حفاظت کاتدی چگونه کار می کند؟

یک حفاظت الکتریکی می تواند به عنوان هر مانعی تعریف شود که خط لوله را در برابر خاک و آب محافظت می کند. این محافظت الکتریکی، می تواند یکی از این دو نوع باشد. یک محافظت می تواند با ایجاد یک مانع عایق کاری کننده بر روی لوله انجام شود که در این جا، هدف جلوگیری از ورود جریان می باشد. و روش دیگر منحرف کردن جریان به سایر ساختارهای ماده ای است که در اطراف خط لوله نصب می شود. این کار موجب محافظت از خط لوله می شود.

محافظت با استفاده از یک مانع عایق کاری کننده

شکل 1 نشاندهنده ی شرایطی است که در آن، بخشی از خط لوله ی پوشش داده شده، بوسیله ی یک مانع عایق کاری کننده ی با استحکام پایین تر، پوشانده شده است. فضای بین این مانع و خط لوله، ممکن است با خاک یا آب پر شده باشد. در غیاب حفاظت کاتدی، فولاد در معرض خوردگی قرار گرفته، در صورتی که عیوبی در پوشش خط لوله وجود دارد، خورده می شود. اگر خط لوله تحت حفاظت کاتدی باشد، جریان محافظت کننده ممکن نیست به فولاد تحت خوردگی قرار گرفته، برسد.

یک فرد ممکن است استدلال کند که جریان حفاظت کاتدی می تواند به عیوب پوشش حفاظت شده، جریان یابد. این جریان از طریق خاک یا آب و از میان مانع عایق کاری و لوله، انجام می شود. در حقیقت، این میزان از جریان، اغلب به مقدار کافی بالا نیست. مقدار جریان رسیده به فلز بدون پوشش در یک عیب پوششی، تابعی از مقاومت طولی لایه ی خاک یا آب است که میان حفاظ و لوله، وجود دارد. فاصله ی کمتر میان حفاظ و خط لوله موجب می شود تا مقاومت طولی بر واحد الکترولیت، بالاتر باشد که علت این مسئله، کاهش ناحیه ی سطح مقطع می باشد.
این بدین معناست که قابلیت جریان الکتریکی به منظور نفوذ به این فضاها، بزرگتر نیست. به عنوان یک مورد عملی، یک فرد به طور نرمال نباید انتظار داشته باشد که جریان بالاجبار به داخل یک فضا وارد شود
بحث انجام شده در مورد یک مانع عایق کاری کامل می باشد. این نیاز است تا لوله به طور کامل پوشیده شود (شکل 1) اما این مسئله امکان دارد که بخشی از این لوله به طور کامل پوشانده نشود. اگر این مانع یک ماده ی عایق کاری کننده باشد اما متخلخل باشد و رطوبت را جذب کند و رسانا شود، جریان کافی ممکن است به لوله برسد. یک چنین مانعی محافظت را به طور کامل انجام نمی دهد.

حفاظ با استفاده از عبور سرباز و کوتاه (Shorted Cased Crossing)

شکل 2 یک وضعیت معمولی را نشان می دهد که در آن، یک حفاظ فلز که موجب منحرف شدن حفاظت کاتدی از مسیر مورد نظر خود می شود، را نشان می دهد. این شرایط در خطوط لوله ای ایجاد می شود که از حفاظ لوله با خط لوله در تماس است. در مثال، آب حفاظ و خط لوله نفوذ کرده اما تماس فلزی از ایجاد حفاظت کاتدی لوله ی موجود در داخل حفاظ لوله، جلوگیری می کند. در نقطه ی تماس، جریان حفاظت کاتدی از طریق این تماس فلزی، جاری می شود و سپس در طول خط لوله ی حامل به سیستم حفاظت کاتدی، باز می گردد. تحت این شرایط، ضرورتاً هیچ جریان حفاظت کاتدی از میان حفاظ لوله به سمت سطح لوله حرکت نمی کند و از این رو، لوله ی داخل حفاظ، خورده می شوند و بقیه ی خط، محافظت می شود.

اگر لوله ی حفاظ دار، تماس الکتریکی با لوله ی حامل نداشته باشد، حفاظ فلزی به سادگی به عنوان بخشی از محیط رسانا، عمل می کند. سپس جریان حفاظت کاتدی قادر است به دیواره های حفاظ نفوذ کرده و به بخش های از خط لوله می رسد که در تماس با الکترولیت موجود در حفاظ فلزی است. این باید تشخیص داده شود که تخلیه ی جریان از سطح داخلی حفاظ فلزی موجب ایجاد خوردگی در بخش داخلی حفاظ می شود. علاوه بر این، میزان حفاظت از لوله ی حامل، کمتر از یک لوله ی حامل بدون حفاظ فلزی است. علت این مسئله، افت ولتاژ در سطح مشترک فلز- الکترولیت می باشد. به همین دلایل، این مهم است که تعداد و اندازه ی عیوب موجود در پوشش ایجاد شده بر روی لوله ی حاملی که در داخلی حفاظ فلزی واقع شده اند، مینیمم باشد.
شکل 2 نشاندهنده ی سطح مقطع یک خط لوله و حفاظ آهنی آن می باشد. در برخی از بخش های این سیستم مانند بخش عایق کاری و بخش آب بندی، هیچ تماسی بین حفاظ آهنی و لوله، وجود ندارد. این مسئله همواره صدق نمی کند. این تماس ها ممکن است به دلیل شرایطی از جمله شرایط زیر، ایجاد شوند:
• آب بندی ناقص بخش انتهایی
• تعداد کم بخش های رابط
• حفاظ های کج
• لوله های حامل انحنا دار
• بخش های جوش موجود در حفاظ فلزی
• نقاط مورد آزمایش، انتهای تماس حفاظ فلزی یا لوله ی تهویه می باشد.
• اشیای فلزی و یا قرضه ها، به طور سهوی و در طی ساخت، بر روی حفاظ فلزی قرار می گیرند.
علت هر چه باشد، این شرایط ممکن است بوسیله ی پیوند ارتباطی، بیان شود. همانگونه که در شکل 2 نشان داده شده است.
اگر لوله ی قرار داده شده در داخل حفاظ فلزی، به طور کامل پوشش داده شوند، یا اگر فضای بین لوله و حفاظ فلزی خشک باشد، هیچ مشکل خوردگی ایجاد نمی شود. این شرایط به احتمال زیاد، وجود ندارد. پوشش های لوله ای به احتمال زیاد، در زمان قرارگیری در داخل حفاظ شیشه ای، آسیب می بینند. برخی اوقات نیز آب از طریق حفرات و سوراخ ها به داخل حفاظ وارد می شود. البته بخارات آب نیز گاهاً بر روی بخش های داخلی حفاظ فلزی، کندانس می شوند. شکل 2 نشاندهنده ی آب در فضای بین لوله و حفاظ فلزی است. اگر اکسیژن وارد شده به فضای مرطوب محدود شود، این مسئله منجر به کاهش نرخ خوردگی می شود. اما در صورت ایجاد ترک یا شکستگی در این حفاظ، اکسیژن به داخل این حفاظ وارد می شود.
براس ساختارهای جدید، گذرگاه های سرباز باید در جاهایی که ساختار مورد آنالیز و بررسی قرار می گیرند، وجود نداشته باشد. این مسئله بر این دلالت دارد که آنها مورد نیاز نمی باشند. در جاهایی که استفاده از راه های سرباز مجاز نیست، باید در انتخاب ماده، توجه زیادی شود.
اقدامات اخیر در این زمینه، شامل اضافه کردن موتور ملات یا بتن به داخل فضای میان لوله ی حامل و حفاظ فلزی، می باشد. این یک اقدام سوال برانگیز است زیرا این تنش ها ممکن است منجر به ترک خوردن بتن شود. در گذرگاه های جاده ای، کلریدهای حاصله از نمک های ریخته شده در روی سطح جاده در زمان یخ زدگی جاده، ممکن است به این نواحی رسیده و موجب آسیب دیدن پوشش شود. این مسئله موجب تخریب لوله می شود.
در برخی از سیستم های خط لوله، لوله های حفاظتی بدون پوشش یا لوله های حفاظتی دارای پوشش ضعیف، بر روی لوله های حامل با پوشش مستحکم، قرار داده می شود. اگر یک چنین حفاظ هایی به طور کامل این لوله ها را نپوشاند، این محدودیت وجود دارد که محافظت انجام شده بر روی لوله ای که داخل حفاظ است، محدود شود. این مسئله به این دلیل است که یک لوله ی بدون پوشش که در حفاظ واقع شده است و در تماس با لوله ی پوشش داده شده است، می تواند جریان حفاظت کاتدی بیشتری را جذب کند. بنابراین، حفاظ های کوتاه، بار غیر ضروری را در تأسیسات حفاظت کاتدی، دریافت می کند.

حفاظت با استفاده از سیم تقویت کننده در پوشش

یک عمل حفاظت، مشابه با چیزی که در مورد حفاظت کوتاه، انجام می شود، می تواند در صورتی استفاده شود که سیم های تقویت کننده در بتن قرار داده شود. این شرایط در شکل 3 نشان داده شده است. اگر چه مش ها یا سیم های تابیده شده ی تقویت کننده یک حفاظ صلب تشکیل نمی دهند، سیم های فضایی می توانند بیشتر جریان حفاظت کاتدی را قطع کنند.

این مسئله در صورتی است که سیم ها از لحاظ الکتریکی در تماس با لوله باشد. تنها یک نقطه ی تماس در طول لوله ی پوشش داده شده، می تواند کل طول را محافظت کند.
تقویت کننده های سیمی اعمال شده در پوشش، نباید در تماس مستقیم با لوله ی فولادی باشند. علاوه بر این، مراقبت های ویژه ای باید در زمینه ی اتصالات میدانی این بخش ها در نظر گرفته شود اگر سیم تقویت کننده بعد از جوشکاری و پوشش دهی به این بخش ها اضافه شوند. بررسی دقیق برای اطمینان حاصل کردن از این موضوع، ضروری است که سیم ها بدون تماس با لوله، قرار گرفته اند. این مسئله ی مهمی است زیرا یک چنین تماس هایی موجب کاهش و خنثی شدن اثرات مزیتی حفاظت کاتدی می گردد.
علاوه بر این، در تأسیسات زیر آب، لوله های پوشش داده شده، از لحاظ حذف این تماس ها، قابل دسترس نیستند. برای اطمینان حاصل کردن از این مسئله که این تماس ها وجود ندارد، این مسئله مناسب است که اندازه گیری های بر روی مقاومت میان لوله ی فولادی و مش بندی سیم، انجام شود. این مشکل می تواند با استفاده از سیم های تقویت کننده ی غیر فلزی در بتن، به طور کامل، حل شود.

حفاظت در نواحی بهم فشرده

لوله کشی در نواحی به هم فشرده مانند ایستگاه های پمپاژ و تانک های ذخیره سازی، ممکن است نیازمند حفاظتی باشد که در آن، ساختار فلزی زیر زمینی، در داخل یک بخش بسته واقع شوند. در شکل 4 شرایطی را نشان می دهد که در ان یک شبکه از لوله کشی ها در یک ناحیه ی محدود، نشان داده شده است و بوسیله ی یک بستر زمین ریموتی، محافظت شده است. بستر زمین ریموتی و رکتیفایر مناسب ممکن است پتانسیل کل ساختار را عوض کند و بدین صورت شاخصی از محافظت کامل را در زمان اندازه گیری خوردگی با توجه به الکترود مرجع ریموتی، ارائه دهد.

البته اگر اندازه گیری بین زمین ریموتی و زمین قرار گرفته در ناحیه ی پر ازدحام انجام شود، پتانسیل مربوط به کل توده ی زمین در این ناحیه، ممکن است تغییر کند و از میزان -1.5 V به میزان -0.8 V برسد. وقتی این مورد اتفاق می افتد، پتانسیل نسبتاً پایینی ممکن است میان لوله و زمین مجاور ایجاد شود. این مورد با استفاده از قرائت -0.7 V در شکل 4، قابل مشاهده است. در این ناحیه محافظت کمتری نسبت به محافظت کامل ایجاد می شود. اثر حفاظتی در مرکز ناحیه ی متراکم، نزدیک به بیشترین مقدار است.
شرایطی که در آن، یک چنین ناحیه ی متراکمی، تعیین می کند که آیا اثر توصیف شده در پاراگراف قبلی، جدی خواهد بود یا نه، موردی خاص است. این اثر ممکن است در صورتی که تمام لوله های به خوبی پوشش داده شوند، مهم نباشد. این مسئله در زمانی که هیچ ساختار فلزی زیر زمینی دیگری در تماس با خط لوله وجود نداشته باشد، نیز نمود دارد. در این وضعیت، لوله ی محافظت شده می تواند به سهولت پلاریزه شود و مقدار جریان جاری شده در زمین از طریق ناحیه ی متراکم، به اندازه ی کافی بالا نیست که بتواند پتانسیل توده ی زمین را به خود خود، تغییر دهد. در نواحی مانند ایستگاه های پمپاژ، ممکن است تماس های زیادی با یک چنین اجسامی وجود داشته باشد. در واقع در این ایستگاه ها، لوله ها ممکن است با فونداسیون بتونی تقویت شده، سیستم الکتریکی، تانک ها و لوله های آب در تماس باشند. کل جریان ایجاد شده در این ناحیه، ممکن است به اندازه ی کافی بالا باشد و بدین صورت بتواند موجب ایجاد گرادیان های پتانسیل در زمین شود. این گرادیان ها موجب بروز اثرات حفاظتی توصیف شده، می شود. اگر تمام لوله های مورد استفاده، بدون پوشش باشند، این اثر می تواند شدیدتر باشد.
در جایی که حفاظت یک ناحیه ی شلوغ، مسئله ساز باشد، این عملی نیست که بر روی نوع ریموتی از سیستم های حفاظت کاتدی، تکیه کنیم. حفاظت کاتدی هنوز می توناد با استفاده از آندهای بسته ای ایجاد شود که قبلاً و در ابتدای این مقاله، بدان ها اشاره کردیم. یک چنین آندهایی باید در داخل ناحیه ی شلوغ توزیع شوند به نحوی که یک راه وجود داشته باشد که بوسیله ی آن، نواحی اثرگذار اطراف آندها، به طور مناسب، همپوشانی داشته باشند و بدین صورت اجازه ی ایجاد یک پتانسیل حفاظتی مناسب را در کل ساختار، فراهم آورد.
اثربخشی حفاظت کاتدی
متوقف نمودن ایجاد نشتی در خط لوله
حفاظت کاتددی مناسب و با طراحی خوب، می تواند منجر به کنترل خوردگی خط لوله شود. اثبات اثربخشی حفاظت کاتدیدر جاهایی نمود دارد که این محافظت بر روی سیستم های خط لوله ای قدیمی، اعمال شده است. در این سیستم های قدیمی از لوله کشی، نشت هایی بوجود آمده است که هر روزه در حال افزایش است. سیستم های حفاظتی مناسب می توانند موجب متوقف شدن این نشتی ها شوند. Woody در کتاب خود در زمینه ی خوردگی لوله های زیر زمینی، یک مثال در مورد یک چنین نتایجی را بیان کرده است که در این مثال، محافظت بر روی لوله های گاز طبیعی انجام شده است. این خط لوله به مدت 20 سال در زیرزمین و تحت محافظت قرار داشت. کاهش تعداد نشتی ها، چشمگیر است (شکل 5). نمودارها نشان می دهد که افزایش میزان نشت، زمانی متوقف می شود که از حفاظت کاتدی بر روی این خط لوله، استفاده شد. این مطالعه بر روی حفظ خطوط لوله در خاک های خورنده، تمرکز دارد. در این خاک ها، نشتی پیش از استفاده از روش های حفاظت کاتدی، مشهود است. Stetler (1980) یک کاهش قابل توجه در نشتی را در زمان استفاده از حفاظت کاتدی برای یک لوله کشی آب را گزارش داده است.

وجود جریان منحرف کننده

در جایی که خوردگی جریان های منحرف کننده، یک فاکتور می باشد، حفاظت کاتدی به تنهایی ممکن است به عنوان بهترین روش کنترل خوردگی، عمل کند. جریان های منحرف کننده، می تواند مصنوعی و یا طبیعی باشند. کاربردپذیری حفاظت کاتدی به طور قابل توجهی به حساسیت و میزان تغییرات ایجاد شده در این جریان ها، وابسته است. جریان های پایین و حالت پایدر یا جریان هایی که در یک محدوده ی معین، تغییر می کنند، ممکن است با استفاده از سیستم های حفاظت کاتدی، کنترل شوند. جریان های منحرف کننده ی بزرگتر، مخصوصاً آنهایی که تغییرات قابل توجهی را از خود نشان می دهند، معمولاً نیازمند آنالیزهای فضایی و اقدامات تصحیحی هستند.

لوله های الومینیومی

حفاظت کاتدی مربوط به لوله های آلومینیومی یک مسئله ی خاص است. در واقع آلومینیوم حساسیت خاصی به مواد قلیایی دارد. همانگونه که قبلاً بحث شد، واکنش های کاتدی در یک مدار حفاظت کاتدی، موجب ایجاد مواد قلیایی در سطح کاتد می شود. اگر حفاظت کاتدی بیش از حد اعمال شود، میزان قلیایی بودن سطح یک لوله ی آلومینیومی، افزایش می یابد و این مسئله ممکن است موجب ایجاد لایه های اکسیدی ضخیم بر روی لوله ی آلومینیومی شود. این مسئله موجب می شود تا سرعت حملات ایجاد شده و در نتیجه سرعت خوردگی این لوله ها، افزایش یابد. برخی اوقات به این فرایند، خوردگی کاتدی می گویند. البته این فرایند در لوله های آهنی و فولادی، مشاهده نمی شود. خطر ایجاد شده در این زمینه، این است که لوله های آلومینیومی مدفون شده در زیر خاک که تحت حفاظت کاتدی قابل توجه هستند، ممکن است سریع تر از چیزی خورده شوند که در زمان استفاده نکردن از حفاظت کاتدی، رخ می دهد.
محدودیت های دقیق موجود در زمینه ی حفاظت کاتدی لوله های آلومینیومی، هنوز منتشر نشده است. تجربه نشان دهنده ی این است که برای این لوله ها، حفاظت در سطح پایین، می تواند مطلوب باشد. به عنوان یک راهنمایی، باید گفت که پتانسیل های حفاظتی بر روی لوله های آلومینیومی، باید در مقادیر کمتر منفی تر باشد و در گستره ی -1.00 تا -1.100 V باشد. به دلیل این محدودیت، طراحی حفاظت کاتدی برای لوله های آلومینییومی، نیازمند مراقبت بیشتری و نیازمند دقت بیشتری نیز دارد.

ااثر حفاظت کاتدی بر روی ساختارهای دیگر

این مسئله ممکن است که یک سیستم حفاظت کاتدی را برای یک لوله طراحی کرد که در واقع حفاظت در این خط انجام شود اما اثرات جریان منحرف کننده وظیفه ی انجام محافظت را داشته باشد. این مسئله ممکن است در برخی اوقات، موجب افزایش خوردگی ساختارهای فلزی زیر خاکی شود که در مجاورت این لوله ها قرار گرفته اند. طراحی می توان این مشکل را مینیمم کند و یک مهندس در واقع می داند که در کجای زمین، ساختارهای فلزی دیگر، قرار داده شده اند.
تخریب های حاصل از خوردگی در یک ساختار زیر زمینی که بواسطه ی اعمال حفاظت کاتدی بر روی ساختار فلزی مجاور، ایجاد می شود، به طور متداول تداخل نامیده می شود. این مسئله در واقع نتیجه ای از یک شکل از خوردگی جریان منحرف شده است. این شکل از تخریب های حاصله از جریان منحرف کننده، به طور متداول در مورد حفاظت کاتدی در بخش های شلوغ، رخ می دهد. سیستم های آند گالوانیک، به دلیل ولتاژ پایین آنها، موجب بروز مشکل نخواهد شد اما این مورد نیز محتمل است.
یک راه برای تفکر در زمینه ی اثرات این تداخل ها، با در نظر گرفتن زمین میان بستر زمین و یک لوله ی تحت حفاظت، قابل حصول است. یک لوله ی خارجی یا یک ساختار فلزی دیگر، یک مسیر مقاومتی ثانویه ایجاد می کند که در آن جریان می تواند به ساختار دیگر پرس کند. با توجه به قانون اهم، مقدار نسبی جریان در دو مسیر، به نسبت مقاومت های مسیرها، وابسته است.
یکی دیگر از راه هایی که بوسیله ی آن مسئله ی تداخل بررسی می شود، در نظر گرفتن گرادیان های ولتاژی است که در جهت جریان این مسیر، ایجاد می شود. در واقع مقاومت و افت ولتاژ به صورت مستقیم در ارتباط هستند. در ادامه به بررسی این موارد می پردازیم.

خطوط لوله ی خارجی نزیک به بستر حفاظت کاتدی در زمین

یک بستر زمین در حفاظت کاتدی، که به یک خط لوله ی دیگر نزدیک باشد، می تواند مشکل آفرین باشد. دو شرایط عمومی در این حالت، مورد بررسی قرار می گیرد.

مورد 1

در شکل 6، یک خط لوله ی خارجی نشان داده شده است که از میان یک ناحیه ی با پتانسیل های زمین مثبت، عبور کرده است. این خط لوله در نزدیکی یک خط لوله ی محافظت شده، قرار دارد. پتانسیل های مثبت زمین بر روی خط لوله ی خارجی نیرو وارد می کند و موجب می شود تا این خط لوله، جریان دریافت کند. این جریان باید سپس جریان الکتریکی را کامل کند و به ترمینال منفی منبع رکتیفایر، باز می گردد. شکل 6 این مسئله را نشان می دهد. این جریان سپس بوسیله ی لوله ی محافظت شده، جمع آوری می شود و به رکتیفایر باز می گردد. در جایی که این جریان خط لوله ی خارجی را ترک می کند، موجب تسریع خوردگی در این خط لوله می شود.

معمولاً یک مقدار اندک از جریان، در طول لوله ی خارجی و در جهت عکس ناحیه ی بستر زمین، ایجاد می شود. این جریان بواسطه ی جریان انتهایی در شکل نشان داده شده است. این جریان خط لوله ی خارجی را در محل های ریموتی، ترک خواهد کرد که معمولاً در نواحی دارای خاک با مقاومت پایین می باشد. شدت این اثر، به طور قابل توجهی تابعی از ولتاژ ایجاد شده در بستر زمین است و علاوه بر این فاکتور، به میزان نزدیکی خط لوله ی خارجی به بستر زمین نیز وابسته است. در جایی که ولتاژ تحت تأثیر قرار گرفته، بالا باشد و خط لوله ی خارجی به آن نزدیک باشد، جریان بر روی خط لوله ی خارجی نیرو اعمال می کند و بدین صورت موجب بروز تخریب در این خط لوله می شود. در این موارد، خط لوله ی خارجی در زمانی کوتاه می شکند اگر فعالیت خوردگی در نظر گرفته نشود. ساختارهای آلومینیومی و سربی می تواند تخریب های خوردگی قابل توجهی را در این حالت متحمل شوند علت این مسئله، مکانیزم توصیف شده در مورد این مواد می باشد.
در مواردی که جریان جمع آوری شده بوسیله ی خط لوله ی خارجی، قابل توجه نباشد، یک پیوند فلزی می تواند میان دو خط لوله ایجاد شود. به هر حال، در موارد شدید، این ضروری است که بستر زمین را جداسازی کرد.

مورد 2

شکل 7 نشان دهنده ی یک وضعیت است که در آن، خط لوله ی خارجی در نزدیکی بستر زمین حفاظت کاتدی، واقع شده است اما با خط لوله ی محافظت شده، برخورد ندارد. در این مورد، خط لوله ی خارجی جریانی را در این ناحیه دریافت می کند. این جریان در طول خط لوله ی خارجی و در هر دو جهت قرار گرفته در اطراف بستر زمین، قرار دارد. این جریان منحرف کننده، سپس باید خط لوله ی خارجی را ترک کند و به خط لوله ی محافظت شده باز گردد و در نهایت به مدار رکتیفایر بر گردد. این بدین معناست که نواحی بسیاری وجود دارد که در آن، لوله ی خارجی به دلیل تخلیه ی جریان تخریب می شود.

فعالیت های تصحیحی ممکن است شامل استفاده از کابل های پیوندی از خط لوله ی خارجی به سمت ترمینال منفی رکتیفایر و یا نصب سیستم حفاظت کاتدی بر روی خط لوله ی خارجی می باشد. مشابه با مورد ایجاد شده، دریافت جریان بوسیله ی خط لوله ی خارجی، ممکن است به حدی شدید باشد که تصحیح شرایط عملی نباشد.
در انتخاب مکان های بستر زمین برای سیستم های جریان تحت تأثیر، حضور خطوط لوله ی خارجی باید به دقت مورد بررسی قرار گیرد. در مواردی که مقاومت خاک بالا باشد، ناحیه ی تحت تأثیری که در اطراف یک بستر زمین قرار گرفته اند، ممکن است برای چند صد فوت، گسترش یابد. واحدهای کوچک در خاک با مقاومت پایین، به عنوان یک مشکل بزرگ، در نظر گرفته نمی شود. در هر مورد، آزمایش باید بوسیله ی مهندسین خوردگی انجام شود تا بدین صورت فهمیده شود که خطوط لوله ی مجاور یک خط لوله ی حفاظت شده، آسیب نبینند. در صورتی که این خطوط لوله آسیب می بینند، باید اقدامات لازمه انجام شود. در بسیاری از نواحی شهری، کنترل خوردگی با چالش های تداخلی بسیاری مواجه هستند. در واقع مهندس خوردگی در زمان طراحی و نصب حفاظت کاتدی، باید به بسیاری از این مباحث، بیندیشد.
در بخش های پیشین، سیستم های حفاظت در برابر جریان های تحت فشار، نشان داده شده است. علت این مسئله این است که این سیستم ها، به احتمال زیاد موجب افزایش این شکل از خوردگی می شود. شرایط یکسانی می تواند در مورد آندهای گالوانیک بوجود آید اما این آندها باید به خط لوله ی خارجی بسیار نزدیک باشند تا این جریان، ایجاد گردد. این مسئله به این دلیل است که نواحی تحت تأثیر در اطراف آندهای گالوانیک، نسبتاً کوچک است. با وجود این، مهندس خوردگی باید در مورد شرایط موجود، اطمینان داشته باشد و بتواند نوع و نحوه ی استفاده از سیستم حفاظت کاتدی را به خوبی پیش بینی کند. مشابه سیستم های جریان تحت تأثیر، باید در انتخاب محل های نصب آندهای گالوانیک نیز توجه بسیاری داشته باشیم. به هر حال، نزدیک تر بودن این آندها به خط لوله ی خارجی، موجب افزایش چالش های موجود می باشد. معمولاً یک فضای 15 فوتی کافی است تا موجب بروز این مشکلات شود. البته مهندس خوردگی باید جذب جریان را در همه ی ساختارهای خارجی نزدیک به خط لوله ی تحت محافظت را مورد بررسی قرار دهد.

خطوط لوله ی خارجی که با خطوط لوله ی محافظت شده تلاقی دارند.

در ابتدای این مقاله در مورد ارزیابی یک گرادیان پتانسیل در زمین اطراف یک خط لوله ی حفاظت کاتدی شده، صحبت شد. این گرادیان بوسیله ی جریان هایی ایجاد می شود که از خط لوله یا نواحی تحت تأثیر بستر زمین، ایجاد شده اند. به عنوان نتیجه ای از این گرادیان، زمین در نزدیکی خط لوله، نسبت به بستر ریموتی، منفی است. این مسئله در شکل 8 نشان داده شده است.

اندازه ی نواحی تحت تأثیر در اطراف یک خط لوله ی محافظت شده، تابعی از میزان جریانی است که در خط جریان یافته است (در واقع دانسیته ی جریان). افزایش دانسیته ی جریان، موجب می شود تا نقاط تحت تأثیر بزرگتر شوند. برای خطوط لوله ی دارای پوشش مناسب، این جریان به حدی کوچک است که گرادیان های پتانسیل در زمین اطراف خط، ناچیز باشد. یک خط لوله ی بدون پوشش که به صورت کاتدی محافظت شده است، می تواند به میزان قابل توجهی جریان جذب کرده به نحوی که افت در ولتاژ می تواند در زمین اطراف خط، اندازه گیری شود. یک خط لوله ی خارجی یا سایر ساختارهای فلزی قرار گرفته در زیر زمین، از میان نواحی دارای گرادیان پتانسیل عبور می کنند و تحت تأثیر تخریب قرار می گیرند. این مسئله در شکل 9 نشان داده شده است.

در داخل ناحیه ی با گرادیان پتانسیل، خط لوله ی خارجی تمایل دارد تا نسبت به خاک مجاور، مثبت باشد. این مسئله در نقاط برخورد، بیشتر مشاهده می شود. تفاوت در ولتاژ میان خط لوله و زمین می تواند موجب اعمال نیرو بر روی خط لوله ی خارجی شود و موجب شود تا جریان حفاظت کاتدی را در بخش های ریموتی، دریافت کند و بدین صورت این جریان به خط محافظت شده ی موجود در ناحیه ی برخورد، تخلیه می شود. خط لوله ی خارجی بوسیله ی یک چنین تخلیه ای، آسیب می بیند.
یک خط لوله ی خارجی می تواند منجر به بروز نشتی در کوتاه مدت شود. اگر خط لوله ی خارجی در نزدیکی خط لوله ی محافظت شده، قرار داشته باشد، دو اثر در واقع یکی نرخ خوردگی و دیگری اثر افزایشی خوردگی است که در نقطه ی تلاقی با خط محافظت شده، نمود دارد. آسیب های ایجاد شده بر روی خط لوله ی خارجی، می تواند حتی در صورتی مشاهده شود که یک سیستم حفاظت کاتدی بر روی خط لوله ی خارجی، وجود داشته باشد. این مسئله وقتی اتفاق می افتد که گرادیان های پتانسیل در اطراف خطوط حفاظت کاتدی شده، به میزان قابل توجهی بالا باشد و بتواند پتانسیل حفاظتی بر روی خط لوله ی خارجی را منحرف کند. این مسئله بر روی تخلیه ی جریان در نقطه ی برخورد، اثرگذار است.
اگر خط لوله ی خارجی دارای یک پوشش کامل باشد، هیچ تخلیه ی جریانی ایجاد نمی شود و خوردگی نیز بوجود نمی آید، مگر آنکه گرادیان های پتانسیل وجود داشته باشد و خط لوله ی خارجی از میان ناحیه ی تحت تأثیر، عبور کند. این مسئله به هر حال، برای پوشش های خط لوله و شرایط میدانی، صدق نمی کند. نرخ نفوذ با افزایش کیفیت پوشش، افزایش می یابد، زیرا تخلیه ی جریان در شکستگی های موجود در پوشش، تمرکز می یابند.
وجود یک اثر تخریبی ممکنه بر روی یک خط لوله ی خارجی در یک نقطه از محل تلاقی، می تواند به سهولت تشخیص داده شود. این مسئله با پتانسیل های اندازه گیری شده در میان لوله های خارجی و نزدی الکترود قرار گرفته در خط لوله ی خارجی، تطابق دارد. اندازه گیری بدست آمده در محل های نزدیک تر، نشان دهنده ی نرخ تغییر پتانسیل می باشد و نشاندهنده ی این است که پتانسیل نقطه به نقطه، به سرعت تغییر می کند. این نتایج به طور نمونه وار در شکل 10 نشان داده شده است. این شکل نشاندهنده ی اثر یک خط لوله ی خارجی است که به صورت کاتدی محافظت شده است و در این شکل نشاندهنده ی وجود یک شیب پتانسیل شدید در نقطه ی برخورد می باشد.

تخریب ایجاد شده بر روی خط لوله ی خارجی در هر موردی مورد انتظار است مگر آنکه پوشش کامل باشد. یک نمودار به طور کامل طول خط لوله ی خارجی تحت تأثیر را نشان می دهد. طول لوله ی ذکر شده، تحت تأثیر پتانسیل هایی می باشد که از چند فوت تا چند صد فوت، متغیر است.
اگر شیب پتانسیل بواسطه ی سیستم حفاظت کاتدی بر روی خط لوله ی بدون پوشش، ایجاد شود، منبع جریان حفاظت کاتدی را می تواند تنظیم کرد و بدین صورت اندازه گیری هایی در طول خط لوله ی خارجی انجام داد. اگر شیبی مشاهده گردید، این تنها کافی است که اثبات کنیم، سیستم حفاظت کاتدی مربوط به خط لوله ی بدون پوشش، موجب بروز مشکل می شود.
باندهای فلزی در برخی موارد مناسب هستند. در برخی موارد دیگر، خط لوله ی محافظت شده ی کاتدی، ممکن است در نزدیکی محل برخورد، ایجاد شود. این مسئله موجب کاهش شدت گرادیان های پتانسیل می شود. آندهای گالوانیک می تواند به عنوان یک ابزار مناسب، مورد استفاده قرار گیرد.

در طی سال ها، به حفاظت کاتدی (CP) به عنوان یک چیز اسرار آمیز نگاه شده است و به این روش، به عنوان یک روش مناسب در زمینه ی کنترل خوردگی، توجه نمی شود. ظاهراً خیلی ها احساس می کنند که حفاظت کاتدی، یک رویه ی بسیار پیچیده است. در واقع، ایده ی اساسی مربوط به حفاظت کاتدی، بسیار ساده است. هیچ مورد پیچیده ای در طی استفاده از این ایده ی اساسی، ایجاد نمی شود. به هر حال، مهندسین ماهر رشته ی خوردگی، به اطلاعات مفیدی اشراف دارند که بوسیله ی آنها می توانند جوانب اساسی مربوط به حفاظت کاتدی سیستم های مختلف از جمله سیستم های خط لوله را بررسی کنند و سطح بالایی از کارایی را در زمینه ی کنترل خوردگی، بدست آورند.
در این مقاله، یک تئوری ساده در مورد حفاظت کاتدی توصیف شده است. فاکتورهای درگیر و همچنین محدودیت های این روش، نیز با مطالعه ی این مقاله، در ذهن شما، تداعی می شود.

تئوری اساسی مربوط به حفاظت کاتدی

در واقع روش حفاظت کاتدی، روشی است که به منظور کاهش میزان خوردگی یک سطح فلزی مورد استفاده قرار می گیرد. این کار در واقع با کاتد قراردادن این فلز در یک سلول الکتروشیمیایی، انجام می شود. این تعریف در اینجا به طور کامل تر بررسی می شود.
شرایط مختلفی که موجب می شود که خوردگی لوله ها تسریع گردد، در اینجا مورد بررسی قرار گرفته است. در هر مورد، نواحی کاتدی بر روی سطح لوله واقع شده اند. در نواحی آندی، جریان از لوله ی فولادی به سمت الکترودهای اطراف، جاری می شود و بدین صورت، لوله خورده می شود. در نواحی کاتدی، جریان از الکترودها به سطح لوله حرکت می کند و نرخ خوردگی کاهش می یابد.
با توجه به بحث بالا، این واضح است که نرخ خوردگی می تواند کاهش یابد اگر هر بیت از فلز در معرض تماس که بر روی سطح لوله واقع شده اند، بتوانند جریان را جذب کنند.
این کار در واقع، کار اصلی است که در حفاظت کاتدی، انجام می شود. جریان مستقیم بر روی تمام سطوح لوله، اعمال نیرو می کند. این جریان مستقیم موجب می شود که پتانسیل خط لوله، به جهت منفی حرکت کند و بدین صورت، موجب کاهش در نرخ خوردگی فلز می شود. وقتی مقدار جریان ایجاد شده، به طور مناسبی تنظیم گردد و یک جریان خالص مناسب در سطح لوله و در این نقاط وجود داشته باشد، نرخ خوردگی کاهش می یابد. کل سطح سپس به عنوان کاتد مطرح می شود و نرخ خوردگی بدین صورت، کاهش می یابد. این جنبه در شکل 1 نشان داده شده است. فعالیت اصلی مهندس حفاظت کاتدی، تعیین سطح واقعی حفاظت کاتدی مورد نیاز به منظور کاهش میزان نرخ خوردگی می باشد. ارزیابی و استفاده از معیار حفاظت کاتدی، برای این محاسبه، استفاده می شود.

اگر همانگونه که در شکل 1 نشان داده شده است، جریان با اعمال نیرو در داخل لوله و در نواحی ایجاد شود که قبلاً تخلیه ی جریان بوجود می آمده است، ولتاژ مؤثر سیستم حفاظت کاتدی باید بزرگتر از ولتاژ مؤثر مربوط به سلول های خوردگی باشد. نواحی کاتدی اصلی بر روی لوله، جریان را از نواحی آندی، دریافت می کنند. تحت حفاظت کاتدی، این نواحی کاتدی مشابه، جریان بیشتری را سیستم حفاظت کاتدی دریافت می کنند.
برای اینکه سیستم حفاظت کاتدی کار کند، جریان باید از سیم اتصال به زمین، تخلیه شود. تنها هدف این بستر زمین، تخلیه ی جریان می باشد. در فرایند تخلیه ی جریان، آندها در بستر زمین خورده می شوند. این مناسب است که از موادی به عنوان بستر زمین، استفاده شود که دارای نرخ خوردگی بسیار کمتری نسبت به فلزات متداول مورد استفاده در ساخت لوله، باشند. این مسئله اطمینان حاصل می کند که عمر مفید آندها، افزایش یابد.

کاربردهای عملی حفاظت کاتدی

با توجه به تئوری ساده ی حفاظت کاتدی که در ذهن ماست، اطلاعاتی در مورد حفاظت کاتدی در ادامه، بیان شده است.

حفاظت کاتدی با آندهای گالوانیک

در سلول خوردگی که از تماس فلزات غیر مشابه ایجاد می شوند، یک فلز نسبت به دیگری منفی تر (فعال تر) است و خورده می شود. در حفاظت کاتدی با آند گالوانیک، این اثر با ایجاد یک سلول با فلز غیر مشابه، مزیت ایجاد می کند و موجب می شود تا سلول های خوردگی که به طور نرمال بر روی خطوط لوله، وجود دارند را خنثی کند. این مسئله با ایجاد ارتباط بین یک فلز بسیار فعال تر با خط لوله، امکان پذیر است. این فلز خورده خواهد شد و با این خوردگی، جریانی به خط لوله تزریق می شود که در شکل 2 نشان داده شده است. در مورد حفاظت کاتدی با آندهای گالوانیک، حفاظت کاتدی موجب حذف خوردگی نمی شود، بلکه خوردگی از یک ساختار به آندهای گالوانیک، انتقال می یابد.

تحت شرایط نرمال، این جریان که از آنهای گالوانیک منتج می شود، محدود است. به همین دلیل، حفاظت کاتدی بوسیله ی آندهای گالوانیک به طور نرمال در جاهایی مورد استفاده قرار می گیرد که جریان مورد نیاز برای حفاظت، کوچک باشد. به طور مشابه، ولتاژ محرک ایجاد شده میان لوله ی فولادی و فلز آند گالوانیک، محدود است. بنابراین، مقاومت اتصال میان آند و زمین، باید برای آندها پایین باشد تا بدین صورت یک مقدار مناسب از جریان، خارج گردد. این بدین معناست که برای تأسیسات نرمال، آندهای گالوانیک در خاک های با مقاومت پایین، استفاده می شوند. یک تأسیسات نرمال، همانگونه که در اینجا گفته شد، تأسیساتی است که در آن، این جریان در حدی باشد که بتواند از طول خط لوله، به خوبی محافظت کند. همچنین مثال هایی وجود دارد که در آنها آندهای گالوانیک در نقاط خاصی از لوله، قرار داده می شود و بدین صورت این انتظار شاید وجود داشته باشد که حفاظت تنها در چند فوت از لوله، انجام شود. این مورد یکی از کارکردهای استفاده از آند می باشد.

محافظت کاتدی با جریان تحت تأثیر قرار گرفته

برای آزاد شدن ولتاژهای محرک محدود شده که در ارتباط با اندهای گالوانیک می باشد، جریان برخی از منابع الکتریکی خارجی، ممکن است بوسیله ی خط لوله، تحت تآثیر قرار گیرد. این مسئله با استفاده از بستر زمین و منبع الکتریکی، انجام می شود.
شکل 1 نشاندهنده ی این وضعیت است. متداول ترین منبع الکتریکی، رکتیفایر می باشد. این وسیله برق الکتریکی متناوب (AC) را به برق الکتریکی DC تبدیل می کند. رکتیفایر معمولاً به گونه ای طراحی می شود که در آن، می توان ولتاژهای خروجی DC متغیر، بدست آوریم. اگر چه ولتاژ ماکزیمم خروجی ممکن است کمتر از 10 V و یا نزدیک به ولتاژ 100 V باشد، بیشتر رکتیفایرهای خط لوله، در گستره ی ولتاژ 10 تا 50 V کار می کنند. همچنین خروجی جریان در این رکتیفایرها، معمولاً در گستره ی 10 A تا چند صد آمپر است. این مسئله موجب می شود تا شما بتوانید تنوع قابل توجهی در زمینه ی استفاده از ولتاژها و جریان های مختلف، داشته باشید.
هر منبع قابل اطمینان DC دیگر می تواند برای سیستم های حفاظت کاتدی مورد استفاده قرار گیرد.

معیارهای حفاظت کاتدی

اگر چه تئوری اساسی مربوط به حفاظت کاتدی، ساده است، سوال اصلی مطرح شده در این بخش، این است که : چگونه ما می فهمیم که محافظت مناسبی بر روی ساختار زیر خاک، انجام شده است؟ جواب این سوال، این است که معیارهای مخلتفی در طی سال های برای بررسی این مسئله توسعه داده شده است. با استفاده از این معیارهای امکان بررسی و تعیین این مسئله وجود دارد که آیا محافظت مناسبی ایجاد شده است یا نه! معیارهای متداولی که مورد استفاده قرار می گیرند می تواند اندازه گیری پتانسیل ایجاد شده بین لوله و زمین می باشد. این اندازه گیری به ما اجازه می دهد تا با دقت و صحت بالا در مورد میزان محافظت بدست آمده، مطلع شویم. در اصل، معیار پتانسیل برای ارزیابی تغییرات ایجاد شده در پتانسیل ساختار، مورد استفاده قرار می گیرد و بدین صورت، جریان حفاظت کاتدی از ساختار به داخل خاک و یا آب، وارد می شود.
پتانسیل مربوط به خط لوله در یک محل معین، به طور متداول به عنوان پتانسیل لوله- خاک، تعریف می شود. پتانسیل لوله- خط می تواند با اندازه گیری ولتاژ میان خط لوله و الکترود مرجع، تعریف شود. متداول ترین الکترود مرجع مورد استفاده برای این هدف، الکترود مرجع مس- مس سولفات است که به طور مخفف، CSE نامیده می شود. این پتانسسل به عنوان یک پتانسیل حالت روشن تعریف می شود اگر این اندازه گیری، با استفاده از سیستم حفاظت کاتدی، بدست آید. پتانسیل حالت خاموش یا ثابت، پتانسیل پلاریزه شده ای است که در زمانی انجام اندازه گیری، بدست می آید. این اندازه گیری در یک ثانیه بعد از قطع خروجی جریان از تمام منابع حفاظت کاتدی، اندازه گیری می شود.

انتخاب نوع، اندازه و فضای سیستم حفاظت کاتدی

برخی از مسائل، در زمانی که در حال برنامه ریزی در زمینه ی سیستم CP هستیم، دوباره مورد بررسی قرار می گیرد. این موارد، شامل موارد زیر است:
1. آیا آندهای گالوانیک، باید مورد استفاده قرار گیرد و یا باید یک سیستم جریان مؤثر انتخاب شود؟
2. چه میزان از جریان کل، برای حصول حفاظت کاتدی مناسب، ضروری است؟
3. فاصله ی بین آندهای نصب شده و جریان خروجی مورد نیاز، چند است؟
4. چه قوانینی باید در نظر گرفته شود تا بدین صورت، بتوان سیستم نصب شده را مورد بررسی قرار داد؟
5. آیا این شرایط خاص در محل های معین قرار گرفته است و می تواند اصلاحات مناسب برای حفاظت کاتدی را ایجاد کند یا نه؟
این سوال ها نمی تواند تنها با مسائل مطرح شده در بالا، پاسخ داده شوند. اطلاعات مورد نیاز برای اتخاذ تصمیم گیری، شامل موارد زیر می شود:

میزان خوردگی محیط

ساختار خاک و میزان مقاومت آن

آیا خط لوله دارای پوشش است یا بدون پوشش
اگر خط لوله پوشش دار است، کیفیت و میزان مقاومت الکتریکی پوشش در چه گستره ای است و شرایط محیطی که این پوشش را تخریب می کند، چیست؟
فلز یا آلیاژ مورد استفاده در پوشش، چیست؟
اندازه ی خط لوله و قابلیت آن برای ایجاد جریان حفاظت کاتدی، چیست؟
ساختارهای دیگری که در اطراف خط لوله قرار گرفته اند نیز باید محافظت شوند.
وجود یک جریان منحرف کننده که منشأ انسانی یا طبیعی دارد.
همانگونه که از این بخش فهمیده می شود، یک مقدار مناسب از اطلاعات و داده ها باید در زمینه ی خط لوله وجود داشته باشد تا بدین صورت بتوان برای حفاظت کاتدی، تصمیم گیری کرد. وقتی اطلاعات مناسب به همراه جزئیات کافی، وجود داشته باشد، پاسخ های این سوالات، می تواند به ما کمک کند.

اثر پوشش بر روی محافظت کاتدی

این مسئله را می دانیم که 99 % از سطح خطوط لوله ای که به خوبی پوشش داده شده اند، می توانند به طور کامل در برابر خوردگی، حفظ شوند. همچنین، این مسئله فهمیده شده است که حفاظت کاتدی می تواند به سهولت مورد استفاده قرار گیرد.
شکل 1 نشاندهنده ی الگوهای مربوط به جریان است که برای حفاظت از یک بخش از خط لوله، ضروری است. این تصویر نسبت به تصویر نشان داده شده در شکل 3 کاملاً متفاوت است.

در شکل 3 جریان از بستر زمینی سیستم حفاظت کاتدی، به تمام نواحی که در آنها، سیستم حفاظت کاتدی با خط لوله در تماس است، جاری می شود. برای انجام این کار، تخلیه ی جریان خورنده ی اولیه از عیوب موجود در نواحی آندی، کاهش می یابد. علاوه بر جریان نشان داده شده در این عیوب، جریان همچنین از طریق پوشش نیز جاری می شود. و در واقع هیچ پوششی، به طور کامل عایق نیست. میزان این نشت جریان، به مقاومت الکتریکی ماده و ضخامت ماده وابسته است. وقتی پوشش های با مقاومت بالا مورد استفاده قرار گیرد، جریانی که به طور مستقیم از میان پوشش، عبور می کند، در مقایسه با جریان ایجاد شده در عیوب پوشش، ناچیز است مگر انکه تعداد و اندازه ی عیوب، بسیار اندک باشد.
جدول 1 برخی ایده ها در مورد گستره ی جریان حفاظت کاتدی را نشان می دهد که می توان از آنها، استفاده کرد. جریان مورد نیاز برای محافظت یک بخش 10 مایلی از خط لوله ی 36 اینچی نیز آورده شده است. این بخش از خط لوله در خاکی قرار داده شده است که دارای مقاومت متوسط  می باشد. جریان مورد نیاز، جریانی است که موجب ایجاد یک افت ولتاژ 0.3 V در هنگام وجود مقاومت مؤثر میان لوله و زمین می شود.
جدول 1
مقاومت های مؤثر مربوط به این پوشش ها در جدول 1 آورده شده است. برای مثال های مورد استفاده در جدول، مقاومت مؤثر  اهم برای یک فوت مربع از پوشش بدست می آید که انعکاس دهنده ی نصب و حمل و نقل نامناسب لوله های پوشش داده شده و یا تخریب پوشش بعد از نصب، می باشد. برای خطوط لوله ی قرار داده شده در خاک با مقاومت  اهم - سانتیمتر، مقاومت های متوسط  اهم برای یک فوت مربع از پوششش وجود دارد که این مسئله نشاندهنده ی این است که کار ساختمان سازی، به خوبی انجام شده است و با گذر زمان، تخریبی در پوشش ایجاد نشده است.
این جدول نشاندهنده ی این است که خط لوله ی بدون پوشش، می تواند جریان هایی را دریافت کند که هزاران برابر بیشتر از خط لوله ی دارای پوشش می باشد. جریان مورد نیاز برای محافظت از یک لوله ی با پوشش ضعیف، می تواند 200 برابر بیشتر از جریان مورد نیاز برای یک لوله ی مشابه ولی با پوشش مناسب، است. از مثال های بالا، این فهمیده می شود که تنش، یک مورد مهم می باشد. به دلیل تغییرات متنوع، مهندس خوردگی لوله، باید شرایط موجود در خط لوله را بفهمد و بدین صورت جریان های مورد نیاز را تعیین کنند. این مهندس همچنین باید قادر به تخمین نرخ تخریب پوشش باشد به نحوی که سیستم حفاظت کاتدی از لوله محافظت کند.
طول های بسیار بزرگ خط لوله می تواند با استفاده از یک سیستم حفاظت کاتدی منفرد، محافظت گردد. برای مثال، این مسئله ممکن است که یک خط لوله ی 50 مایلی را از یک محل، حفاظت کاتدی کرد اگر این خط لوله دارای قطر بزرگی باشد و به خوبی پوشش داده شده باشد. این مسئله ی جالب توجهی است که لوله های طویل با قطر بزرگ، به سهولت بیشتری نسبت به لوله های با قطر کوچک، حفاظت کاتدی می شوند. در تأسیسات حفاظت کاتدی، مانند چیزی که در شکل 1 مشاهده می شود، جریانی که درهر محل بر روی لوله، جریان می یابد، به طور معکوس با مقاومت کل سیستم در آن محل، در ارتباط است. این رویه از قانون اهم، تبعیت می کند. وقتی این جریان وارد توده ی زمین می شود، در واقع وارد یک ماده ی با مقاومت پایین می شود و بدین صورت از لحاظ تئوری باید در فواصل طولانی حرکت کند. در مورد خطوط لوله، لوله به خودی خود، هادی بازگشتی است. برای یک ضخامت دیواره معین، لوله های با قطر بزرگتر دارای مقاومت کمتری نسبت به لوله های با قطر کوچک هستند. علت این مسئله، این است که در لوله های قبلی ناحیه ی سطح مقطع بزرگ است و همانگونه که می دانید، مقاومت یک رسانا به طور عکس با ناحیه ی سطح مقطع، در ارتباط است. بنابراین، یک لوله ی با قطر بزرگتر، موجب می شود تا حفاظت کاتدی برای فواصل طولانی تری، مقدور باشد. این مسئله سپس نشان داده شده است که پوشش های با کیفیت بیشتر، موجب می شود که جریان کمتری در لوله ایجاد شود و بدین صورت، فاصله ی حفاظت مؤثر از تأسیسات حفاظت کاتدی، بیشتر می شود.

محافظت بیش از حد در خطوط پوشش داده شده

تحت برخی شرایط، مقادیر اضافی جریان حفاظت کاتدی برای خطوط لوله ی پوشش داده شده، ممکن است موجب تخریب پوشش شوند. این فرایند را جدایش کاتدی (cathodic disbondment)می گویند. این جریان موجب افزایش مهاجرت آب و یون ها از طریق پوشش و افزایش pH الکترولیت در سطح لوله، می شود. اگر پتانسیل پلاریزاسیون به اندازه ی کافی منفی باشد، هیدروژن می تواند همچنین به صورت حباب های گاز، بر روی سطح لوله، تشکیل شود. تمام این فرایندها، برای پوشش ها، نقش مهمی دارند و موجب افزایش تخریب و جدایش در پوشش می شوند.
پتانسیل پلاریزاسیونی که در آن، تخریب قابل توجهی در پوشش اتفاق می افتد، تابعی از فاکتورهای متعددی است. این فاکتورها شامل مقاومت ذاتی پوشش در برابر تخریب، کیفیت پوشش، شرایط خاک و دمای خط لوله می باشد. به عنوان یک اصل، از ایجاد پتانسیل های حالت خاموشی که منفی تر از  است، جلوگیری شود تا بدین صورت تخریب پوشش را به حداقل رساند. در این ارتباط، این مسئله باید مد نظر قرار گیرد که تخریب شرایط می تواند به سهولت و با تنظیم نامناسب جریان ورودی در سیستم حفاظت کاتدی، رخ دهد. در واقع این حالت، زمانی رخ می دهد که از آندهای گالوانیک با پتانسیل بالا مانند منیزیم استفاده شود .

حالت ریموتی در برابر حالت بسترهای بسته ی زمینی

جریان ایجاد شده از منابع خارجی به یک خط لوله، با تفاضل پتانسیل میان زمین و لوله همراه است. در اینجا، زمین قطب مثبت و لوله، قطب منفی است. تفاوت در پتانسیل به عنوان یک معیار معین برای تعیین میزان حفاظت کاتدی، استفاده می شود. ایجاد تفاوت های پتانسیل مناسب می توانند از یکی از راه های زیر انجام شود:

با ایجاد حالت منفی در لوله نسبت به زمین

با ایجاد حالت مثبت در زمین با توجه به لوله در نواحی محلی
اولین روش مورد استفده، استفاه از بسترهای زمین ریموتی است. در این بسترها، طول های قابل توجهی از لوله، قابل محافظت است. روش دوم، استفاده از بسترهای بسته ی زمین یا استفاده از آند است. روش آخر می تواند حفاظت را تنها در اطراف خود، ایجاد کند.

بسترهای ریموتی زمین

طرح اولیه در شکل 1 ممکن است در اینجا هم جالب باشد و بوسیله ی ان، نوع بستر ریموتی، قابل رویت باشد. تخلیه ی جریان، از آند یا گروه از آندها که بستر را تشکیل می دهند، منجر به افت ولتاژ در زمین قرار گرفته بین نقاطی می شود که در طول بستر قرار گرفته اند. در نزدیکی بستر زمین، افت ولتاژ بر واحد فاصله، نسبتاً بالاست. وقتی از بستر زمین دور می شویم، این ولتاژ بر واحد فاصله، کمتر می شود تا جایی که به حدی می رسیم که این افت قابل توجه نمی باشد. این نقطه ممکن است به عنوان زمین ریموتی یا شعاعی تعریف شود که محیط بر روی بستر زمین، اثر دارد.
دقیقاٌ همانگونه که در بالا توصیف شد، جریانی که به منظور محافظت از خط لوله اعمال شده است، می تواند موجب افت ولتاژ در خاک مجاور خط لوله شود و ناحیه ای وجود دارد که محیط بر روی لوله اثر دارد. بستر زمینی در شکل 1 نشان داده شده است، ممکن است به عنوان یک بستر ریموتی نامیده شود اگر این بستر به اندازه ی کافی دور باشد به نحوی که هیچ همپوشانی قابل توجهی میان ناحیه ی تحت اثر محیط و ناحیه ی تحت اثر لوله، وجود نداشته باشد. تحت این شرایط، جریان از بستر زمین به سمت توده ی کلی خاک، حرکت می کند به نحوی که یک رسانای با مقاومت کمتر و یا نامحدود، ایجاد می شود. این جریان سپس از این رسانای نامحدود به سمت لوله حرکت می کند و بدین صورت از آن محافظت می کند و همچنین موجب بروز افت ولتاژ در بین مقاومت ایجاد شده میان لوله و این رسانای نامحدود می شود. مدار معادل ساده شده ی آن در شکل 4، نشان داده شده است. در این شکل، مفهوم بیان شده در بالا، مشاهده می شود. تحت این شرایط، این خط لوله، نسبت به زمین ریموتی، منفی است و اگر به اندازه ی کافی حالت منفی بالا باشد، حفاظت کاتدی مؤثر ایجاد می شود.

با ایجاد جریان در یک رسانای نامحدود، مشابه چیزی که مشاهده شد، مقاومت خط لوله به خودی خود ممکن است طول لوله ای را که تحت حفاظت قرار می گیرد، را محدود کند. همانگونه که در بالا بحث شد، خطوط لوله ای که دارای مقاومت های طولی افزایشی هستند، می توانند در طول های بیشتری تحت محافظت قرار گیرند. یک محدود در بیشتر نقاط ریموتی مربوط به بستر زمین، پتانسیل مینیمم مورد نیاز برای انجام یک حفاظت کاتدی مناسب است. یک محدودیت در مورد بستر زمین، نیاز به حفظ و نگهداری پتانسیل پلاریزاسیون لوله- خاک است که در واقع باید منفی تر از میزان 1.1 V (CSE) باشد. با این رویه، میزان تخریب پوشش و بروز اثرات هیدروژنی در فولاد، کاهش می یابد.

بسترهای بسته ی زمین

استفاده از آندهای بسته یا یک سری از آند، یک روش کاملاً متفاوت نسبت به روش نصب ریموتی است که قبلاً توصیف شد. موفقیت استفاده از این روش، به ناحیه ای وابسته است که تحت تأثیر هر آند موجود در بستر زمین است. برای آگاهی بهتر از نحوه ی استفاده از آندهای بسته، مسیر رسانایی میان یک آند بستر زمین و زمین ریموتی، به طور جزئی، بررسی شده است.
جریان بر واحد سطح مقطع زمین که از یک آند موجود در بستر زمین، جاری می شود، در نزدیکی آند، بالاترین میزان است و با افزایش فاصله، کاهش می یابد. در جایی که این دانسیته ی جریان، بالاترین میزان خود را دارد، افت نقطه به نقطه می تواند در زمین، مشاهده گردد. نتیجه ی خالص این اثر، این است که بیشتر افت پتانسیل مربوط به زمینه ریموتی در یک آند منفرد، به طور نرمال در فاصله ی چند فوتی در داخل این قسمت، مشاهده می گردد. این مسئله در شکل 5 نشان داده شده است. در این شکل درصد مقاومت کل یا افت پتانسیل به عنوان تابعی از فاصله از یک آند، نشان داده شده است.

نمودارهای موجود در شکل 5 بر اساس آندهایی ترسیم شده است که دارای 3 اینچ قطر، و 60 اینچ طول هستند و در آنها جریان 2 آمپر در خاک با مقاومت 1×〖10〗^3 اهم- سانتیمتر، ایجاد می شود. نتایج مربوط به آندهای با اندازه ی متفاوت، اندکی متفاوت می باشد. شرایط غیر یکنواخت خاک همچنین موجب تغییر شکل این نمودار می شود. این نمودار بر اساس فرمول زیر بدست آمده است:

که در اینجا: V_x پتانسیل در نقطه ی x است که با واحد ولت می باشد و بواسطه ی جریان آندی زمین، حاصل می شود.
I نیز جریان آند زمین در واحد آمپر است.
در اینجا، ρ حساسیت زمین در واحد اهم- سانتیمتر است. y= طول آند موجود در زمین در واحد فوت، x فاصله از آند در واحد فوت می باشد.
اگر x بزرگتر از 10y باشد، بنابراین،
توجه کنید که نموداری مشابه ممکن است برای نشان دادن درصد افت ولتاژ کل، استفاده شود. این مسئله به این دلیل است که در دوی این خواص، به طور مستقیم از طریق قانون اهم در ارتباط هستند. این قانون می گوید که افت ولتاژ در یک مقاومت، برابر با مقدار مقاومتی است که بوسیله ی جریان و در داخل آن، چند برابر می شود. بنابراین، اگر جریان ایجاد شده از آند زمین به یک نقطه که به اندازه ی کافی دور است، شامل 50 % مقاومت کل آند به زمین ریموتی است. بنابراین، افت ولتاژ بین آند و ان نقطه، 50 % افت ولتاژ میان آند و زمین ریموتی را دارا می باشد. علاوه بر این، این مهم است که به این مسئله توجه کنیم که زمین داخل این ناحیه که در اطراف آند تخلیه ی جریان، قرار گرفته است، نسبت به زمین ریموتی، مثبت است و زمین مثبت تر، در نزدیکی آند است. بیایید ببینیم که چگونه گرادیان های پتانسیل مثبت می تواند از این مزیت بهره مند شود.

در بخش بالای شکل 6، این مشاهده می شود که یک خط لوله می تواند از میان ناحیه ای عبور کند که در آن، آند بستر زمین، در نزدیکی لوله، واقع شده است. این بدین معناست که این خط لوله از میان زمینی عبور می کند که دارای پتانسیل مثبتی نسبت به زمین ریموتی است. همانگونه که در نمودار پتانسیل شکل 6 مشاهده می شود، یک ناحیه ی محدود در طول خط لوله وجود دارد که در آن تفاوت خالص پتانسیل میان لوله و خاک، وجود دارد. این مسئله مطابق با معیار مربوط به حفاظت از فولاد می باشد. برای آنالیز نشان داده شده در شکل 6، این فرض شده است که خطا در افت ولتاژ IR در مقادیر پتانسیل لوله- خاک، ناچیز است. در جایی که این فرض برقرار نباشد، ناحیه ی محافظت کامل کوچکتر می شود.
شکل 6 نشاندهنده ی این است که تقریباً 35 فوت از خط لوله تحت شرایط معینی، حفاظت می شود. یک آند گالوانیک به طور مشابه عمل می کند اما به دلیل اینکه ولتاژ خروجی پایین است، طول خط لوله ی محافظت شده، کمتر است. به طور نمونه وار، در جایی که آندها یک فوت از لوله، فاصله دارند، محافظت می تواند برای 4 تا 5 فوت مورد انتظار باشد اگر از آندهای روی استفاده شود و اگر از آندهای منیزیمی استفاده شود، این فاصله به 8 تا 10 فوت می رسد.
وقتی تنها چند آند در نزدیکی یک خط لوله ی بزرگ، وجود داشته باشد، جریان کافی از آنها ایجاد نمی شود و بدین صورت، اگر آندهای زیادی در نزدیکی هم استفاده شوند، جریان کافی ممکن است به بخش هایی از این خط لوله، اعمال شود و این مسئله موجب می شود تا خط نسبت به زمین ریموتی، منفی تر باشد.
ناحیه ی محافظت شده ی یک لوله، بوسیله ی یک آند منفرد، مشابه با باریکه ی نوری است که به دیواره وارد می شود. وقتی نور به نزدیک دیواره می رسد، ناحیه ی نشان داده شده، کاهش می یابد اما شدت نور افزایش می یابد. در این قیاس، روشنایی نور با جریان وارد شده به لوله، برابر می شود. هدف از بهینه سازی طراحی حفاظت کاتدی، انتخاب نوع و محل بسترهای آندی زمین می باشد.

منبع: راسخون