حفاظت کاتدی (cathodic protection)

حفاظت کاتدی (cathodic protection)

حفاظت کاتدی علمی است که قبل از به وجود آمدن علم الکتروشیمی مورداستفاده قرارگرفته است. در سال ۱۸۲۴ دیوی این روش را برای حفاظت کشتی‌های انگلیسی بکار گرفت.

اساس این روش را می‌توان با در نظر گرفتن خوردگی فلز M در یک محیط اسیدی توضیح داد. واکنش‌های الکتروشیمیایی انحلال فلز و آزاد شدن گاز هیدروژن است، بر طبق معادلات زیر:

M → M + ne

۲H +2 e → H۲

با فراهم نمودن الکترون برای فلزی که بایستی محافظت شود این عمل انجام می‌شود. بررسی معادلات واکنش بالا نشان می‌دهد که با دادن الکترون به فلز، انحلال آن تقلیل می‌یابد و تصعید هیدروژن انجام می‌شود. اگر فرض کنیم جریان از قطب مثبت به قطب منفی می‌رود، مطابق قرارداد در قوانین الکتریسیته، بنابراین درصورتی‌که جریان از الکترولیت وارد سطح فلز گردد باعث محافظت آن می‌شود. برعکس اگر جریان از سطح فلز وارد الکترولیت گردد خوردگی شدید واقع می‌گردد. در فنّاوری حفاظت کاتدی قرارداد جهت جریان به‌صورت فوق فرض شده و در اینجا نیز به همین صورت بیان می‌شود.

دو روش برای حفاظت کاتدی وجود دارد: (۱) به‌وسیله یک مولد برق یا (۲) به‌وسیله ایجاد یک زوج گالوانیکی مناسب. در شکل (۱) حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان الکتریکی نشان داده‌شده است. در این شکل یک تانک زیرزمینی به قطب منفی مولد جریان مستقیم وصل شده است و قطب مثبت به یک آند خنثی مثل گرافیت یا دورآیرون(Duriron) متصل است. محل اتصال کابل به تانک و الکترود خنثی به‌دقت عایق می‌شود تا از نشت جریان جلوگیری شود. آند معمولاً به‌وسیله پشت‌بند شامل پودر کک، گچ یا بتونیت محصورشده است تا اتصال الکتریکی بین آند و زمین مجاور را بهبود بخشد. همان‌طوری که در شکل (۱) نشان داده‌شده است جریان از زمین (الکترولیت) وارد سطح تانک می‌شود و باعث کاهش خوردگی آن می‌گردد.

شکل (1)

 شکل (۱).حفاظت کاتدی یک تانک زیرزمینی با استفاده از روش اعمال جریان خارجی

در شکل (۲) این روش با متصل کردن فلزی که بایستی موردحفاظت قرار گیرد به منیزیم نشان داده‌شده است. همان‌طورکه می دانیم منیزیم نسبت به فولاد آندی بوده و در زوج گالوانیکی با فولاد، منیزیم خورده خواهد شد. در این حالت، آند قربانی شونده نام دارد زیرا در طی فرایند حفاظت فولاد مصرف می‌شود. حفاظت کاتدی با استفاده از آند قربانی شونده همچنین برای حفاظت لوله‌های زیرزمینی نیز می‌تواند مورداستفاده قرار گیرد.(شکل ۳) در این مورد آندهایی با فواصل یکسان در طول لوله کار گذاشته می‌شوند تا توزیع یکنواختی از جریان الکتریکی به سطح لوله برسد.

شکل (2)

شکل(۲). حفاظت کاتدی یک تانک آب گرم خانگی بعنوان آند قربانی شونده

شکل (3)

شکل(۳). حفاظت یک لوله ی زیرزمینی با یک آند منیزیمیش

جریان الکتریکی لازم برای محافظت فلز به‌طور تجربی تعیین می‌گردد. محیط‌های خورنده مثل اسیدهای گرم نیازی به جریان بیشتری دارند درصورتی‌که در محیط‌هایی که قدرت خورندگی کمتری دارند جریان بسیار کمتری موردنیاز است (مثلاً در بتن). بر اساس انواع وکاربردهای خاص ممکن است مقادیر متفاوتی نیاز داشته باشند؛ مثلاً در بعضی خاک‌های خیلی اسیدی غالباً ۱۰ تا ۱۵ میلی‌آمپر بر فوت مربع جریان لازم است، همچنین چنانچه لوله دارای پوشش آلی باشد جریان به‌مراتب کمتری لازم خواهد بود، زیرا تنها محل‌هایی که فلز به‌واسطه نواقص در پوشش در معرض محیط خورنده قرار دارند، بایستی محافظت شوند. در این‌گونه موارد به روش سعی و خطا اندازه آند یا جریان موردنیاز بایستی تعیین گردد. یک روش دقیق‌تر و سریع‌تر اندازه‌گیری پتانسیل فلز موردنظر به‌وسیله یک الکترود و مرجع مناسب است.

تجهیزات فولادی در تماس با خاک‌ها، آب‌های شیرین و شور و آب دریا چنانچه به پتانسیل ۰.۰۸۵ ولت نسبت به مقایسه مس-سولفت مس پلاریزه گردند محافظت خواهند شد. شکل (۴) الکترود مزبور را که برای حفاظت کاتدی مورداستفاده قرار می‌گیرد نشان می‌دهد.

شکل (4)

             شکل(۴). الکترود مقایسه مس – سولفات مسش

این الکترود دارای مزایای زیر است: ارزان بودن، دقت خوب و محکم و بادوام بودن. پتانسیل یک فلز به‌وسیله یک ولت‌متر با مقاومت بالا  اندازه‌گیری می‌شود. موقع اندازه‌گیری الکترود مقایسه را داخل زمین یا روی یک قطعه اسفنج آغشته به آب نمک‌دار می‌گذارند تا اتصال الکتریکی برقرار شود. دانسیته جریان لازم برای پلاریزه کردن فلز تا ۰.۰۸۵ ولت به سهولت اندازه‌گیری می‌شود. در مواردی که از آندهای قربانی شونده (مثلاً منیزیم) استفاده می‌شود، از همین اندازه‌گیری به‌منظور تعیین تعداد و اندازه آندها برای حفاظت کامل استفاده می‌شود. در مورد لوله‌های بلند یا اسکلت‌های فلزی بزرگ و پیچیده، اندازه‌گیری پتانسیل به‌وسیله الکترود مقایسه برای تعیین یکنواختی جریان انجام می‌شود.

انتخاب آند برای این نوع محافظت بر اساس ملاحظات مهندسی و اقتصادی قرار دارد. بین آندهای قربانی شونده، منیزیم متداول‌ترین است. اگرچه راندمان آن پایین است (حدود ۵۰ درصد) اما این کمبود با پتانسیل بسیار منفی آن جبران شده و درنتیجه جریان بالایی به دست می‌دهد.

آندهایی که درروش اعمال جریان خارجی مورداستفاده قرار می‌گیرند متنوع‌تر هستند و از ضایعات فولادی ارزان‌قیمت که به‌سرعت خورده می‌شوند تا تیتانیوم پلاتینیزه ی خنثی که هم راندمان بالایی دارد و هم گران‌قیمت است را دربرمی گیرد. فولاد، گرافیت و آهن سیلیسیم دار متداول‌ترین هستند، سرب و تیتانیوم پلاتینیزه شده کاربرد روزافزونی در محیط‌های دریایی پیداکرده‌اند.

جریان‌های سرگردان غالباً در دستگاه‌های حفاظت کاتدی باعث اشکالاتی می‌گردند. اصطلاح جریان‌های سرگردان به جریان‌های مستقیم موجود در منطقه موردنظر اطلاق می‌گردد. چنانچه یک شیئی فلزی در یک میدان جریان الکتریکی قرار بگیرد، اختلاف‌پتانسیل، روی آن به وجود آمده و در نقاطی که جریان از سطح شیئی وارد خاک می‌گردد خوردگی شدیدی ملاحظه می‌گردد. در سال‌های گذشته به خاطر نشت جریان ترامواهای الکتریکی، مشکلات ناشی از جریان‌های سرگردان کاملاً متداول بودند. لوله‌ها و تانک‌هایی که زیر مسیر ترامواها قرار داشتند به‌سرعت خورده می‌شدند؛ اما چون این وسیله حمل‌ونقل امروزه کنار گذاشته‌شده، جریان‌های سرگردان از این منابع دیگر وجود ندارد. منبع متداول‌تر جریان‌های سرگردان، در این دستگاه ها می‌باشند. این مسئله مخصوصاً در حوزه‌های نفتی شلوغ و مجموعه‌های صنعتی که دارای لوله‌های زیرزمینی بسیاری می‌باشند وجود دارد.

شکل (5)

شکل (۵) جریان‌های سرگردان ناشی از یک سیستم حفاظت کاتدی را نشان می‌دهد.

صاحب تانک زیرزمینی، حفاظت کاتدی نصب نمود. او از خط لوله مجاور که در اثر حوزه جریان‌های سرگردان به‌سرعت سوراخ شد بی‌اطلاع بود. اگر صاحب خط لوله، حفاظت کاتدی به لوله خود متصل می‌کرد، خوردگی ناشی از جریان‌های سرگردان لوله از بین می‌رفت ،اما باعث خوردگی روی تانک مجاور می‌شد. به‌آسانی می‌توان دید که چگونه خوردگی در اثر جریان‌های آواره تشدید می‌شود.

افزایش جریان برای حفاظت روی هرکدام باعث افزایش جریان موردنیاز برای حفاظت دیگری می‌شود، در یک منطقه صنعتی که دارای دانسیته بالایی از خطوط لوله زیرزمینی بود، جریان موردنیاز برای حفاظت در بعضی مناطق به ۲۰ میلی‌آمپر بر فوت مربع افزایش یافت.

راه‌حل این مسئله هماهنگی بین دو سیستم است؛ مثلاً خوردگی ناشی از جریان‌های سرگردان شکل (۵) به‌صورت شکل (۶) قابل‌حل است. به‌این‌ترتیب لوله و تانک بدون ایجاد جریان‌های سرگردان حفاظت‌شده و مخارج حفاظت بین دو سیستم تقسیم می‌شود.

شکل (6)

شکل(۶). جلوگیری از خوردگی ناشی از جریان های سرگردان با طراحی صحیحش

این روش با اعمال جریان خارجی برای کاهش مخارج تعمیرات و نگهداری شاه‌راه‌ها و پل‌ها بکار رفته است. خوردگی آرماتورهای فولادی در بتن کاهش داده می‌شوند. در مناطق خارج از شهر، استفاده از صفحات خورشیدی برای تأمین جریان الکتریکی پیشنهادشده است. اینوع محافظت هنوز بیشتر یک فن است تا یک علم و تجربیات قبلی بهترین مبنا برای قضاوت است. این نظریه یک مهندس خوردگی بود که بعد از ۳۰ سال تجربه عمدتاً در حفاظت کاتدی خطوط لوله‌ها بازنشسته می‌شد. شرکت‌های زیادی دراین زمینه وجود دارند و درصورتی‌که پروژه بزرگی وجود داشته باشد بایستی با آن‌ها مشورت نمود.

حفاظت آندی

برعکس حفاظت کاتدی، حفاظت آندی نسبتاً جدید است و اولین بار در ۱۹۵۴ پیشنهاد شد. این فن با استفاده از اصول سینتیک الکترود ابداع گردید و بدون اطلاع از نظریه‌های مدرن تئوری الکتروشیمی توصیف آن مشکل است. به‌طور خلاصه، حفاظت آندی بر اساس تشکیل یک پوسته سطحی محافظ روی فلزات با اعمال جریان‌های آندی است. با عمال جریان آندی به یک فلز قاعدتاً سرعت انحلال فلز بایستی افزایش پیدا کند و سرعت آزاد شدن هیدروژن کاهش یابد.

معمولاً در مورد فلزات این حالت اتفاق می‌افتد به‌جز در مورد فلزات فعال- غیرفعال مثل نیکل، آهن، کروم، تیتانیوم و آلیاژهای آن‌ها. اگر به‌دقت به جریان آندی به این فلزات اعمال گردد، غیرفعال شده سرعت انحلال تقلیل می‌یابد. برای حفاظت آندی، دستگاهی به نام پنانسیواستات لازم است، پنانسیواستات یک دستگاه الکترونیکی است که فلز را در یک پتانسیل ثابت نسبت به یک الکترود مقایسه نگه می‌دارد.

حفاظت اندی سرعت خوردگی را به‌شدت کاهش می‌دهد. مزیت عمده حفاظت آندی قابلیت استفاده از آن در محیط‌های بسیار خورنده و نیاز به جریان الکتریکی کم است. یک کاربرد جالب‌توجه و اقتصادی از حفاظت آندی، استفاده از لوله‌هایی از جنس فولاد زنگ نزن نوع ۳۱۶ برای خنک کردن اسید در واحدهای اسیدسولفوریک است.

لوله‌ها دارای حفاظت آندی هستند و این کار به‌جای استفاده از مبدل‌های حرارتی چدنی ضخیم صورت می‌گیرد.

مقایسه حفاظت آندی و کاتدی

هر یک از این دو روش دارای معایب و مزایایی هستند. درعین‌حال مکمل یکدیگرند.

حفاظت آندی در محیط‌های ضعیف تا خیلی خورنده می‌تواند مورداستفاده قرار گیرد. درصورتی‌که حفاظت کاتدی محدود به محیط‌های متوسط ازنظر خوردگی است زیرا با اضافه شدن خورندگی محیط جریان الکتریکی بیشتری موردنیاز است.

حفاظت کاتدی به سه شیوه اعمال می‌گردد:
۱ – جریان اعمالی Impressed current
۲ – آند فدا شونده sacrificial anode
۳ -استفاده از آند جسدی (منیزیمی)
از آند جسدی (منیزیمی) جهت حفاظت سیستم Earth استفاده می‌گردد.
حفاظت کاتدی بوسیله جریان اعمالی:
در این روش ابتدا جریان متناوب AC توسط یکسو کننده (Rectifier) به جریان مستقیم DC تبدیل می‌گردد. سپس قطب منفی جریان مستقیم به خط لوله (یا هر تجهیز دیگری که می‌بایست حفاظت شود) و قطب مثبت به یک ماده رسانای دفن شده وصل می‌شود. این رسانا آند نامیده می‌شود. جنس آند بکار رفته معمولاً silicone-chromium-iron می‌باشد. از آنجا که درصد سیلیکون بکار رفته در این نوع آند بالاست (احتمالاً ۵ %) به این آند High silicone-chromium-iron گفته می‌شود. جریان مستقیم معمولا از طریق یک یکسو کننده به لوله وارد می‌گردد و در حقیقت یک مدار الکتریکی بوسیله عبور جریان توسط خاک از آند به خط لوله به وجود می‌آید. در واقع خاک نقش الکترولیت را داراست. (شکل ۱)
در حقیقت سرمایه گذاری برای تاسیسات حفاظت کاتدی، بخش کوچکی از هزینه کل تجهیزات است برخلاف حفاظت بوسیله پوشش‌ها، تداوم هزینه‌ها برای تجهزات و کنترل وجود دارد؛ در حقیقت این بحث شامل اندازه گیری و برآورد تجهیزات، طراحی و نصب آن‌ها، اندازه گیری و تفسیر نتایج بدست آمده و سپس تعمیر و نگه داری است.

حفاظت کاتدیک تجهیزات زیرزمینی (UG)

شکل ۱ – نمایی از سیستم حفاظت کاتدیک با اعمال جریان

فاکتور های مورد نظر جهت طراحی سیستم حفاظت کاتدیک:
عواملی که باید مد نظر قرار گیرند عبارت اند از:
۱ – اندازه پتانسیل: که با استفاده از دیاگرام ایوانز آن چنان اختیار می‌شود که فلزات متفاوت در ناحیه کاتدی حفاظت می‌گردند. (شکل ۲)
۲ – جریان مدار: شدت جریان (آمپر) مورد نیاز جهت رسیدن به پتانسیل حفاظت کننده می‌بایستی محاسبه شود.
۳ – فاصله بسترهای آندی: هر قدر که فاصله آند‌ها از قطعه بیشتر باشد جریان بیشتری در مدار می‌بایست تزریق گردد تا حفاظت کامل تری صورت پذیرد.
نزدیکی بیش از حد آند به قطعه از رسیدن جریان به تمامی سطح (بخصوص طرف پشت قطعه) جلوگیری خواهد نمود.
۴ -احتمال بکار گرفته شدن پوشش‌های حفاظتی و تاثیر آن‌ها بر طراحی سیستم حفاظت کاتدی
۵ – اندازه‌های قطعه مهندسی، قطر، طول یا عرض جهت محاسبه سطح و در نتیجه اندازه مقاومت الکتریکی آن
۶ – نوع و جنس خاک، به لحاظ خواص شیمیایی و تعیین مقاومت آن اهمیت خاص دارند.
۷ – احتمال وجود جریان‌های ناخواسته (سرگردان)، جریان‌های القائی که بنا بر عبور برق فشار قوی از نزدیکی قطعه مهندسی و یا وجود ترانس‌ها و دیگر دستگاه‌ها ایجاد می‌گردد.
 حفاظت کاتدیک تجهیزات زیرزمینی (UG)
شکل ۲ – دیاگرام ایوانز
رابطه مقاومت، جریان و پتانسیل با یکدیگر:
با فرض اینکه قطعه مهندسی، خاک و یا سیال هر یک دارای مقاومت الکتریکی خاص خود هستند، هر گاه جریان حفاظتی با استفاده از یک منبع تغذیه و یا آند فدا شونده برقرار گردد، در نزدیکی آند مقاومت کمتری بوجود آمده، شدت جریان بیشترین خواهد بود؛ لذا هر قدر که از منبع آندی دورتر شویم مقاومت الکتریکی افزایش یافته جریان کمتر خواهد شد، در نتیجه حفاظت کامل نخواهد بود این پدیده را اصطلاحا (افت ولتاژ) می‌نامند، اگر ولتاژ به اندازه‌ای افت نماید که از ناحیه حفاظت کاتدی (ایوانز) خارج شود دیگر حفاظتی صورت نمی‌گیرد. همین پدیده را می‌توان با استفاده از یک مدار مقاومتی نشان داد که جریان در مقاومت‌های نزدیک به بستر آندی بیشترین خواهد بود (شکل ۳). شدت جریانی که از واحد سطح زمین و در نزدیکی بستر آندی خارج می‌شود؛ به مراتب از شدت جریان عبوری در فواصل دورتر از آند بیشتر است. در نتیجه به ازای بعد مسافت، جریان کاهش خواهد یافت، این پدیده باعث افت پتانسیل می‌شود (با فرض مقاومت ثابت).

حفاظت کاتدیک تجهیزات زیرزمینی (UG)

شکل ۳ – افت ولتاژ و عدم حفاظت کاتدی بعد از ۱۵ متر فاصله از آند (لوله بدون پوشش)
در سیستم حفاظت کاتدی به روش آند فدا شونده این افت پتانسیل نیز می‌بایستی در نظر گرفته شود هر چند که آند معمولا از قدرت کمتری برخوردار است.
مقدار جریان لازم از فرمول V. = IR محاسبه می‌شود. مقدار جریان مورد نیاز برای حفاظت واحد سطح از یک لوله فولادی بدون پوشش متغیر است؛ که وابسته به نوع خاکی که در آن لوله قرار گرفته است و همچنین تجربه می‌توان یک مقدار متوسط و معین را بکار برد. مقادیر جدول ۱ نشان می‌دهد که پوشش‌ها، حتی پوشش‌های ضعیف، تفاوت چشمگیری در میزان جریان ایجاد می‌کنند.

جریان لازم برحسب A

مقاومت پوشش به ازای یک ft2 برحسب Ω

۵۰۰

۱۴.۹۱

۵.۹۶۴

۲.۹۸۲

۱.۴۹۱

۰.۲۹۸۲

۰.۱۴۹۱

۰.۰۲۹۸

۰.۰۰۰۰۵۸

لوله بدون پوشش

۱۰۰۰۰

۲۵۰۰۰

۵۰۰۰۰

۱۰۰۰۰۰

۵۰۰۰۰۰

۱۰۰۰۰۰۰

۵۰۰۰۰۰۰

پوشش ایده آل

جدول ۱– جریان مورد نیاز برای محافظت لوله پوشش شده

اندازه گیری پتانسیل و شدت جریان:

صحت حفاظت کاتدی و مقدار پتانسیل قطعه مهندسی با استفاده از ولت متر نسبت به الکترود مرجع (Cu/Cu SO۴) سنجیده می‌شود. شکل (۴و ۵)

 حفاظت کاتدیک تجهیزات زیرزمینی (UG)
شکل ۴- الکترود مرجع (Cu/Cu SO۴)
 حفاظت کاتدیک تجهیزات زیرزمینی (UG)
شکل ۵- اندازه گیری پتانسیل خط لوله

برای این کار ابتدا بر روی زمین مقداری آب ریخته تا سطح زمین کاملا خیس شود، سپس نیم سلول Cu/Cu SO۴ را بر روی آن قرار می‌دهیم. یک سر ولت متر را به نیم سلول و سر دیگر آنرا به خط لوله وصل می‌کنیم. پتانسیل اندازه گرفته شده باید بیشتر از mv۸۵۰ – باشد؛ چون نقاطی که پتانسیل کمتر mv ۸۵۰ – دارند دیگر حفاظت نمی‌شوند. جهت حفاظت از خوردگی لوله‌های فولادی نو مدفون شده درخاک بوسیله اندازه گیری به شیوه فوق بعضی اعمال جریان مستقیم تا رسیدن به پتانسیل مورد نظر جهت حفاظت یعنی بالاتر از mv ۸۵۰ – صورت می‌پذیرد؛ که جریان مورد نیاز در این خصوص فقط حدود A/ft۲، ۱۰۰ است.

در بسیاری از موارد مدار الکتریکی محافظت کننده به شکل یک مدار باز با صرف جریان بیش از حد معمول عمل می‌نمایند (Current Drainage) این بنابر دلایل عدیده‌ای همانند ایجاد لایه‌های اکسیدی ناخواسته، اتصال پیش بینی نشده، القای جریان‌های سرگردان و … صورت می‌گیرد. جهت کشف این موضوع که آیا حفاظت به روش کاتدی موثر افتاده است و یا خیر طبق شکل ۶ از دو الکترود مرجع Cu/Cu SO۴ به همراه دو ولت متر استفاده می‌شود که در یک نقطه به لوله متصل می‌گردند. اگر اختلاف پتانسیل اندازه گیری شده توسط دو دستگاه ولت متر بیشتر از ۵ باشد. حفاظت به طورکامل انجام نمی‌پذیرداما برعکس اگر کمتر باشد حفاظت از خوردگی کامل خواهد بود.

حفاظت کاتدیک تجهیزات زیرزمینی (UG)
شکل ۶- شیوه اندازه گیری برای حصول اطمینان از حفاظت کامل کاتدی

 منبع :

کتاب “مهندسی خوردگی” ویرایش سوم ، تالیف: مارس.ج.فونتانا ،ترجمه دکتر احمد ساعتچی

barghnews.com

alimrdi.ir

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *