حفاظت کاتدیک cathodic protectio

حفاظت كاتدیک تجهيزات زيرزميني (UG)

همانگونه كه مي دانيم اصول خوردگي براساس خواص فعل و انفعالات الكتروشيميايي است كه طي آن در آند الكترون توليد و در كاتد الكترون مصرف مي گردد . واكنش هاي الكترو شيميايي انحلال فلز و آزاد شدن گاز هيدروژن ، بر طبق معادلات زير مي باشد :

M → Mn+ + ne

2H + +2e → H2

در پروسه خوردگي لوله مدفون درخاك ، نقاط آندي و كاتدي در هر حال موجود هستند و با انتقال جريان الكتريسيته از نواحي آندي از فلز به محيط اطراف خوردگي رخ مي دهد و در نقاط كاتدي كه جريان از محل اطراف به فلز مي رسد خوردگي صورت نمي گيرد . به همين دليل فلز را مي توان به طور جزئي بوسيله استفاده از پوشش ها حفاظت نمود. اگر پوشش ها دائمي بودند و هنگام نصب و يا كار آسيب نمي ديدند لوله هاي فلزي هرگز خورده نمي شدند . پيدايش عيوب در لايه هاي محافظ يا وجود سوراخ ها، حتي اگر اتفاقي باشد ما را ملزم مي كند كه حفاظت نوع دومي را هم براي فلزات مدفون در خاك بكار بريم . روش عمومي استفاده از حفاظت كاتدي است.

در اين روش با وارد شدن يك پتانسيل كاتدي ، قطعه به يك كاتد ( قطب منفي) تبديل مي گردد؛ در حقيقت جريان از طرف محيط به تمام سطح لوله مي رسد پس در حقيقت ديگر خوردگي نخواهيم داشت و لوله محافظت مي گردد.

حفاظت كاتدي را ميتوان به تنهايي هم بكار برد ولي به مقدار جريان زيادي نياز است. بنابراين بهترين روش آن است كه از يك لايه محافظ مناسب استفاده كرد و بعدا بوسيله حفاظت كاتدي آنرا تقويت نمود.

حفاظت كاتدي به سه شيوه اعمال مي گردد:

1- جريان اعمالي Impressed current

2- آند فدا شونده sacrificial anode

3-استفاده از آند جسدي (منيزيمي)

از آند جسدي (منيزيمي) جهت حفاظت سیستم Earth استفاده می گردد.

حفاظت کاتدي بوسيله جريان اعمالي:

در اين روش ابتدا جريان متناوبAC توسط يكسو كننده(Rectifier) به جريان مستقيم DC تبديل مي گردد. سپس قطب منفي جريان مستقيم به خط لوله(يا هر تجهيز ديگري كه مي بايست حفاظت شود) و قطب مثبت به يک ماده رساناي دفن شده وصل مي شود. اين رسانا آند ناميده مي شود. جنس آند بكار رفته معمولاً   silicone-chromium-iron   مي باشد.از آنجا كه درصد سيليكون بكار رفته در اين نوع آند بالاست(احتمالاً 5%) به اين آند High silicone-chromium-iron گفته مي شود. جريان مستقيم  معمولا از طريق يک يکسو کننده به لوله وارد مي گردد و در حقيقت يک  مدار  الکتريکي بوسيله عبور جريان  توسط  خاک از آند به خط لوله  به  وجود  مي آيد.در واقع خاك نقش الكتروليت را داراست. ( شكل 1)

در حقيقت سرمايه گذاري براي تاسيسات حفاظت کاتدي ، بخش کوچکي از هزينه کل تجهيزات است برخلاف حفاظت بوسيله پوشش ها ، تداوم هزينه ها براي تجهزات و کنترل وجود دارد ؛ در حقيقت اين بحث شامل اندازه گيري و برآورد تجهيزات ، طراحي و نصب آنها ، اندازه گيري و تفسير نتايج بدست آمده و سپس تعمير  و نگه داري است.

فاکتو رهاي مورد نظر جهت طراحي سيستم حفاظت کاتديك:

عواملي که بايد مد  نظر قرار گيرند عبارت اند از:

1- اندازه پتانسيل : که با استفاده از دياگرام ايوانز آن چنان اختيار مي شود که فلزات متفاوت در ناحيه کاتدي حفاظت مي گردند. ( شكل 2)

2- جريان مدار: شدت جريان ( آمپر) مورد نياز جهت رسيدن به پتانسيل حفاظت کننده مي بايستي محاسبه شود.

3- فاصله بسترهاي آندي : هر قدر که فاصله آندها از قطعه بيشتر باشد جريان بيشتري در مدار مي بايست تزريق گردد تا حفاظت کامل تري صورت پذيرد.

نزديکي بيش از حد آند به قطعه از رسيدن جريان به تمامي سطح ( بخصوص طرف پشت قطعه ) جلوگيري خواهد نمود.

4-احتمال بکار گرفته شدن پوشش هاي حفاظتي و تاثير آنها بر طراحي سيستم حفاظت کاتدي

5- اندازه هاي قطعه مهندسي ، قطر، طول يا عرض جهت محاسبه سطح و در نتيجه اندازه مقاومت الکتريکي آن

6- نوع و جنس خاک ، به لحاظ خواص شيميايي و تعيين مقاومت آن اهميت خاص دارند.

7- احتمال وجود جريان هاي ناخواسته (سرگردان)، جريان هاي القائي که بنا بر عبور برق فشار قوي از نزديکي قطعه مهندسي و يا وجود ترانس ها و ديگر دستگاه ها ايجاد مي گردد.

رابطه مقاومت ، جريان و پتانسيل با يکديگر:

با فرض اينکه قطعه مهندسي ، خاک و يا سيال هر يک داراي مقاومت الکتريکي خاص خود هستند ، هر گاه جريان حفاظتي با استفاده از يک منبع تغذيه و يا آند فدا شونده برقرار گردد ، در نزديکي آند مقاومت كمتري بوجود آمده ، شدت جريان بيشترين خواهد بود . لذا هر قدر که از منبع آندي دورتر شويم مقاومت الکتريکي افزايش يافته جريان کمتر خواهد شد ، در نتيجه حفاظت کامل نخواهد بود اين پديده را اصطلاحا ( افت ولتاژ) مي نامند ، اگر ولتاژ به اندازه اي افت نمايد که از ناحيه حفاظت کاتدي ( ايوانز) خارج شود ديگر حفاظتي صورت نمي گيرد . همين پديده را مي توان با استفاده از يک مدار مقاومتي نشان داد که جريان در مقاومت هاي نزديک به بستر آندي بيشترين خواهد بود . شدت جرياني که از واحد سطح زمين و در نزديکي بستر آندي خارج مي شود ؛ به مراتب از شدت جريان عبوري در فواصل دورتر از آند بيشتر است. در نتيجه به ازاي بعد مسافت، جريان کاهش خواهد يافت ، اين پديده باعث افت پتانسيل مي شود ( با فرض مقاومت ثابت ) .

مقدار افت پتانسيل نسبت به فاصله قابل اندازه گيري است :

پتانيسل (v)              = v

جريان( A)              = I

مقاومت خاک (   Cm. Ω)   = ρ

طول آند ( ft )        = y

فاصله از آند ( ft )     = X

  هر گاه      X>10Y   گردد فرمول فوق به ذيل تبديل مي شود:

در سيستم حفاظت کاتدي به روش آند فدا شونده اين افت پتانسيل نيز مي بايستي در نظر گرفته شود هر چند که آند معمولا از قدرت کمتري برخوردار است.

مقدار جريان لازم از فرمول V = IR محاسبه مي شود . مقدار جريان مورد نياز براي حفاظت واحد سطح از يک لوله فولادي بدون پوشش متغير است . که وابسته به نوع خاکي که در آن لوله قرار گرفته است و همچنين  تجربه مي توان يک مقدار متوسط و معين را بکار برد. مقادير جدول 1 نشان مي دهد که پوشش ها ، حتي پوشش هاي ضعيف ، تفاوت چشمگيري در ميزان جريان ايجاد مي کنند.

جريان مورد نياز براي محافظت لوله پوشش شده

اندازه گيري پتانسيل و شدت جريان:

صحت حفاظت کاتدي و مقدار پتانسيل قطعه مهندسي با استفاده از ولت متر نسبت به الکترود مرجع (Cu/Cu SO4) سنجيده مي شود.

براي اين کار ابتدا بر روي زمين مقداري آب ريخته تا سطح زمين كاملا خيس شود، سپس نيم سلول Cu/Cu SO4 را بر روي آن قرار مي دهيم. يک سر ولت متر را به نيم سلول و سر ديگر آنرا به خط لوله وصل مي کنيم . پتانسيل اندازه گرفته شده بايد بيشتر از mv850- باشد ؛ چون نقاطي که پتانسيل کمتر mv 850- دارند ديگر حفاظت نمي شوند . جهت حفاظت از خوردگي لوله هاي فولادي نو مدفون شده درخاک بوسيله اندازه گيري به شيوه فوق بعضي اعمال جريان مستقيم تا رسيدن به پتانسيل مورد نظر جهت حفاظت يعني بالاتر از mv 850- صورت مي پذيرد . که جريان مورد نياز در اين خصوص فقط حدود A/ft2 100 است .

در بسياري از موارد مدار الکتريکي محافظت کننده به شکل يک مدار باز با صرف جريان بيش از حد معمول عمل مي نمايند (Current Drainage) اين بنابر دلايل عديده اي همانند ايجاد لايه هاي اکسيدي ناخواسته ، اتصال پيش بيني نشده ، القاي جريان هاي سرگردان و غيره صورت مي گيرد . جهت کشف اين موضوع که آيا حفاظت به روش کاتدي موثر افتاده است و يا  از دو الکترود مرجع Cu/Cu SO4 به همراه دو ولت متر استفاده مي شود که در يک نقطه به لوله متصل مي گردند . اگر اختلاف پتانسيل اندازه گيري شده توسط دو دستگاه ولت متر بيشتر از 5 باشد . حفاظت به طورکامل انجام نمي پذيرداما برعکس اگر کمتر باشد حفاظت از خوردگي کامل خواهد بود.

جريان خروجي از آند را مي توان بوسيله معادله دوايت بدست آورد.

I = جريان خروجي (A)

E = ولتاژ آند (v)

L = طول آند (cm)

ρ = مقاومت خاک

D= قطر آند

حفاظت كاتدي خطوط لوله - 2

اندازه گيري مقاومت زمين :

خاک هايي که داراي ضريب مقاومت الکتريکي بالايي هستند از شدت جريان خوردگي پاييني برخوردار هستند . و اما نقاطي که داراي پتانسيل بالايي هستند داراي مقاومت الکتريکي پاييني هستند . چرا که در آنها شدت جريان خوردگي بالاست . بررسي ضريب مقاومت الکتريکي خاک مي تواند راهنماي خوبي جهت تعيين مکان کار گذاردن بستر آندي و عمق آند از سطح زمين باشد . جهت اندازه گيري مقاومت خاک از روش چهار ميله ونر استفاده مي شود ، شکل 9 نشان می دهد که 4 میله به صورت عمودی در خاک قرار می گیرند. دو میله 1 و 2 با استفاده از یک منبع تغذیه، جریانی را به درون خاک می فرستند و دو میله دیگر 3 و 4 ولتاژ را اندازه گیری می کنند. 

فاصله ميله ها از يکديگر معادل عمق آنها از سطح خاک است و برابر مقدار a مي باشد. نهايتا مقاومت خاک با استفاده از فرمول زير محاسبه مي شود:

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

که براي مثال اگر جهت حفاظت از خوردگي يک لوله زير زميني از0.22 A i = استفاده شود خواهيم داشت:

در امتداد طول لوله و با استفاده از روش 4 ميله ونر مقاومت اندازه گيري گرفته شده يکنواخت نخواهد بود . کيفيت شيميايي خاک با تغيير دادن مقاومت الکتريکي آن نيز بر خوردگي تاثير مي گذارد .

در يک سيستم حفاظت کاتدي و زماني که قطعه مهندسي به قطب منفي تبديل شده است . نقش خاک ارائه دادن انتقال آسان کاتيون ها است که هر قدر که شدت انتقال اين يونها بيشتر باشد . جريان الکتروني بيشتري به سمت لوله کشيده مي شود ( از طريق منبع تغذيه و سيم رابط ) با کاهش PH خاک ، شدت جريان بيشتري براي  رسيدن به پلاريزاسيون کاتدي و حفاظت از خوردگي نياز دارد . جهت اندازه گيري PH خاک و يا ديگر الکتروليت ها  از PH متر و يا کاغذ معرف استفاده مي شود.