حفاظت کاتدی چیست ؟

برای اینکه بهتر متوجه شویم حفاظت کاتدی چیست ؛ باید بدانیم که این روش از موثرترین روش­‌های کنترل خوردگی است. با این طریق از سازه­‌های صنعتی، لوله‌­ و تجهیزات نصب شده در زیر زمین یا زیرآب محافظت می‌شود.

تنها حملات خوردگی که همراه با واکنش الکتروشیمیایی و تغییر والانس ماده باشند، قابل کنترل با روش حفاظت کاتدی هستند.

در این بخش به این می پردازیم که  نقش آند فدا شونده در حفاظت کاتدی چیست ؟

سیستم­‌های آند فداشونده براساس اختلاف پتانسیلی که در پی خوردگی فلزات یا آلیاژها بوجود می آید عمل می­‌کنند.

در این روش از یک فلز فعال‌تر مثل روی، منیزیم یا آلومینیوم برای حفاظت آهن یا سازه فولادی استفاده می­‌شود. این فلز در سری  EMF  پایین‌تر از آهن قرار دارد.

به عنوان مثال پتانسیل خوردگی طبیعی آهن نسبت به رفرنس الکترود مس/سولفات مس بین 0.4- تا 0.6- ولت است.  درحالی که پتانسیل خوردگی روی نسبت به رفرنس الکترود مس/سولفات مس 1.1- ولت است.

بنابراین اگر این دو فلز به صورت الکتریکی متصل شوند، اختلاف پتانسیل بین آهن و روی تقریبی بین 0.5 تا 0.7 ولت خواهد بود. همچنین خوردگی روی (Zn) رخ داده و از خوردگی آهن ممانعت خواهد شد.

ذکر این نکته ضروری است که حفاظت کاتدی به شرطی انجام می­‌شود که هر دو فلز در یک الکترولیت قرار داشته باشند. و همچنین هدایت الکتریکی و یونی بین آند و کاتد برقرار باشد. فلزی که خورده می­‌شود آند است و فلزی که حفاظت می­‌شود کاتد است.

هرآنچه که در خوردگی گالوانیک گفته شد برای حفاظت به روش آند فدا شونده نیز صادق است.

در این روش آند فداشونده در نزدیکی سازه و درخاک کارگذاشته می­‌شود و اتصال الکتریکی توسط کابل‌­های فلزی برقرار می­‌گردد. به علت اختلاف پتانسیل بین آند (فلز فعال­تر) و سازه، جریان روی سطح سازه برقرار شده و شدت جریان خوردگی آن کمتر می­‌شود.

باید توجه داشت که مسیر هدایت یونی و الکتریکی باید حتما برقرار باشد در غیر این صورت جریان برقرار نخواهد شد. همچنین فلز فعال­‌تر و نجیب‌تر هر دو خورده خواهند شد.

در این بخش از مطلب ” حفاظت کاتدی چیست “، سوالی که وجود دارد این است: فلز فعال تر چه زمانی بیشتر خورده خواهد شد؟

توسط تئوری واگنر () و پتانسیل مختط می­‌توان ثابت کرد که فلز فعال‌­تر (روی یا منیزیم) نسبت به زمانی که تنها در خاک قرار می­‌گیرد بیشتر خورده خواهد شد. همچنین فلز نجیب­‌تر (Fe) کمتر خورده خواهد شد و به اصطلاح حفاظت می­شود.

شکل زیر نشان می­‌دهد که در صورت حضور Zn، شدت دانسیته جریان خوردگی آهن (i’_{corr, Fe}) نسبت به زمانی که آهن به تنهایی در محلول خورنده هست (i_{corr, Fe}) کمتر خواهد بود و بالعکس دانسیته شدت جریان خوردگی روی (i’_{corr, Zn}) نسبت به زمانی که به تنهایی در محلول خورنده هست (i_{corr, Zn}) بیشتر خواهد شد.

براساس اکتیویته گالوانیک، دیگر ویژگی‌ها و قیمت، آند مناسب تعیین می‌شود. فلزات اکتیو مثل روی، منیزیم و آلومینیوم به عنوان آندهای فدا شونده استفاده می­‌شوند. این فلزات زمانی که با آهن متصل می شوند، جریان مورد نیاز برای حفاظت را مهیا می‌کنند.

سه آند پرکاربرد در حفاظت کاتدی چیست ؟

جدول زیر ویژگی­‌های سه آند پرکاربرد در حفاظت کاتدی مانند دانسیته، پتانسیل نسبت به الکترود مرجع مس/سولفات مس را مقایسه می­‌کند.

مشاهده می‌شود آلومینیوم و روی پتانسیل نزدیک به یکدیگر دارند و منیزیم منفی‌ترین پتانسیل را دارد.

توان آند که با آمپر-ساعت نشان داده می­‌شود عامل مهم دیگری است که باید در طراحی مدنظر قرار گیرد. هرچند آند منیزیم منفی‌­ترین پتانسیل را دارد ولی توان کمتری نسبت به دیگر آندها دارد و باید وزن بیشتری از آن برای رسیدن به یک جریان مشخص مورد استفاده قرار گیرد.

در این بخش از مقاله ” حفاظت کاتدی چیست ” قصد داریم آند روی را معرفی کرده و به ویژگی های آن بپردازیم. با ما همراه باشید.

دانسیته آند روی4 برابر منیزیم و یک آند سنگین هست و نسبت به منیزیم و آلومینیوم جریان کم‌تری فراهم می­‌کند. آند­های روی در جاهایی که مقاومت کمتر است بازدهی بیشتری دارند. این آند­ها درخاک با مقاومت کمتر از 1000ohm.cm، آب دریا، آب مخلوط دریا و شیرین کارایی خوبی دارند.

آند روی که برای خاک استفاده می­‌شود باید خلوص بالایی داشته باشد گاهی از روی ریخته­‌گری ساخته می‌­شوند. آن ها گاهی با آلومینیوم و کادمیوم ترکیب می­‌شوند. آندهای روی تا 90 درصد می­‌توانند به جریان تبدیل شوند. 10 درصد ما­بقی افت آند هست به علت محصولاتی که روی آن­ها تشکیل می­‌شود.

حضور مقادیر کمی از آهن در آند روی باعث می­‌شود یک پوشش چگال بوجود آید و از برقراری جریان جلوگیری شود. حضور آهن حتی در مقادیر کم مضر هست و افزودن آلومینیوم و کادمیوم این عیب را برطرف می­‌کند.

روی استفاده شده برای آندهای خاک باید 99.99% خلوص داشته باشد. روی زمانی که در پشت بند مناسب قرار داشته باشد دچار پلاریزاسون شدید نمی­‌شود.

بازدهی جریان آندهای روی تقریبا ثابت است و بسته به ترکیب شیمیایی آندهای روی جریان می­‌تواند از کم تا زیاد تغییر کند.

پتانسیل مدارباز روی نسبت به الکترود مرجع مس/سولفات مس 1.1- ولت است. اگر سازه فولادی باید در پتانسیل -0.85- ولت حفاظت شود، اختلاف پتانسیل 0.25- ولت خواهد بود. در صورت افت پتانسیل زیاد این اختلاف پتانسیل از بین خواهد رفت و محافظت ناکافی خواهد بود.

آندهای روی در وزن های متفاوت از 5 (2.3کیلوگرم) تا 250 (113.4کیلوگرم) پوند در دسترس هستند. همچنین  اشکال متفاوتی نیز دارند، مانند: صفحه، میله و نوار.

گاهی از پشت بندهای آماده نیز برای روی استفاده می‌شود:

مثل Gypsum (ترکیبی از سولفات کلسیم) و Bentonite (آلومینیوم پلی سیلیکات). این پشت­بندهای هادی مناسب برای یون­‌های روی هستند.

روی درpH های بالای 8 یا دمای بالای 50 درجه سانتیگراد برای حفاظت مناسب نمی‌­باشند. زیرا در هر دو حالت سطح پاسیو شده و نسبت به سازه در یک موقعیت کاتدی قرار می­‌گیرد و حفاظت انجام نمی­‌شود.

حفاظت کاتدی چیست ؛ در این بخش با آند منیزیم و ویژگی‌های آن آشنا می‌شوید.

منیزیم به سبب قیمت و کارایی مناسب پرکاربردترین آند فداشونده است. در خاک­‌های با مقاومت بالا و  آب دریا و مخلوط آب دریا و آب شیرین بهترین گزینه است.

آندهای منیزیم در وزن­های متفاوت از 1 (0.45کیلوگرم) تا 200 (90.7کیلوگرم) پوند در دسترس هستند. همچنین اشکال متفاوتی نیز دارند، مانند: صفحه، میله و نوار.

آند منیزیم گاهی با آلومینیوم (%6wt) و روی (%3wt) آلیاژ می‌شود، تا توزیع جریان یکنواخت شود. منیزیم از روی فعا‌ل‌­تر است و اختلاف پتانسیل بیشتری ایجاد می­‌کند. بنابراین انتظار می‌­رود که تا 4 برابر نسبت به روی بیشتر دچار خوردگی موضعی شود.

منیزیم قادر است پتانسیل سازه فلزی را تا 0.9- ولت منفی کند. حال فکر می‌کنید موارد استفاده در حفاظت کاتدی چیست ؟ برای حفاظت کاتدی مخازن آب، مبدل­‌های حرارتی و کندانسورها از آندهای منیزیم استفاده می­‌شود.

عمر آندهای منیزیم تحت تاثیر مقاومت محیط و پشت بند است. آندهای منیزیم برای خاک با مقاومت بالا کارایی بهتری دارند. علت را می‌توان در پتانسیل منفی تر نسبت به روی جستجو کرد.

هرچقدر مقاومت خاک زیاد باشد به علت اختلاف پتانسیل بالا، افت پتانسیل جبران خواهد شد و سازه در پتانسیل مورد نظر حفاظت می‌­شود.

حفاظت کاتدی چیست ؛ در این بخش با آند آلومینیوم و ویژگی‌های آن آشنا خواهید شد.

ویژگی شاخص آلومینیوم دانسیته جریان بالایی است که روی سطح ایجاد می‌­کند ولی چون پتانسیل کمی دارد برای خاک­‌های با مقاومت بالا مناسب نیست. هرچند برای استفاده در آب دریا می­‌تواند گزینه مناسبی باشد.

مشکل اصلی آلومینیوم ایجاد لایه محافظ  Al₂O₃ است که برای حل این مشکل از جیوه یا ایریدیوم استفاده می‌شود. هرچند جیوه به علت مسایل زیست محیطی استفاده نمی‌شود.

آلومینیوم معمولا با روی آلیاژ سازی می‌شود تا بازدهی جریان افزایش یابد.

تقریبا همیشه آندهای فداشونده در بستری که پشت بند خوانده می­‌شود قرار می­‌گیرند تا مقاومت خاک کاهش یابد. در اثر این اقدام بازده آند بیشتر شده و جریان بیشتری از آن گرفته خواهد شد. پشت بند عمر آند را افزایش می­‌دهد و باعث می‌­شود جریان به صورت یکنواخت توزیع بشود. ضمن آن که از تجمع گاز جلوگیری می­‌کند.

از مواد پایه کک می­‌توان برای پشت بند آند استفاده کرد. تجمع محصولات خوردگی و گاز باعث تخریب آند می‌شود. نهایتا پشت بند می­‌تواند افت پتانسیل را کاهش دهد.

کابل اتصال در حفاظت کاتدی چیست ؟

کابل اتصال برقراری قوی بین آند و کاتد را به وجود می‌آورد. برقراری اتصال قوی بین آند و کاتد از ملزومات حفاظت کاتدی است.

آندهای فداشونده یا به سازه پیچ می‌­شوند یا جوشکاری می­‌شوند. روش دیگر اتصال با کابل عایق lead wire هست که یا به سازه جوش داده می­‌شود یا با روش­‌های مکانیکی اتصال می­‌یابد.

یکی دیگر از روش‌­های آند به سازه اتصال جوشکاری ترمیت هست. این جوشکاری حالت انفجاری یا گرما زا دارد.

Test station مکانی است که برای اندازه‌­گیری پتانسیل لوله یا سازه نسبت به خاک، جریان، خروجی یا بازدهی آند و… تعبیه شده است. Test station همچنین این امکان را می­‌دهد که سیستم حفاظت کاتدی را پایش کنیم و اقدامات لازم برای حفاظت صحیح را انجام بدهیم.

معروف ترین رفرنس الکترود مس/ سولفات مس است و بیشترین کاربرد در صنعت را دارد. اگرچه نقره/کلرید نقره دقیق‌­تر است. خواندن پتانسیل حفاظت سازه مهم‌ترین کاربرد رفرنس الکترود است. طبق آنچه که در استاندارد Nace آمده است، پتانسیل سازه باید نسبت به رفرنس الکترود مس/سولفات مس 0.85- ولت باشد.

• میزان حفاظت از لحاظ ولتاژی  به اختلاف پتانسیل روی و آهن بستگی دارد.  چون اختلاف ولتاژ محدود است، آند فداشونده باید در نزدیکی سازه ای که قرار است حفاظت شود قرار بگیرد.
• افت­‌پتانسیل (IR drop) همیشه در مسیر حفاظت کاتدی وجود دارد. که در محاسبات و انتخاب نوع آند فداشونده باید در نظر گرفته شود و نهایت اختلاف پتانسیل قابل اعمال 1 ولت هست. مثلا اگر در مسیر سنگ و دیگر اجزای با مقاومت بالا وجود داشته باشند باید از فلز فعال­‌تر از روی مثل منیزیم استفاده کرد.
• به علت محدودیت در میزان اختلاف پتانسیل (کمتر از 1ولت)، در صورت افت پتانسیل و مقاومت بالا بازدهی کم خواهد بود دارد.
• سیستم های گالوانیک در سازه های کوچک یا پوشش داده شده بازدهی بالاتری دارند.
• دانسیته جریان اعمالی روی سازه­های بزرگ با سطوح بالا ناچیز خواهد بود.
• اگر الکترولیت آب باشد، مقاومت آن نباید بیش تر از 200ohm.cm باشد. مقاومت بیشتر باعث کاهش توزیع جریان خواهد شد. در صورت مقاومت بیشتر باید تعداد آندهای بیشتری استفاده شود.
• محدودیت دیگر pH است که باید بین 5.5 تا 11 باشد و دما که نباید از 60 درجه سانتیگراد تجاوز کند.

انواع آند های فدا شونده در حفاظت کاتدی چیست ؟

معمولا از سه فلز روی، منیزیم، آلومینیوم و آلیاژهایشان برای ساخت آندهای فداشونده استفاده می‌­شود که به شکل­‌های بلوک، میله، ذوزنقه، صفحه، دیسک یا نوار ساخته می­‌شوند.

در سیستم حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان، توسط یک منبع جریان الکتریکی (Power supply) DC یا رکتیفایر اختلاف پتانسیل بین آند (+) و کاتد (-) تامین می­‌شود تا الکترون به سطح کاتد تزریق شود. سطح آند و کاتد باید با یک سیم بهم وصل باشند.

سیستم آند فداشونده قابلیت تامین اختلاف پتانسیل­‌های محدود را دارد. برخلاف سیستم آند فداشونده، سیستم اعمال جریان قادر است تا 100 ولت یا بیشتر اختلاف پتانسیل را تامین کند. لذا برای سازه‌های بزرگ ترجیح بر استفاده از روش اعمال جریان است.

منبع جریان می‌­تواند یک سل خورشیدی، یک باتری یا یک رکتیفایر باشد. قطب منفی مولد جریان به کاتد و قطب مثبت به آند متصل می­گردد.

پتانسیل قابل اعمال برای حفاظت کاتدی چیست ؟ جدول زیر نشان می‌­دهد که چه پتانسیلی برای حفاظت کاتدی سازه­‌ها با متریال متفاوت لازم است.

این جدول نشان می­‌دهد که در حضور باکتری‌های احیا کننده سولفات (SRB) باید به میزان کافی الکترون روی سطح سازه فولادی اعمال کنیم. در حدی که به پتانسیل 0.95- ولت بر اساس الکترود مس/سولفات مس برسیم.

برای حفاظت کاتدی آلومینیوم نیاز به اعمال پتانسیل‌های بیشتری داریم.

آندهای سیستم اعمال جریان حالت خنثی دارند و پتانسیل لازم روی سطح آن‌ها ایجاد می­‌شود. آندهای مذکور معمولا از جنس گرافیت، چدن پر سیلیسیم، پلاتین یا Mixed Metal Oxide (MMO) هستند.

این مواد بدین دلیل استفاده می­‌شوند که کاهش وزن کمی در قبال ایجاد جریان بالا دارند و برای  اختلاف پتانسیل 100 ولت و دانسیته جریان‌های زیاد مناسب هستند.

نهایتا سطح وسیعی از سازه قابل حفاظت شدن با این یک آند است و آند می­‌تواند در فاصله زیادی از سازه قرار بگیرد. بسته به نوع آند استفاده شده در سمت آند واکنش تجزیه آب یا خوردگی آهن می‌تواند رخ دهد. لذا بهتر از متریالی که هادی جریان است و دچار خوردگی نمی­شود استفاده کنیم مانند گرافیت.

طراحی سیستم‌ها در حفاظت کاتدی چیست ؟

برای طراحی سیستم‌­های حفاظت کاتدی استانداردهای متفاوتی مطرح می‌­شود:

• NACE Standards
• DNV Standards
• British Standards (BS)

از میان استانداردهای مذکور، استانداردهای طراحی شده توسط NACE مهم­‌ترین هستند.

اولین قدم در طراحی یک سیسیتم حفاظت کاتدی برای یک مخزن، لوله و یک سازه فلزی، تصمیم‌گیری در مورد نوع سیستم حفاظت است. نوع سیستم حفاظت می­‌تواند آند فدا شونده، تزریق جریان، یا ترکیبی از هر دو باشد.

از سیستم تزریق جریان چه زمانی استفاده می‌­شود؟

• زمانی که سازه بزرگ است.
• زمانی که آندهای فداشونده توانایی تامین جریان مورد نیاز را نخواهند داشت.

فاکتورهای اقتصادی نیز می­‌توانند نقش بسیار موثری داشته باشند.

به منظور واضح شدن بیشتر معیارها، مزایا و معایب هر دو سیستم باید مورد بررسی قرار گیرد.

مزایای سیستم آند فداشونده در حفاظت کاتدی چیست ؟

• آسان بودن نصب
• مستقل بودن از سیستم های تامین جریان
• مناسب بودن برای حفاظت از یک منطقه خاص
• تداخل کمتر با سازه­های مجاور
• احتمال کم بوجود آمدن مسئله Over-protection
• یکنواخت بودن پتانسیل در نقاط مختلف سازه

• محدود بودن اختلاف پتانسیل و جریان قابل تزریق
• پیچیده شدن نصب تعداد زیادی آند و حضور اتصالات الکتریکی

• اعمال اختلاف پتانسیل بالاتر که امکان محافظت از یک سازه بزرگ و بدون پوشش را در محیط با مقاومت بالا می‌دهد.
• در مقایسه با سیستم آند فداشونده به تعداد کمتری آند نیاز هست.
• ولتاژ می­‌تواند بسته به تغییرات محیط و پوشش متفاوت باشد.

• در صورت عدم کنترل کافی، این سیستم می­‌تواند سازه را دچار پدیده over-protection نماید­.
• تغییرات چشم­گیر پتانسیل روی سازه می‌­تواند غیرقابل اجتناب باشد.

می‌­توان نتیجه گرفت که سیستم آندفداشونده مناسب سازه­‌های کوچک و تزریق جریان برای سیستم­‌های بزرگ پیچیده که  پوشش مناسبی ندارند یا بدون پوشش هستند. همچنین زمانی که خاک مقاومت بالاتری دارد استفاده شود.

به عنوان مثال در نواحی قطب جنوب استفاده از سیستم آندهای فداشونده برای سکوهای بدون پوشش جایی که هزینه پوشش دهی بسیار بالا هست کاملا مقرون به صرفه می­‌باشد. عامل موثر دیگر بی نیازی آندهای فداشونده به منبع تامین جریان الکتریکی است.

اصول سیستم حفاظت کاتدی چیست ؟

کل سیستم حفاظت کاتدی معادل یک مدار درنظر گرفته می‌­شود. فارغ از نوع سیستمی که باید اعمل شود، سه معیار مجزا باید محاسبه شود:

اولین پارامتری که باید در طراحی سیستم حفاظت کاتدی درنظر گرفت جریان است. کل سازه به عنوات یک مدار درنظر گرفته می‌شود. این جریان می‌­تواند از طریق ضرب کردن دانسیته جریان مورد نیاز در سطح سازه یا تعیین جریان واقعی محاسبه شود.

     I = i.A_s

جریان مورد نیاز برای بعضی آلیاژها مانند فولاد در منابع ذکر شده است.

قدم بعدی در طراحی سیستم حفاظت کاتدی تعیین مقاومت است. این مقاومت به فاکتورهای بسیاری بستگی دارد. در بسیاری از سیستم‌ها مقاومت بسترهای آندی یک عامل کنترل کننده است. این مقاومت نیز تابعی از مقاومت خاک است.

معمولا مجموعه‌ای از مقاومت­‌ها در نظر گرفته می­‌شود. مانند موارد زیر:

• مقاومت آند نسبت به الکترولیت (R_a/e)
• سازه نسبت به الکترولیت (R_s/e)
• مقاومت کابل

نکته : معادلات زیادی وجود دارد برای بدست آوردن مقاومت آند نسبت به الکترولیت.

R_total = R_soil + R_anodicbed + R_cable

پس از محاسبه جریان و مقاومت نهایی می­‌توان سایز رکتیفایر را تعیین کرد.

V = Rt_otal.I_total

در عمل ولتاژ و جریان مورد نیاز ممکن است بزرگ تر از آن چیزی که محاسبه می‌­شود باشد. ممکن است سازه در ابتدا پوشش داشته باشد و پس از مدتی از بین برود، یا بین کابل­‌ها فاصله بیفتد. به عنوان مثال می­‌توان ولتاژ را تا 1.5 برابر بیشتر در نظر گرفت.

حفاظت کاتدی چیست؛ نکات دیگری که در طراحی یک سیستم حفاظت کاتدی باید به آن ها اشاره کرد شامل موارد زیر است.

اگر سیستم آند فداشونده باشد و آند به صورت مستقیم مصرف شود، وزن آند مورد نیاز از نرخ خوردگی آند در جریان تعیین شده برای آن بدست می­‌آید.

• وزن آند مصرفی می‌­تواند در چند آند تقسیم شود. همچنین هرچقدر توزیع آندها یکنواخت‌­تر باشد، توزیع جریان حفاظت کاتدی بهتر خواهد بود.
• هرچقدر آندها نزدیک تر به سازه باشند، بازدهی بیشتر خواهد بود.
• سطح آند نیز پس از مدتی اکسید شده و دچار محصولات خوردگی می­‌شود. بنابراین بازده اولیه را نخواهد داشت، لذا افت جریان باید مورد توجه قرار گیرد.

شکل زیر نشان می‌­دهد که هرچقدر آند نزدیک‌تر باشد ولتاژ منفی­‌تر و جریان بیشتر است.

از تعداد و توزیع آندها، مقاومت آندها توسط فرمول‌های تجربی بدست می­‌آید، در این فرمول‌ها مقاومت بر حسب موقعیت و شکل آندها تعیین شده است.

امروزه از شبیه سازی‌­های نرم افزاری هم استفاده می‌شود. و این به دلیل هزینه‌بر بودن حفاری و دیگر عوامل سیستم­‌های حفاظت کاتدی است.

در مقاله ” حفاظت کاتدی چیست ” سعی کردیم محتوایی بروز را در اختیار شما قرار دهیم، تا اطلاعات کاملی در ارتباط با این موضوع به دست آورید.

موفق و پیروز باشید.

 M. G. Fontana, Corrosion engineering, Third edition, McGrow-hill book company, 1910.

D. A. Jones, Principle and prevention of corrosion, Prentice Hall, 1996.

https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-24847-9_7.

Types of Cathodic Protection for Pipeline Protection