Numerical modeling of corrosion and design of cathodic protection systems
Authors: Καλοβελώνης Δημήτριος 
Published: August 2024

Η διάβρωση απειλεί τη δομική ακεραιότητα κατασκευών σε όλους τους τομείς, όπως η ενέργεια, η βιομηχανία πετρελαίου και αερίου, οι μεταφορές, η χημική βιομηχανία, οι υποδομές, τα φαρμακευτικά προϊόντα, τα μηχανήματα κ.λπ. Παραδείγματα τέτοιων κατασκευών αποτελούν οι παράκτιες και υπεράκτιες κατασκευές, χαλύβδινοι οπλισμοί σκυροδέματος, αγωγοί μεταφοράς νερού και υδρογονανθράκων, χημική σταθμοί, σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής και πυρηνικοί αντιδραστήρες κ.λπ. Οι μορφές διάβρωσης ανάλογα με τη ζημιά που προκαλούν χωρίζονται σε δύο κύριες κατηγορίες, (α) την γενικευμένη διάβρωση, η οποία εμφανίζεται σε ολόκληρη την επιφάνεια σε επαφή με τον ηλεκτρολύτη και (β) την τοπική διάβρωση. Η τοπική διάβρωση λαμβάνει χώρα λόγω μη ομοιογενών συνθηκών είτε στο μέταλλο είτε στη σύνθεση του ηλεκτρολύτη. Μορφές τοπικής διάβρωσης είναι η γαλβανική διάβρωση, η διάβρωση μακρό-κελίου, η διάβρωση λόγω αδέσποτων ρευμάτων κ.λπ. Επί του παρόντος, ο οικονομικός παράγοντας είναι ένα πολύ σημαντικό κίνητρο για μεγάλο μέρος της τρέχουσας έρευνας στη διάβρωση. Μια πρόσφατη μελέτη της NACE εκτιμά το παγκόσμιο κόστος της διάβρωσης σε 2,5 τρισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ. Η χρήση μεθόδων πρόληψης και προστασίας από τη διάβρωση, όπως η έγχυση αναστολέων διάβρωσης, η επιλογή ανθεκτικών στη διάβρωση υλικών και η καθοδική προστασία, μπορεί να μειώσει το κόστος διάβρωσης κατά 15-35%. Στη βιομηχανία έχουν χρησιμοποιηθεί αρκετές μεθοδολογίες για την πρόληψη και την προστασία από τη διάβρωση, όπως αναστολείς διάβρωσης, συστήματα επίστρωσης, επιλογή ανθεκτικών στη διάβρωση υλικών, καθοδική προστασία κ.λπ. Σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα (πχ. ISO 15589, ISO 24656, DNV RP-0416) η εφαρμογή συστημάτων καθοδικής προστασίας είναι υποχρεωτική για τις βυθισμένες επιφάνειες υπεράκτιων κατασκευών και πλοίων, πυθμένες υπέργειων δεξαμενών και θαμμένα στο έδαφος δίκτυα αγωγών. Τα συστήματα καθοδικής προστασίας χωρίζονται σε δύο κατηγορίες (α) τα συστήματα καθοδικής προστασίας εφαρμοζόμενου ρεύματος (ICCP) και (β) συστήματα καθοδικής προστασίας θυσιαζόμενων ανοδίων (SACP). Τα διεθνή πρότυπα (πχ. ISO 15589, ISO 24656, DNV RP-0416) συνιστούν ότι ο σχεδιασμός ICCP συστημάτων πρέπει να πραγματοποιείται με τη χρήση αριθμητικών προσομοιώσεων, ενώ ο σχεδιασμός SACP πραγματοποιείται με χρήση των νόμων του Ohm και Faraday. Επιπλέον, σε ορισμένες περιπτώσεις τα πρότυπα συνιστούν τη χρήση αριθμητικής προσομοίωσης για τον σχεδιασμό συστημάτων SACP. Αν και το πρώτο μοντέλο που αναπτύχθηκε ήταν ένα σχήμα πεπερασμένων διαφορών (FD), τα BEM χρησιμοποιούνται εκτενώς για τη μελέτη προβλημάτων διάβρωσης και καθοδικής προστασίας τα τελευταία 40 χρόνια, λόγω των πλεονεκτημάτων που προσφέρουν, σε σύγκριση με τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων (FEM) και τη μέθοδο πεπερασμένου όγκου (FVM). Πιο συγκεκριμένα, τα BEM προσφέρουν τα πλεονεκτήματα της υψηλής ακρίβειας λύσης, ειδικά στον υπολογισμό των χωρικών παραγώγων του ηλεκτρικού δυναμικού (πυκνότητα ρεύματος), καθώς και μείωση της διάστασης του προβλήματος κατά μια. Το τελευταίο πλεονέκτημα είναι περισσότερο σημαντικό, ειδικά για άπειρους και ημι-άπειρους ηλεκτρολύτες, αφού μόνο οι επιφάνειες των συνόρων είναι απαραίτητο να διακριτοποιηθούν. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι να μελετήσει προβλήματα γαλβανικής διάβρωσης, διάβρωσης μακρό-κελίου, καθώς και διάβρωσης που προκαλείται από αδέσποτα ρεύματα, προκειμένου να σχεδιαστούν αποδοτικά συστήματα καθοδικής προστασίας, που προστατεύουν τις κατασκευές από τη διάβρωση και παρατείνουν τη διάρκεια ζωής τους, χρησιμοποιώντας υπολογιστικές μεθόδους. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκαν μέθοδοι συνοριακών στοιχείων. Πιο συγκεκριμένα, μια LD-BEM έχει αναπτυχθεί για την επίλυση προβλημάτων διάβρωσης καθώς και η ACA/BEM έχει επεκταθεί για την επίλυση προβλημάτων γαλβανικής διάβρωσης, διάβρωσης μακρό-κελίου, καθώς και διάβρωσης που προκαλούνται από αδέσποτα ρεύματα καθώς και προβλήματα καθοδικής προστασίας κατασκευών μεγάλης κλίμακας. Στη συνέχεια, οι μέθοδοι που περιγράφονται παραπάνω χρησιμοποιούνται για τον σχεδιασμό αποδοτικών συστημάτων καθοδικής προστασίας.