همه چیز درباره حفاظت کاتدی

تاریخچه :

امروزه خوردگی شیمیایی فلزات از جمله مشکلات اساسی و هزینه ساز صنایع بزرگ به خصوص نفت، گاز، پتروشیمی،  نیروگاهی، آب و فاضلاب و ... می باشد. این مبحث باعث انگیزه تحقیقات وسیعی در این زمینه شده تا روش های عملی مقابله با خوردگی شیمیایی فلزات به عرصه ظهور برسد.  

حفاظت کاتدی اولین بار توسط همفری دیوی ، در سال 1824 میلادی ، در شهر لندن و در میان سلسله مقالاتی که ایشان به انجمن سلطنتی ارائه میکردند مطرح گردید . بعد از یک سری آزمایشات موفق ، اولین استفاده عملی از این فناوری جدید در همان سال به وقوع پیوست . این دانشمند پیشنهاد نمود که برای حفاظت کاتدی کشتیهای با بدنه مسی قطعاتی از آهن به عنوان آندهای از بین رونده روی بدنه کشتیها نصب شود به طوری که نسبت سطحی آهن به مس یک به صد باشد . به هر ترتیب یکی از نتایجی که حفاظت کاتدی به همراه داشت ، رشد و توسعه دریانوردی بود .

 در همین رابطه روبرت مالت در سال 1840 آلیاژی از فلز روی ساخت که به عنوان آندهای از بین رونده مورد استفاده قرار گرفت . کاربرد آندهای از بین رونده ادامه داشت تا اینکه به تدریج رنگهای ضد زنگ ساخته شد و استفاده از آنها به منظور حفاظت کاتدی و نیز صرفه جویی در هزینه تعمیرات رواج بیشتری یافت . استفاده از پوشش های فلز روی در روی فولاد از زمانهای قدیم ( قبل از 1742 ) معمول بوده است، ولی کاربرد اعمال جریان الکتریکی جهت حفاظت کاتدی لوله ها و تاسیسات زیرزمینی از حدود سال 1910 آغاز شد و با سرعت زیاد گسترش پیدا نمود به طوری که امروزه تقریبا در تمام خطوط لوله و کابل های زیرزمینی از آن استفاده می شود . حفاظت کاتدی همچنین در موارد متعدد دیگر از قبیل دریچه ها ، کانال ها ، خنک کننده های آبی ، زیردریایی ها ، مخازن آب ، اسکله ها و تاسیسات دریایی ، دستگاه ها و وسایل مختلفی که در تماس با مواد شیمیایی می باشند به کار برده می شود.

انرژی آزاد :

 هنگامی که وزنه ای را بلند می کنیم ، مقداری انرژی صرف کرده ایم که این انرژی معادل انرژی است که جاذبه زمین به آن وارد میکند ، بنابراین جسم دارای انرژی پتانسیل می شود ، این انرژی وارد شده به جسم یک انرژی تحمیلی است و جسم تمایلی به نگهداشتن این انرژی در خود ندارد ، به این نوع انرژی ، انرژی آزاد گویند . حال اگر جسم را رها کنیم مجددا به حالت اولیه خود باز میگردد . یا اگر مقداری آب را داغ کنیم در واقع به آن انرژی داده ایم که همان انرژی آزاد است ، حال اگر آب را از روی حرارت برداریم این انرژی را از دست داده و به حرارت اولیه خود برمیگردد.

البته شایان ذکر است که میتوان در ارنرژی آزاد تصرف داشت اما برای مدتی محدود ، مثلا میتوان آب را برای مدتی داغ نگاهداشت .

آهن در هنگام استخراج دارای ترکیبات اضافی مثل fe₂o₃  و  fe₃o₄ می باشد بنابراین در داخل کوره با دادن حرارت و دمیدن اکسیژن به آن فلز آهن ذوب شده و آهن آزاد می شود ، این آهن دارای انرژی آزاد است و تمایل به تخلیه انرژی و بازگشت به حالت اولیه خود دارد ( در آهن تمایل به تخلیه انرژی خود را به صورت زنگ نشان میدهد ) که اگر جلوی تخلیه انرژی گرفته نشود سبب خورده شدن فلز میشود .

انرژی آزاد را با حرف G نشان می دهند  و اگر سیستمی انرژی از دست بدهد انرژی آزاد را با  -G  و اگر انرژی بگیرد با +G نشان می دهند .

انرژی آزاد مقدار مشخصی ندارد و قابل اندازه گیری نیست ، اما در مورد فلز آهن میتوان این کار را انجام داد که بستگی به محیط ( الکترولیت ) دارد  ، برای انجام این کار پتانسیل فلز ( لوله ) نسبت به خاک را اندازه گیری می کنند ، با اندازه گیری ولتاژ مقدار انرژی آزاد بدست می آید .

برای انجام این کار طبق شکل زیر دو الکترود ، یکی از جنس خود فلز و دیگری از جنس پلاتین را داخل یک محلول الکترولیت قرار داده توسط ولتمتری آنها را به هم وصل می کنیم ، از طرفی چون پلاتین  فلزی است که در طبیعت به صورت آزاد وجود دارد نیازی نیست به آن حرارت دهیم تا آزاد شود در واقع هیچ انرژی آزادی ندارد ، بنابراین با وارد کردن گاز هیدروژن به پلاتین ، آن را تبدیل به الکترود هیدروژن می کنند ؛ همچنین از یک جداکننده متخلخل مثل سرامیک ، چوب و ... استفاده می کنند بدین منظور که از تداخل مولکولی دو قسمت جلوگیری کنند ، ضمن اینکه ارتباط یونی محفوظ است .

 

 

 

 

 

توسط ولتمتر ولتاژ فلزات مختلف را نسبت به الکترود هیدروژن اندازه گیری می کنند ، فلزاتی که ولتاژ منفی تری دارند فلزاتی هستند که دارای انرژی آزادند و تمایل به تخلیه انرژی و در نتیجه خورده شدن دارند ، اما فلزاتی که ولتاژ مثبت دارند خورده نمی شوند .

دستگاه فوق یک وسیله آزمایشگاهی است و نمی توان از آن برای ادازه گیری ولتاژ لوله نسبت به خاک استفاده کرد . برای این کار باید از هاف سل یا نیم پیل استفاده کرد .

  خوردگی:

  خوردگی عبارت است از نابودی یک ماده بر اثر محیط،  از بین بردن  فلزات بر اثر حمله شیمیایی ، از دست دادن  جرم به گونه ای که شکل ظاهری با تغییر اندازه های  هندسی دگرگون گردد. حتی تغییرات  در خواص مکانیکی از قبیل کاهش مقدار کشش و یا استحکام نیز می توانند نتیجه خوردگی باشد. به عبارت دیگر خوردگی  عبارت است از انهدام و فساد و دگرگونی در خواص و مشخصات مواد به علت واکنش آنها با محیط اطراف و بازگشت به حالت اصلی خود

 

عاملی که سبب خوردگی فولاد می شود تشکیل یک پیل می باشد ، در واقع عامل خوردگی ، ولتاژ است . هر باتری تشکیل شده است از یک آند یا قطب مثبت ، یک کاتد یا قطب منفی ، یک محلول الکترولیت و یک رابط فلزی یا الکترونی .

بنابراین برای ایجاد خوردگی سه شرط باید برقرار باشد:  1- وجود آند و کاتد

                             2- وجود روابط الکترولیتی بین آند و کاتد

                         3- وجود رابط الکترونی بین آند و کاتد

 در واقع هرگاه یک فلز در تماس با یک الکترولیت خورده شود،  در این صورت  با آزاد شدن الکترون، یونهای مثبت به داخل الکترولیت  رفته،  الکترونهای اضافی در فلز باقی مانده و سبب خورده شدن فلز می شود: مثلاً    

 

به عنوان مثال فرض کنید لوله ای را در داخل خاک مدفون کرده ایم به گونه ای که بر روی یک قسمت آن خاک رس و بر روی قسمت دیگرش شن ریخته ایم ، بعد از مدتی توسط هاف سل ولتاژ دو طرف را اندازه می گیریم ، در قسمتی که خاک رس وجود دارد ولتاژ منفی تری داریم یعنی خاک رس انرژی از دست می دهد ، در نتیجه خورده می شود . اما در قسمتی که شن وجود داشت ولتاژ مثبت بوده و خورده نمی شود .

بنابراین یک باتری داریم که آند آن خاک رس ، کاتد آن شن  ، الکترولیتش خاک اطراف لوله و رابط فلزی هم در واقع خود لوله فلزی می باشد ؛ در واقع یک باتری داریم که هم خورده می شود و هم احیا می شود .

عوامل موثر برخوردگی :

1.       حرارت محیط (به ازاء هر 50 تا 25 درجه فارنهایت میزان خوردگی دو برابر می شود).

2.         پتانسیل الکتریکی (پتانسیل افزایش یابد ، خوردگی کاهش می یابد)

3.       شرایط سطحی فلز (هر چه سطح فلز صافتر و صیقلی تر باشد، غیر قابل نفوذ شده و خوردگی  کمتری را متحمل     می شود)

4.        عملیات حرارت ( هر چه عملیات حرارتی افزایش یابد خوردگی کاهش می یابد)

5.        سایش ( در اثر تماس فلزات با عوامل خارجی  ، سرعت خوردگی بیشتر می شود)

6.        تابش

7.         ناخالصی

8.         زمان ( با افزایش زمان خوردگی نیز بیشتر می شود )

9.        تنش  ( با افزایش تنش سرعت خوردگی بیشتر می شود ) 

10.    رطوبت ( هر چه رطوبت بیشتر باشد سرعت خوردگی بیشتر می شود ) 

11.    گاز دی اکسید کربن(   از مهمترین عوامل خوردگی است.

انواع خوردگی :

1.       خوردگی گالوانیکی :

عموماً  خوردگی  لوله ها و تأسیسات زیرزمینی از نوع گالوانیکی هستند، این نوع خوردگی فقط زمانی بوجود می آید که یک لوله  نو با یک لوله کهنه در زمان تعمیرات به هم جوش داده شوند یا به دلیل اختلاف پتانسیل موجود بین دو فلز غیر مشابه  رخ می دهد هنگامی که در یک محلول خورنده یا هادی غوطه ور شده باشد،  به این خوردگی، خوردگی دو فلزی هم گویند.

2.       خوردگی  یکنواخت :

 این خوردگی  به صورت یکنواخت ، لایه های سطحی فلز را مورد حمله قرار می دهد. در این صورت فلز نازکتر شده و فاقد کارآیی می شود.

3.       خوردگی  حفره ای: 

یکی از مخربترین خوردگی ها ست که به علت سوراخ شدن قطعه،  سبب از کار افتادگی تجهیزات می شود.

4.       خوردگی شکافی: 

یک خوردگی موضعی است که اغلب در داخل شکافها و در معرض مواد خورنده رخ می دهد.

5.       خوردگی ناشی از جریانات مزاحم (سرگردان)  و جریانهای القایی

6.       خوردگی ناشی از تماس مستقیم

 

 روشهای جلوگیری و مهار خوردگی : 

1.       اعمال پوشش بر سطح فلزات

2.        حفاظت کاتدی

3.        مهار جریان مزاحم

4.        عایق سازی

قبل از بررسی روشهای حفاظت کاتدی به توضیح مختصری درباره برخی اصطلاحات می پردازیم:

 انواع خطوط لوله:

1)      خطوط طولانی

2)      خطوط خیلی طولانی

3)      خطوط کوتاه 

4)       خطوط خیلی کوتاه

 که بسته به نوع خط، طراحی های مربوط به حفاظت کاتدی انجام می شود. 

 

بستر آندی :

 مقاومت ویزه خاک  یکی از کمیت هایی است که در طراحی  بستر آندی نقش دارد و حتی الامکان  باید کم باشد تا با کمترین مصرف برق،  جریان حفاظتی لازم تأمین می شود.

  جهت تخلیه جریان آزمایش به زمین باید از یک بستر آندی موقت استفاده کرد که برای این بستر آندی می توان از هر سازه فلزی که با سطح زیادی در تماس با زمین است، استفاده کرد

 انواع بسترهای آندی:

 الف) بستر آندی موقت:

برای تعیین شدت جریان لوله های جدید التأسیس و طراحی دائم از بسترهای آندی موقت استفاده می شود از معایب این بستر عبارتند از:

1)      مقرون به صرفه نیست

2)        حوزه عملیاتی زیادی ندارد.

3)       تعداد کل اتصال به لوله قراضه زیاد می باشد.

4)        نیاز به پشت بند (Back Fill) ندارد. 

 تعریف:  پشت بند یا پی پا به مخلوطی شیمیایی (کک)  اطلاق می شود که آند را در بستر آندی در بر می گیرد چرا که  در غیر این صورت آند مستقیماً در تماس با خاک قرار گرفته و دچار خوردگی می شود.

یکی از مزایای این بسترها این است که بر خلاف اسم موقت آن به طور دائم هم میتواند استفاده شود .

 

ب) بستر های آندی سطحی :

  این بسترها در فاصله 30m  از لوله گاز و هر ساختار فلزی دیگر به صورت  افقی و عمودی نصب می شود، زمین مربوط به بسترهای آندی باید کمترین مقاومت الکتریکی را داشته باشد.  کلیه بسترهای آندی خطوط لوله و شبکه های شهری از این نوع هستند. این بسترها بر دو قسم هستند:

 

1)      بستر افقی :  این نوع بستر در مکانهایی قابل اجراست که فضای لازم برای آنها فراهم باشد،  در این بسترها آندها به شکل افقی و در کانالی به عرض 60cm  و عمق2  تا  3متر قرار می گیرند؛  پشت بندآنها  کک است که باید به ضخامت 15cm زیر و روی آندها را بپوشاند. این نوع بستر به دلیل صرفه اقتصادی در حفاری و آماده سازی بستر و استقرار آندها بیشتر از بسترهای دیگر استفاده می شود،  اما استفاده از این بسترها محدودیت دارد، چون با تعداد زیاد آند به طول بیشتری برای حفاری نیز است.

 

2)      بسترهای عمودی : چنانچه امکان فاصله از شبکه و یا خط لوله فراهم باشد ولی محدودیت در طول بستر باشد و نتوان از بستر افقی استفاده کرد،  بستر عمودی جایگزین آن می شود. این نوع بسترها بیشتر در شبکه های توزیع گاز طبیعی، آب،  مخازن ذخیره سازی و .. استفاده می شود.  این آندها در کانالهایی به قطر 50 cm   تا 30و به عمق  حدود  3m قرار می گیرد.  پشت بند ککی آنها باید به قطر حداقل 30cm دور تا دور آندها را پر کند.

 

ج) بسترهای آندی عمیق:  از این بسترها در مناطقی که خاک  مقاومت مخصوص بالایی دارد استفاده می شود. بر دو نوعند:

 

1)      بستر های آندی  چاهی زغالی (خشک):

آندها به صورت  عمودی و در یک راستا در کانالی به قطر  50cm  تا 30 و به عمقی که بستگی به تعداد آندها دارد، قرار می گیرند، پشت بند آنها هم کک است.

 

2)      بسترهای آندی چاهی آبی( تر) :

پشت بند مصرفی آندها، آب است. عمق بستر ها بستگی به عمق سفره های آب زیرزمینی دارد، یعنی باید حفاری تا جایی انجام شود که  آب کل عمق بستر در بر گیرد.  در این بسترها،  آندها را با طناب  که در برابر آب مقاوم است به قرقره آلومینیومی می بندند و در چاه قرار می دهند،  اگر تعداد آندها زیاد باشد، در یک ایستگاه  دو حلقه چاه حفر کرده و آندها را در دو چاه  قرار می دهند.  هر چه فاصله  بستر آندی از لوله بیشتر باشد، راندمان سیستم افزایش می یابد.

 

 

 

عواملی که باید در نصب آندها رعایت شوند:

1)      پودر کک باید کاملاً کوبیده شود.

2)      باید اتصالات مدفون را در برابر ورود رطوبت مورد حفاظت قرار داد چون تخلیه جریان از طریق کابل در زمین باعث از بین رفتن آن در چند روز یا ساعت می شود.

3)        در مورد حفاظت  محل اتصال کابل و آند باید دقت کرد،  چون حتی اگر بی احتیاطی در حمل و نقل،  آن را از بین نبرد، با ریزترین  شکستگی،  رطوبت  به آن وارد شده و از بین می رود

4)      آند باید در عمق کافی ( 18 تا 24 اینچ ) قرار گیرد  تا در برابر صدمات  احتمالی حفاظت شود.

 

الکترودها:

  الکترودها با استفاده از تماس فلز و الکترولیت ساخته می شوند،  به برخی از الکترودها و کاربردشان  در زیر اشاره شده است:

  الکترود مس (سولفات مس): یک الکترود مرجع  در آبهای شیرین

  الکترود  هیدروژن: مبنای  تمام الکترودهاست و در تحقیقات آزمایشگاهی به کار می رود.

  الکترود  کالومل: در آب شیرین یا آب شور

  الکترود سرب:  در مطالعات خوردگی  کابلهای سربی

 الکترود نقره: در آب دریا

  الکترود روی خالص:  در شرایط نیاز به یک  الکترود  مرجع  دائمی در خاک و آب دریا 

  بهترین محل استفاده از الکترود، در سطح زمین و مستقیماً روی خط لوله مدفون می باشد.

از این الکترودها در هاف سل استفاده می شود ، هاف سل دستگاهی است که برای اندازه گیری پتانسیل لوله به خاک مورد استفاده قرار می گیرد .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

هاف سل شبیه لوله ای است که رنگ آن شفاف نیست ، داخل آن یک میله مسی قرار دارد ، الکترود مسی از قسمت بالا به یک رشته سیم مسی به طول 2m و سطح مقطع2.5mm²   ارتباط دارد .  در قسمت فوقانی آن درپوشی است که مانع از ریزش مایع داخل ظرف می شود ،   در قسمت تحتانی آن از یک پلاک متخلخل از جنس سرامیک یا چوب استفاده شده تا بتواند ارتباطی بین مایع داخل ظرف و زمین برقرار نماید ، همچنین مایع داخل ظرف باید از جنس سولفات مس اشباع شده باشد .

محلول اشباع شده سولفات مس به صورت زیر تهیه می شود :

ابتدا مقداری آب مقطر را در ظرفی شیشه ای می جوشانیم تا قل بزند ، سپس مقدار کمی از آن را داخل ظرف الکترود می ریزیم و دانه های سولفات مس را به آن می افزاییم و آن را تکان می دهیم تا به صورت محلول درآید به محلول آنقدر سولفات مس اضافه می کنیم تا دیگر کریستالهای سولفات مس حل نشوند ، باز هم کریستالها را داخل ظرف الکترود می ریزیم تا به صورت رسوب در ته ظرف درآید .

مقدار مایع هاف سل باید به گونه ای باشد که حداقل تا 2/3 میله مسی داخل مایع قرار گیرد.

برای اندازه گیری ولتاژ هاف سل باید روی لوله قرار گیرد ؛ همچنین عددی که می خوانیم باید ولتاژ خاموش یا off باشد .

  حفاظت کاتدی:

  به صورت کلی هر فلزی دارای مناطق آندی و کاتدی است  ، خوردگی  در بخش های آندی انجام می شود که سبب خورده شدن لوله و آسیب رسیدن به آنها می شود. برای جلوگیری از خوردگی  ، سیستم حفاظت کاتدی به میان می آید.  بصورت کلی حفاظت  کاتدی برای جلوگیری یا کاهش  خوردگی فلزات به کار می رود.  به عبارت دیگر  با اعمال سیستم حفاظت کاتدی،  الکترون به سازه جاری شده مناطق  آندی به مناطق کاتدی تبدیل می شود و از خوردگی جلوگیری به عمل می آید.

  حفاظت کاتدی فولاد در خاک  بر دو اصل استوار است:

1)      خوردگی فولاد بر اثر آندی شدن بخشهایی از ماده و کاتدی شدن بخشهای دیگر بوجود می آید.

2)      اگر تمامی بخش های فولاد، کاتدی باشند، خوردگی به وجود نخواهد آمد.

 بنابراین  هدف از حفاظت کاتدی این است که فولاد به صورت کاتد در آید  این کار با اعمال جریان مستقیم روی لوله و تشکیل آندی که به جای  آن خورده می شود، صورت می گیرد. حفاظت کاتدی نه تنها خوردگی را کاهش می دهد، بلکه آن را متوقف می کند.  با استفاده از حفاظت کاتدی،  سازه مورد حفاظت  به نحوی پلاریزه می شود که تمام سطح، کاتدی شده و خورده نمی شود.  از معیارهای قابل قبول برای حفاظت کاتدی در  سازه های فولادی، برقراری  پتانسیل 0/85V نسبت به الکترود استاندارد مس (سولفات مس اشباع) می باشد.

  نصب سیستم حفاظت  کاتدی نه تنها از خطرات جانبی در آینده جلوگیری می کند، بلکه  هزینه های مربوط به تعویض قطعات ، تعمیرات و جبران  خسارات و زیان های وارده را کاهش می دهد.  عوامل بسیاری در تعیین انتخاب روش حفاظت کاتدی موثر می باشند که از جمله می توان به شرایط الکترولیت،  امکان دسترسی به برق، شرایط سازه های مجاور،  جریانهای سرگردان،  نوع و کیفیت پوشش ، شرایط اقتصادی و ... اشاره نمود.

 

پلاریزاسون :

در نظر بگیرید یک لوله دارای پوشش تحت حفاظت کاتدیک قرار گیرد یعنی به آن ولتاژ دهیم ، در این صورت بین پوشش و لوله ، لایه ای بوجود می آید .

می خواهیم بدانیم این لایه چیست و چگونه شارژ می شود :

شکل زیر را در نظر بگیرید :

 

 

 

 

 

دو الکترود آهن را در ظرف آبی قرار داده ایم و آنها را توسط یک باتری به هم متصل نموده ایم . الکترود آهن سمت راست در آب به یونهای fe⁺⁺ تبدیل شده که با دو تا از یونهای OH^- آب ترکیب شده و fe(oH)₂ را به وجود می آورد که همان زنگ آهن است . از طرفی الکترونهای اضافی که در این الکترود باقی مانده اند جذب باتری شده و به سمت الکترود سمت چپ جاری می شوند ، این الکترونها بار منفی دارند و با یونهای H⁺ آب ترکیب شده و گاز هیدروژن را به وجود می آورند(H₂)  .

در واقع لایه ای که بین لوله و پوشش به وجود می آید همین گاز هیدروژن می باشد. بنابراین یک لایه هیدروژنی داریم که عایق نیز هست . برای اینکه این لایه بتواند باقی بماند و سبب حفاظت شود باید از پوششی با کیفیت خوب استفاده کرد .

این لایه هیدروژنی چگونه شارژ می شود ؟  

مطابق شکل از یک رکتیفایر استفاده کرده به گونه ای که قطب منفی آن به لوله و قطب مثبت آن به زمین وصل باشد . از این طریق القاء بار صورت می گیرد تا در نهایت در اطراف لایه هیدروژنی بارهای مثبت و منفی به وجود می آید ، در نتیجه لایه هیدروژنی شارژ می شود .

طبق استاندارد ولتاژ این لایه هیدروژنی باید بین -0.85  تا  -1.2  ولت باشد ؛ در صورتی که ولتاژ کمتر از -0.85 باشد لوله حفاظت نمی شود ؛ یعنی لایه مناسبی نیست . اما در صورتی که از -1.2 بیشتر شود ، باعث جدایش بین لوله و پوشش می شود .

برای بعضی پوشش ها مقدار این ولتاژ متفاوت است ؛ این ولتاژ را در سه گروه طبقه بندی می کنند :

1-  پلی اتیلن سه لایه :  -0.85   تا  -1.1  

2-  نوار سرد یا نوار دستی : -0.85  تا  -1.02  

3-  قیر زغال سنگی  (coaltar)  و قیر پایه نفتی (Bitumen) : -0.85  تا -1.2

پلی اتیلن سه لایه پوششی است متشکل از سه لایه که عبارتند از :

لایه اول : Epoxy   که یک ماده تیره رنگ است

لایه دوم : چسب

لایه سوم : نوار

 

روش اندازه گیری ولتاژ   off  در دو سر لایه هیدروژنی :

 

 

 

 

 

 

 

V_IR  = ولتاژ بین هاف سل و لوله

V_P = ولتاژ بین پوشش و لوله که در دو طرف لایه هیدروژنی افت می کند .

V_M = ولتاژ لوله نسبت به خاک

V_M = V_IR + V_P

هنگامی که منبع ولتاژ را به صورت لحظه ای قطع می کنیم ، I = 0  در نتیجه  IR = 0  خواهد شد ، بنابراین آنچه ولتمتر نشان می دهد V_P خواهد بود ،  V_M  = V_P

به همین دلیل به آن ولتاژ خاموش یا off گویند که برابر است با V_P 

 

  حفاظت  کاتدی به دو روش  انجام می شود:

 الف)  توسط یک جریان الکتریکی خارجی توسط یکسو کننده ها

 ب) توسط آند های فنا شونده

 

سیستم اعمال جریان خارجی توسط یکسو کننده ها:

 این روش بهتر است در خارج از محلی که خطر انفجار و آتش سوزی دارد نصب گردد.  در این روش جریان خارجی توسط یکسو کننده هایی مثل ژنراتور یا باتری تولید می شود،  همچنین از یک آند کمکی از جنس آهن،  قراضه فولاد، قراضه چدن و آلومینیوم نیز استفاده می شود که برای افزایش عمر آنها، اطرافشان را با کک نرم ، زغال سنگ یا گرانیت می پوشانند که به آنها پشت  بند (Back Fill) گویند.  به این ترتیب  که منبع  جریان یکسو را به گونه ای قرار می دهند که قطب مثبت آن به آند و قطب منفی آن به فلز یا دستگاه  مورد نظر وصل می باشد، جریان  خارجی از آند کمکی عبور کرده به مناطق آندی و کاتدی وارد شده و دوباره به منبع جریان باز می گردد. در این صورت  تمام فلز،  هم پتانسیل می شود؛ تا زمانی که این جریان خارجی برقرار باشد؛ فلز خورده نمی شود.  در واقع  اگر جریان  الکتریسیته از طرف محیط به تمام سطح لوله برسد، دیگر خوردگی نخواهیم داشت.   در این روش  بهتر است  از پوشش های  داخلی استفاده کرد چرا که در صورت استفاده از پوشش:

1)      جریان مورد نیاز کمتر شده

2)        تعداد آند های مورد نیاز کم شده

3)        طولی از لوله که توسط  یک آند حفاظت می شود، زیاد می شود.

 

لازم به ذکر است که مقدار جریان اعمالی بستگی به فلز و محیط اطراف آن دارد،  اما همواره باید مقدار جریان اعمال شده بیشتر از مقدار جریانی که میزان  خوردگی را نشان می دهد ، باشد.

 

  مقدار شدت جریان لازم برای حفاظت کاتدی لوله های فولادی:  

 

	شدت جریان متوسط در واحد سطح	مقاومت  زمین (اهم- سانتیمتر)
آب دریا	10	100-25
بستر دریا و یا خاک دارای نمک	25	1000-100
خاک بسیار خورنده	10	5000-1000
خاک خورنده	5	10000- 5000
خاک با خوردگی ناچیز	1	10000 به بالا

 

 نکته:  در صورتی که شدت جریان مورد نظر 5A  یا کمتر باشد، از سیستم آندهای فنا شونده و اگر از  5A بیشتر باشد،  از سیستم جریان تزریقی استفاده می شود.

 

 

 آندهای کمکی در سیستم های با اعمال جریان خارجی :

 

جنس آند	کاربرد (محیط عمل)
براده آهن	خاک – آب شیرین- دریا
آلومینیوم	خاک – آب شیرین- دریا
گرانیت	خاک – آب شیرین- دریا
چدن پرسیلیس	خاک – آب شیرین- دریا
سرب	آب دریا
تیتانیوم پلاتینی شده	خاک – آب شیرین- دریا

 

نکته:  گرانیت بسیار شکننده است و کمتر مورد استفاده قرار می گیرد اما در بیابانها زیاد مصرف می شوند، اما چدن  پرسیلیس نصب آسانی دارد و در مواردی که پشت  بند کیفیت پایینی دارد، مصونیت بیشتری در برابر خوردگی دارد.

  مزایا و معایب سیستم با اعمال جریان خارجی:

  مزایا:                  1- امکان قابلیت طراحی  

2- امکان تغییر و تنظیم ولتاژ جریان مورد نظر

معایب:

                     1- وجود اشکالات مختلف در مولد ها و رکتیفایرها

                     2-هزینه های بالای نصب و نگهداری و تعمیرات

                     3-تولید ولتاژ اضافی که منجر به صدمه زدن به پوشش و فلز و ... می شود.

 

 

 سیستم آندهای فنا شونده:

  اختلاف پتانسیلی که بین آندهای فنا شونده و فلز مورد حفاظت وجود دارد،  عامل تخلیه جریان از فلز می باشد. سیستم آند فنا شونده نیازی به منبع نیروی خارجی ندارد، انرژی لازم جهت تولید جریان از انرژی  شیمیایی مواد آندی تأمین می شود. بنابراین این آندها منبع انرژی  اند و به خصوص در مکان هایی که برق وجود ندارد،  مورد استفاده قرار می گیرند. از جمله آندهای فنا شونده عبارت است از آلومینیوم ، منیزیم، روی، و ... .

 آندهای  منیزیم معمولا اولین انتخاب هستند اما آندهای روی ارزانترند، راندمان بیشتری دارند و در ایستگاه هایی که برا ی مدتهای معین طولانی تر  پیش بینی می شوند،  مورد استفاده قرار می گرند.

 به صورت  کلی نوع آند مصرفی بستگی به ویژگی های مثل مقاومت ویژه، PH،  رطوبت و همچنین خواص و قابلیتهای هر یک از آندها دارد. آندهای فنا شونده (گالوانیک) به دلیل توزیع خیلی آسانتر جریان، نسبت به سیستم های یکسو کننده، برتری دارند. همچنین این آندها ارزانترند،  اما استفاده از این آندها در خاکهایی با مقاومت ویژه زیاد، اقتصادی نیست.

 

مزایا و معایب سیستم آندهای فنا شونده (گالوانیکی):

  مزایا:              1-عدم نیاز به نیروی خارجی

                2- نصب و نگهداری راحت

                3-  هزینه کمتر

                4-بازدهی کافی

                5-  توزیع  جریان یکنواخت 

معایب:

               1- عدم  داشتن ولتاژ  و جریان حاصله 

              2-عدم بازدهی  خوب در زمین های با مقاومت زیاد

 فاکتور های مورد نظر جهت طراحی سیستم حفاظت کاتدی:

1)      مقاومت  ویژه خاک 

2)       اندازه پتانسیل 

3)       جریان مدار

4)      فاصله بسترهای آندی (هر قدر فاصله آندها از قطعه بیشتر باشد،  باید جریان بیشتری در مدار تزریق شود تا حفاظت کاملتر انجام شود)

5)      نوع و جنس خاک

6)       اندازه قطعات مهندسی شامل  قطر، طول و عرض قطعه و اندازه مقاومت الکتریکی آن

7)        احتمال وجود جریانهای ناخواسته (سرگردان)  و جریان های القایی

8)       احتمال  استفاده از پوشش های  حفاظتی و تأثیر آنها بر طراحی سیستم حفاظت کاتدی 

 جریا ن های سرگردان:

 جریانهای سرگردان،  جریان های مستقیم  DC و متغیری هستند که سیستم حفاظت کاتدی را با مشکل مواجه می کنند، منبع این جریان ها می تواند خطوط راه آهن،  منبع DC مورد استفاده در معادن،  ....  باشد و یا به علت  عبور برق فشار قوی از نزدیک قطعه مهندسی و یا به دلیل  وجود ترانسها و .... ایجاد شود.

 روش مبارزه  با این جریانات سرگردان:

  الف) ایجاد اتصالات الکتریکی بین  تأسیسات  و منبع تولید جریانهای مزاحم

  ب) استفاده از آندهای  فنا شونده

  ج) تقویت پوشش منطقه

در صورتیکه خط لوله در حوزه  تأثیر میدانهای القایی قرار گیرد، در آن جریان القایی بوجود خواهد آمد. این جریانهای القایی از دو نظر باید بررسی شوند:

 الف)  خطرات  جانی

 ب)  اثرات  مخرب در شبکه های تحت  پوشش حفاظت کاتدیک

  بر خلاف دیگر روش های جلوگیری از خوردگی که نیاز به نظارت ندارند،  سیستم حفاظت کاتدی نیاز به نظارت دائمی دارد.  ایستگاه های حفاظت کاتدی در سال  2 تا 3 بار چک می شوند و صحت آنها  از نظر کارکرد مورد بررسی قرار می گیرد.  در هر بازدید مقدار ولتاژ  و جریان اعمالی اندازه  گیری و ثبت می شود.  در صورت هر گونه اخلال،  عملیات عیب یابی و تعمیر صورت می پذیرد.