ออกแบบระบบ Galvanic Cathodic Protection — คำนวณ Current Demand, มวล Anode และจำนวน Anode (DNV-RP-B401 / ISO 12696)

บทความก่อนหน้าเรื่อง การเลือกอะโนด 4 ชนิด ตอบว่า "ใช้โลหะอะไรในสภาพแวดล้อมไหน" — บทความนี้ตอบขั้นถัดไปที่วิศวกรต้องส่งใน TOR/BOQ จริง: "ต้องใช้กี่กิโล กี่ตัว และพิสูจน์อย่างไรว่าพอ"

การออกแบบระบบ Galvanic Cathodic Protection (GCP) ไม่ใช่การเดา — มีสูตรและเกณฑ์ตายตัวตาม DNV-RP-B401 (งานทะเล/เหล็กจม), ISO 12696 (เหล็กในคอนกรีต) และ NACE SP0169 / ISO 15589 (ท่อ/ถังฝังดิน) ถ้าคำนวณมวล anode น้อยไป ระบบจะหมดอายุก่อนกำหนด ถ้ามากไปก็เปลืองงบประมาณโดยไม่จำเป็น

ภาพรวม 5 ขั้นการออกแบบ

graph TD
    A[1. พื้นที่ผิวที่ต้องป้องกัน A m²
× coating breakdown factor] --> B[2. Current Demand
I = A × i_c
คิดทั้ง initial / mean / final]
    B --> C[3. มวล Anode รวม
M = I_mean × t × 8760 / u × ε]
    C --> D[4. จำนวน Anode
มากสุดของ: มวล vs current output]
    D --> E[5. ตรวจเกณฑ์ป้องกัน
−850 mV / 100 mV decay]
    E -->|ไม่ผ่าน| B
    E -->|ผ่าน| F[ออกแบบเสร็จ + BOQ]

ขั้น 1 — พื้นที่ผิว + Coating Breakdown Factor (fc)

เริ่มจากพื้นที่ผิวโลหะที่สัมผัส electrolyte (m²) ถ้ามีสีเคลือบ ระบบ CP ต้องป้องกันเฉพาะส่วนที่สีเสื่อม ใช้ coating breakdown factor (fc) ตาม DNV-RP-B401:

fc = a + b × t (t = อายุปี, a/b ขึ้นกับชนิดสีและความลึกน้ำ)

• ผิวเปลือย (bare steel): fc = 1.0
• ระบบสีดี + ลึกน้ำน้อย: fc เริ่มต้นต่ำ (~0.02) แต่เพิ่มขึ้นตามอายุ
• Current demand = A × fc × i_c → ยิ่งสีดี ยิ่งใช้ anode น้อย

ขั้น 2 — Current Demand (i_c ตามสภาพแวดล้อม)

หัวใจคือ design current density (i_c) ซึ่งต่างกันมากตาม electrolyte — และต้องคิด 3 ค่า: initial (polarize ครั้งแรก), mean (เฉลี่ยตลอดอายุ ใช้คำนวณมวล) และ final (ปลายอายุ ใช้เช็คจำนวน):

สภาพแวดล้อม	Design current density i_c	มาตรฐานอ้างอิง
น้ำทะเลเขตร้อน >20°C (เหล็กเปลือย)	initial 150 / mean 70 / final 100 mA/m²	DNV-RP-B401
ตะกอนเลนใต้ทะเล (mud/sediment)	~20 mA/m²	DNV-RP-B401
เหล็กเสริมในคอนกรีต	0.2–20 mA/m² (ทั่วไป 1–2, ปนเปื้อนคลอไรด์สูงถึง 20)	ISO 12696
ท่อ/ถังฝังดิน	10–50 mA/m² (ขึ้นกับ resistivity + การเติมอากาศ)	NACE SP0169 / ISO 15589

สูตร: I = A × fc × i_c (คิดแยก initial / mean / final)

ขั้น 3 — มวล Anode รวม (สมการหลัก DNV-RP-B401)

M = (I_mean × t_f × 8760) / (u × ε)

• M = มวล anode สุทธิรวม (kg)
• I_mean = current demand เฉลี่ย (A)
• t_f = อายุออกแบบ (ปี) · 8760 = ชั่วโมง/ปี
• u = utilization factor (stand-off 0.80, bracelet/flush 0.85–0.90)
• ε = electrochemical capacity (Ah/kg) ของวัสดุ anode

วัสดุ Anode	ε ออกแบบ (Ah/kg)	Closed-circuit potential	หมายเหตุ
Aluminium (Al-Zn-In)	~2,000	−1.05 V (Ag/AgCl)	นิยมสุดในน้ำทะเล (capacity/kg สูง)
Zinc	~700–780	−1.00 V	ไม่แนะนำ >50°C หรือในเลนบางชนิด
Magnesium	~1,100	−1.50 V	driving แรง สำหรับน้ำจืด/ดิน resistivity สูง

ค่า ε และ potential อ้างอิงตาราง DNV-RP-B401 Section 8 + ASTM B418 (zinc) — โครงการจริงต้องใช้ค่าจาก COC ของผู้ผลิตที่ผ่าน type test

ขั้น 4 — จำนวน Anode (ต้องผ่านทั้ง "มวล" และ "กระแส")

จำนวน anode = ค่ามากสุด ของ 2 เงื่อนไข:

(ก) จากมวล: N_mass = M / m_a (m_a = มวลสุทธิต่อตัว)

(ข) จาก current output: anode แต่ละตัวจ่ายกระแสได้จำกัดตามความต้านทาน — ใช้สูตร Dwight สำหรับ slender stand-off:

R_a = (ρ / 2πL) × (ln(4L/r) − 1)

แล้ว I_a = (E_c - E_a) / R_a → ต้องมี anode พอให้ N × I_a ≥ I ทั้งตอน initial (anode เต็ม) และ final (anode กร่อนเหลือเล็ก, R_a สูงขึ้น)

กฎง่ายๆ: น้ำทะเล resistivity ต่ำ (~20–30 Ω·cm) → มวล มักเป็นตัวกำหนด · ดิน/น้ำจืด resistivity สูง → current output/จำนวน เป็นตัวกำหนด

ขั้น 5 — เกณฑ์การป้องกัน (Protection Criteria)

วัด steel potential เทียบ reference electrode ต้องถึงเกณฑ์:

สภาพแวดล้อม	เกณฑ์ป้องกัน	Reference electrode
เหล็กในน้ำ/ดิน (aerobic)	≤ −0.80 V (Ag/AgCl) หรือ ≤ −0.85 V (Cu/CuSO₄)	Ag/AgCl, Cu/CuSO₄
ดินที่มีแบคทีเรีย SRB (anaerobic)	≤ −0.90 V (Ag/AgCl)	Ag/AgCl
เหล็กเสริมในคอนกรีต	100 mV potential decay ภายใน 24 ชม. หลังตัดวงจร	Ag/AgCl, Cu/CuSO₄ (concrete)

หากวัดแล้วไม่ถึงเกณฑ์ → ย้อนกลับเพิ่ม current demand แล้วคำนวณใหม่

ตัวอย่างคำนวณจริง — กำแพงเหล็ก Sheet Pile ริมทะเล

โจทย์: กำแพง sheet pile เหล็กเปลือย พื้นที่จม A = 500 m², น้ำทะเลเขตร้อน, อายุออกแบบ 20 ปี, ใช้ anode Al-Zn-In

ขั้น 2 — Current demand (เหล็กเปลือย fc = 1.0):

• I_mean = 500 × 0.070 = 35 A
• I_initial = 500 × 0.150 = 75 A · I_final = 500 × 0.100 = 50 A

ขั้น 3 — มวล anode (ε = 2,000 Ah/kg, u = 0.80):

M = (35 × 20 × 8760) / (0.80 × 2,000) = 6,132,000 / 1,600 = ≈ 3,833 kg (มวล Al สุทธิรวม)

ขั้น 4 — จำนวน (ใช้ anode 40 kg สุทธิ/ตัว):

• จากมวล: 3,833 / 40 = 96 ตัว
• น้ำทะเล resistivity ต่ำ → current output ต่อตัวสูง → มวลเป็นตัวกำหนด → ใช้ 96 ตัว

ขั้น 5: กระจาย anode ให้ steel potential ทุกจุด ≤ −0.80 V (Ag/AgCl) ทั้ง initial และ final

ถ้าเป็นโครงสร้าง คอนกรีตเสริมเหล็ก ให้เปลี่ยนไปใช้ i_c ของ ISO 12696 (1–20 mA/m²) + เกณฑ์ 100 mV decay และเลือก Concrete Anode CR60/CR100 แทน

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในการออกแบบ

• ใช้ i_c เดียวทั้งอายุ — ต้องแยก initial/mean/final ไม่งั้นมวลหรือจำนวนพลาด
• ลืม utilization factor — anode ใช้ได้ไม่ถึง 100% ของมวล (stand-off ~80%)
• ไม่เช็ค final current — ปลายอายุ anode เล็กลง R_a สูงขึ้น อาจจ่ายกระแสไม่พอแม้มวลรวมจะพอ
• ไม่คิด coating breakdown — งานที่มีสี ถ้าใช้ fc = 1 จะ over-design เปลืองงบ

คำถามที่พบบ่อย

Q: คำนวณเองได้ไหม หรือต้องจ้างวิศวกร?

A: สูตรข้างต้นใช้ออกแบบเบื้องต้นได้ แต่โครงการจริง (โดยเฉพาะงาน TOR ราชการ) ต้องมีวิศวกรลงนาม + ใช้ค่า i_c/ε จากผลทดสอบจริงของวัสดุ + เผื่อ design margin ทีมสหวัฒนกิจคำนวณ + ออกแบบ + จัดทำ BOQ พร้อมอ้างมาตรฐานให้ได้

Q: TOR ระบุแค่ "ป้องกันสนิมตามมาตรฐาน" ต้องยึดเล่มไหน?

A: งานเหล็กจมน้ำทะเล/offshore → DNV-RP-B401 · เหล็กเสริมคอนกรีต → ISO 12696 + ACI 222R · ท่อ/ถังฝังดิน → NACE SP0169 / ISO 15589-1 ระบุเล่มให้ตรงประเภทโครงสร้าง

Q: ค่า −850 mV กับ 100 mV decay ต่างกันอย่างไร?

A: −850 mV (Cu/CuSO₄) เป็นเกณฑ์ "potential สัมบูรณ์" สำหรับเหล็กในดิน/น้ำ · 100 mV decay เป็นเกณฑ์ "การเปลี่ยนแปลง" หลังตัดวงจร นิยมใช้กับเหล็กในคอนกรีต (ISO 12696) เพราะวัด absolute potential ในคอนกรีตได้ยาก

Q: ออกแบบเสร็จแล้วต้องตรวจอะไรหลังติดตั้ง?

A: วัด steel potential ก่อน-หลังตัดวงจร 24 ชม. ด้วย reference electrode ที่ถูกชนิด, ตรวจทุก 6 เดือน–1 ปี, บันทึก polarization decay เทียบเกณฑ์ และตรวจอัตราการกร่อนของ anode เทียบแผนอายุ

ติดต่อขอใบเสนอราคา + ออกแบบระบบ CP

ทีมวิศวกรของเราออกแบบระบบ Cathodic Protection ครบวงจร — คำนวณ current demand + มวล/จำนวน anode + จัดทำ BOQ อ้างมาตรฐาน + จัดส่ง anode (Concrete / Aluminium / Zinc / Magnesium) + commissioning + monitoring ลูกค้าอ้างอิง: การรถไฟแห่งประเทศไทย, ขสมก., CPAC, SCG, Freyssinet, AGC

• โทร: 02-096-2118 (สำนักงาน)
• LINE: @406rrgvm
• อีเมล: info@sahawatthanakit1988.com
• ขอใบเสนอราคา: /quote?service=rust