حفاظت کاتدی یک تکنیک صنعتی برای کنترل خوردگی فلزی است. سیستم های حفاظت کاتدیک معمولا در سازه های فلزی مدفون و غوطه ور مانند خطوط لوله، مخازن ذخیره سازی زیرزمینی، قفل ها، تجهیزات زیر دریا، شناورهای دریایی، بنادر و بدنه کشتی ها استفاده می شوند.
خوردگی یک فرایند الکتروشیمیایی است که به عنوان یک مدار الکتریکی عمل می کند. خوردگی در آند در اثر اکسیداسیون رخ می دهد و فلز از بین می رود. در حالی که در کاتد، حفاظت با واکنش کاهش رخ می دهد. در تکنیک حفاظت کاتدی، فلز مربوطه به کاتد سلول خوردگی الکتروشیمیایی برای کاهش خوردگی تبدیل می‌شود. در این مقاله، به هر آنچه در زمینه حفاظت کاتدیک باید بدانید، می پردازیم.
فناوری حفاظت کاتدی مبتنی بر تبدیل نواحی فعال روی سطح فلز به غیرفعال است، به عبارت دیگر، آن را به کاتد سلول الکتروشیمیایی تبدیل می کند. با تامین جریان، پتانسیل فلز کاهش می یابد، حمله خوردگی متوقف می شود و حفاظت کاتدی حاصل می گردد.
1.1. مبانی الکتروشیمی
یکی از اصول عملکرد در سیستم های حفاظت کاتدی الکتروشیمی است. الکتروشیمی به رابطه بین اختلاف پتانسیل الکتریکی، به عنوان یک پدیده قابل اندازه گیری و کمی و تغییرات شیمیایی قابل شناسایی، با اختلاف پتانسیل به عنوان نتیجه یک تغییر شیمیایی خاص، یا برعکس، مربوط می شود. این واکنش‌ها شامل حرکت الکترون‌ها از طریق یک فاز رسانای الکترونیکی بین الکترودهایی است که توسط یک الکترولیت یونی رسانا و عایق الکتریکی (یا گونه‌های یونی در یک محلول ) از هم جدا شده‌اند.
1.2. حفاظت الکتروشیمیایی
اصل دیگر این فناوری حفاظت الکتروشیمیایی است. برخلاف سایر واکنش‌های شیمیایی، در واکنش‌های الکتروشیمیایی، الکترون‌ها مستقیما بین اتم‌ها، یون‌ها یا مولکول‌ها منتقل نمی‌شوند، بلکه از طریق مدار رسانای الکترونیکی فوق الذکر منتقل می‌شوند. این پدیده چیزی است که یک واکنش الکتروشیمیایی را از یک واکنش شیمیایی معمولی متمایز می کند.
سیستم های حفاظت کاتدی از طیف گسترده ای از سازه های فلزی در محیط های مختلف محافظت می کنند. کاربردهای رایج عبارتند از:
· لوله های فولادی برای آب یا سوخت
· مخازن ذخیره سازی فولادی مانند آبگرمکن خانگی
· اسکله فولادی
· بدنه کشتی ها و قایق ها
· سکوهای نفتی فراساحلی و پوشش چاه های نفت خشکی
· پایه های مزرعه بادی دریایی و میله های تقویت کننده فلزی در ساختمان ها و سازه های بتنی
· یکی دیگر از کاربردهای رایج در فولاد گالوانیزه است؛ جایی که روی قربانی روی قطعات فولادی پوشش داده می شود و آن ها را از زنگ زدگی محافظت می کند.
اکسیژن و سایر اکسیدان ها به دلیل کاهش شیب پلاریزاسیون کاتد، جریان مورد نیاز را افزایش می دهند. به طور مشابه، سازه‌ها در خاک‌های با هوادهی خوب مانند ماسه نسبت به سازه‌هایی که توسط خاک‌های نسبتا هوادهی شده مانند رس احاطه شده‌اند، در معرض جریان حفاظت کاتدی بیشتری هستند. حلالیت اکسیژن در آب سرد بیشتر از آب گرم است. بنابراین، محیط های آب سرد در تماس با هوا نیاز به جریان بیشتری نسبت به آب گرم دارند.
حفاظت کاتدی با تشکیل عمدی یک سلول گالوانیکی با فلز قربانی دیگر عمل می کند. این را می توان با استفاده از دو نوع متمایز حفاظت کاتدی به دست آورد: سیستم های حفاظت کاتدی غیرفعال و حفاظت کاتدی جریان تحت تاثیر.
1.1. حفاظت کاتدی به روش آندهای فدا شونده
مواد آند آلیاژی از روی، آلومینیوم یا منیزیم هستند که همه فلزات فعال‌تر از فولاد کربنی هستند. این فلزات فعال تر زمانی که به طور فلزی به فولاد در یک الکترولیت متصل می شوند ترجیحا به فولاد خورده می شوند.
جریان خوردگی مواد آند جریان حفاظتی کاتدی فولاد است. جریان از طریق الکترولیت به فولاد می گذرد و خوردگی آن را کنترل می کند. جریان در مدار فلزی به آند باز می گردد.
اگرچه این اصطلاح آندهای فداشونده، مواد آند و نحوه عملکرد آنها را توصیف می کند؛ اما در دهه 1980 نام آن در اروپا به آندهای گالوانیکی تغییر یافت. ممکن است حفاظت کاتدی آند گالوانیکی را ببینید که با نام اختصاری SACP یا GACP مشخص شده است.
در فراساحل، آندها معمولا روی هسته‌های لوله‌ای ساختاری ریخته می‌شوند که در طول ساخت و ساز در خشکی به سازه دریایی جوش داده می‌شوند.
خطوط لوله نفت و گاز فراساحلی با آلیاژ آلومینیوم یا آند دستبند روی محافظت می شود که روی پوشش محافظ بسته شده و توسط کابل های کوتاه یا اتصالات جوشی به خط لوله متصل می شود.
خطوط لوله کوتاه در خشکی اغلب با استفاده از آند منیزیم محافظت می شوند. این ها روی هسته های فولادی ریخته می شوند و با کابل به خط لوله متصل می شوند. در خاک هایی با مقاومت الکتریکی پایین، از روبان روی اکسترود شده یا ریخته گری پیوسته و نورد گرم استفاده می شود. روبان روی به طور گسترده ای به عنوان یک الکترود زمین برای کاهش جریان متناوب القایی (AC) در خطوط لوله مدفون استفاده می شود.
1.2. حفاظت کاتدی به روش تزریق جریان
سیستم ها حفاظت کاتدیک جریان تحت تاثیر با اتصال یک منبع تغذیه DC بین فلز محافظت شده و آندهای حفاظت کاتدی ارائه می شود. برخلاف GACP، جریان حفاظتی کاتدی توسط منبع تغذیه DC تامین می شود و نه از خوردگی خود آند.
منابع تغذیه DC معمولا ترانسفورماتورهای یکسوساز هستند که برق اصلی را به ولتاژ پایین DC تبدیل می کنند. در مناطق دورافتاده، پنل‌های خورشیدی و باتری‌ها معمولا استفاده می‌شوند. ژنراتورهای DC ترمو الکتریک و ژنراتورهای محرک موتورهای دیزلی و گازی نیز استفاده شده است.
قطب منفی به فلز محافظت شده (نقطه تخلیه منفی) و قطب مثبت به آند متصل است. مانند GACP، جریان حفاظت کاتدی از آند، از طریق الکترولیت و روی فلز محافظت شده جریان می یابد.
آندها می توانند ضایعات فولادی، آهن با سیلیکون بالا یا اکسیدهای فلزی پیچیده باشند که روی تیتانیوم پوشانده شده اند. مواد دیگری از جمله گرافیت، مگنتیت، سرب، تیتانیوم با پوشش پلاتین و نیوبیوم نیز استفاده شده‌اند.
آندهای فراساحلی معمولا تیتانیوم با پوشش اکسید فلزی مخلوط (MMO/Ti) هستند. اینها را می توان هم در آب دریا و هم در گل شور استفاده کرد، اگرچه در دومی میزان مصرف آنها بیشتر است.
برای فولاد در بتن، اکثر سیستم های جریان تحت تاثیر از آندهای MMO/Ti به صورت مشبک، نواری یا لوله ای استفاده می کنند. یک آند لوله‌ای وجود دارد که به سرامیک رسانای MMO تبدیل شده است.
در کاربردهای خشکی، معمولا از گروه‌هایی از آندها در «تخت‌های زمینی» استفاده می‌شود که ممکن است به شکل یک ترانشه افقی طولانی باشد که در آن آندهای متعدد در یک پس‌پرده کربنی مدفون شده‌اند. این باعث افزایش سطح، کاهش مقاومت الکتریکی در برابر زمین و افزایش طول عمر آند می شود. به طور مشابه، آند و «کک» را می توان در گمانه های عمیق یا چندین گمانه کوتاه تر استفاده کرد. آندها معمولا چدن سیلیکونی بالا یا MMO/Ti هستند.
در روش حفاظت کاتدی، چهار اندازه گیری مختلف انجام می شود: سه اندازه گیری پتانسیل و یک اندازه گیری جریان:
در حین ساخت خطوط لوله فولادی مدفون به دلیل نیاز به عبور از مقاطع پیچیده مانند راه آهن و بزرگراه، امکان نصب به موقع خطوط لوله فولادی مدفون با وسایل سیستم های حفاظت کاتدی دائمی اجتناب ناپذیر است. به خصوص در ساخت خطوط لوله فولادی مدفون با مسافت طولانی مدت زمان ساخت طولانی است و عوامل تداخلی زیادی وجود دارد که باعث می شود خطوط لوله در حال ساخت ناپیوسته شده و به راحتی باعث خوردگی خطوط لوله فولادی مدفون شده شود، بنابراین باید اقدامات موثری انجام شود.
برای محدود کردن میزان خوردگی در طول ساخت خطوط لوله فولادی مدفون و اطمینان از کیفیت ساخت خطوط از سیستم حفاظت کاتدی موقت استفاده می شود.
در سیستم های حفاظت کاتدی موقت اغلب از حفاظت آند قربانی استفاده می شود. روش خاص آند قربانی به این صورت است: از فلزی با خاصیت اکسید کننده قوی به عنوان الکترود محافظ استفاده می شود که با فلز محافظت شده وصل می شود تا یک سلول گالوانیکی تشکیل شود. هنگامی که الکترود محافظ به خط لوله محافظت شده متصل می شود جدا می شود و در نتیجه از خوردگی خط لوله جلوگیری می کند.
در ادامه بیشتر در مورد مواد و تجهیزات سیستم حفاظت کاتدیک بدانید:
1.1. آندهای سیستم فداشونده (گالوانیک)
سیستم های حفاظت کاتدی گالوانیکی به یک آند قربانی نیاز دارد که از نظر الکتروشیمیایی واکنش پذیرتر از ماده ای است که باید محافظت شود. از آنجایی که آند قربانی از نظر الکتروشیمیایی واکنش پذیرتر است، تا زمانی که به صورت الکتریکی متصل باشند، قبل از مواد محافظت شده خورده می شود. آندهای قربانی در اشکال و اندازه های مختلف در دسترس هستند.
حفاظت کاتدی گالوانیکی به تفاوت پتانسیل بین آند قربانی و کاتد یا ماده ای که از خوردگی محافظت می شود متکی است. هر چه پتانسیل بیشتر باشد، محافظت بیشتری وجود خواهد داشت. حفاظت در برابر خوردگی گالوانیکی ساده است؛ زیرا به منابع الکتریکی خارجی متکی نیست.
1.2. ترانسفورمر رکتیفایر
یکسوساز های حفاظت کاتدی منبع تغذیه خارجی هستند که در سیستم های حفاظت کاتدی جریان تحت تاثیر (ICCP) برای تبدیل جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC) استفاده می شوند. در سیستم های ICCP جریان از آند خارج می شود و برای جلوگیری از خوردگی به سازه می رسد.
آندهای جریان تحت تاثیر به نوعی آند از سیستم های حفاظت کاتدی اشاره دارند. آندهای جریان تحت تاثیر آندهای بی اثری هستند که در حفاظت جریان تحت تاثیر در سیستم های حفاظت کاتدی استفاده می شوند. انتخاب مناسب آندهای جریان تحت تاثیر، شامل در نظر گرفتن محیط اطراف یک سازه مدفون یا غوطه ور برای کنترل خوردگی است.
1.4. انواع الکترودهای مرجع
الکترودهای مرجع برای اندازه گیری پتانسیل پلاریزاسیون سازه های حفاظت شده کاتدی استفاده می شود. آنها باید با همان الکترولیت (خاک یا آب) اطراف سازه ها در تماس باشند و ولتاژی که بین سازه و کابل سرب الکترود افزایش می یابد، با یک ولت متر با امپدانس بالا اندازه گیری می شود، نشان دهنده اثربخشی است.
1.5. انواع جعبه‌های اتصال
جعبه های اتصال سیستم های حفاظت کاتدی برای ارائه کابل های آند نقطه پایانی، کابل های کاتد (ساختار)، کابل حس سازه، کابل های الکترود مرجع قبل از مسیریابی به یکسوسازهای حفاظت کاتدی طراحی شده اند. این جعبه های اتصال معمولا از مواد فلزی یا غیر فلزی ساخته می شوند. بسیاری از موارد این جعبه ها با توجه به محل استفاده خود با پوشش پودری پوشانده می شوند.
1.6. سل پلاریزاسیونPolarization Cell
سل پلاریزاسیون یک دستگاه حالت جامد است که معمولا در ارتباط با ساختارهای حفاظت کاتدی استفاده می شود. PCR دارای جریان خطای متناوب AC و جریان موج صاعقه بسیار بالایی است. با ولتاژ مسدود کننده بالاتر از سل پلاریزاسیون ، PCR نیاز به قرار دادن دستگاه ها در سری را از بین می برد و آن را به ایده آل ترین محصول جداسازی و زمین برای سازه های حفاظت کاتدی تبدیل می کند. علاوه بر سلول‌های پلاریزاسیون با عملکرد بهتر، PCR از وریستورهای اکسید فلزی و برقگیرهای شکافی نیز پیشی گرفته و ولتاژهای اضافی ناشی از رعد و برق را به پایین‌ترین سطح ممکن می‌بندد.
استانداردهای ملی و بین المللی رایج برای حفاظت کاتدیک عبارتند از:
1.1. استانداردهای ملی
· 15589: محافظت در برابر خوردگی خطوط لوله نفت، گاز و محصولات پتروشیمی
· 1-12994: استاندارد سیستم حفاظت کاتدیک خطوط لوله انتقال خشكی
· 21224: استاندارد سیستم حفاظت کاتدیک سازه‌های شناور فراساحلی
· 21225: استاندارد سیستم حفاظت کاتدیک سازه‌های ثابت فراساحلی
· 21223: قراردادهای قابل کاربرد برای سنجش های الكتروشیمیایی در آزمون خوردگی
· NACE - RPO169-83 : استاندارد سیستم حفاظت کاتدیک سازه های غوطه ور یا مدفون
.1.2 استانداردهای بین‌المللی
· EN 12473:2000: اصول کلی سیستم ها حفاظت کاتدیک در آب دریا
· EN 12474:2001: حفاظت کاتدیک خطوط لوله زیردریایی
· EN 12495:2000: حفاظت کاتدیک سازه های فولادی ثابت دریایی
· EN 12499:2003: سیستم های حفاظت کاتدیک داخلی سازه های فلزی
· EN 12954:2001: استاندارد سازه های فلزی مدفون یا غوطه ور
· EN 13173:2001: استاندارد سازه های شناور فولادی فراساحل
