มีมาตรการป้องกันการกัดกร่อนสำหรับหอคอยที่ใช้งานในพื้นที่ชายฝั่งหรือไม่?

เหตุใดหอคอยในพื้นที่ชายฝั่งจึงประสบปัญหาการกัดกร่อนอย่างรุนแรง

กลไกการแทรกซึมของคลอไรด์: การพ่นเกลือจากลมทะเล, การกระเด็นของน้ำทะเลบริเวณแนวชายฝั่ง และการสะสมของอนุภาคเกลือจากบรรยากาศบนโครงสร้างหอคอย

ปัญหาการกัดกร่อนที่เกิดขึ้นกับหอคอยริมชายฝั่งส่วนใหญ่เกิดจากแหล่งที่มาของคลอไรด์สามประการ ได้แก่ ละอองเกลือที่ถูกคลื่นซัดกระเด็นขึ้นมา แรงกระแทกโดยตรงจากน้ำทะเลที่สาดขึ้นมาในช่วงพายุใหญ่ และความชื้นที่มีคลอไรด์สูงซึ่งถูกพัดพาโดยลมและสะสมทับถมตามระยะเวลา เมื่อละอองเกลือแทรกซึมเข้าไปในรอยแตกรอยเล็กๆ ของสารเคลือบป้องกัน มันจะก่อให้เกิดฟิล์มที่นำไฟฟ้า ซึ่งเริ่มต้นปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีที่เราเรียกว่าเซลล์การกัดกร่อน ส่วนล่างของหอคอยรับผลกระทบจากน้ำทะเลที่สาดขึ้นมาอย่างรุนแรงที่สุด โดยจะถูกแช่ในน้ำทะเลซ้ำแล้วซ้ำเล่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงพายุเฮอริเคนหรือพายุนอร์อีสเตอร์ ขณะเดียวกัน คลอไรด์ก็ค่อยๆ สะสมทับถมบนพื้นผิวทั้งหมดที่สัมผัสกับบรรยากาศผ่านกระบวนการตกตะกอนจากอากาศ ผลกระทบร่วมกันเหล่านี้สร้างสภาพแวดล้อมที่รุนแรงมากสำหรับวัสดุในการทนทาน ตามมาตรฐานอุตสาหกรรมที่กำหนดโดย NACE International เหล็กที่ไม่มีการป้องกันในบริเวณที่คลื่นกระทบโครงสร้างจะเกิดการกัดกร่อนเร็วกว่าเหล็กที่วางอยู่ในสภาวะอากาศปกติประมาณ 3 ถึง 5 เท่า สำหรับฐานรากคอนกรีต เมื่อระดับคลอไรด์สูงกว่าร้อยละ 0.15 ของน้ำหนักทั้งหมด แท่งเสริม (rebar) จะเริ่มเกิดการกัดกร่อนภายใน สนิมที่ขยายตัวออกนี้จะทำให้โครงสร้างทั้งหมดอ่อนแอลง ส่งผลให้คอนกรีตหลุดลอกออก (spalling) และสุดท้ายอาจสูญเสียส่วนสำคัญของโครงสร้าง

อัตราการกัดกร่อนในโลกจริงในโซน ISO 9223 C5-M เทียบกับความคาดหวังของอายุการใช้งานตามการออกแบบสำหรับหอส่งสัญญาณและหอสื่อสาร

หอคอยที่ทำจากเหล็กซึ่งตั้งอยู่ในเขตทะเลที่รุนแรงตามมาตรฐาน ISO 9223 ระดับ C5-M ประสบปัญหาการกัดกร่อนในอัตราที่สูงกว่าที่วิศวกรคาดการณ์ไว้ในตอนแรกมาก ปัญหานี้รุนแรงจริงๆ โดยชิ้นส่วนที่ทำจากเหล็กคาร์บอนกำลังถูกกัดเซาะไปด้วยอัตรา 80 ถึง 200 ไมครอนต่อปี ซึ่งหมายความว่ามันถูกกัดกร่อนเร็วกว่าโครงสร้างที่คล้ายคลึงกันในสภาพแวดล้อมระดับ C3 ทั่วไปประมาณแปดเท่า สิ่งนี้ส่งผลต่ออายุการใช้งานของหอคอยอย่างไร? โดยทั่วไปแล้ว หอคอยส่วนใหญ่ได้รับการออกแบบให้มีอายุการใช้งาน 30 ถึง 50 ปี แต่ความเป็นจริงกลับเล่าอีกเรื่องหนึ่ง ชิ้นส่วนสำคัญ เช่น ชุดสลักเกลียว จำเป็นต้องเปลี่ยนใหม่ทุกๆ 7 ถึง 12 ปี และเมื่อพิจารณาภาพรวมทั้งหมดแล้ว การบำรุงรักษาโครงสร้างพื้นฐานระบบส่งไฟฟ้าบริเวณชายฝั่งจะมีค่าใช้จ่ายสูงกว่าการดำเนินการบำรุงรักษาภายในแผ่นดินประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ วิศวกรเองก็ได้ตระหนักถึงปัญหานี้อย่างแน่นอน หน่วยงานกำหนดมาตรฐาน เช่น IEEE ผ่านแนวทางปฏิบัติฉบับที่ 1242 และ NACE ผ่านมาตรฐาน SP0106 ได้กำหนดให้มีมาตรการป้องกันการกัดกร่อนที่เข้มงวดยิ่งขึ้น ซึ่งรวมถึงการเพิ่มความหนาของวัสดุให้มากขึ้น การออกแบบเส้นทางรองรับโครงสร้างเพิ่มเติม และการประเมินสถานที่อย่างละเอียดก่อนติดตั้งหอคอยใหม่ริมชายฝั่ง ที่ซึ่งอากาศเค็มกำลังรอคอยอยู่ด้วยความอดทนเพื่อกัดกินโลหะ

ระบบการเคลือบป้องกันที่พิสูจน์แล้วว่าใช้งานได้ดีสำหรับหอคอยในเขตชายฝั่ง

สีรองพื้นอีพอกซี-สังกะสี + สีท็อปโค้ตโพลียูรีเทน: สมรรถนะ ต้นทุนตลอดอายุการใช้งาน และช่วงเวลาการบำรุงรักษาสำหรับหอคอยโครงสร้างเหล็ก

การผสมผสานไพรเมอร์อีพอกซีที่มีส่วนผสมของสังกะสีเข้ากับโค้ทด้านบนแบบโพลียูรีเทน ให้การป้องกันที่แข็งแกร่งสำหรับหอคอยเหล็กที่ตั้งอยู่ใกล้ชายฝั่ง ไพรเมอร์ที่อุดมด้วยสังกะสีทำหน้าที่เป็นโล่ป้องกันแบบเสียสละผ่านหลักการป้องกันแบบแคโทดิก (cathodic protection) ในขณะที่โค้ทโพลียูรีเทนที่ทนต่อรังสี UV สร้างชั้นป้องกันที่แข็งแรง ซึ่งช่วยป้องกันไม่ให้เกลือแทรกซึมผ่านพื้นผิวโลหะ ผลการทดสอบภายใต้สภาวะแวดล้อมที่รุนแรงระดับ C5 M แสดงให้เห็นว่า สารเคลือบประเภทนี้มีอายุการใช้งานระหว่าง 20 ถึง 25 ปี ซึ่งยาวนานเกือบสองเท่าเมื่อเทียบกับสารเคลือบอุตสาหกรรมทั่วไปที่มีจำหน่ายในปัจจุบัน การทาสารเคลือบตามระบบดังกล่าวที่ความหนาฟิล์มแห้ง (dry film thickness) ที่แนะนำ คือ 120 ถึง 150 ไมครอน จะส่งผลอย่างมากต่อการประหยัดต้นทุนในระยะยาว เมื่อเปรียบเทียบกับตารางการทาซ้ำตามปกติ แนวทางนี้สามารถลดค่าใช้จ่ายตลอดอายุการใช้งาน (lifecycle expenses) ได้ประมาณ 40% งานบำรุงรักษาส่วนใหญ่จึงสามารถเลื่อนออกไปได้จนถึงหลังจากดำเนินการใช้งานมาแล้ว 15 ถึง 18 ปี อย่างไรก็ตาม หากทาสารเคลือบบางเกินไป แม้เพียงขาดหายไป 30 ไมครอนจากความหนาเป้าหมาย ก็จะทำให้อายุการใช้งานที่คาดไว้สั้นลงประมาณ 35% นี่จึงเป็นเหตุผลสำคัญที่การปฏิบัติตามมาตรฐาน SSPC PA2 อย่างเคร่งครัดระหว่างขั้นตอนการทาจึงมีความจำเป็นอย่างยิ่ง เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดจากระบบที่ให้การป้องกันนี้

สารเคลือบประเภทปูนซีเมนต์และสารเคลือบแบบไฮบริดสำหรับฐานรากหอคอยคอนกรีตในโซนกระแสน้ำขึ้น-ลง และโซนที่ถูกน้ำสาด

รากฐานคอนกรีตที่สัมผัสกับคลื่นจะได้รับประโยชน์อย่างมากจากสารเคลือบปูนซีเมนต์ที่ผสมพอลิเมอร์ ซึ่งสามารถแทรกซึมลึกลงไปในเนื้อวัสดุและปล่อยไอน้ำออกได้ในบริเวณที่ได้รับผลกระทบจากน้ำขึ้น-น้ำลงและน้ำกระเซ็น สารเคลือบนี้ทำงานโดยการปิดรอยแตกร้าวที่มีขนาดเล็กถึงครึ่งมิลลิเมตรผ่านกระบวนการเกิดผลึก จึงสามารถยับยั้งไอออนคลอไรด์ไม่ให้แทรกซึมเข้าไปภายใน ขณะเดียวกันก็ยังคงให้ความชื้นระเหยออกได้ตามธรรมชาติ คุณสมบัติในการระบายอากาศนี้ช่วยหลีกเลี่ยงปัญหาต่าง ๆ เช่น การเกิดฟองหรือการลอกของชั้นเคลือบเมื่อจมอยู่ใต้น้ำ ผลการทดสอบแสดงว่า ส่วนผสมแบบไฮบริดระหว่างอีพอกซีกับไซโลเซนสามารถลดการแทรกซึมของไอออนคลอไรด์ได้สูงถึงร้อยละ 92 เมื่อเทียบกับคอนกรีตธรรมดาภายใต้สภาวะบริเวณโซนน้ำกระเซ็น (splash zone) เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดี ผิวหน้าวัสดุจำเป็นต้องผ่านการเตรียมพื้นผิวอย่างเหมาะสมตามมาตรฐานอุตสาหกรรม SSPC SP13 หรือ NACE 6 และความหนาของชั้นเคลือบควรอยู่ที่อย่างน้อย 2.5 ถึง 3 มิลลิเมตร เพื่อทนต่อการสึกหรอจากทรายและเศษวัสดุต่าง ๆ การตรวจสอบเป็นระยะทุกสองปี พร้อมทั้งการประเมินผลอย่างครอบคลุมทุกห้าปี จะช่วยให้ตรวจจับปัญหาได้แต่เนิ่นๆ โดยเฉพาะบริเวณจุดที่ได้รับแรงกระแทกจากคลื่นที่เคลื่อนที่เร็วที่สุด ซึ่งมักเป็นจุดที่การสึกหรอมีแนวโน้มสะสมมากที่สุด

วัสดุและกรรมวิธีเคลือบผิวที่ต้านทานการกัดกร่อนสำหรับชิ้นส่วนหอคอย

เหล็กกล้าไร้สนิม (เกรด 316 และ 2205) และเหล็กกล้าทนสภาพอากาศ: แนวทางการประยุกต์ใช้และความเข้ากันได้เชิงโครงสร้างสำหรับโครงหอคอยและอุปกรณ์ประกอบในบริเวณชายฝั่ง

การเลือกวัสดุที่เหมาะสมมีความสำคัญอย่างยิ่งต่ออายุการใช้งานของหอคอยชายฝั่ง ซึ่งเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด 316 มีโมลิบดีนัมประมาณ 2 ถึง 3 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งช่วยให้มีคุณสมบัติป้องกันการเกิดรูพรุนและรอยแยกที่ปรากฏขึ้นระหว่างกระบวนการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม จึงเหมาะสำหรับชิ้นส่วนสำคัญ เช่น โบลต์ แผ่นยึด และจุดต่อเชื่อมระหว่างโครงสร้างต่างๆ สำหรับโครงสร้างหลักที่ต้องรับแรงจากคลื่นและคราบเกลือสะสม ควรใช้เหล็กกล้าไร้สนิมแบบดูเพล็กซ์เกรด 2205 แทน เนื่องจากสามารถทนต่อการแตกร้าวจากแรงดึงร่วมกับการกัดกร่อน (Stress Corrosion Cracking) ได้ดีกว่ามาก และมีคุณสมบัติด้านแรงดึงที่แข็งแกร่งกว่า ส่วนเหล็กกล้าชนิด Weathering Steel จะพัฒนาเป็นชั้นป้องกันตามธรรมชาติเมื่อสัมผัสกับวงจรความชื้นเป็นระยะเวลานาน จึงสามารถนำมาใช้กับส่วนของหอคอยที่อยู่เหนือระดับน้ำได้ ทั้งนี้ในบริเวณที่น้ำทะเลกระเด็นเข้ามาอย่างสม่ำเสมอ จำเป็นต้องระมัดระวังเป็นพิเศษ เพราะการสัมผัสกับไอออนคลอไรด์อย่างต่อเนื่องจะทำให้วัสดุชนิดนี้เสื่อมสภาพลงในที่สุด ตามมาตรฐานเช่น ISO 9223 C5-M นอกจากนี้ การหลีกเลี่ยงไม่ให้โลหะต่างชนิดสัมผัสกันโดยตรงก็มีความสำคัญเช่นกัน ดังนั้นเมื่อต้องเชื่อมต่อโลหะต่างชนิดกัน จำเป็นต้องแยกฉนวนทางไฟฟ้าระหว่างพวกมัน และในระหว่างการเชื่อม ควบคุมอุณหภูมิให้แม่นยำเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งเพื่อรักษาคุณสมบัติต้านทานการกัดกร่อน บางครั้งหลังการเชื่อมแล้ว อาจจำเป็นต้องดำเนินการบำบัดเพิ่มเติมเรียกว่า Passivation เพื่อฟื้นฟูการป้องกันผิวหน้าอีกด้วย

กลยุทธ์การป้องกันแบบคาโทดิกสำหรับฐานรากหอคอยที่ติดตั้งอยู่บนพื้นดินในบริเวณชายฝั่ง

การป้องกันแบบคาโทดิกเชิงไฟฟ้าเคมี (CP) เป็นมาตรการป้องกันที่สำคัญยิ่งสำหรับฐานรากหอคอยที่ติดตั้งอยู่บนพื้นดินในบริเวณชายฝั่ง—โดยเฉพาะฐานรากที่จมอยู่ในน้ำทะเลหรือฝังอยู่ในดินที่มีความเค็มสูง มีการใช้วิธีหลักสองวิธี ซึ่งแต่ละวิธีเหมาะสมกับบริบทการปฏิบัติงานที่แตกต่างกัน:

• การป้องกันแบบคาโทดิกโดยใช้แอนโอดแบบเสียสละ : แอนโอดที่ทำจากสังกะสี อลูมิเนียม หรือแมกนีเซียม จะถูกเชื่อมต่อทางไฟฟ้าเข้ากับโครงสร้างเหล็กของฐานราก แอนโอดเหล่านี้จะเกิดการกัดกร่อนก่อนเป็นพิเศษ จึงช่วยยืดอายุการใช้งานของโครงสร้างได้นานขึ้น 15–20 ปี ในสภาพแวดล้อมทางทะเลที่รุนแรง วิธีนี้มีประสิทธิภาพเป็นพิเศษสำหรับฐานรากที่มีการเข้าถึงเพื่อการบำรุงรักษาหรือตรวจสอบได้จำกัด

• การป้องกันการกัดกร่อนด้วยกระแสไฟฟ้าที่ควบคุม (Impressed Current Cathodic Protection หรือเรียกย่อว่า ICCP) ทำงานโดยใช้เครื่องแปลงกระแส (rectifier) ส่งกระแสตรงที่ควบคุมได้ไปยังขั้วบวกพิเศษ (anodes) ที่ผลิตจากวัสดุต่าง ๆ เช่น ออกไซด์ของโลหะผสม (mixed metal oxide: MMO) หรือสารประกอบแพลตินัม-ไนโอเบียม (platinum niobium) ซึ่งจะสร้างการป้องกันทั่วทั้งโครงสร้างที่ฝังอยู่ใต้ดินหรือจมอยู่ใต้น้ำ ระบบนี้ได้รับความนิยมอย่างมากสำหรับโครงการขนาดใหญ่ที่ต้องการความทนทานยาวนานหลายสิบปี โดยเฉพาะอย่างยิ่งโครงสร้างฐานขนาดมหึมาที่รองรับกังหันลมนอกชายฝั่ง (offshore wind turbines) เหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น? ก็เพราะว่า ระบบ ICCP สามารถปรับแต่งให้เหมาะสมตามความต้องการได้ ตรวจสอบและติดตามผลจากระยะไกลได้โดยไม่จำเป็นต้องส่งเจ้าหน้าที่ออกไปประจำพื้นที่บ่อยครั้ง และมีรายงานว่าสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่า 25 ปี ในหลายกรณีจริงที่มีการติดตั้งใช้งานจริง ลักษณะเหล่านี้ทำให้ระบบ ICCP เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับโครงสร้างพื้นฐานสำคัญที่อาจเข้าถึงเพื่อการบำรุงรักษาได้ยากหรือมีค่าใช้จ่ายสูง

ระบบป้องกันการกัดกร่อนแบบไฮบริด (Hybrid CP systems) ซึ่งรวมขั้วบวกแบบสูญเสีย (sacrificial anodes) ที่ติดตั้งใกล้ระดับโคลน (mudline) เข้ากับระบบป้องกันการกัดกร่อนแบบกระแสไฟฟ้าไหลเข้า (ICCP) สำหรับส่วนเสาเข็มที่อยู่ลึกลงไป กำลังได้รับการนำมาใช้มากขึ้นในเขตเปลี่ยนผ่านระหว่างกระแสน้ำขึ้น-ลง (tidal-splash transition zones) ซึ่งอัตราการกัดกร่อนเกิน 0.5 มม./ปี การกระจายกระแสไฟฟ้าอย่างสม่ำเสมอขึ้นอยู่อย่างยิ่งกับการจัดวางขั้วบวกอย่างมีกลยุทธ์ การทำแผนที่ความต้านทานของดิน (soil resistivity mapping) และการสำรวจศักย์ไฟฟ้าเป็นระยะตามมาตรฐาน NACE SP0169 และ ISO 15257

คำถามที่พบบ่อย

1. ทำไมหอคอยชายฝั่งจึงเกิดการกัดกร่อนเร็วกว่าหอคอยในแผ่นดิน?

หอคอยชายฝั่งเกิดการกัดกร่อนเร็วกว่าเนื่องจากได้รับผลกระทบจากละอองเกลือ น้ำทะเลที่กระเด็นขึ้น (tidal splash) และการสะสมของคลอไรด์ในบรรยากาศ ซึ่งทั้งหมดนี้เร่งกระบวนการกัดกร่อน

2. มาตรการป้องกันที่นิยมใช้กับหอคอยชายฝั่งมีอะไรบ้าง?

มาตรการป้องกันที่นิยมใช้ ได้แก่ การเคลือบพื้นผิวด้วยไพรเมอร์ชนิดอีพอกซี-สังกะสี (epoxy-zinc primers) พร้อมเคลือบผิวชั้นบนด้วยโพลีอูรีเทน (polyurethane topcoats) การใช้วัสดุสแตนเลส เช่น เกรด 316 หรือสแตนเลสแบบดูเพล็กซ์เกรด 2205 และการใช้ระบบป้องกันการกัดกร่อนแบบคาโทดิก (cathodic protection systems) เช่น ระบบ CP แบบขั้วบวกสูญเสีย (sacrificial anode CP) และระบบ ICCP

3. ควรดำเนินการตรวจสอบบำรุงรักษาระบบเคลือบผิวของหอคอยชายฝั่งบ่อยเพียงใด?

ควรดำเนินการตรวจสอบเป็นประจำทุกสองปี และประเมินอย่างครบถ้วนทุกห้าปี เพื่อตรวจจับปัญหาตั้งแต่เนิ่นๆ โดยเฉพาะในพื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากคลื่นที่เคลื่อนที่เร็ว

4. การป้องกันแบบคาโทดิกคืออะไร และทำงานอย่างไรกับหอคอยชายฝั่งที่ต่อลงดิน

การป้องกันแบบคาโทดิกใช้ขั้วบวกแบบสละ (sacrificial anodes) หรือระบบกระแสไฟฟ้าที่ป้อนเข้า (impressed current systems) เพื่อป้องกันการกัดกร่อน โดยการเบี่ยงเบนกระแสไฟฟ้าที่ก่อให้เกิดการกัดกร่อนออกไปจากโครงสร้างเหล็ก