خوردگی شیمیایی فلزات-حفاظت کاتدی

مروزه خوردگی شیمیایی فلزات از جمله مشکلات اساسی و هزینه ساز صنایع بزرگ به خصوص صنعت نفت، گاز، پتروشیمی، نیروگاهی، آب و فاضلاب و … میباشد. لوله های انتقال و توزیع سوخت و آب، اسکله ها، کشتی ها، کندانسورها، دکلهای انتقال نیرو، مخازن ذخیره سوخت و دیگر سازه های مدفون (و یا غوطه ور) در یک الکترولیت متناسب با شرایط موجود و با توجه به ساختار متالورژیکی خود ، خورده شده و بعد از مدتی کار یک سیستم و پروسه فعال را مختل کرده و منجربه ضرر و زیانهای غیر قابل پیش بینی میشوند.

این مبحث باعث انگیزه انجام تحقیقات وسیعی در این زمینه شده است تا روشهای عملی مقابله با خوردگی شیمیایی فلزات به عرصه ظهور برسد. در خصوص پیشگیری از خوردگی لوله های مدفون، کف مخازن روزمینی و مخازن زیر زمینی نتیجه تحقیقات و آزمایشات انجام شده دو روش عمده زیر میباشد:

1) استفاده از انواع پوشش

2) استفاده از سیستم حفاظت کاتدیک

از آنجائیکه پوششهای موجود هیچ یک دارای راندمان 100% نمی باشند لذا داشتن یک سیستم مکمل جهت حفاظت از خوردگی سازه های مدفون الزامی به نظر میرسد. روش تکمیلی یاد شده سیستم حفاظت کاتدیک میباشد که در این روش با کاتد کردن سازه در حال خورده شدن (که قبلاٌ آند بوده است) میتوان از خوردگی آن جلوگیری نمود.

کاتد کردن سازه با جایگزینی یک منبع تامین کننده الکترون انجام پذیر است که این منبع تامین کننده یک منبع الکتریکی و یا یک فلز فعال تر (آندتر) از سازه مدفون ما میباشد. بدیهی است استفاده از هریک از روشهای یاد شده مستلزم صرف هزینه های اقتصادی میباشد ولی با یک بررسی کارشناسی میتوان نتیجه گرفت که صرف هزینه های اولیه جهت پوشش دادن سازه و نصب سیستم حفاظت کاتدی نه تنها از خطرات جانبی در آینده جلوگیری میکند بلکه هزینه های مربوط به تعویض قطعات، تعمیرات و جبران خسارات و زیانهای وارده را کاهش داده و هزینه های لازم جهت نصب چنین سیستم هایی را از نظر اقتصادی توجیه پذیرتر میسازد.

عوامل بسیاری در تعیین و انتخاب روش حفاظت کاتدی موثر میباشند که از آن جمله میتوان به : شرایط الکترولیت، امکان دسترسی به برق، امکان وجود بازرسی های آتی، شرایط سازه های مجاور، جریانهای سرگردان، نوع و کیفیت پوشش، مدت زمان طراحی سیستم، شرایط اقتصادی و . . . اشاره نمود.

شرایط اقتصادی یکی از مهمترین عوامل موثر در انتخاب سیستم می باشد که در نهایت باید یک حالت بهینه فنی ـ اقتصادی ایجاد شود. در اصل، طراحی یک سیستم حفاظت کاتدی زمانی موفقیت آمیز خواهد بود که تمامی شرایط فوق درآن مد نظر قرار گرفته باشد.

1-1-رفتار فلزات مدفون و غوطه ور در زمان استفاده از سیستم حفاظت کاتدیک

هرگاه یک فلز در تماس با یک الکترولیت خورده شود، در این صورت با آزاد شدن الکترون، یون های مثبت به داخل الکترولیت منتقل میشوند. در این حالت الکترون های اضافی در فلز باقی می مانند. این فرایند در مورد آهن به صورت زیر بیان می شود:

Fe à Fe2+ + 2 e-

خوردگی توسط انتقال جریان الکترون از فلز به الکترولیت صورت میگیرد که به دنبال آن یونهای مثبت به سمت الکترولیت و الکترون ها به سمت فلز حرکت میکنند. نواحی که این جریان از آنها عبور میکند را مناطق آندی و واکنش مربوطه را واکنش آندی می نامند (در بخشهای بعدی به آن اشاره کامل خواهد شد). اکثر اوقات یونهای فلزی با یونهای منفی داخل الکترولیت واکنش داده و محصولات خوردگی تشکیل شوند (برای مثال زنگ آهن در فولاد). بطور عمده این واکنش ها اثری بر روی واکنش خوردگی نمی گذارند مگر در زمانیکه محصولات ناشی از خوردگی، مقاوم در برابر تهاجمات خوردگی باشند. در نهایت بایستی از نظر بار الکتریکی یک تعادل برقرار شود. جهت متعادل شدن واکنش از نظر بار الکتریکی، باید یک جریان از محلول (الکترولیت) به سمت فلز حرکت کند و الکترون ها در محیط دیگری که منطقه کاتدی نامیده میشود، مصرف میشوند. میزان انتقال جریان در این واکنشها سرعت خوردگی را تعیین مینماید. برای مثال در مورد فولاد به ازا هر اتمی که وارد الکترولیت میشود دو اتم در سطح فلز آزاد میشود.

میزان اختلاف پتانسیل بین سطح فلزات و الکترولیت آنها با توجه به دانسیته جریان و جهت انتقال جریان تغییر میکند. این تغییرات را پلاریزاسیون می نامند. اختلاف پتانسیل فوق بستگی به نوع واکنش های شیمیایی در سطح فلز دارد. پتانسیل فصل مشترک فلز ـ الکترولیت را میتوان با استفاده ار الکترود مرجع اندازه گیری نمود. میزان اختلاف پتانسیل اندازه گیری شده نه تنها بستگی به نوع فلز و الکترولیت دارد بلکه نوع الکترود مرجع نیز در آن تاثیر گذار میباشد. لذا در اندازه گیریهای اختلاف پتانسیل بین خاک و سازه مدفون فولادی عموماً از الکترود مرجع مس ـ سولفات مس استفاده میشود.

1-2- اصول کلی حفاظت کاتدی

لازمه انجام واکنشهای مربوط به خوردگی وجود مناطق آندی و کاتدی میباشد. اگر الکترون های سازه از یک منبع خارجی تامین شوند، میزان حرکت یونهای مثبت از سطح فلز کاهش و سرعت واکنش کاتدی افزایش می یابد. اگر پتانسیل فلز با اعمال الکترونهای خارجی از مقدار Ecorr (پتانسیل خوردگی فلز در حالت طبیعی ) به مقدار Ep (پتانسیل حفاظتی فلز پس از اعمال حفاظت کاتدی) کاهش یابد (این مقادیر در نمودارهای مربوط به پلاریزاسیون فولاد موجود است)، در نتیجه جریان آندی و یورش خوردگی متوقف شده و حفاظت کاتدی حاصل میگردد. جریان کاتدی (IP) توسط یک منبع خارجی تامین میگردد، که این منبع خارجی یا یک آند فلزی (روش آندهای فدا شونده) و یا یک منبع ولتاژ برق DC (روش اعمال جریان) میباشد.

1-2-1- معیارهای حفاظت کاتدی

اکثر فلزات در برابر خوردگی با اعمال جریان حفاظت می شوند، بطوریکه پتانسیل آنها در پتانسیل منفی تر از پتانسیل سازه نسبت به محیط قرار گیرد. جریان مستقیم از طریق آندهای فداشونده (SACRIFICIAL ANODES) و یا سیستم اعمال جریان(IMPRESSED CURRENT) فراهم میشود. تعیین و اندازه گیری پتانسیل تحت حفاظت نسبت به محیط اطرافش میتواند نمایانگر درجه و میزان حفاظت آن سازه باشد. از استاندارد NACE - RPO169-83 به عنوان معیار سیستم حفاظت کاتدی سازه های غوطه ور یا مدفون استفاده می شود. در خیلی از شرایط میتوان خوردگی را در مقادیر کمتر نیز حفاظت کاتدی نمود. این معیار در استاندارد NACE - RPO169-83 تحت عنوان ” کنترل خوردگی خارجی سیستم های خطوط لوله فلزی غوطه ور یا مدفون” بیان شده است. پتانسیل 850 mv- برای اولین بار توسط R.J.Kuhn در سال 1933 بیان شده و جهت حفاظت کاتدی سازه های فولادی غوطه ور و یا مدفون پذیرفته شد.

کاربردی ترین معیار، معیار mv850 - میباشد. معیار پتانسیل حفاظت کاتدی عبارتست از اندازه گیری پتانسیل خط لوله – خاک که این اختلاف پتانسیل توسط الکترود مرجع مس ـ سولفات مس اندازه گیری میشود. در انتخاب معیار حفاظت کاتدی باید مسائل مربوط به هزینه های بالای تعمیرات و حفظ سرمایه های ملی در نظر گرفته شود که در نهایت به شرایط محیطی، پوشش سازه و در دسترس بودن نیروی برق بستگی دارد. یک محیط خورنده که سازه موجود در آن دارای پوشش ضعیفی باشد و یا نیروی برق در دسترس نباشد، دلالت بر استفاده از یک معیار با ضریب احتیاط بالا میکند. عدم تغییر در اصل طراحی نیز اشاره بر این امر دارد که حفاظت کاتدی برای سازه های حفاظت شده، به راحتی انجام شده است. به هر حال تکنیک های مراقبت و مونیتورینگ قادر به حل و فصل مطلوب هزینه های کنترل خوردگی بدون کاهش اثرات جلوگیری از خوردگی آنها می باشد.

1-2-2- مدار یک سیستم حفاظت کاتدی

بدیهی است برای داشتن یک سیستم حفاظت کاتدی بایستی مدار الکتریکی آن کامل باشد برای این منظور لازمست تا اجزا تشکیل دهنده این مدار شناخته و مورد ارزیابی قرار گیرند. بطور کلی این اجزا عبارتند از:

الف)کاتد: سازه و تاسیسات فلزی مدفون و یا غوطه ور در یک الکترولیت که بایستی با استفاده از روش حفاظت کاتدی از خوردگی شیمیایی آنها جلوگیری به عمل آید، کاتد نامیده میشود. در واقع این سازه فلزی قبل از نصب چنین سیستمی آند بوده و در حال از دست دادن الکترون و خورده شدن بوده است، که با اعمال سیستم حفاظت کاتدی و قرار گرفتن در مدار این سیستم از آند به کاتد تبدیل شده و در نتیجه خوردگی آن متوقف می شود.

ب) آند: عنصر و یا آلیاژی که در آن واکنش آندی رخ داده و به مرور زمان و بر اساس مقدار جریان اعمالی از وزن و حجم آن کاسته میگردد آند نامیده میشود. جنس و آلیاژ این آندها، بسته به نوع روش سیستم حفاظت کاتدی و محیط اطراف متغیر است.

ج) الکترولیت: محیطی که در آن تبادل الکترون و واکنش یونی اتفاق میافتد و معمولاً از جنس خاک و یا آب میباشد الکترولیت نامیده میشود.

د) اتصالات الکتریکی: جهت تکمیل مدار الکتریکی یک سیستم حفاظت کاتدی و انتقال الکترونها، از کابلهای مسی استفاده میشود که ایجاد اتصال آنها در باند باکسهای مربوطه انجام می پذیرد.

هـ) منبع تغذیه : جهت تامین الکترون مورد نیاز و اعمال اختلاف پتانسیل لازم بین کاتد و الکترولیت (در روش اعمال جریان) از یک منبع تغذیه DC استفاده می شود. این منبع تغذیه، جریان مستقیم مورد نیاز جهت حفاظت سازه را تأمین می کند.

1-3- انواع روشهای سیستم حفاظت کاتدی (کاتودیک یا کاتدیک)

با توجه به نوع آند بکار رفته و نحوه عملکرد، سیستم به دو روش عمده تقسیم بندی میشود:

- روش آند فداشونده(Sacrificial Anodes)

- روش اعمال جریان (Impressed Current)

حال به تشریح هریک از روشهای فوق می پردازیم.

1-3-1- سیستم حفاظت کاتدی به روش آندهای فدا شونده

آندهای فدا شونده شامل آلیاژهایی از منیزیم، روی و آلومینیوم میباشند. این آندها در خاک یا در آب به صورت ساده و یا همراه با یک پشت بند (Back Fill) مخصوص نصب میشوند.

این نوع آندها در سیستمهای حفاظت کاتدیک مربوط به خطوط لوله بصورت انفرادی و یا گروهی به خط لوله تحت حفاظت کاتدی نصب میگردند. محدودیتهایی در استفاده از این نوع آندها وجود دارد که مربوط به اختلاف پتانسیل فصل مشترک سازه ـ آند و میزان مقاومت الکتریکی خاک (ρ) میباشد. از این روش جهت حفاظت کاتدی سازه های که به جریان کمی نیاز داشته و یا در خاکی با مقاومت الکتریکی پائین مستقر میباشد، استفاده میگردد. میتوان از این نوع آندها به صورت نواری شکل که در تمام طول مسیر خط لوله نصب میشوند نیز جهت جلوگیری از خوردگی استفاده کرد. طبق استانداردهای IPS-E-TP-820, IPS-D-TP-711. از آندهای فداشونده در موارد زیر میتوان استفاده نمود:

الف - خطوط لوله با پوشش خوب که نیاز به جریان حفاظتی خیلی کمی دارند.

ب - رفع مشکلات مربوط به تداخل و جریان های سرگردان

ج -خطوط لوله کوتاه با پوشش خوب

د - در نقاط مشخصی بر روی خطوط لوله (نقاط بحرانی) که ممکن است تنها چند فوت از خط لوله نیاز به حفاظت داشته باشد.

هـ - فراهم نمودن حفاظت موقتی قسمتی از خط لوله مدفون که در شرایط خوردگی موضعی قرار دارد. مانند منطقه عبور خط لوله از عرض رودخانه .

و - جهت حفاظت کف مخازن رو زمینی که دارای سطح وسیعی نباشند.

- آندهای مورد مصرف روش آند فداشونده:

انواع آندهای مورد مصرف در روش فدا شونده عبارتند از:

1) آندهای روی 2) آندهای منیزیم 3) آندهای آلومینیوم

با توجه به الکترولیت موجود در یک منطقه نوع آند مصرفی برای محیط متفاوت است و این تفاوت ناشی از شرایط ویژه الکترولیت از جمله مقاومت ویژه، PH، رطوبت و همچنین خواص و قابلیتهای هر یک از آندهای یاد شده میباشد. به عنوان نمونه آندهای فداشونده با توجه به الکترولیت و مقدار مقاومت آن به صورت زیر دسته بندی میشوند:

الف) آندهای مصرفی در آب:

مقاومت الکتریکی آب(Ohm-Cm)	نوع آند مصرفی
کمتر از 150	آلومینیوم
کمتر از ۵۰۰	روی
بیشتر از ۵۰۰	منیزیم

ب) آندهای مصرفی در خاک:

مقاومت الکتریکی آب(Ohm-Cm)	نوع آند مصرفی
کمتر از 150۰	روی
کمتر از ۵۰۰۰	منیزیم (استاندارد)
کمتر از ۶۰۰۰	منیزیم (پتانسیل بالا)

۱-3-2- سیستم حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان

یک سیستم اعمال جریان باید شامل یک یا چند ایستگاه به عنوان منبع جریان DC، بستر آندی و کابل هادی جریان باشد. موقعیت این ایستگاه ها در طول خط لوله بستگی به امکان دسترسی به نیروی برق متناوب و میزان کاهش پتانسیل دارد. کاهش میزان حفاظت یک خط لوله از محل نصب سیستم حفاظت کاتدی نیز بستگی به مقاومت طولی خط لوله و هدایت پوشش لوله دارد.

معیار احداث بسترهای آندی عمودی و افقی بایستی بر اساس استاندارد IPS-C-TP-820 بوده و انتخاب محل بسترهای مذکور بایستی پس از بررسی نتایج مربوط به بازرسی و کنترل محیطی صورت پذیرد. حداقل فاصله بستر آندی از خط لوله مدفون یا سازه های مجاور بستگی به مقدار جریان مورد نیاز سیستم داشته و با افزایش مقدار جریان این فاصله نیز افزایش خواهد یافت.

معیار این فاصله عبارتست از : 50 متر برای 30 آمپر، 100متر برای 50 آمپر، 200 متر برای 100 آمپر و 300 متر برای 150 آمپر میباشد. ابعاد کابلهای مورد مصرف در این سیستمها باید به گونه ای انتخاب شوند که در زمانیکه حداکثر جریان طراحی از مدار عبور می کند، میزان افت ولتاژ کمتر از 5 درصد باشد. اطلاعات مربوط به کابلها و سیمهای مورد مصرف در این نوع سیستمها در استاندارد IPS-M-TP-750 و DIN VDE 027 موجود میباشد. تمامی کابلهای مربوط به خروجی از قطب مثبت رکتیفایر به بسترهای آندی باید پیوسته بوده و حداکثر 150 متر طول داشته باشند.

سیستم حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان بهتر است در خارج از محلی که خطر انفجار و آتش سوزی دارد طراحی و نصب گردد، مگر در حالات استثنا که بایستی بر اساس استانداردهای DIN-VDE-0165 و یاEN 50014 , AFK-Empfehlung No.5 صورت پذیرد. به عبارت دیگر استفاده از ترانسفورمر ـ رکتیفایر، جعبه های اتصال ((BOND BOX ، جعبه های اندازه گیری اختلاف پتانسیل(TEST POINT OR TEST BOX) بایستی از نوع ضد انفجار طراحی و مورد استفاده قرارگیرد.

- آندهای مورد مصرف در روش اعمال جریان:

Û آند چدن پر سیلیس (سیلیکون)

Û آند آلیاژ دور یکلر

Û آند چدن پر سیلیس کروم دار

Û آند پلاتینیوم

Û آند چدن پرسیلیس مولیبدن دار

Û آند گرافیتی

عمده ترین آندی که در روش اعمال جریان مورد استفاده دارد آند چدن پرسیلیس میباشد، این نوع آندها در پشت بندهای کربنی کارآیی آندهای گرافیتی را داشته و در خاکهایی با مقاومت ویژه کم نسبت به آندهای گرافیتی ارجحیت دارند. همچنین امکان استفاده از این آندها در دانسیته جریان های بالا وجود دارد. عناصر تشکیل دهنده این نوع آلیاژ عبارتند از : 0.95%C, 14.4% Si , 0.7%Mn و مابقی Fe .

کارآیی یک آند با نحوه نصب آن دارای رابطه مستقیم می باشد، به قسمی که یک عایق بندی ضعیف در محل اتصال به واسطه خوردگی حفره ای به مقدار قابل توجهی از کار آیی آند می کاهد. عمر مفید آندهای مذکور معمولاً تا زمانی در نظر گرفته میشوند که قطر آنها در حدود 33% کاهش یابد که البته این مقدار بستگی به قطر اولیه و میزان خوردگی حفره ای و همچنین تنشهای مکانیکی دارد. بنابراین دو برابر کردن سطح مقطع آند عمر مفید را بیش از دو برابر افزایش خواهد داد.این نوع آلیاژ دارای مقاومت بسیار بالایی در بسیاری از محیطهای خورنده میباشد. استثنا قابل توجه در این مورد اسید فلوریدریک است، در حقیقت این چدنها مقاومترین فلزات و آلیاژهای تجارتی (غیر گرانبها) میباشند.

مشخصات برخی از آندهای مورد مصرف در سیستمهای حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان در جدول 1-1 آورده شده است.

1-4- انواع بسترهای آندی

معمولاُ با توجه به اطلاعات بدست آمده از منطقه و اطلاعات حاصل از اندازه گیری مقاومت خاک و همچنین تجمع و محل استقرار دیگر تاسیسات، ساختمانها و سازه ها ، نوع و تعداد بستر انتخاب و در بخش طراحی با توجه به آن اقدامات لازم جهت انجام محاسبات صورت میگیرد.

با توجه به شکل فیزیکی و نوع پشت بند مصرفی، بستر های آندی به دو دسته عمده بسترهای آندی سطحی و بسترهای آندی عمیق تقسیم میشوند:

1-4-1- بستـرهای آندی سطحـی

این نوع بسترها که عمق بستر بندرت به بیش از 5 متر میرسد، خود به دو دسته عمده زیر تقسیم میشوند:

الف ـ بستـر آندی افقـی

در این نوع بسترها، آندهای مورد مصرف به شکل افقی و در کانالی به عرض 60 سانتی متر و به عمق 2 الی 3 متر و به فاصله مرکز به مرکز 3 الی 8 متر از یکدیگر قرار میگیرند.

پشت بند این نوع بسترها کک میباشد که بایستی به ضخامت 15 سانتی متر زیر و روی آندها را بپوشاند به عبارت دیگر استوانه ای به قطر 30 سانتی متر (یک فوت) و به طول بستر آندی از کک کوبیده شده داشته باشیم که آندها در مرکز آن قرار گرفته اند. در این نوع بسترها جهت انتقال گازهای حاصل از واکنشهای شیمیایی به سطح زمین از لوله های ونت به قطر 4 الی 8 اینچ و از جنس آزبست استفاده میشود.

این نوع بستر بدلیل صرفه اقتصادی در حفاری و آماده سازی بستر و استقرار آندها بیشتر از بسترهای دیگر مورد استفاده قرار میگیرند. ولی بدلیل آنکه در این بسترها با تعداد آند زیاد به حفاری در طول زیادتری نیازمی باشد و لذا در اماکن و مناطقی که از بابت تملک زمین و تجمع سازه ها و تاسیسات دیگر محدودیت دارد استفاده از چنین بسترهایی محدودیت خواهد داشت.

ب - بستـر آندی عمـودی

در این نوع بسترها که بیشتر در شبکه های توزیع گاز طبیعی، نفت، آب، مخازن ذخیره سازی و … استفاده میشود.آندها به صورت عمودی و در کانالهایی به قطر 30 الی 50 سانتی متر و به عمق حدود 3 متر و به فاصله مرکز به مرکز 3 الی 10 متر از یکدیگر قرار می گیرند که پشت بند ککی آندها بایستی به قطر حداقل 30 سانتی متر دور تا دور آندها را پرکند . در این نوع بسترها نیز از لوله های ونت جهت تسهیل درخروج گازهای حاصل از واکنشهای شیمیایی استفاده به عمل می آید .

1-4-2- بستـرهای آندی عمیـق

از بسترهای آندی عمیق در مناطقی که طبقات بالایی خاک مقاومت مخصوص بالایی داشته و یا امکان ایجاد بسترهای آندی افقی و عمودی غیر ممکن باشد و همچنین در مواقعی که تجمع سازه های مدفون را داشته باشیم، استفاده به عمل می آید. این نوع بسترها عبارتند از:

الف - بستر آندی چاهی خشک

در این نوع بسترها آندها به صورت عمودی و در یک راستا در کانالی به قطر 30 الی 50 سانتی متر و به عمقی که بستگی به تعداد آندها دارد قرار میگرند . در این نوع بستر پشت بندآندها کک می باشد و لوله ونت مصرفی از جنس فولاد گالوانیزه می باشد. عمق این نوع بستر بستگی به تعداد آندهای مصرفی دارد ، به عبارت دیگر با توجه به اینکه فاصله مرکز به مرکز آندها عموما” 3 متر می باشد و اولین آند تا سطح زمین بایستی حداقل 5/1 متر و آخرین آند تا انتهای بستر حداقل 5/0 متر فاصله داشته باشد ، لذا می توان در محاسبات عمق بستر را بدست آورد . ولی لازم به ذکر است که بنا به نظر طراح فاصله ها و عمق مذکور قابل تغییر می باشد.

ب - بستر آندی چاهیِ تر

این نوع بستر مشابهت زیادی با بستر آندی چاهی خشک دارد با این تفاوت که در این نوع بستر پشت بند مصرفی برای آندها آب می باشد، به عبارت دیگر عمق این نوع بسترها بستگی به عمق سفره های آب زیرزمینی دارد، یعنی بایستی حفاری تا عمقی انجام پذیرد که آب کل عمق بستر را در برگرفته و حدلقل 12 متر از سطح آند اول بالاتر قرارگیرد .

در این نوع بستر آندها به وسیله طناب مخصوص و با استفاده از قرقره در مرکز چاه قرار می گیرند و فاصله مرکز به مرکز آنها که بایستی حدود 3 متر باشد به وسیله طناب ها تنظیم میگردد.

کابل آندها مانند بستر چاهی خشک بوسیله دو راهی اتصال کابل به کابل بستر متصل شده و از هر آند یک کابل به باند باکس مثبت که معمولا” یک باند باکس هشت ترمیناله می باشد اتصال پیدا می کند. در این نوع بستر جهت جلوگیری از ریزش کانال معمولا” از یک لوله فولادی به قطر 12 اینج ( قطر بستر ) و به طول بستر استفاده میگردد. از این نوع بسترها بدلیل هزینه بالای حفاری و نصب آندها در مواقع خاصی استفاده می گردد.

۱-5- نحوه حصول اطمینان از عملکرد یک سیستم حفاظت کاتدی

پس از نصب یک سیستم حفاظت کاتدی، جهت حصول اطمینان از عملکرد سیستم، باید اختلاف پتانسیل بین خاک و سازه فلزی مدفون اندازه گیری شود. اساس این اندازه گیری اعمال یک جریان (حاصل از اختلاف پتانسیل بین خاک و سازه تحت حفاظت) میباشد. اختلاف پتانسیل مذکور در اثر افت ولتاژ سازه مدفون، مقاومت بین سازه و خاک و در نهایت پلاریزاسیون میباشد. واضح است که با توجه به شرایط خاک از نظر مقاومت الکتریکی و درجه عایقی پوشش مصرفی و سطح لوله، مقدار جریان مورد نیاز جهت جلوگیری از خوردگی سطح سازه مدفون، متفاوت خواهد بود. لذا نمیتوان مقدار جریان را به عنوان معیاری جهت ارزیابی نحوه عملکرد سازه مدفون تحت حفاظت کاتدی استفاده نمود. بنابراین پتانسیل جدیدی را که لوله بعد از اعمال جریان حفاظتی اختیار خواهد کرد به عنوان معیار محسوب مینمایند. استانداردهایی جهت کمک به اندازه گیری نحوه عملکرد یک سیستم حفاظت کاتدی تهیه شده است که در بخش معیار های حفاظت کاتدی به آن اشاره گردید. معیار فوق برای سازه ای از جنس فولاد در الکترولیتی مانند خاک برابرmv 850 – میباشد. مقدار منفی بیانگر این واقعیت است که سازه نسبت به خاک از پتانسیل منفی تری برخوردار بوده و جریان حفاظت کاتدی به سمت محیط های آندی جریان دارد.

اندازه گیری این اختلاف پتانسیل بایستی در فواصل مکانی و زمانی مشخص که توسط طراح سیستم تعیین میگردد انجام پذیرد. در فواصل مکانی مشخصی که حداقل هر 500 متر و حداکثر هر 1000 متر میباشد با نصب یک ایستگاه اندازه گیری پتانسیل سهل تر خواهد گردید. این ایستگاه که تست پوینت (TEST POINT) نامیده میشود شامل جعبه ای است که کابل متصل شده به لوله (و یا هر سازه فلزی تحت پوشش سیستم حفاظت کاتدی) به روش جوش احتراقی (CADWELD) در آن مستقر گردیده است. تا اندازه گیری مذکور توسط یک ولتمتر و نیم پیل مرجع مس ـ سولفات مس انجام پذیرد. استفاده از نیم پیل مرجع دائمی در کف مخازن روزمینی با قطر زیاد از جمله مواردی است که طراح جهت سهولت و امکان انجام این اندازه گیری بایستی به آن توجه داشته باشد.

معیار اختلاف پتانسیل یاد شده بستگی به شرایط محیطی متفاوت خواهد بوده به عنوان نمونه در صورتیکه وجود خوردگی میکروبیولوژی در خاک منطقه به اثبات رسد این معیار یعنی mV 850 – حداقل mV 100– شیفت پیدا کرده و به mV 950 – میرسد به عبارت دیگر در مناطقی که خوردگی میکروبیولوژی در خاک منطقه وجود داشته باشد این معیار حداقل mV 950 – خواهد بود. همانطور که این معیار دارای حداقل میباشد بدیهی است که دارای رنجی به عنوان حداکثر مقدار مجاز نیز باشد. حداکثر مقدار این معیار بستگی به نوع پوشش لوله دارد. بدین ترتیب که اگر پوشش لوله از نوع سرد باشد این مقدار نبایستی از mV 1600 – تجاوز نماید و در صورتیکه پوشش لوله از نوع گرم باشد حداکثر مقدار مجاز این معیار mV 2200 – خواهد بود. در صورتیکه حداکثر معیار فوق رعایت نشود پوشش لوله آسیب دیده و عواقب بعدی را به دنبال خواهد داشت.

1-6- واکنش های آندیک

یکی از واکنشهایی که پس از نصب و راه اندازی سیستمهای حفاظت کاتدی انجام پذیر میباشند واکنش آندی می باشد. واکنشهای اکسیداسیون زیادی وجود دارند که ممکن است روی سطح یک آند رخ دهد. جنس آندهای مورد مصرف و شرایط محیط باعث میگردند تا یکی از واکنشهای فوق بر دیگر واکنشها غلبه کرده و عموماً اتفاق افتد.

سه واکنش اولیه که در سطح آند رخ میدهند عبارتند از :

- اکسید اسیون فلز

- متصاعد شدن اکسیژن

- متصاعد شدن کلر

در آندهای فدا شونده واکنش آندی اولیه بطور نرمال اکسیداسیون فلز است یعنی:

M à Mn+ + n e_

با توجه به اینکه در خاک های خنثی یون فلز ناپایدار است و با آب برای تشکیل یک هیدروکسید یا اکسید هیدراته و یون های هیدروژن واکنش انجام می دهد بنابراین داریم که:

M + H2O à M OH_ + H+

این واکنش ها تا زمانی که مصرف آندها ادامه دارد باعث بوجود آمدن جریان میگردند. برای آندهای مورد مصرف در روش اعمال جریان در مناطقی که خاک و آب دارای میزان خیلی کمی از کلرید هستند واکنش اولیه آندی متصاعد شدن اکسیژن است یعنی در این آندها واکنش زیر رخ می دهد:

2H2O à O2 + 4H+ + 4e-

وقتی که یون های سولفات در الکترولیت حضور داشته باشند واکنشهایی مشابه واکنشهای زیر اتفاق می افتد:

2SO4- + 2H2O à 2H2SO4 - + O2 + 4e-

2H2SO4- à SO4 + O2 + 2H+

2Cl_ à Cl2 + 2e_

اکسیژن مجدداً آزاد شده و هیدروژن بصورت یون تشکیل میگردد. متصاعد شدن کلر واکنشی است که روی سطح آندهای روش اعمال جریان در حضور یون های کلرید اتفاق می افتد، سپس گاز کلر با آب برای تشکیل اسید هیپوکلرو و هیدروکلریک واکنش خواهد داد. اسید هیپوکلرو تجزیه شده و یون های هیدروژن نیز متناسب با مقدار اسید تشکیل می شوند. بنابراین متصاعد شدن کلر PH در سطح آند را کمتر از متصاعد شدن اکسیژن کاهش می دهد. در جائیکه ذغال کک بعنوان مواد پر کننده برای آندهای روش اعمال جریان استفاده می شود واکنش های آندیک در سطح ذرات کک بصورت زیر اتفاق می افتند:

C + H2O + 2e_ à CO + 2H+

C + 2H2O + 4e_ à CO2 + 4H+

تمام واکنش های اصلی آندی باعث کاهش PH محلول در محدوده آند میشوند. پتاسیل استاندارد0.400+ redox ولت برای یونهای هیدروکسیل و 0.136 + ولت برای یونهای کلر است . ازیک دیدگاه ترمودینامیکی اگر یک آند درالکترولیتی حاوی هر دو یون پلاریزه شده باشد ابتدا اکسیژن متصاعد شده و بعد از آن کلر متصاعد می شود. در عمل این مسئله لزوماً واقعیت ندارد. بعنوان مثال در آندهای گرافیتی افزایش ولتاژ برای متصاعد شدن اکسیژن خیلی بیشتر اززمانی است که برای متصاعد شدن کلر داریم. در یک آند گرافیتی هرگاه از طریق آند واکنش پلاریزه شدن انجام شود قبل از هر چیز گاز کلر متصاعد میگردد.

خوردگی شیمیایی فلزات-حفاظت کاتدی

مطالب مشابه :

حفاظت کاتدیک؟

اند آلومینیوم

تاریخ چه ومعیارهای حفاظت کاتدی(مهندسی خوردگی)

دانلود مقاله تولید نرم افزار عمومی حفاظت کاتدی تاسیسات زیر دریا

ساخت میله ی کاتدیک به منظور جلوگیری از خوردگی مخازن آهنی

انتخاب پوشش در خوردگی

شناسایی و مقابله با پدیده خوردگی در لوله های فولادی صنعت پتروشیمی

برگزاری دوره تکمیلی 4 روزه حفاظت کاتدیک در پالایشگاه شازند

خوردگی شیمیایی فلزات-حفاظت کاتدی

آندهاي MMO و آندهاي سيليكوني HSCI