حفاظت کاتدی

همانگونه که میدانید اصول خوردگی براساس خواص فعل و انفعالات الکتروشیمیایی است که در آند تولید الکترون و در کاتد مصرف الکترون صورت می پذیرد . واکنش های الکترو شیمیایی انحلال فلز و آزاد شدن گاز هیدروژن ، بر طبق معادلات زیر است :

M → Mn+ + ne

2H + +2e → H2

در پروسه خوردگی لوله مدفون درخاک ، نقاط آندی و کاتدی در هر حال موجود هستند و با انتقال جریان الکتریسیته از نواحی آندی از فلز به محیط اطراف خوردگی رخ می دهد و در نقاط کاتدی که جریان از محل اطراف به فلز می رسد خوردگی صورت نمی گیرد . به همین دلیل فلز را می توان به طور جزئی بوسیله استفاده از پوشش ها حفاظت نمود. اگر پوشش ها دائمی بودند و هنگام نصب و یا کار آسیب نمی دیدند لوله های فلزی هرگز خورده نمی شدند . پیدایش عیوب در لایه های محافظ یا وجود سوراخ ها، حتی اگر اتفاقی باشد ما را ملزم می کند که حفاظت نوع دومی را هم برای فلزات مدفون در خاک بکار بریم . روش عمومی استفاده از حفاظت کاتدی است.

در این روش با وارد شدن یک پتانسیل کاتدی ، قطعه مهندسی به یک کاتد ( قطب منفی) تبدیل می گردد؛ در حقیقت جریان از طرف محیط به تمام سطح لوله می رسد پس در حقیقت دیگر خوردگی نخواهیم داشت و لوله محافظت می گردد.

حفاظت کاتدی را میتوان به تنهایی هم بکار برد ولی به مقدار جریان زیادی نیاز است. بنابراین بهترین روش آن است که از یک لایه محافظ مناسب استفاده کرد و بعدا بوسیله حفاظت کاتدی آنرا تقویت نمود.

حفاظت کاتدی به دو شیوه اعمال می گردد:

1- جریان اعمالی Impressed current

2- آند فدا شونده  sacrificial anode

حفاظت کاتدی بوسیله جریان اعمالی:

حفاظت از این طریق در حقیقت ساخت و کنترل یک سلول خوردگی بزرگ است . در این سلول پایانه منفی جریان مستقیم به خط لوله و پایانه مثبت به یک رسانای مصرف شدنی دفن شده وصل می شود و این رسانا آند نامیده می شود. جریان مستقیم  معمولا از طریق یک یکسو کننده به لوله وارد می گردد و در حقیقت یک  مدار  الکتریکی بوسیله عبور جریان  توسط  خاک از آند به خط لوله  به  وجود  می آید. ( شکل 1)

در حقیقت سرمایه گذاری برای تاسیسات حفاظت کاتدی ، بخش کوچکی از هزینه کل تجهیزات است برخلاف حفاظت بوسیله پوشش ها ، تداوم هزینه ها 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.

فاکتو رهای مورد نظر جهت طراحی سیستم حفاظت کاتدی:

عواملی که باید مد  نظر قرار گیرند عبارت اند از:

1- اندازه پتانسیل : که با توجه و با استفاده از دیاگرام ایوانز آن چنان اختیار می شود که فلزات متفاوت در ناحیه کاتدی حفاظت می گردند. ( شکل 2)

2- جریان مدار: شدت جریان ( آمپر) مورد نیاز جهت رسیدن به پتانسیل حفاظت کننده می بایستی محاسبه شود.

3- فاصله بسترهای آندی : هر قدر که فاصله آندها از قطعه بیشتر باشد جریان بیشتری در مدار می بایست 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.

4-احتمال بکار گرفته شدن پوشش های حفاظتی و تاثیر آنها بر طراحی سیستم حفاظت کاتدی

5- اندازه های قطعه مهندسی ، طول قطر، طول یا عرض جهت محاسبه سطح و در نتیجه اندازه مقاومت الکتریکی آن

6- نوع و جنس خاک ، به لحاظ خواص شیمیایی و تعیین مقاومت آن اهمیت خاص دارند.

7- احتمال وجود جریان های ناخواسته ( سرگردان) جریان های القائی که بنا بر عبور برق فشار قوی از نزدیکی قطعه مهندسی و یا وجود ترانس ها و دیگر دستگاه ها ایجاد می گردد.

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) می نامند ، اگر ولتاژ به اندازه ای افت نماید که از ناحیه حفاظت کاتدی ( ایوانز) خارج شود دیگر حفاظتی صورت نمی گیرد . همین پدیده را می توان با استفاده از یک مدار مقاومتی نشان داد که جریان در مقاومت های نزدیک به بستر آندی بیشترین خواهد بود ( شکل 3) . شدت جریانی که از واحد سطح زمین و در نزدیکی بستر آندی خارج می شود ؛ 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 می شود ( با فرض مقاومت ثابت ) .

مقدار افت پتانسیل نسبت به فاصله قابل اندازه گیری است :

 

پتانیسل (v)              = v

جریان( A)              = I

 مقاومت خاک (   Cm. Ω)   = ρ

طول آند ( ft )        = y

فاصله از آند ( ft )     = X

  هر گاه      X>10Y   گردد فرمول فوق به ذیل تبدیل می شود:

در سیستم حفاظت کاتدی به روش آند فدا شونده این افت پتانسیل نیز می بایستی در نظر گرفته شود هر چند که آند معمولا از قدرت کمتری برخوردار است.

مقدار جریان لازم از فرمول V = IR محاسبه می شود . 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 می توان یک مقدار متوسط و معین را بکار برد. مقادیر جدول 1 نشان می دهد که پوشش ها ، حتی پوشش های ضعیف ، تفاوت چشمگیری در میزان جریان ایجاد می کنند.

جدول 1- جریان مورد نیاز برای محافظت لوله پوشش شده

جریان لازم برحسب A	مقاومت پوشش به ازای یک ft2 برحسب Ω
500 14.91 5.964 2.982 1.491 0.2982 0.1491 0.0298 0.000058	لوله بدون پوشش 10000 25000 50000 100000 500000 1000000 5000000 پوشش ایده آل

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 SO4) سنجیده می شود. شکل ( 5 و 6)

 برای این کار ابتدا بر روی زمین مقداری آب ریخته تا سطح زمین کاملا خیس شود، سپس نیم سلول Cu/Cu SO4 را بر روی آن قرار می دهیم. یک سر ولت متر را به نیم سلول و سر دیگر آنرا به خط لوله وصل می کنیم . پتانسیل اندازه گرفته شده باید بیشتر از mv850- باشد ؛ چون نقاطی که پتانسیل کمتر mv 850- دارند دیگر حفاظت نمی شوند . جهت حفاظت از خوردگی لوله های 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 850- صورت می پذیرد . که جریان مورد نیاز در این خصوص فقط حدود A/ft2 100 است .

در بسیاری از موارد مدار الکتریکی محافظت کننده به شکل یک مدار باز با صرف جریان بیش از حد معمول عمل می نمایند (Current Drainage) این بنابر دلایل عدیده ای همانند ایجاد لایه های اکسیدی ناخواسته ، اتصال پیش بینی نشده ، القای جریان های سرگردان و غیره صورت می گیرد . جهت کشف این موضوع که آیا حفاظت به روش کاتدی موثر افتاده است و یا خیر طبق شکل 7 از دو الکترود مرجع Cu/Cu SO4 به همراه دو ولت متر استفاده می شود که در یک نقطه به لوله متصل می گردند . اگر اختلاف پتانسیل اندازه گیری شده توسط دو دستگاه ولت متر بیشتر از 5 باشد . حفاظت به طورکامل انجام نمی پذیرداما برعکس اگر کمتر باشد حفاظت از خوردگی کامل خواهد بود.

I = جریان خروجی (A)

E = ولتاژ آند (v)

L = طول آند (cm)

ρ = مقاومت خاک

D= قطر آند

حفاظت کاتدی خطوط لوله - 2

اندازه گیری مقاومت زمین :

 خاک هایی که دارای ضریب مقاومت الکتریکی بالایی هستند از شدت جریان خوردگی پایینی برخوردار هستند . و اما نقاطی که دارای پتانسیل بالایی هستند دارای مقاومت الکتریکی پایینی هستند . چرا که در آنها شدت جریان خوردگی بالاست . بررسی ضریب مقاومت الکتریکی خاک می تواند راهنمای خوبی جهت تعیین مکان کار گذاردن بستر آندی و عمق آند از سطح زمین باشد . جهت اندازه گیری مقاومت خاک از روش چهار میله ونر استفاده می شود ، شکل 9 نشان می دهد که 4 میله به صورت عمودی در خاک قرار می گیرند . دو میله 1و2 با استفاده از یک منبع تغذیه ، جریانی را به درون خاک می فرستند و دو میله دیگر 3و 4 ولتاژ اندازه گیری می کنند.

شکل9- دستگاه اندازه گیری مقاومت الکتریکی خاک موسوم به 4 میله ونر

فاصله میله ها از یکدیگر معادل عمق آنها از سطح خاک است و برابر مقدار a می باشد. نهایتا مقاومت خاک با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود:

که اگر مقدار A برابر 2½"  و 5ft  فرض شود :

که برای مثال اگر جهت حفاظت از خوردگی یک لوله زیر زمینی از0.22 A i = استفاده شود خواهیم داشت:

در امتداد طول لوله و با استفاده از روش 4 میله ونر مقاومت اندازه گیری گرفته شده یکنواخت نخواهد بود . کیفیت شیمیایی خاک با تغییر دادن مقاومت الکتریکی آن نیز بر خوردگی تاثیر می گذارد . ( شکل 10)

شکل10 - تغییر مقاومت خاک در طول مسیر یک خط لوله

در یک سیستم حفاظت کاتدی و زمانی که قطعه مهندسی به قطب منفی تبدیل شده است . نقش خاک ارائه دادن انتقال آسان کاتیون ها است که هر قدر که شدت انتقال این یونها بیشتر باشد . جریان الکترونی بیشتری به سمت لوله کشیده می شود ( از طریق منبع تغذیه و سیم رابط ) با کاهش PH خاک ، شدت جریان بیشتری برای  رسیدن به پلاریزاسیون کاتدی و حفاظت از خوردگی نیاز دارد . جهت اندازه گیری PH خاک و یا دیگر الکترولیت ها  از PH متر و یا کاغذ معرف استفاده می شود.

 طراحی بستر آندی و نصب ایستگاه حفاظت:

جهت طراحی یک بستر آندی مناسب می بایستی فاکتورهای ذیل را مد نظر قرار داد.

1- مقدار ضریب مقاومت خاک( برحسب Ω.cm)

2- وجود شبکه های فلزی که در حیطه موثر بستر آندی واقع گردیده اند.

3- فاصله بستر آندی تا لوله و دیگر قطعاتی که جداگانه حفاظت می گردند.

4- موجودیت برق مستقیم جهت اعمال جریان حفاظتی

5-بررسی لجستیکی به لحاظ موقعیت قطعات ودستگاه هایی که می بایست حفاظت گردند.

همچنین در مورد پیاده سازی یک ایستگاه نکات زیر باید تعیین شود:

1- انتخاب دانستیه جریان لازم

2- محاسبه سطح فولادی که می خواهیم حفاظت کاتدی گردد.

3- محاسبه جریان مورد نیاز

4- محاسبه مجموع آند های مورد نیاز برای ضمانت یک عمر مورد نیاز مثلا 20 سال

5- محاسبه مقاومت کل مدار شامل مقاومت آند ها نسبت به الکترولیت ، مقاومت کابل های استفاده شده و مقاومت سازه به الکترولیت و مقاومت الکترولیت

6-محاسبه سایز رکتیفایر مورد نیاز

بعد از محاسبات لازم بر طبق اصول بالا ، مکان دقیق حفره مشخص می شود ، اولین مرحله در ایجاد حفره عملیات حفاری است ، هر چه مکان حفره دورتر از خط لوله باشد طول بیشتری از لوله مورد حفاظت قرار میگیردبه طور معمول بین حفره تا خط لوله 100تا  200متر فاصله است . ( شکل 11 )

بستر آندی می تواند به سه صورت طراحی شود . که هر کدام مزایا و معایبی دارند . درحالت اول بستر موازی با خط لوله است و در حالت دوم بستر عمود بر لوله می باشد حالت سوم نیز ترکیبی از دو حالت بالا است . که مزایای حالت سوم بیشتر است و معمولا حفره را به صورت زاویه دار طراحی می کنند . درحقیقت در حالت اول مصرف آندها زیاد است و همان طور که در شکل 12 آمده است گرادیان های جریان تمرکز بیشتری در ناحیه آند دارند .

 با توجه به تعداد آند مورد نیاز برای هر حفره طول حفره محاسبه شده و عملیات حفاری آغاز می شود ، عمق حفره نیز با توجه به عمق لوله دفن شده محاسبه می شودکه این عمق به ارتفاع میانگین 2 متر می باشد .درانتهای حفاری در حقیقت حفره مورد نظر دارای طول 20 و عرض 1 و ارتفاع 2 متر می باشد . که در این حفره می توان حدود 20 آند قرار داد . بعد از اتمام عملیات حفاری در کف بستر مخلوطی از کک ، نمک ، کچ، و آهک اضافه می کنند تاحفره خصوصیات لازم را برای هدایت بهتر جریان پیدا کند. درحقیقت نمک باعث پیدا شدن خاصیت اسیدی ، آهک باعث خاصیت قلیایی و وجود گچ نیز باعث جذب رطوبت می شود . سپس بر روی این بستر کک با دانه بندی خاص اضافه شده و آنرا به خوبی می کوبند تا هیچ حفره ای در آن باقی نماند.

کابل برق را به حالت حلقه در آورده و آندها را به طور یکی در میان به دو طرف حلقه متصل می کنند ، اتصال کابل آندها به کابل اصلی توسط سل پک (Cell Pack )انجام می شود . درون سل پک با یک ماده آلی پر شده تا هیچ گونه نشست جریان نداشته باشیم .( شکل 13 ) اگر جریان از اتصالات نشت پیدا کند باعث سولفاته شدن و بعد قطع جریان می شود .

شکل 13 - Cell Pack

آندها را به طور عمودی در حفره طوری قرار می دهند که فاصله بین هر دو آند برابر طول خود آند باشد . سپس روی آندها را دوباره کک ریخته و یک لوله با چند منفذ ورودی را روی آنها قرار داده تا گازهای تولیدی حفره به راحتی خارج شوند. سپس روی حفره را با خاک می پوشانند. لازم به ذکر است که در پالایشگاهها که یک مجموعه باید حفاظت شود و فضای لازم را نداریم از چاهک آندی استفاده می شود یعنی با شرایط گفته شده یک چاه احداث می شود و آندها به طور زنجیر وار و عمودی درون آن قرار می گیرند .

دیگر تجهیزات لازم برای یک ایستگاه حفاظت کاتدی عبارت از یک ترانسفورماتور Dc است. درحقیقت کابل خروجی از حفره به رکتیفایر متصل می شود .ولتاژ و جریان مورد نیاز بستر توسط رکتیفایر تنظیم می شود.

شکل14 - نمایی شماتیک از یک سیستم حفاظت کاتدی

مطابق جدول2   از آندهای بسیاری می توان استفاده کرد ؛ در حفاظت کاتدی فاکتورهای عمر مفید و هزینه تعیین کننده است . در حفاظت خطوط لوله از آند های گرافیتی استفاده  می شود، اما در سال های اخیر نیز استفاده از آهن قراضه به عنوان آند متداول شده است.

جدول2- انواع آند با جریان خارجی برای حفاظت کاتدی

کاهش وزن lb/amp-yr	مواد
20 10-12 0.25-5 0.25-1	قراضه فولاد آلومینیم گرافیت چدن پرسیلیسیم

 نظارت بر سیستم حفاظت کاتدی:

برخلاف دیگر روش های جلوگیری از خوردگی که نیاز به نظارت نداشتند و یک بار اعمال می شدند . حفاظت کاتدی نیاز به نظارت دائمی دارد که این نظارت در دو حوزه اساسی دنبال می شود . حوزه اول شامل بررسی و چک کردن و مراقبت از سخت افزار سیستم است و حوزه دوم عبارت است از اندازه گیری و بررسی پتانسیل خط لوله نسبت به زمین

طبق دیاگرام ایوانز خطوط لوله که در تماس با خاک قرار دارند چنانچه به پتانسیل 0.85- نسبت به الکترود مقایسه مس- سولفات مس پلاریزه گردند ، محافظت خواهند شد. برای اینکه بتوان در تمامی قسمت های خط لوله این پتانسیل را اندازه گرفت و از صحت آن مطلع شده بر روی خط لوله در هر km 2 یک تست پوینت قرار گرفته است. در حقیقت هر تست پوینت به منزله یک ترمینال برای اندازه گیری پتانسیل خط لوله نسبت به زمین است .  

در حقیقت یک سر کابل فولادی به لوله جوش داده شده و سر دیگر آن بر روی مارکر نصب می شود. به دلیل پدیده افت ولتاژ روی خطوط لوله معمولا ولتاژ اعمالی روی لوله در هر ایستگاه بیشتر از مقدار v 0.85-است . این ولتاژ باید طوری انتخاب شود تا دور ترین نقاط لوله نسبت به ایستگاه حفاظت کاتدی از ناحیه حفاظت خارج نشوند و ولتاژ آنها بالاتر از v 0.85-قرار گیرد.

 مقدار ولتاژ اعمالی در هر ایستگاه با توجه به شرایطی که در بخش گذشته ذکر شد متغیر است . ولی معمولا سعی بر این است که ولتاژ اعمالی  v2/1 باشد . تا با توجه به پدیده افت ولتاژ دورترین نقاط  دارای پتانسیل بالاتر از v 0.85-    باشند. درصورتی که ولتاژ اعمالی به خط لوله بالاتر از v 8/1 شود . پدیده حفاظت پیش از حد ( Over Protection) اتفاق خواهد افتاد.

محافظت بیش از حد باعث:

1-مصرف بیش از حد آندها

2- متصاعد شدن هیدروژن از خط لوله که باعث تاول زدن و تورم وجدایش پوشش های آلی و شکنندگی فولاد می شود.

3- کاهش قابلیت انعطاف پذیری

4- ترک خوردن هیدروژنی

ایستگاه های حفاظت کاتدی در سال 2تا 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 هرگونه اخلال ، عملیات عیب یابی و تعمیر صورت می پذیرد. ( شکل 16 )

مقدار پتانسیل خط لوله نسبت به زمین هم به طور ماهانه اندازه گیری می شود . سپس نمودارپتانسیل نسبت به فاصله از بستر آندی رسم خواهد شد. این نمودار به صورت لگاریتمی  بوده و هر چه شیب آن کمتر باشد نمایانگر محافظت بهتر خواهد بود. بدیهی است که فاصله نقاط اندازه گیری شده km 2 است . نمودار رسم شده با نمودار های قبلی مقایسه شده و هر گونه تغییر بیانگر اخلال در سیستم حفاظت کاتدی است . هر گونه افت در پتانسیل بدین معنی است که پوشش از بین رفته و باید اقدامات لازم صورت پذیرد . به همین منظور جداولی طراحی شده که با توجه به شواهد و داده ها می توان نوع عیب در سیستم حفاظت کاتدی را تعیین و رفع نمود.

درهنگام بازرسی ایستگاه ها در مناطقی که خاک مقاومت بسیار بالایی دارد و امکان حفاظت به طور کامل وجود ندارد در فصول خشک سال معمولا بر روی حفره آندی آب اضافه می کنند تا مقاومت خاک کاهش یافته و انتقال جریان صورت پذیرد.

آندهای فدا شونده :

در بخش هایی که امکان ایجاد ایستگاه حفاظت کاتدی وجود ندارد از این روش برای حفاظت استفاده می شود . به طور مثال در بخش هایی که شبکه برق وجود ندارد و یا مسیر های کوتاه و یا تجهیزات موقت . در این روش به شیوه یک پیل گالوانیک و با استفاده از جدول استاندارد الکترو شیمیایی (e.m.f ) و با اتصال فلزات منفی تر در جدول باعث تبدیل شدن خط لوله به قطب کاتد و فلز متصل شده به عنوان قطب آند ، فلز منفی تر خود را فدای قطعه مهندسی می نماید در واقعی پیل گالوانیک ایجاد شده است .

مقدار مورد نیاز آند فدا شونده و سطح مقطع آند به طول مدت زمان حفاظت و جریان لازم طبق قانون V=IR دارد. فولاد گالوانیزه که روکشی ازروی را برخوردار دارد یک مدار آند فدا شونده است .

در جدول (3) چند نوع آند قربانی شونده به  همراه مشخصات آنها وجود دارد.

جدول 3- مقایسه انواع آندهای فدا شونده

آلومینیم و قلع	روی	منیزیم
6.5 16-20 -1.3	23 25 -1.15	9 18 -1.7	مصرف تئوریک lb/amp-yr مصرف واقعی lb/amp-yr پتانسیل نسبت به Cu / CuSO4

بین آندهای قربانی شونده ، منیزیم متداول ترین است . اگر چه راندامان آن پایین است ( حدود 50 درصد) لیکن این کمبود با پتانسیل بسیار منفی آن جبران شده و در نتیجه جریان بالایی بدست میدهد.

طریقه ایجاد حفره برای قرار دادن آند فدا شونده همانند حفره برای ایستگاه های اعمال جریان خارجی است. با این تفاوت که مواد پشت بند برای این نوع حفره کاملا مخصوص بوده و با فرمول تجاری تولید می شود. همچنین کابل خروجی از آندهای فدا شونده باید به طور مستقیم به سازه فلزی متصل گردد.