خوردگی در سازه های دریایی و تاسیسات بندری

[*mishi* 11920]

سازه های دریایی و تاسیسات بندری موجود در بنادر كشورمان در زمره تاسیسات زیربنایی مهمی به شمار می روند كه به دلیل بتنی یا فلزی بودن در معرض پوسیدگی و تخریب ناشی از قرار گرفتن در محیط دریایی هستند. در موارد متعددی این سازه ها و تاسیسات طی سالیان متمادی نه به قدر كفایت بازرسی و نگهداری شده اند و نه به لحاظ قابلیت ادامه خدمت رسانی مورد ارزیابی قرار گرفته اند. محیط دریایی به دلیل داشتن ویژگی های اساسی متفاوت در بخش های مختلف خود از ناحیه اتمسفری (جوی) تا ناحیه پاشش و تر و خشك شدن و ناحیه غوطه وری و در نهایت فصل مشترك با خاك از نقطه نظر نوع و روند بروز خرابی و درجه پیشرفت آن دارای عملكردهای گوناگونی است. این امر بر حساسیت های ویژه تاثیرات این محیط بر روی سازه ها و تاسیسات مجاور آن می افزاید.

عموماً تصور بر این است كه بتن یكی از مصالح بسیار با دوام است ولی تاریخچه عملكرد بتن در محیط دریایی حاكی از آن است كه بتن در مقابل آب دریا به عنوان یكی از خورنده ترین محیط های طبیعی در جهان، از نقطه نظر دوام در معرض مشكلات جدی قرار دارد.

در خصوص سازه های فلزی نیز عوامل متعددی وجود دارند كه با درجات متفاومت بر روی میزان خوردگی فولاد در آب دریا تاثیر می گذارند. این عوامل شامل درجه حرارت آب، غلظت اكسیژن در آب دریا، PH آب دریا، زواید دریایی چسبیده به شمع ها، میزان شوری آب دریا، سرعت جریان آب بر روی سازه، مواد سایشی موجود در آب و تاثیرات الكتریكی فلزات غیر مشابه می شود. همچنین شمع ها ممكن است در آب شور یا تازه در اثر حمله شیمیایی و سایش دچار كاهش سطح مقطع شوند. به علاوه حضور فلزات غیر مشابه با پتانسیل الكتریكی مختلف می توانند روند خوردگی را باعث گردند. سازه های دریایی اعم از سكوها، اسكله ها، باراندازها، موج شكن ها و تاسیسات بندری كه باید نسبت به ساختمان های معمولی عمر مفید بالاتری داشته باشند، در محیط دریایی در معرض عوامل خورنده جدی قرار دارند. به ویژه در ناحیه خلیج فارس با توجه به شرایط حاد محیطی جهت اسافاده بهینه از سرمایه های مملكت مقابله با پدیدۀ مخرب خوردگی این سازه ها و تاسیسات از ضروریات حیاتی است. قابل ذكر است كه سواحل و جزایر خلیج فارس از نظر آب و هوا یكی از ویژه ترین مناطق جهان هستند. دما در این منطقه به علت نزدیكی به خط استوا نسبت به مناطق دیگر بیشتر است. تغییرات دما در شبانه روز و در طول سال نیز بسیار زیاد است و املاح موجود در این آب از دیگر آب های آزاد جهان بیشتر است.

ویژگی های محیط دریایی

محیط های دریایی عموماً محیط های خشن برای مصالح معمولی از جمله بتن و فولاد هستند. آب دریا دارای یون ها و گازهای خورنده و جایگاه موجودات دریایی است كه برای مصالح ساختمانی مضر هستند. فشارهای هیدرواستاتیكی و تغییرات بالای دما كه اغلب در نواحی ساحلی و سازه های دریایی وجود دارند، قادر به سرعت بخشیدن به تخریب مصالح ساختمانی می باشند. طوفان ها و بادهای شدید كه موج های بزرگ را ایجاد كرده اند، گاه سازه های بسیار محكم را دچار شكست كرده اند. اساس آب دریاهای سراسر جهان با هم شباهت ها و تفاوت هایی دارند كه باید قبل از ساخت سازه های طراحی شده برای صدها سال به وضوح مطالعه و بررسی شده باشند. اما نكته مهمی كه باید در نظر داشت این است كه محیط دریایی به دلیل داشتن ویژگی های اساس متفاوت در بخش های مختلف خود از ناحیه اتمسفری (حومه) تا ناحیه پاشش و تر و خشك شدن و ناحیه غوطه وری و در نهایت فصل مشترك با خاك از نقطه نظر نوع و روند بروز خرابی و درجه پیشرفت آن دارای عملكردهای گوناگونی است و این امر بر حساسیت ویژه تاثیرات این محیط بر روی سازه ها و تاسیسات مجاور آن كه عموماً سازه های مهمی از جمله سكوها، اسكله ها، باراندازها، حوضچه های تعمیراتی، تیرها و پایه های پل، موج شكن ها و تونل های زیردریایی با انتظار عمر مفید طولانی هستند، بر اهمیت موضوع می افزاید.

آب های بیشتر دریاها از نقطه نظر انواع و مقادیر نمك های غیر محلول مشابه هستند. مقدار معمول نمك 5/3 درصد وزنی و یون های اصلی موجود NA ، Mg² ،Cl¯ ، ²¯(SO4) هستند.علاوه بر نمك های غیر محلول، حضور گازهای موثر در نزدیكی سطح آب دریا در داخل آن، نقش مهمی در پدیده های شیمیایی و الكتروشیمیایی بازی می كنند. به عنوان مثال اكسیژن موجود در اتمسفر و آب دریاچه به صورت هوای محبوس و یا اكسیژن غیر محلول نقش اساسی در خوردگی فولاد در محیط دریایی صرفنظر از اینكه فولاد مستقیماً در معرض هوا باشد یا در بتن تعبیه شده باشد، را دارد. بر حسب شرایط محلی ممكن است غلظت های متفاوت سولفید هیدروژن (H2S ) و دی اكسید كربن (CO2 ) غیر محلول در آب دریا وجود داشته باشد و باعث پایین آمدن PH از مقدار نرمال آن یعنی 5/8 تا حدود 7 و یا كمتر گردد. غلظت های زیاد و غیر معمول CO2 آزاد در آب دریا در بعضی از خلیج های محصور شده و خورها وقتی بستر دریا پوشیده از مواد آلی دریایی است. جانوران دریایی شامل نرم تنان غالباً روی سطح بتن متخلخل كه قلیائیت آن توسط شسته شدن كاهش قابل توجهی یافته، پیدا می شوند. از آنجا كه رشد این جانوران از عواملی چون حرارت، اكسیژن، میزان PH ، جریان دریایی و شرایط نور تاثیر می پذیرند، عموماً به عمق حدود 20 متر از سطح دریا محدود می شوند و در آب و هوای سرد مسئله ساز نیستند. نرم تنان منبع اسیدهای مترشحه ای هستند كه باعث ایجاد سوراخهایی در بتن و حفرات زنگ زدگی روی سطح فولاد مدفون در بتن می شوند.باكتریهای تولید كننده H2S در رسوبات شامل نفت یافت شده اند. حضور باكتری های اكسید كننده گوگرد باعث تبدیل H2S به اسید سولفوریك می شوند كه خوردگی شدیدی هم برای بتن و هم برای آرماتوربندی فولادی به دنبال خواهد داشت.دمای سطحی آب دریا از كم ترین مقدارĊ 2- (نقطه یخ زدگی آب دریا) در مناطق سرد تا بالاترین مقدار حدود Ċ30 در مناطق گرمسیر تغییر می كند. علاوه بر تاثیر بر روی رشد مواد آلی دریایی، درجه حرارت آب دریا تعیین كننده میزان و سرعت واكنش های شیمیایی و الكتروشیمیایی می باشد.

میزان خرابی بخش های مختلف از یك سازه بستگی به موقعیت آنها نسبت به ناحیه جزر و مدی نیز دارد. جزر و مد به بالا آمدن و پایین رفتن آب اقیانوس ها با برنامه منظمی به صورت دوبار در روز اطلاق می شود. اختلاف سطح آب در یك جزر و مد از حد 5/0 متر در بعضی مناطق تا حتی 15 متر در مناطق دیگر می رسد.

نیروهایی كه توسط امواج اقیانوس ایجاد می شوند، اغلب بسیار بزرگ بوده و تاثیر آنها بر سازه های ثابت دریایی مبنای طراحی قرار می گیرد. موج ها معمولاً به علت عدم عمل باد بر سطح آب به وجود می آیند كه به علت اصطكاك، انرژی باد به انرژی موج تبدیل می شود. قسمتی از سازه كه تحت تاثیر چنین موج های عظیمی قرار می گیرد، به ناحیه پاشش معروف شده و این ناحیه در اثر عمل ماسه و شن و یخ های شناور سایر مواد جامد معلق در آب دریا تحت فرسایش شدید قرار دارد.

در تابستان به علت عبور هوای گرم خشكی از روی اقیانوس سرد، مه ساحلی تشكیل می شود. اما در زمستان ها هوای سرد تر خشكی از روی محیط دریایی گرم تر و مرطوب تر عبور می كند. به هر حال در هر دو حالت رطوبت بالایی در مه یا ابرهای استراتوس پایین نتیجه می شود. مه ساحلی اغلب حمل كننده ذرات آب دریاست كه در اثر عمل پاشش به وجود آمده اند.

بادهای شدید در یك هوای هوای طوفانی قادرند ذرات آب دریا را تا فواصل دور ساحل حمل نمایند. بنابراین بحث خوردگی در آب دریا تنها محدود به سازه های دریایی و سازه های كنار ساحل نیست. به هر حال محیط خشن و بسیار پیچیده اقیانوس ها، موقعیت ویژه ای را برای تلاش جدی مهندسین به منظور غلبه بر این مشكلات به وجود آورده است.

[*mishi* 11920]

سازه های بتنی در محیط دریایی

تعداد وسیعی از باراندازها، حوضچه های تعمیراتی، تیرها و پایه های پل، موج شكن ها و تونل های زیردریایی از بتن مسلح ساخته شده اند. بتن به عنوان مصالح ساخت مناسب برای سازه هایی كه در معرض محیط دریایی قرار دارند، مورد پذیرش كلی قرار گرفته است و در صورتیكه طبق اصول صحیح ساخته و نگهداری شود، می تواند بر مشكلات فائق آید. ولی در صورت انتخاب مصالح نامناسب، كیفیت ضعیف اجرا و عدم نگهداری كافی، دچار فساد و خرابی خواهد شد. مكانیزم های اصلی تخریب سازه های بتنی در محیط دریایی خوردگی میلگردهای كار گذاشته شده در بتن، تجزیه و تخریب بتن، سیكل های یخ زدن و آب شدن و تشكیل تركیب اترینگایت و واكنش قلیایی – سیلیسی را شامل می شود.

غالباً خوردگی در سرتاسر طول یك عضو یكنواخت نیست و معمولاً به وسط یا دو انتهای عضو محدود می شود. در رابطه با شمع ها امكان دارد خوردگی در بالای سطح آب، شدید و در زیر آن ضعیف باشد و یا اصلا اتفاق نیافتد. این ناحیه كه در معرض حداكثر خوردگی است، غالباً دورتر از مقاطع مربوط به حداكثر لنگرها و نیروهای برشی است ولی میلگردها ممكن است در سرتاسر عضو یكنواخت باشند.

با پیشرفت خوردگی، نهایتاً فرو ریختگی ناشی از آن اتفاق می افتد. نتایج نهایی سازه ای مادامی كه میلگردها در بتن به صورت گیردار باقی باشند، بستگی به میزان افت فولاد دارد. به هر حال خوردگی به ویژه خوردگی حفره ای باعث تمركز تنش افزایش یافته می شود كه منجر به افت شكل پذیری و كاهش تغییر طول نهایی گسیختگی می گردد. همچنین تحت بارهای ضربه ای و دینامیكی شكست نهایی ممكن است به صورت تردد و شكننده باشد. در سازه های پیش تنیده نیز علیرغم اجرای بسیار عالی در محیط دریایی به علت آنكه بتن آن ها نفوذپذیری كم تری داشته و عاری از ترك های میكروسكوپی (ریزترك ها) است، ولی وقتی كابل های پیش تنیدگی خورده می شوند، نتایج و آثار سازه ای به دلیل قطر كم كابل ها و تنش زیاد موجود در آنها شدیدتر بروز می نماید. البته چنین وضیعتی از لحاظ خوردگی كابل های پیش تنیدگی در محیط دریایی زمانی روی می دهد كه سازه در معرض ناحیه پاشش بوده و بتن دارای نفوذپذیری بالایی (مثلاً ناشی از نسبت آب به سیمان كنترل نشده) باشد.

محل و نوع سازه نیز میزان خوردگی را تحت تاثیر قرار می دهد. اعضای سازه ای بتنی واقع در ناحیه جزر و مدی و ناحیه پاشش عموماً دچار بیشترین میزان خوردگی هستند. در این نواحی، اعضاء به طور ثابت تحت اثر سه عامل اولیه هدایت كننده خوردگی شامل اكسیژن، كلریدها و رطوبت قرار دارند. شمع ها بیشتر از سایر اعضای سازه ای در معرض خوردگی هستند، زیرا در نواحی فوق با پتانسیل بالای خوردگی قرار دارند، اما بخش هایی از شمع ها كه زیر آب واقع شده اند، به دلیل كمبود اكسیژن در زیر آب، دچار خوردگی كمتری می شوند.

اعضایی مانند سرشمع ها، تیرها و عرشه ها در محیط دریایی فعال و در جایی كه امواج و پاشش اتفاق می افتد، نسبت به محیط های با آسیب كم تر، نوعا تخریب های جدی تری را متحمل می شوند. به همین دلیل در سازه باراندازهای ساحلی، اعضای نزدیك به خشكی دچار تخریب های بیشتری نسبت به اعضای دورتر از ساحل هستند. در واقع وقتی ضربه امواج به شیب ساحل و دیوار ساحلی برخورد می كند، اسپری های مملو از یون های كلرید مستقیماً پرتاب شده و به این اعضاء برخورد می نمایند. نوع اسكلت سازه نیز نقش مهمی را در روند پیشرفت خوردگی بازی می كند. مثلاً باراندازهای با عرشه تخت كه سطح زیرین آن ها فاقد سر شمع یا تیرهایی است كه به وضوح دیده شوند، نسبت به باراندازهای رایج دارای عرشه های با سر شمع و تیر، خوردگی كمتری را دارند. علت این امر در كاهش گوشه های در معرض محیط است. گوشه های سازه ای به دلیل امكان نفوذ بیشتر كلر از دو وجه آنها و همچنین نیاز به فشار كمتر جهت تخریب سازه ای ناشی از احاطه نبودن كامل، با سرعت بیشتری دچار خوردگی، آسیب و تخریب می گردند.

خرابی بتن

تخریب سازه های دریایی بتنی ممكن است ناشی از اثرات فیزیكی یا شیمیایی آب دریا بر روی آنها باشد. خوشبختانه تجزیه بتن توسط خودش منجر به آسیب وسیع به سازه های مدرن نشده است ولی به هر حال از بین رفتن و آسیب پوشش بتنی روی میلگردها، عامل اصلی تشدید خوردگی فولاد روی بتن است. خرابی بتن امر بسیار پیچیده ای است، به دلیل آن كه به پارامترهای متعددی بستگی دارد كه به آسانی قابل تفكیك از یكدیگر نیستند و بسته به تركیب مواد و محیط با درجات و شدت های متفاوتی عمل می نمایند.

اگر سازه كاملاً غوطه ور باشد، آسیب مصالح در اثر آب دریا اساس مربوط به فرآیند شیمیایی است. در ناحیه پاشش، خرابی و آسیب دارای ماهیت شیمیایی و فیزیكی است. عمل مكانیكی موج ها، تورم و انقباض ناشی از تر و خشك شدن متناوب، شرایط جوی (باد، تابش مستقیم آفتاب، یخ زدگی) و خوردگی الكترو شیمیایی میلگردهای فولادی فرآیندهای فیزیكی هستند كه با فرآیندهای مخرب شیمیایی جمع شده اند. تخریب بتن غوطه ور در آب به عواملی چون تشكیل تركیب اترینگایت، واكنش قلیایی- سیلیسی و خوردگی محدود می گردد و بتن در ناحیه پاشش و ناحیه جوی در معرض پدیده یخ زدن و آب شدن نیز هست.