آنچه از مرور کتابها و استانداردهای داخلی موجود در این رشته که قربونش برم تعداد آنها از تعداد نقطه های کلمه ارت انگلیسی هم کمتر است مشخص است استفاده از ذغال و نمک در استانداردهای آلمانی توصیه شده ودرکتاب تجهیزات نیروگاه استاد عالیقدر آقای مسعودخان سلطانی هم ترجمه شده و با توجه به فقدان تجربه و راهکار در سالهای قبل و دهه های 50 و 60 استفاده از ذغال و نمک رایج گردید و حتی استاندارد سیستم های اتصال زمین شبکه های توزیع در سال 74 هم ذغال و نمک را توصیه کرده و هیپچگاه رد نکرده اند.

کتاب راهنمای تاسیسات برقی ساختمان ها نوشته دوست عزیز آقای آلدیک موسسیان از انتشارات وزارت مسکن و نیز مقررات ساختمان سازمان برنامه نیز استفاده از ذغال و نمک را رایج دانسته و نفی نکرده است .ضمن اینکه در کتاب اول به مزایای استفاده از بنتونیت در صفحه 110 با این عبارت که "به گواهی بسیاری .."اشاره نموده است .

اما با مرور استانداردهای خارجی مثل استانداردهای انگلیسی و آمریکایی نه تنها توصیه ای بر استفاده از ذغال و نمک پیدا نکردم  بلکه به طور صریح و قاطع به عدم استفاده از ذغال تاکید دارد که در ادامه به آن استانداردها اشاره خواهد شد.

و اما ذغال..

اگر ذغال را همان ذغال چوب یا charcoal  بگیریم با مراجعه به دائره المعارف Wikipedia  میتوان این اطلاعات را درباره آن خلاصه نمود:

ذغال ماده جامد سیاهرنگی است که شامل کربن ناخالص است و براثر سوزاندن چوب درختان و یا استخوان جانوران و یا شکر به وجود میآید. (سوزاندن در عدم مجاورت اکسیژن )

این ماده نرم،ترد و متخلخل است و فقط از لحاظ ظاهری کمی شبیه به ذغال سنگ coal  است.

charcoal به عنوان سوخت استفاده میشد و میشود و حتی پیش از انقلاب صنعتی ذغال چوب در کوره ها جهت ذوب فلزات هم استفاده میشد تا اینکه پس از انقلاب صنعتی ذغال سنگ coal جانشین آن شد.

متخلخل بودن porosity ذغال چوب توان جذب گازها و مایعات را به او داده طوریکه به عنوان بوگیر در تصفیه آب و یا درون یخچالها استفاده میشود.

خاصیت  جذب رطوبت یا  hygroscopity   ذغال چوب خیلی بالا نیست و در شرایط خاص حداکثر 15 درصد وزن خود میتواند رطوبت جذب کند.

ذغالی که از استخوان و بقایای جانوران به وجود میآید با ذغال چوب فرق دارد و فقط 10 درصد کربن دارد و در عوض سرشار از کلسیم و فسفات منیزیم است که معمولا در صنایع  ژله و آدامس سازی استفاده میشود.

ذغال کک Coke که یک ماده خاکستری رنگ و سخت و متخلخل است از قطران ذغال سنگ Coal در کوره ها به وجود میآید و از زمین تا زیر زمین از همه لحاظ با ذغال چوب فرق دارد.

کاربرد اصلی کک در فرآیند ذوب آهن به عنوان یک ماده احیاکننده و یا استفاده به عنوان سوخت است .یک ویزگی کک این است که با حداقل دود و یا بدون دود میسوزد که این هم یک وجه تمایز ذغال چوب با ذغال کک است.

یک نوع کک به نام کک نفتی یا petroleum coke   هم وجود دارد که این ماده از تجزیه مواد نفتی استحصال میشود و علاوه بر استفاده به عنوان سوخت در ساخت باتری های خشک و الکترودهای صنایع ذوب استفاده میشود.

یک نوع از کک نفتی به نام کک کلسینه Calcined petroleum cokeCPC هم به درد ما کاتدیک و ارتی ها میخورد و آن فرآورده واحدهای کک سازی در پالایشگاه های نفت است .درصد کربن کلسینه فوق العاده بالا ونزدیک به 100 درصد است.

و اما نمک ..

احتیاج به معرفی ندارد و همان نمک طعام یا NACL  است که به صورت کریستالی و سنگ نمک در چاه های ارت استفاده میشد.

و اما بنتونیت..

بنتونیت یک ماده معدنی از خانواده سیلیکات ها به عبارت دقیق تر سیلیکات آلمینیم aluminium phyllosilicate  است که از قبل در صنعت به عنوان گل حفاری drills mud  در حفاری چاه های نفت استفاده میشد و علت استفاده از آن هم به علت خاصیت جذب رطوبت بسیار بالای آن است .

بنتونیت معمولا وقتی سنگهاو مذاب آتشفشانی یا همان volcanic ash  به مرور در مجاورت هوا و رطوبت قرار گیرند به وجود میآید.

چند نوع بنتونیت در کاربردهای صنعتی آن وجود دارد که عمده آنها سدیم بنتونیت ،کلسیم بنتونیت و پتاسیم بنتونیت است.

درباره بنتونیت در ادامه این گفتار بیشتر خواهید شنید.

چرا ذغال نه؟؟

با توجه به اینکه مخاطبان این وبلاگ عموما کارشناسان تحصیلکرده هستند و دلیل و استاندارد میخواهند و صرف نفی یا اثبات بدون دلیل را قبول ندارند لذا سعی میکنم مستدل و منطقی حرف بزنم .

اگر بپرسید چرا ذغال کک coke نه ؟؟کلی استاندارد و حرف دارم ولی اگر بپرسید چرا ذغال چوب نه ؟ خیلی مدرک و استاندارد ندارم چون اساسا ذغال چوب را مرجع معتبری به عنوان مواد اطراف میله ها یا صفحه های ارت قبول نکرده که درباره آن بحث فنی و علمی و استانداردی بشود ولی در هر حال من در حد سواد و تحقیقاتی که کرده ام دلایلی برای نفی هردو ذغال ارائه میکنم شما هم با نظرات و تجربیات خود به قوام بحث کمک کنید.

-          دلایل نفی استفاده از ذغال کک به عنوان مواد اطراف میله ارت

استاندارد BS 7430-code of practice for EARTHING  صفحه 12 بخش 7.5:

The use of coke as an infill is not recommended as it may result in rapid corrosion not only of the electrode itself but also of cable sheaths.

منظور از Infill  در عبارت فوق همان مواد اطراف میله ارت جهت کاهش مقاومت آن میباشد که در کاتدیک backfill گفته میشود و ترجمه آن را بعضی پشت بند گفته اند.

همانطور که در استاندارد مزبور صریحا اشاره شده کک که کربن خالص است در مجاورت تمامی فلزات تشکیل پیل خوردگی خواهد داد که اتفاقا کک کاتد شده و سایر فلزات آند خواهند شد این امر به خوبی در جدول گالوانیک یا جدول  emf که در تمامی کتابهای خوردگی و کاتدیک از جمله کتاب مرجع Peabody  و استانداردهای ASTM  آورده شده است به خوبی قابل درک است چرا که طبق این جداول که نمونه آن در زیر آورده شد فلزات بالای جدول الکترونگاتیو هستند و اگر با فلزات پایین تر ، پیل تشکیل دهند فلزات بالا آند و فلز پایینی کاتد خواهد شد بنابر این طبق جدول زیر اگر اطراف میله ارت فولادی ،و یا مسی کک بریزیم تشکیل پیلی خواهد داد که میله ارت خورده شده و آند میشود و کک باعث خوردگی میله شده  یا کاتد خواهد شد.

 -          دلایل نفی استفاده از ذغال  چوب به عنوان مواد اطراف میله ارت

میتوان این دلایل را به صورت زیر خلاصه نمود:

  • جایگزین خوبی از همه جهات از جمله فنی و اقتصادی به نام بنتونیت برای آن پیدا شده این خود دلیل کنارگداشتن آن میتواند باشد
  • درصد جذب رطوبت آن همانطور که بیان شد حداکثر 20 درصد است در حالیکه درصد جذب رطوبت بنتونیت همان طور که بیان خواهد شد به 500 درصد هم خواهد رسید.
  • به خوبی با خاک رس و خاک های باغچه که جزو بهتری مواد اطراف صفه های ارت هستند ترکیب و همگن نمیشود لذا فاصله هوایی بین لایه های ذغال ایجاد میشود که باعث بالا رفتن مقاومت ارت خواهد شد و اگر از خاک ذغال هم به جای دانه ذغال استفاده شود خاصیت جذب رطوبت آن بسیار کاهش می یابد
  • مقاومت ویژه آن با اینکه حاوی کربن است کمتر از بنتونیت است
  • حمل و بسته بندی و ریختن آن داخل چاه ارت توام با کثیفی محیط و نفرات خواهد بود.
  • وزن حجمی دانه ای آن حداکثر 300 کیلوگرم بر متر مکعب است یعنی بسیار سبک تر از کک یا بنتونیت لذا در صورت استفاده در چاه به مرور خورد شده و سنگین میشود که این باعث میشود به مرور چاه نشست کرده و مشکلاتی را برای صفحه و سیم و حوضچه ارت به وجود آورد.

-          دلایل نفی نمک به عنوان مواد اطراف میله ارت

جهت ورود به این بحث بهتر است در مورد مقاومت یا بر عکس آن یعنی هدایت الکتریکی زمین که یکی از نکات بسیار  مهم در ارتینگ ،صاعقه گیر و حفاظت کاتدیک میباشد صحبت کنیم .

موضوع رسانایی جریان الکتریکی  فلزات مثل مس،آلمینیم ،آهن و غیره و نیز عدم رسانایی موادی مثل پلاستیک ،چرم ،چوب و غیره بسیار مشخص است اما در خصوص زمین بسیار سخن ها وجود دارد این زمین خدا از نظر الکتریکی در شرایطی از هادی ترین هادیها هم هادی تر و بر عکس در شرایطی از پلاستیک هم عایق تر است .نکته جالب اینکه تمامی فلزات (عناصر نه آلیاژها) مثل مس ،آلمینیم و آهن و..یا به صورت خالص مثل طلا و نقره و... یا اینکه به صورت ناخالص مثل آهن و مس و..از زمین گرفته شده اند و موطن اصلی آنها زمین میباشد(1) .

در حفاظت کاتدیک و در انتقال و توزیع برق از زمین برای عبورجریان استفاده میکنند ،آیا زمین با توجه به توضیحات بالا میتواندبه عنوان هادی جریان برق عمل کند؟البته جواب مثبت است ولی مهم این است که چگونه ؟؟

قبل از هر بحثی باید ببینیم پوسته ی زمین(خاک)شامل چه عناصری میباشد ومیزان این عناصر چقدر است؟

به آنالیزی از پوسته ی زمین که به طور میانگین مقادیر تشکیل دهنده ی خاک را نشان میدهد دقت مینماییم:

اکسیژن 46%-سیلسیم 27%-آلومینیم 8%-آهن 5% -کلسیم 4%-سدیم 3%پتاسیم 2.6%-منیزیم 2%

و 1% بقیه عناصری مثل تیتانیم ،فسفر،هیدروژن،منگنز،فلور،کلر گوگرد،کربن،نیکل ،مس بریلیم کبالت و...

همانگونه که مشاهده میشود هشت عنصر اول به صورت ترکیبات مختلف 98.79% از ترکیبات زمین را تشکیل میدهند.

آنچه در مورد پوسته زمین باید مورد توجه قرار گیرد این است که مواد تشکیل دهنده ضمن اینکه مختلف میباشند یک پارچه هم نیستند تا اینکه مثل یک هادی فلزی عمل نمایند بنابراین در مورد زمین مثل یک هادی فلزی نمیتوانیم انتظارداشته باشیم پس مطالعه ما باید به طریق دیگری باشد.

مطالعه در این مورد را به این صورت آغاز مینماییم که فرض می کنیم پوسته زمین از نمک طعام (NaCl) که به صورت پودر ویا ذرات درشت تر است تشکیل شده باشد ،این نمونه آزمایشی را به این علت انتخاب مبکنیم که در اذهان نمک به عنوان هادی جریان میباشد و برای اینکه نتیجه ای بگیریم مقداری نمک،از نمک پاش روی صفحه ی کاغذی بریزید ،ذرات نمک را حتی الامکان به هم نزدیک کنید ،حال با یک اهم متر که پراب های آن را با نمک تماس میدهید هدایت نمک را بررسی نمایید و ببینید آیا نمک هادی است و یا اینکه مثل یک عایق عمل مینماید؟البته به این نتیجه میرسید که هدایت جریانی انجام نمیشود و اکنون چند قطره آب روی نمونه ی آزمایشی بریزید (در حدی که نمک به صورت خمیر درآید ) و سپس عمل اندازه گیری را تکرار کنید ،آیا نتیجه با حالت اول یکی است ؟طبیعتا نه ،و نمک هادی خواهد شد ،

اولین نتیجه ای که از آزمایش فوق میگیریم این است که اگر پوسته ی زمین از نمک تشکیل شده باشد تا زمانی که خشک است نمیتواند به عنوان هادی برق مورد توجه قرار گیرد.

هنگامی به نمک طعام آب اضافه میشود،نمک طعام تجزیه میشود و یا به عبارتی اتم سدیمNa از اتم کلر Cl جدا میشود و به صورت یون در میآید.

NaCl=Na++Cl

ضمنا در آب نیز مقداری یون OH- و H+ وجود دارد.

و اما نقش آب:اصولا آب الکترولیت بسیار ضعیفی میباشد و مقدار یونهای H+ و OH- در آن کم است و به طور کلی وقتی عمل جابجایی یونهای ماده حل شده مشکل باشد یونهای H+ و OH- نقش فعال را بازی خواهند کرد.

آب خالص در 25 درجه سانتیگراد تقریبا (2*10-7) % به یون تبدیل میشود یعنی تقریبا عایق الکتریکی

نتیجه اینکه اولا نمک بدون آب هیچ گونه خاصیت کاهش مقاومت صفحه یا میله ارت ندارد و البته آب هم اگز با نمک همراه باشد میتواند خاصیت هدایت قابل قبولی داشته باشد .

مشکل عمده نمک جهت استفاده به عنوان مواد اطراف میله و صفحه ارت  این است که بر اثر ترکیب با آب تجزیه شده و به یون های کلر و سدیم تبدیل میشود که یون کلر عامل تشدید کننده خوردگی فلزات است و در تمامی استانداردها از جمله استاندارد خاک و خوردگی توانیر، استاندارد IPS-E-TP-820 نفت و نیز استاندارد آب و خاک آلمان وجود بیش از 100 میلی گرم یون کلر به ازای یک کیلوگرم خاک خورندگی خاک را تشدید کرده و این موجب از بین رفتن میله یا صفحه ارت از هر جنس فلز خواهد شد.

مشکل دیگر استفائه از نمک این است که اگر چاه ارتی که درون آن نمک ریخته میشود نزدیک فونداسیون بتنی ساختمان ها و پل ها و غیره باشد نفود یون کلر به بتن موجب خوردگی میلگرد داخل بتن خواهد شد .

در سازه های بتن مسلح،در اثر خوردگی میلگرد اضافه حجمی تا چند برابر حجم فولاد اولیه ایجاد میشود.تنش های ناشی از نیروهای مولکولی حاصل از این اضافه حجم منجر به ترک خوردگی و نهایت تخریب کامل سازه بتونی میشود.

ترکهای ایجاد شده ،راه را برای نفوذآب ،اکسیژن و یون کلر باز میکنند و این باعث تسریع در امر خوردگی میشود.بنابر این زنگ بیشتری تشکیل شده و تنش های بیشتری به وجود می آید و تنش های بیشتر باعث ایجاد ترکهای بیشتر میشود چرخه نامطلوب به وجود آمده تا جایی که فاجعه تخریب بتن به طور کامل اتفاق بیفتد ادامه پیدا میکند.

حرف آخر

·         نمک NaCl تا آنجا که ممکن است در اطراف میله های ارت استفاده نشود.

·         ذغال کک  Coke به هیچ عنوان با توجه به استدلال های قسمت اول این گفتار استفاده نشود

·         ذغال چوب هم درست است ضرر کمتری نسبت به دو مورد فوق از لحاظ خوردگی دارد ولی با توجه به اینکه جایگزین های بهتری از جمله بنتونیت و سیمان برای آن پیدا شده استفاده نشود بهتر است.