر - الأنود المساعد)
نظام الحماية الكاثودية بالتيار المفروض (ICCP)
يعتمد نظام الحماية الكهروكيميائية بالتيار المستمر (ICCP) على مبدأ التآكل الكهروكيميائي لتحويل التيار المتردد الخارجي إلى تيار مستمر منخفض الجهد، ثم يُطبّق مقدارًا معينًا من التيار المستمر على هيكل السفينة عبر مصاعد مساعدة. عند توصيل الدائرة، يُستخدم مُقوّم أو مُنظّم جهد للحفاظ على جهد منخفض على هيكل السفينة. وبناءً على تغير جهد هيكل السفينة في مياه البحر، تُطلق الإلكترونات بشكل فعال لحماية الهيكل والدفة والمراوح وغيرها من التآكل: حيث يُطبّق المصعد المتصل بمصدر طاقة التيار المستمر الخارجي تيارًا مباشرًا على الهيكل المحمي، مما يُوفر باستمرار الإلكترونات لإثراء سطح الهيكل بها. ومن خلال التحكم في جهد الهيكل أو شدة التيار، يخضع الهيكل للاستقطاب الكاثودي (تحويل الهيكل بأكمله إلى مهبط). يُشكّل التيار حلقة مغلقة من المصعد المساعد عبر مياه البحر إلى الهيكل، مما يُثبّط بشكل فعال عملية التآكل والذوبان للمعدن على سطح الهيكل. وبالتالي، فإنه يقلل أو حتى يمنع تمامًا التآكل الكهروكيميائي للجزء المغمور من الهيكل، والذي يمكن أن يحل محل كتل الزنك أو الألومنيوم لجهاز الحماية الأنودية التضحية لحماية الهيكل.
بالإضافة إلى ذلك، يدخل التيار من جهاز الحماية الكاثودية إلى الدفة. ولمنع التآكل الناتج عن عودة التيار إلى المقوم عبر محمل الدفة، يتم توصيل شفرة الدفة بهيكل السفينة بواسطة كابل ثابت، وهو ما يُعرف بنظام تأريض شفرة الدفة.
تشمل المكونات الرئيسية لنظام الحماية الكهروكيميائية بالتيار المستمر (ICCP) صندوق التحكم الخاص به، ووحدة تغذية تيار مستمر ذكية، وأقطاب مساعدة تنقل التيار المستمر الخارج من وحدة التغذية إلى هيكل السفينة، وأقطاب مرجعية للمقارنة، وكابلات توصيل مناسبة، ومواد عازلة للحماية. وبالطبع، يُعدّ ماء البحر عنصرًا أساسيًا لتكوين حلقة عمل متكاملة.
تُركّب وحدة التحكم في نظام الحماية الكهروكيميائية (ICCP) عادةً في غرفة المحرك، وتحتوي على محوّل خافض للجهد، ومقوّم، وملف حث، وصمام أمان، ومفتاح، ومروحة تبريد، وشاشة عرض LCD. وتتمثل وظيفتها الرئيسية في مراقبة جهد الهيكل عبر قطب مرجعي، وإخراج كمية محددة من تيار التعويض المباشر إلى المصعد المساعد. يجب إجراء فحوصات يومية لجهد وتيار نظام الحماية الكهروكيميائية (ICCP) وتسجيلها، ويجب أن تتوافق جميع المعايير مع متطلبات دليل التشغيل.
يُستخدم حاليًا نوعان من مصادر التيار المستمر على نطاق واسع: المقومات ومنظمات الجهد. وتتمثل وظيفتها في توفير تيار ثابت بقيمة معينة وفقًا للتغيرات في مساحة الجزء المغمور من الهيكل، وجودة المياه، وما إلى ذلك. عندما لا تتغير مساحة الجزء المغمور من الهيكل وجودة المياه كثيرًا، يُستخدم عادةً مقوم يتم التحكم فيه يدويًا؛ أما عندما تتغير مساحة الجزء المغمور من الهيكل وجودة المياه بشكل متكرر، فيُستخدم عادةً منظم جهد يتم التحكم فيه تلقائيًا للتحكم في جهد الجزء المغمور من الهيكل ضمن نطاق جهد الحماية الأمثل.
يتكون المصعد المساعد من صفيحة معدنية خاملة (مثل التيتانيوم المطلي بالبلاتين، أو أكسيد معدني مختلط، إلخ) مثبتة في قاعدة عازلة، داخل حجرة عزل محكمة الإغلاق، مع توصيل الطرف الموجب بصندوق التحكم في نظام الحماية من التيار المتردد. وتتمثل وظيفته في نقل تيار التعويض الناتج من مصدر التيار المستمر إلى هيكل السفينة عبر مياه البحر، مما يحافظ على جهد الهيكل عند مستوى طبيعي، وبالتالي يوفر حماية فعالة للجزء المغمور من الهيكل ذي المساحة الكبيرة والتركيب المعقد.
يُستخدم قطب المقارنة لقياس جهد هيكل السفينة. وبناءً على نتائج القياس، يُرسل إشارات تحكم إلى المقوم أو جهاز قياس الجهد الكهربائي المُتحكم به تلقائيًا، ويُعدّل تيار الخرج من خلال المقارنة والرجوع إلى قطب المقارنة للحفاظ على هيكل السفينة في حالة حماية جيدة. يتأثر فرق الجهد بين قطب المقارنة وهيكل السفينة بعوامل عديدة، مثل ملوحة مياه البحر، وسرعة السفينة، ودرجة الحرارة، والتيارات البحرية. في حال تلف قطب المقارنة أو حدوث قصر في الدائرة الكهربائية، ستظهر رسالة خطأ على لوحة تحكم نظام الحماية من التيار الزائد.
كابلات التوصيل: يتدفق التيار من القطب الموجب لمحول التيار المستمر، ويمر عبر كابل الأنود إلى الأنود المساعد، ثم يصل إلى الهيكل المتضرر عبر مياه البحر، ويعود إلى القطب السالب لمصدر الطاقة من الهيكل عبر كابل الكاثود، مشكلاً حلقة عمل. وبالمثل، يتدفق التيار من القطب الموجب لمحول التيار المستمر، ويمر عبر قطب القياس المرجعي، ويعود إلى القطب السالب لمصدر الطاقة عبر كابل الكاثود.
يتم تركيب غلاف عازل حول المصعد المساعد لتحقيق عزل كهربائي كامل للهيكل، ومنع توليد تيار التآكل، وبالتالي حماية الهيكل من التآكل. أي أن الغلاف العازل يضمن عدم حدوث قصر في دائرة التيار الخارج من المصعد المساعد بالقرب منه، ووصوله إلى أجزاء أبعد من الهيكل.
إذا فشل نظام الحماية الكهروكيميائية بالتيار المستمر أو تم إيقاف تشغيله لفترة طويلة، فسيؤدي ذلك إلى تآكل شديد لألواح الهيكل (وخاصة اللحامات بين الألواح)، مما سيؤدي إلى تقصير عمر خدمة السفينة بشكل كبير.
لضمان حماية الهيكل بشكل دائم، يجب إبقاء مصدر الطاقة قيد التشغيل، وتشغيل النظام تلقائيًا، عادةً دون تعديل يدوي. مع ذلك، عند تعطل الوضع التلقائي (مثلاً، عند الحاجة إلى استبدال لوحة التحكم) أو عند دخول مناطق المياه العذبة، يجب تحويل النظام إلى الوضع اليدوي أو إيقافه. إيقاف النظام لبضع ساعات لا يؤثر بشكل كبير، ولكن إذا تم إيقافه لفترة طويلة، فسيستغرق بعض الوقت حتى يصل إلى حالة الحماية المثلى بعد إعادة تشغيله.
ستؤدي الصيانة الوقائية المنتظمة إلى إطالة عمر خدمة المعدات، وتقليل وقت إيقاف تشغيل النظام، والحد من تلف مكونات النظام؛ أثناء الإقامة في الميناء، افتح أغطية كابينة العزل الخاصة بالأنودات المساعدة وأقطاب المرجع (تأكد من عدم وجود ضغط مياه بالداخل) للتحقق من إحكامها مع الهيكل، ومنع تسرب مياه البحر أو تراكم التكثيف؛ إذا سمحت الظروف، قم بفحص الأنودات المساعدة وأقطاب المرجع والدرع العازل والظروف المحيطة بها بصريًا من الخارج.
أضف تعليقًا