حفاظت کاتدی همواره یکی از مؤثرترین روش‌های کنترل خوردگی به شمار می‌آید، چرا که با اعمال آن میتوان طول عمر سازه‌ها و تجهیزات را به طور چشمگیری افزایش داد. از جمله تجهيزاتی که جهت کنترل خوردگی آنها می توان از حفاظت کاتدی استفاده کرد عبارتند از مخزن‌های زيرزمينی و روزمينی، مخزن‌های ذخيره آب هم سطح زمين و يا واقع در بلندی، شبکه‌های توزيع سوخت، توزيع آب آشاميدنی، توزيع گاز طبيعی و توزيع هوای فشرده، لوله‌هاي آب آتشنشاني، تجهیزات پمپ فاضلاب، شبکه‌های فولادی در سازه‌های بتنی، موج شکن‌های فولادی، پایه‌های نگهدارنده، محافظ اسکله و سایر سازه‌های فولادی مستغرق در آب.
به نوعی میتوان گفت که خوردگی فلزات موضوعی اجتناب ناپذیر است. این اتفاق به دلیل حل شدن یون‌های فلز و آزاد شدن الکترون‌های آن رخ می‌دهد. در واقع، زمانی که در یک مدار الکتروشیمیایی جهت جریان از سطح فلز به سمت الکترولیت برقرار شود، می‌توانیم بگوییم که فلز در معرض خورده شدن و تخریب قرار دارد.
اما اگر بتوانیم در این سیستم، جهت جریان را از الکترولیت به سمت فلز تغییر دهیم چه اتفاقی می‌افتد؟ درست حدس زدید! در این حالت از فلز در برابر خوردگی محافظت می‌شود. این مطلب، بیانی ساده از ساز و کار حفاظت کاتدی است.
حافظت کاتدیک دو نوع اساسی دارد که عبارتند از :
- حفاظت کاتدی با جریان اعمالی
- حفاظت کاتدی با استفاده از آند فدا شونده (حفاظت کاتدی گالوانيک)
برای مثال جهت حفاظت لوله‌های فولادی مدفون در خاک، این لوله‌ها را به یک دستگاه مولد جریان مستقیم وصل می‌کنیم و سپس جریان الکتریکی از طریق یک الکترود کمکی خنثی که در زیر خاک قرار دارد، به لوله انتقال می‌یابد. در این حالت کل لوله‌ی اصلی کاتد و الکترود کمکی، آند می‌شود.
به عبارت دیگر به تمام سطح لوله، الکترون‌های کافی برای احیای یون‌های Fe2+ رسانده می‌شود، در نتیجه هیچ ناحیه‌ی آندی روی لوله تشکیل نخواهد شد.
در سیستم‌های حفاظت کاتدی مورد اشاره، از موادی مانند، آهن قراضه، مگنتیت، گرانیت، آهن پرسلیس، آلیاژهای سرب و پلاتین به عنوان الکترود کمکی استفاده می‌شود.
از آندهای پرمصرف در روش جریان اعمالی میتوان به این موارد اشاره کرد :
آند DSA- آند چدن پر سیلیس (سیلیکون) - آند آلیاژ دوریکلر - آند چدن پر سیلیس کروم دار - آند پلاتینیوم - آند چدن پر سیلیس مولیبدن دار - آند گرافیتی - اکسیدهای تانتال
در روش حفاظت کاتدی فداشونده با اتصال یک فلز فعال‌تر به فلزی که قرار است حفاظت شود یک پیل گالوانیک بوجود می‌آورند. بطوریکه واکنش اکسیداسیون در آن متمرکز شده و از خوردگی کاتد جلوگیری می‌شود. در این نوع از حفاظت کاتدی با توجه به ترکیبات تشکیل دهنده آند، استفاده از آنها در محیط‌هایی با مقاومت ویژه بالا و جریان زیاد محدودیت‌هایی وجود دارد.
اجزاء اصلی تشکیل دهنده سیستم حفاظت کاتدی فداشونده به شرح زیر می‌باشد:
1- کاتد : فلز تحت حفاظت را کاتد می‌گویند.
2- آند : نوع و ترکیبات آندهای فداشونده در الکترولیت‌های مختلف بسته به مقاومت ویژه الکترولیت، مشخصات و ترکیبات شیمیایی آن انتخاب می‌گردد.
4- کابل : برقراری مدار الکتریکی در سیستم‌های فداشونده توسط کابل ها انجام میپذیرد.گردد، در برخی موارد ممکن است از جعبه تقسیم استفاده نشود.
4- کابل : برقراری مدار الکتریکی در سیستم‌های فداشونده توسط کابل ها انجام میپذیرد.
به طور معمول در تاسیسات دریایی (اسکله، بدنه کشتی‌ها و ...)، فلزات در مجاورت الکترولیت آب، مخازن نگهداری آب و ... از سیستم حفاظت کاتدی گالوانیک که یک سیستم حفاظت کاتدی موقت محسوب می‌گردد، استفاده می‌شود. از مزایای آندهای فداشونده میتوان به هزینه پایین (بواسطه مقدار کم تجهیزات جانبی مورد نیاز)، سهولت در بخش نصب، جریان سرگردان پایین‌تر نسبت به سیستم تزریق جریان و ... اشاره نمود. همچنین از معایب این نوع از آندها میتوان از محدودیت شیفت پتانسیل کاتدی، جریان‌دهی محدود، عدم امکان استفاده در الکترولیت‌ها با مقاومت ویژه بالا و ... نام برد. آندهای فداشونده با توجه به مفروضات طراحی شامل ترکیب آلیاژی، نوع، وزن و ابعاد آن در فاصله زمانی مشخصی (3 تا 5 سال بسته به شرایط سرویس‌کاری) تعویض می‌گردند. متداول‌ترین انواع آندهای فداشونده عبارتند از: آند آلومینیوم، منیزیم و روی.
دو معیار کلی بر اساس استانداردهای بین‌المللی برای این کار در نظر گرفته شده است. معیار اول این است که قطبیدگی برابر با ۱۰۰ میلی‌ولت باشد. این روش بسیار ساده است به گونه‌ای که پتانسیل سازه را بدون هیچ حفاظتی اندازه‌گیری می‌کنند و سپس مقدار پتانسیل را بعد از اعمال محافظت می‌سنجند. اگر اختلاف بیش از ۱۰۰ میلی‌ولت بود، محافظت مناسبی صورت گرفته است. در روش دوم، به طور کلی باید پتانسیل سازه، منفی‌تر از 850- میلی‌ولت باشد.
زمانی که جریان حفاظت کاتدی از آند به سمت سازه مورد نظر شارش می‌کند، پتانسیل سازه به طرف مقدار منفی‌تر جابجا می‌شود که به طور معمول با میلی‌ولت اندازه‌گیری می‌شود. به این جابجایی در پتانسیل، پولاریزاسیون یا قطبیدگی می‌گویند. مقدار پولاریزاسیون، معیاری برای اثربخشی سیستم به شمار می‌آید.
برای مشخص کردن میزان محافظت انجام شده توسط یک سیستم حفاظت کاتدیک میتوان از روش‌های زیر استفاده کرد:
تست‌های کوپنی: در این آزمایش یک کوپن فلزی وزن شده را با یک کابل اتصال لحیم شده به سازه متصل می‌کنند. هم کابل و هم سطح بین کوپن و سازه با ذغال سنگ پوشیده می‌شوند. پس از چند هفته یا چند ماه، میزان حفاظت کاتدی انجام شده را بر مبنای کاهش وزن کوپن اعلام می‌کنند.
تست‌های رنگ سنجی: در این روش بخشی از خط لوله مدفون کاملا تمیز می‌شود. یک تکه کاغذ جاذب خیس شده در محلول فری سیانید پتاسیم (C6N6FeK3)، به قسمت پاک شده تماس داده می‌شود و مجددا خاک در این ناحیه برگردانده می‌شود. پس از مدت زمان نسبتاً كوتاهی، رنگ كاغذ مورد بررسی قرار میگیرد. اگر کاغذ آبی شده باشد، یعنی حفاظت خوب نبوده و اگر آبی نباشد، یعنی حفاظت به خوبی انجام شده است.
اندازه‌گیری پتانسیل: برای اندازه‌گیری پتانسیل، مطابق با تصویر زیر، الکترود مرجع را در داخل زمین یا روی یک قطعه اسفنج آغشته به آب نمک می‌گذارند تا اتصال الکتریکی برقرار شود. با دانستن پتانسیل، دانسیته جریان لازم برای پلاریزه کردن فلز تا پتانسیل مدار باز آن به راحتی اندازه‌گیری خواهد شد.
در روش آند فدا شونده هم از این روش برای تعیین بهینه تعداد و اندازه آندها استفاده می‌کنند. در مورد لوله‌های بلند یا اسکلت‌های فلزی بزرگ و پیچیده، اندازه‌گیری پتانسیل برای تعیین یکنواختی جریان در بخش‌های مختلف می‌تواند مفید باشد.
معیارهای تشخیص میزان حفاظت گاهی اوقات بر اساس قوانین تجربی پیشنهاد شده است. به عنوان مثال، پیشنهاد شده که سازه های فولادی برای حفاظت مطلوب تا 0.3 ولت فعال تر از پتانسیل خوردگی پلاریزه شوند. البته این معیار دقیق نیست و در بسیاری از موقعیت ها منجر به حفاظت نادرست می‌شود.
