به چه علت باید حفاظت کاتدی را انتخاب کنیم؟

به چه علت باید حفاظت کاتدی را انتخاب کنیم؟

تاکنون بارها این جمله را شنیده اید که "پیشگیری بهتر از درمان است!" این اصل ساده اما اساسی، در علوم مهندسی نیز بارها مورد تأکید قرار گرفته است. در عمل هزینه ها و ضررهای ناشی از تعویض، تعمیر و تعطیلی واحدهای تولیدی و صنعتی به اندازه ای بالاست که ما را به سمت پیشگیری و یا کاهش این هزینه ها تا حد امکان سوق می دهد. برای مثال تصور کنید که یکی از شاهرگ های خطوط انتقال نفت کشور در اثر انهدام ناشی از خوردگی، به مدت یک هفته از مدار خارج شود. در این صورت، چند میلیون دلار خسارت بر اقتصاد کشور تحمیل خواهد شد؟؟

در برخی از مواقع، جهت دوام بیشتر این لوله ها، آن ها را با ضخامت بیشتری طراحی می کنند. اما در صورتی که حفاظت کاتدی این تأسیسات به درستی انجام شود، هزینه طراحی این تأسیسات کمتر شده و در ضمن عمر طولانی تری را در مدار فعال خواهند بود. به ویژه خسارت های ناشی از خوردگی های موضعی که گاها بدون علائم قبلی بوده و خسارات شدیدی را متحمل صنایع می کنند.به طور کلی، دو روش متداول در صنایع برای حفاظت کاتدیک تأسیسات در نظر گرفته می شود:

• حفاظت کاتدی با جریان مستقیم برق
• حفاظت کاتدی با استفاده از آند فدا شونده

در هر دوی این روش ها، مبنا ایجاد یک مدار الکتریکی است که در آن جهت جریان، به سمت فلز تحت حفاظت قرار دارد. در ادامه اشاره ای بر هر کدام از این روش ها خواهیم داشت.

1) حفاظت کاتدی با جریان مستقیم برق

در این روش از یک منبع خارجی برای تولید جریان برق مستقیم (DC) و از یک یا چند الکترود کمکی (آند) استفاده می شود. آند معمولاً از جنس آهن یا گرافیت انتخاب می شود و در فاصله کمی از ساختار محافظت شده قرار می گیرد. آندهای گرافیتی در مقایسه با آندهای آهنی دیرتر مصرف می شوند و البته گران تر هم هستند. از طرفی آندهای گرافیتی شکننده هستند و باید با دقت زیادی در محل نصب شوند.

در این روش، قطب مثبت (+) منبع جریان به الکترود کمکی (آند) و قطب منفی (-) به سازه ای که قصد حفاظت از آن را داریم، متصل می شود. بر اثر چنین اتصالی، جریان از آند به داخل الکترولیت وارد شده و به سطح فلزی که باید حفاظت شود، می رسد. در نهایت، این جریان مجددا از طریق یک مسیر فلزی به آند باز می گردد. در تصویر زیر می توانید یک خط لوله را مشاهده می کنید که در زیر خاک قرار گرفته و به این روش، تحت حفاظت قرار دارد.

مقدار ولتاژی که باید برای ایجاد جریان در این روش اعمال کنیم، چندان مهم نیست. فقط در نظر داشته باشید که ولتاژ اعمال شده در این روش، باید برای تأمین چگالی جریان کافی برای کلیه قسمت های سازه کافی باشد. در خاک یا محیط های آبی با مقاومت بالا، ولتاژ اعمال شده باید بیشتر از محیط های با مقاومت کم باشد. همچنین هنگامی که می خواهیم از یک خط لوله طولانی توسط یک آند محافظت کنیم، باید ولتاژ بالاتری اعمال کنیم.

منبع تولید جریان در این روش معمولاً یک رکتیفایر (یک سو کننده جریان) است. در برخی موارد از ژنراتورهای موتوری هم برای تولید جریان استفاده می شود. همچنین در مناطقی که وزش باد زیاد باشد، از توربین های بادی نیز می توان برای تولید جریان مورد نظر استفاده کرد.

انتخاب آند کمکی

در قسمت قبل اشاره شد که در این روش، معمولا از آندهای آهنی یا گرافیتی استفاده می شود، اما آندهای دیگری نیز وجود دارند که معمولا برای کاربردهای خاص استفاده می شوند. برای مثال، برای حفاظت سازه ها در آب دریا، آندهای بسیار مقاومی از جنس مس با روکش پلاتین، تیتانیوم یا نایوبیوم طراحی شده اند که مورد استفاده قرار می گیرند. هر چه این آندها در برابر خورده شدن مقاوم تر باشند، مدت زمان بیشتری می توانند مورد استفاده قرار بگیرند. در برخی از موارد، می توان از آندهای ذکر شده تا 10 سال نیز استفاده کرد!

در تجهیزاتی که در زیر زمین قرار دارند، مقاومت الکترولیت (خاک) اطراف آند، محدود به ناحیه نزدیک الکترود می شود. برای کاهش این مقاومت موضعی، معمولا از پشتبند استفاده می شود. پشتبند کردن معمولا با پوشاندن آند با یک لایه ضخیم از کک و اضافه کردن سنگ گچ و نمک به آن صورت می گیرد. پشتبند کک، به عنوان یک هادی، بخشی از جریان را حمل می کند و مصرف جریان را توسط آند کاهش می دهد. استفاده از پشتبند برای حفاظت کاتدی سازه ها در زیر آب ضرورتی ندارد.

چه مقدار جریان برای حفاظت کامل لوله لازم است؟

میزان جریانی که برای حفاظت کامل یک سیستم نیاز است، بستگی به فلز و محیط دارد و عموما به صورت تجربی اندازه گیری می شود. هر چه نرخ خوردگی فلز در یک محیط بالاتر باشد، برای حفاظت آن به اعمال جریان های بیشتری نیاز است.

اگر لوله ای دارای پوشش آلی باشد، میزان جریان مورد نیاز برای حفاظت آن نسبت به لوله بدون پوشش بسیار کمتر خواهد بود، چرا که تنها بخش هایی از لوله که در اثر نقص در پوشش در معرض محیط خورنده هستند، نیاز به حفاظت دارند.

برای اندازه گیری دقیق چگالی جریان مورد نیاز برای حفاظت کامل چندین روش وجود دارد که مهم ترین روش اندازه گیری پتانسیل سازه است. اندازه گیری پتانسیل از مهم ترین معیارهایی است که توسط مهندسین خوردگی برای تعیین میزان حفاظت صورت گرفته انجام می شود.

اصولا حداقل حفاظت کاتدی زمانی حاصل می شود که فلز تا پتانسیل آندی مدار باز (EOCP) پلاریزه شود. به عنوان مثال، این پتانسیل برای فولاد به ترتیب 0/85- و 0/53- ولت نسبت به الکترود اشباع سولفات مس و هیدروژن است. بنابراین تجهیزات فولادی در تماس با خاک و آب های شیرین و شور، اگر به پتانسیل 0/85- ولت (نسبت به الکترود مس) برسند، حفاظت خواهند شد. بر اساس این پتانسیل می توان حداقل جریان مورد نیاز برای حفاظت را نیز تعیین کرد.

2) حفاظت کاتدی با آند فدا شونده

یکی دیگر از روش های حفاظت کاتدی، استفاده از یک آند کمکی است که از فلز تحت حفاظت فعال تر است. در این روش از مولد جریان خارجی استفاده نمی شود، بلکه با ایجاد یک اتصال گالوانیکی جریان مورد نظر ایجاد می شود. این آند کمکی که با مصرف شدن از خوردگی فلز جلوگیری می کند، اصطلاحا با نام آند فداشونده (Sacrificial Anode) شناخته می شود.

جنس آند فدا شونده معمولا از آلیاژهای پایه منیزیم، آلومینیوم و در برخی موارد روی انتخاب می شود. توجه کنید که در حفاظت خطوط لوله در محیط های با مقاومت بالاتر، یک آند پاسخگو نبوده و باید از چندین آند فدا شونده در فواصل مختلف استفاده کرد.

معمولا از روش حفاظت کاتدیک با استفاده از آند فداشونده در مواقعی استفاده می شود که انرژی الکتریکی برای اعمال جریان برق به راحتی در دسترس نباشد و یا نصب خطوط برق در آن منطقه به لحاظ فنی یا اقتصادی به صرفه نباشد.