الحماية الكاثودية Cathodic Protection - نظام أنودات الآبار العميقة DEEP WELL ANODE SYSTEM

بسم الله الرحمن الرحيم

الحماية الكاثودية Cathodic Protection - نظام أنودات الآبار العميقة  DEEP WELL ANODE SYSTEM

الحماية الكاثودية Cathodic Protection

نظام أنودات الآبار العميقة  DEEP WELL ANODE SYSTEM

تصميم النظام SYSTEM DESIGN

نظرة عامة

يتناول موضوعنا تقنية تصميم نظم اﻷنودات العميقة لسهولة انشائها وتركيبها وموثوقية تشغيلها.

وقد استخدمت أحواض (أسرة الأرضي) ذات اﻷنودات العميقة في نظم الحماية الكاثودية لحماية خطوط الأنابيب وقيعان (أرضية) الخزانات و صهاريج تخزين النفط ، وبطانة الآبار وغيرها من الهياكل الحديدية المدفونة.

 لتطبيقات و ممارسات و تصميم وتركيب أنظمة اﻷنودات الآبار العميقة الصحيحة أثرا كبيرا على عمر و حياة والأداء للهياكل المعدنية.

 تتكون تصاميم اسرة الأرضي ذات اﻷنودات التقليدية العميقة عادة من أنودات فردية منفصلة متعددة في ردم الكوك coke backfill.

تقدم منظومة الأنودات السلكية    wire anode systems فوائد إضافية للعديد من التطبيقات وسنناقشها بالتفصيل فيما بعد.

في نظم الآبار العميقة مع نواتج Output حوالي او تحت 75 أمبير ، فأن نظم الأنودات السلكية continuous wire anode systems توفر أكبر قدر من القيمة ، من تلك الأنظمة العميقة التقليدية مع حد كبير وعالي من تيار الخرج ، من تلك التقليدية التي غالباً ما تكون متعددة اﻷنودات ,, وفعليا سيتم التركيز على تصميم نظام اﻷنودات العميقة.

سيغطي موضوعنا تحديد التيار المطلوبة لحماية هيكل محدد ، وتقييم المواقع الأسرة الأرضية ، وتقييم التداخل evaluating interference ، وتحديد تيار التوهين determining current attenuation ، وتحديد إمدادات الطاقة selecting power supply ، وما إلى ذلك ، والتي تكون كافة المسائل الهامة المتعلقة بالتصميم ، ومع ذلك ، فهي خارج نطاق هذا الهدف من الموضوع ,,, فالغرض من هذا الموضوع هو لمناقشة القضايا التقنية المتصلة بصورة مباشرة في تصميم نظام اﻷنود.

هناك ثلاث قضايا مفتاحية مترابطة تحكم الأداء عند تصميم/تقييم أسرة الأرضي العميقة deep well ground bed:

1.   مقاومة السرير الأرضي – تصمم نظم الأنود العميقة عموما لتكون مقاومتها  1 أوم أو أقل.

هناك عدة عوامل تؤثر على مقاومة سرير الأرضي بما في ذلك استهلاك اﻷنود anode consumption ، و نوعية عمود الكوك coke column quality ، مقاوميه التربة soil resistivity  وطول المنطقة النشطة active area length.

فمقاومة السرير الأرضي غالباً ما تتغير بمرور الوقت.

2.   خرج السرير الأرضي Ground bed output – فخرج التيار عامل من عوامل القدرة المتاحة كالجهد المطبق ومقاومة الدائرة (قانون أوم V = IR).

مع مرور الوقت، وتغيرات مقاومة السرير الأرضي ، فأن خرج التيار يتناقص ما لم يتم زيادة و رفع للجهد المطبق.

3. عمر النظام – لأسرة الأرضي العميقة عمر تصميمي ولديها عمر تشغيلي فعلي.

للعمر التصميمي عادة قيمة محسوبة استناداً إلى كمية اﻷنود المثبت anode installed والوقت المطلوب لاستهلاك اﻷنود المتاح في التيار حسب التصميم the time required to consume the available anode at the design current.

الحياة الفعلية (التشغيلية) للنظام يمكن أن يتجاوز الحياة التصميمية في بعض الحالات ، أو قد تكون أقل بكثير من الحياة التصميم ، نتيجة لسوء التصميم ، حيث ان الفشل السابق لأوانه قد يكون بسبب تشييد غير سليم أو صحيح ولائق ،،، أو بسبب تشغيل النظام بطريقة تتجاوز معايير التصميم الأصلي لها.

المسائل المتعلقة بتصميم نظام اﻷنود Anode System Design Issues

تكوين الثقب (البئر) Hole Configuration -  يتكون نظام الأنودات العميقة من منطقتين :

·      منطقة نشطة the active area ، وهي التي تمتد من الجزء السفلي من الحفرة إلى الجزء العلوي من العمود فحم الكوك.

·      المنطقة غير نشطة the inactive zone.

عادة تكون المنطقة الغير نشطة من 50 قدم إلى 100 قدم ( 15 متر إلى 30 متر) والغرض من ذلك هو للتأكد أن (الأنودات anodes) بعيدة بما فيه الكفاية من الهيكل the structure لضمان التوزيع الجيد للتيار.

أما المنطقة النشطة فهي حيث توجد (الأنودات anodes).

وهناك عدة اعتبارات عملية تؤثر على تحجيم المنطقة النشطة.

·      أولاً وقبل كل شيء ، طول المنطقة النشطة له أثر كبير على مجمل مقاومة السرير الأرضي.

تستخدم معادلة دوايت Dwight’s Equation   وهي لتقريب مقاومة السرير الأرضي الرأسية the resistance of a vertical ground bed.

العاملين الأساسين في المعادلة هما:

·      طول المنطقة النشطة من السرير الأرضي ground bed active area length  (L)

·      مقاومية التربة soil resistivity  (؟).

بينما قطر الحفرة The hole diameter (r) فله فقط قيمة اسمية a nominal affect تؤثر على مقاومة السرير الأرضي ground bed resistance (RA).

المعادلة

·      العامل الحاسم الثاني و يملي على طول المنطقة النشطة هو تيار الخرج  current output ، الذي بدوره يحدد عدد (الأنودات anodes) المطلوبة.

فكلما كان ارتفاع التيار مطلوبا فسنحتاج الى أنودات أكثر مما هو مطلوب وبالتالي بعد طول المنطقة النشطة المطلوبة.

فمعادلة دوايت تستند إلى عدة افتراضات كاذبة Dwight’s equation is based on several false assumptions – وهي:

1- ان السرير الأرضي يمثل قضيب عمودي واحد طوله يساوي طول العمود الكوك النشطة the active length of the coke column  .

2- أن مقاوميه التربة ثابت the soil resistivity is a constant على طول المنطقة النشطة.

ومع ذلك ، فأن معادلة دوايت Dwight’s equation هي أداة جيدة إلى حد معقول لتقريب مقاومة السرير الأرضي لنا.

تكوين اﻷنود Anode Configuration

لاختيار نوع اﻷنود اعتبار هام.

هناك نوعان أساسيان من اﻷنودات العميقة:

1.  الأنودات غير الظاهرة Discreet Anodes

هذا التكوين هو لأنودات فردية متعددة متباعدة داخل المنطقة العميقة النشطة.

الأنودات يجب أن تكون متباعدة بما يكفي لمنع الآثار واجهة اﻷنود المتبادلة (التداخل) – عادة كحد أدنى  تكون 10 أقدام (3 متر).

اما عدد الأنودات المطلوبة بالضبط فهذا مرتبط بنوع اﻷنود ، وحجم ، ومتطلبات الخرج ، و العمر المصمم له النظام .

فإنه ليس من غير المألوف أن يكون عدد الأنودات المتفرقة discreet anodes من 10 إلى 15 في تصميم لنظام بئر عميق جيد.

2.  مجموعة الأنود المستمر Continuous Anode Assembly

   يستخدم نظام اﻷنود ، أنود سلكي مستمر wire anode  بدلاً من الأنودات فردية متعددة multiple individual discreet anodes.

يتم تغذية مجموعة اﻷنود سلكي المستمر من كابلين اثنين ، واحد في كل نهاية (طرف).

و بالإضافة إلى ذلك ، هناك كابلات العبور jumper cables  لكل عشرة أقدام التي تكون متصلة بسلك اﻷنود من المصنع لخلق تأثير سلسلة موازية factory connected to the wire anode creating a series parallel effect ،، وهذا التكرار يوفر الكهرباء  electrical redundancy  في حالة حدوث أي فشل في اﻷنود أو في الكابل.

وكما أيضا يقلل من هبوط الجهد على طول اﻷنود من جراء IR drop along the length of the anode ، ويؤكد أن التيار يوزع بالتساوي على عنصر اﻷنود.

اختيار مادة اﻷنود Anode Material Selection

هناك مجموعة من المواد اﻷنود متوفرة للاستخدام في تطبيقات الآبار العميقة:

الجرافيت Graphite

"أقطاب الجرافيت Graphite anodes " وهي قد استخدمت منذ الأربعينات من القرن الماضي ، ويظل اﻷنود المفضل للعديد من العملاء ،،،  فهو كمنتج يمكن الاعتماد عليه اعتماداً على التصميم والظروف البيئية ، وهو ذو معدل استهلاك عالي نسبيا من اثنين رطل (باوند) أمبير سنوياً (2 lb/A.yr.)   وعلى أساس تكلفة أمبير/سنة  وهي تعتبر  من أغلى  الاختيارات لأنواع الأنودات.

هذا وان أقطاب الجرافيت متاحة عادة في اثنين من الأحجام القياسية لتطبيقات الآبار العميقة :

·      الحجم 3”x 60”  وزنها الإسمي 28 رطلا.

·       الحجم 4"x80"  وزنها الإسمي 66 رطلا . 

أنودات حديد الزهر عالي السيليكون High Silicon Cast Iron (HSCI)  استخدمت أنودات حديد الزهر عالي السيليكون HSCI anodes  منذ الخمسينات للقرن الماضي ، وهي أيضا لها شعبية كبيرة في نظم الأنودات الآبار العميقة.

وهي ذات استهلاك يعادل حوالي نصف معدل استهلاك أقطاب الجرافيت (1 lb/ A.yr) وهي تتوفر عادة في أطوال 60 " و 84" مع طائفة واسعة من أقطار المتاحة مع اختلاف الكتلة والعمر التشغيلي.

مخاليط أوكسيد المعادن Mixed Metal Oxide (MMO)

وقد استخدمت أنودات مخاليط أوكسيد المعادن منذ التسعينات.

الـ MMO هو طلاء من أكاسيد الأرضية النادرة على ركاز تيتانيوم

MMO is a coating of rare earth oxides over a titanium substrate وأحياناً تسمى أنودات التيتانيوم المنشط.

وهي على العكس من أنودات الجرافيت و أنودات حديد الزهر عالي السيليكون HSCI ، فأن أنودات مخاليط أوكسيد المعادن MMO  هي أنودات مستقرة الأبعاد وهي لا تستهلك إلا بمعدل رطل (باوند) أمبير سنوياً ولكن بدلاً من ذلك تعمل كمحفز بمعدل استهلاك ملغ/أمبير.سنة mg/A.yr .   

ان أنودات MMO قادرة على التشغيل في أعلى كثافات التيار ،،،و هي أيضا أخف وزنا من الأنودات التقليدية وكذلك هي سهلة التثبيت ،، وهي متوفرة ومتاحة على شكل اسطواني أنبوبي وسلكي  tubular and wire  وهي مناسبة جدا للمنشآت الآبار العميقة.

عمود فحم الكوك Coke Column

يلعب العمود الكوك دوراً حاسما في أداء نظام اﻷنودات الآبار العميقة . وكما لوحظ سابقا ، فان المقاومة للسرير الأرضي هو تقريب لمعادلة دوايت على أساس الافتراض بأن السرير الأرضي الكامل عمود مفرد باستخدام قضيب (رود).

وضع الأنودات في وضع عمودي في ردم الكوك ذو المقاومة المنخفضة يسمح بتصريف التيار من الأنودات والسفر بالتحرك إلى أعلى وأسفل العمود.

من الناحية النظرية وهذا يجعل المنطقة النشطة بأكملها كأنود مفردة.

يتم اختيار ردم الكربون النموذجي التي يشيع استخدامها في تصاميم التقليدية في اسرة الأرضي الضحلة المنخفضة التكلفة.

فهي تميل إلى أن تكون بأحجام جسيمات كبيرة نسبيا وذات كثافة أكبر على نحو 60 رطلا/قدم مكعب .

بينما في أسرة الأرضي العميقة ، يجب استخدام ردم كورك أعلى جودة معد خصيصا لتطبيقات الآبار العميقة ويكون ذو كثافة أكبر على نحو 74 رطل/قدم مكعب مما يدل على أن حجم الجسيمات تكون أصغر وأكثر اتساقا.

أحد الأسباب الشائعة لفشل سابق لأوانه لنظام اﻷنود العميق هو ان عمود كوك تكون قد شكلت بشكل سيئة.

نوعية وكثافة فحم الكوك هي احد العوامل الحاسمة التي يمكن أن تؤثر على نوعية العمود فحم الكوك.

انشاء عمود الكوك Installation of  coke column

كيف يتم تثبيت عمود الكوك الذي أيضا يؤثر في الأداء وحياة/عمر  السرير الأرضي.

صب المساحيق الجافة الى أسفل الحفرة بصورة مستعجلة و سريعة ، لا يشجع على توفير عمود كوك بجودة عالية ويمكن ذلك أن يؤدي إلى تشكيل فجوات هوائية ، و فراغات.

لذا الأسلوب المفضل للتثبيت هو استخدام الكوك الجيد وذو الجودة الأعلى والمصمم ليخلط بالماء fluidized وليضخ الى أسفل الحفرة ويملئها من الأسفل الى الأعلى.

ان كثافة أعلى، يعني ان حجم الجسيمات اصغر كثيرا وأقل بكثير من الفراغات والفجوات الهوائية.

وبالإضافة إلى ذلك، هذا يساعد على منع غسيل عمود الكوك prevent washing out of the coke column  ويعزز المقاومية لعمود الكوك  أكثر اتساقا ، وانخفاض.

تجميع انابيب التنفيس Vent Pipe Assembly  

واحدة من خصائص نظم اﻷنود العميقة هي أن تعمل نواتج عالية نسبيا – وهي مصممة لتوفير الكثير من التيار على امتداد منطقة واسعة.

واحدة من ردود الفعل المحتملة التي تحدث في اﻷنود هو تولد غاز الكلورين الناتج من الانحلال الطبيعي للأملاح الموجودة في التربة.

كمية غاز الكلور هي دالة مرتبطة بكثافة التيار – ارتفاع التيار يدعو الى توليد و تصريف غاز كلور أكثر.

يعمل غاز الكلور هجمات على عزل الكابل ، وفي نهاية المطاف سوف يشكل قوة تفاعل مع النحاس في كابلات النظام ، ولهذا السبب في نظم اﻷنودات العميقة يجب توفير انابيب للتنفيس ، الذي يتركز في عمود الكوك في المنطقة النشطة، وبذلك يسمح لأي كمية من غاز الكلور تكون قد شكلت في اﻷنود للتنفيس و التحرر الى الغلاف الجوي في المحيط الخارجي .

 وبدون أنبوب تنفيس يعمل بشكل سليم، يمكن أن يشكل غاز الكلور مهاجمة على الكابلات ويؤدي الى فشل سابق لأوانه للنظام.

يستخدم أنبوب تنفيس  كما هو موضح أدناه :

رسم توضيحي وشرح

الكابلات Cabling

بينما نظام اﻷنود هو جوهر النظام الآبار العميقة ، فالكابلات لها أمر بالغ الأهمية لأداء النظام.

الفشل في الكابلات الواصلة بين نظام اﻷنود anode system والمقوم rectifier  يجعل النظام غير قابل للتشغيل و العمل ،،، وفي معظم الحالات لا يوجد علاج للكابل و الأنودات غير قابل الوصول لها اذا سقطت أسفل الحفرة.

الكابلات أيضا واحدة من أغلى مكونات نظام اﻷنود التكلفة.

وهكذا فأن لاختيار الصحيح للكابلات يجعل منها عنصر تصميمي حاسم.

هناك نظامان شائعان للكابلات المستخدمة في تطبيقات الآبار العميقة:

·        الأول هو نموذجي ذو عزل من نوع  البولي إثلين القابل للدفن المباشر ، وهو ليس مقاومة للكلور.

·        الثاني هو ذو نظام عزل ملبس بالقذف  dual extruded insulation system مزدوج يضيف طبقة من طبقة PVDF مقاومة الكلور لحماية ضد الهجوم الكيميائي ، أكثر تكلفة ، مثل (Kynar® and Halar® being the common trade names)

أداء نظام الأنودات العميقة Deep Well Anode System Performance

عوامل كثيرة تؤثر على أداء  نظام الأنودات العميقة.

استناداً إلى معادلة دوايت النظرية و النموذجية عن قضيب عمودي واحد في بيئة تربة متجانسة.

في الواقع ، أنود رصين تقليدي في بئر عميق يتكون من أقطاب متعددة متباعدة في ثقب عمودي، يحيط بها عمود من فحم كوك التي يتم تشغيلها من خلال اختلاف ظروف التربة.

تظهر الرسوم التي تتبع الفارق الشاسع بين بناء النظري الذي هو في معادلة دوايت وبدء التشغيل الفعلي.

توزيع التيار – هو احد المسائل التشغيلية الهامة في توزيع التيار.

ومن الناحية المثالية ، سوف يعمل كل أنود في السرير الأرضي في إنتاج مماثل.

الجرافيت التقليدي و أنودات السيليكون عالي حديد الزهر ، التي لديها معدلات استهلاك عالية نسبيا ، يضع التصريف النيار غير متكافئ الإجهاد على بعض أقطاب الذي ينتج عنها نضوب سابق لأوانه.

هذه مشكلة مشتركة وحسب إعمار السرير الأرضي ، تصبح الأنودات أكثر وأكثر منضبة ومن ثم يمكن ان  يصبح أداء سرير الأرضي تماما غير نظامي ،، الذي يتطلب الزيادات المتكررة في التيار الكهربائي المطبق لإعطاء الناتج المرغوب فيها.

موقع اﻷنود عامل في تفريغ متفاوت في تلك الأنودات مع قصر في الجزء العلوي من السرير الأرضي يؤدي الى تطبيق جهد أكثر من الأنودات في الجزء السفلي  بسبب هبوط الجهد DC عن طريق كابلات اﻷنود – وهذا صحيح بصفة خاصة إذا كانت كابلات اﻷنود ذات حجم صغير.

إذا كان هذا هو العامل الوحيد ، ومع ذلك ، ثم خرج اﻷنود ستنخفض دائماً مه التحرك لأسفل البئر العميق.

العوامل الأخرى التي تؤثر على توزيع التيار بين الأنودات المتفرقة discreet anodes هو تأثير التداخل اﻷنودات المتبادلة التي تحدث ، وتحول دون التيار من التحرك و السفر إلى أعلى وأسفل عمود فحم الكوك.

ينشئ كل أنود تدرج جهد a voltage gradient الذي يؤثر على الأنودات المجاورة.

طبقات التربة تؤثر أيضا على إنتاج اﻷنود الفردية.

بغض النظر عن ما يحدث داخل عمود فحم الكوك، تصريف التيار من الحوض الارضي  the ground bed  سوف توزع إلى الخارج وتستند في جزء كبير منه الى بروفايل مقاومية التربة المحيطة بعمود فحم الكوك.

هذا يعني أن التدفق التيار أكثر سهولة في مناطق مقاومية منخفضة، وأقل سهولة (صعوبة) في المناطق الأعلى  مقاومة.

مع عمود كوك مثبتة بشكل صحيح ، سوف يكون هناك مسار مقاومة منخفضة ليس فقط من اﻷنود إلى العمود فحم الكوك إلى واجهة التربة ، ولكن أيضا مسار مقاومة منخفضة إلى أعلى وأسفل العمود فحم الكوك.

والهدف هو للتيار من الأنودات في التربة ذات المقاومة  لتكون قادرة على التحرك والسفر لأعلى أو لأسفل العمود والتصريف للتيار في التربة ذات المقاومة منخفضة.

وهكذا، مع عمود كوك ذو مقاومة منخفضة، ينبغي أن يكون لكل أنود نواتج مماثلة بغض النظر عن ما قد يكون على طبقات التربة في ارتفاع اﻷنود هذا.

أن لاستهلاك اﻷنود التفاضلي – أثر سيء في توزيع التبار بين نتائج الأنودات في استهلاك اﻷنود التفاضلية.

رسم توضيحي

وكما يتم استهلاك الأنودات، يتغير أداء سرير الأرضي وتزداد المقاومة الإجمالية لسرير الأرضي.

مع مرور الوقت، هناك حاجة لتعديلات تضبيطيه تصاعدية متكررة لخرج الجهد على المقوم Rectifier لتحقيق خرج تيار اللازم.

في نهاية المطاف لا يمكن لسرير الأرضي الاستمرار في الوفاء بمتطلبات النظام ويجب أن يتم استبداله.

نلاحظ أيضا ، أن الأنودات المتبقية تدفع بصعوبة زيادة في كثافة التيار ، وتوليد غاز الكلور متزايد أيضا – وفي غياب التنفيس السليم ، فهذا أيضا يمكن أن يؤدي إلى فشل سابق لأوانه.

جفاف الحوض الأرضي (الكراوند بيد) Drying out of Ground bed

يتم تحلل الماء كجزء من رد الفعل التي تحدث في اﻷنود ، كما هو الحال مع توليد الكلور، كمية المياه التي كانت كرد فعل دالة كثافة التيار.

يجري كرد فعل في معظم بيئات التربة ، وتغذي انتشار الظاهرة الشعرية العادية للماء.

ومع ذلك، في بعض البيئات القاحلة، لا توجد رطوبة كافية في التربة لسد النقص في المياه التي كانت كرد فعل ، مما يمكن أن يؤدي إلى جفاف التربة حول السرير الأرضي.

وفي بعض الحالات يتم تثبيت أنظمة دورية للري تضخ المياه أما عن طريق خط مخصصة للسقي أو من خلال أنبوب تنفيس.

رسم توضيحي

يكون الأداء في التقنية المستخدمة من قيل MATCOR’S Mini-Deep™  عكس نظم اﻷنود العميقة التقليدية ، فهو يستخدم أنود ذو سلك واحد مستمر.

نظام اﻷنود هذا يستخدم أثنين من كابلات  كينار two Kynar cable leads ، واحد متصل بالجزء العلوي من مجموعة اﻷنود والآخر متصل بالجزء السفلي من مجموعة اﻷنود.

وهناك كل عشرة أقدام يوجد سلك عبور (جمبر jumper)  لإنشاء ترتيب سلسلة/موازية to creating a series/parallel arrangement للحد من انخفاض الجهد to minimize voltage drop  وتوفير تأمين للكهرباء provide electrical redundancy.

ويتيح هذا الترتيب للأنود عدة مزايا الأداء الحرجة عبر النظم التقليدية الرصينة للأنود:

1-  تحسين في توزيع التيار Enhanced Current Distribution – الأنود المستمر واحد يعني انخفاض في تصريف التيار هو أكثر ضمان توزيعه أعلى وأسفل عمود فحم الكوك.

2-  يلغي " تداخل اﻷنود المتبادل Mutual Anode Interference "  – هو القضاء على التدخل المتبادل في اﻷنود، نظراً لوجود أنود واحد.

3-  يحد من استهلاك الأنود فتقنية The MATCOR Mini-Deep™ فنظام الأنود يسمح أكثر في توفير أداء أكثر استقرارا في السرير الأرضي على مر الزمن.

4-  الحفاظ على نموذج دوايت  Dwight’s Model Preserved  – مقاومية السرير الارضي  تكون أكثر قاربا لنموذج دوايت ،، نظراً لأن طول اﻷنود الفعلي بأكمله يقع في المنطقة النشطة.

 طول العمر Longevity – نظام ماتكور MATCOR’s system  يؤمن حياة أطول من تشغيل بسبب استخدامه لـ MMO anode  وسرير الأرضي بانخفاض جهد اقل الناجم عن الأنودات الفردية متعددة multiple individual anodes  

  فكافتها تعمل بشكل مستقل وفي نواتج مختلفة  at different output

مهند الشيخلي muhannad alsheikhly