حفاظت كاتدي خطوط لوله1

همانگونه كه در ابتدا مطرح شد اصول خوردگی براساس خواص فعل و انفعالات الكتروشیمیایی است كه در آند تولید الكترون و در كاتد مصرف الكترون صورت می پذیرد . واكنش های الكترو شیمیایی انحلال فلز و آزاد شدن گاز هیدروژن ، بر طبق معادلات زیر است :

 

 

M → Mn+ + ne

 

2H + +2e → H2

 

در پروسه خوردگی لوله مدفون درخاك ، نقاط آندی و كاتدی در هر حال موجود هستند و با انتقال جریان الكتریسیته از نواحی آندی از فلز به محیط اطراف خوردگی رخ می دهد و در نقاط كاتدی كه جریان از محل اطراف به فلز می رسد خوردگی صورت نمی گیرد . به همین دلیل فلز را می توان به طور جزئی بوسیله استفاده از پوشش ها حفاظت نمود. اگر پوشش ها دائمی بودند و هنگام نصب و یا كار آسیب نمی دیدند لوله های فلزی هرگز خورده نمی شدند . پیدایش عیوب در لایه های محافظ یا وجود سوراخ ها، حتی اگر اتفاقی باشد ما را ملزم می كند كه حفاظت نوع دومی را هم برای فلزات مدفون در خاك بكار بریم . روش عمومی استفاده از حفاظت كاتدی است.

 

در این روش با وارد شدن یك پتانسیل كاتدی ، قطعه مهندسی به یك كاتد ( قطب منفی) تبدیل می گردد؛ در حقیقت جریان از طرف محیط به تمام سطح لوله می رسد پس در حقیقت دیگر خوردگی نخواهیم داشت و لوله محافظت می گردد.

 

حفاظت كاتدی را میتوان به تنهایی هم بكار برد ولی به مقدار جریان زیادی نیاز است. بنابراین بهترین روش آن است كه از یك لایه محافظ مناسب استفاده كرد و بعدا بوسیله حفاظت كاتدی آنرا تقویت نمود.

 

حفاظت كاتدی به دو شیوه اعمال می گردد:

 

1- جریان اعمالی Impressed current

 

2- آند فدا شونده  sacrificial anode

 

حفاظت کاتدی بوسیله جریان اعمالی:

 

حفاظت از این طریق در حقیقت ساخت و کنترل یک سلول خوردگی بزرگ است . در این سلول پایانه منفی جریان مستقیم به خط لوله و پایانه مثبت به یک رسانای مصرف شدنی دفن شده وصل می شود و این رسانا آند نامیده می شود. جریان مستقیم  معمولا از طریق یک یکسو کننده به لوله وارد می گردد و در حقیقت یک  مدار  الکتریکی بوسیله عبور جریان  توسط  خاک از آند به خط لوله  به  وجود  می آید. ( شكل 1)

 

در حقیقت سرمایه گذاری برای تاسیسات حفاظت کاتدی ، بخش کوچکی از هزینه کل تجهیزات است برخلاف حفاظت بوسیله پوشش ها ، تداوم هزینه ها برای تجهزات و کنترل وجود دارد ؛ در حقیقت این بحث شامل اندازه گیری و برآورد تجهیزات ، طراحی و نصب آنها ، اندازه گیری و تفسیر نتایج بدست آمده و سپس تعمیر  و نگه داری است.

 

 

 

 شكل 1 - نمایی شماتیك از سیستم حفاظت كاتدی

 

فاکتو رهای مورد نظر جهت طراحی سیستم حفاظت کاتدی:

 

عواملی که باید مد  نظر قرار گیرند عبارت اند از:

 

1- اندازه پتانسیل : که با توجه و با استفاده از دیاگرام ایوانز آن چنان اختیار می شود که فلزات متفاوت در ناحیه کاتدی حفاظت می گردند. ( شكل 2)

 

2- جریان مدار: شدت جریان ( آمپر) مورد نیاز جهت رسیدن به پتانسیل حفاظت کننده می بایستی محاسبه شود.

 

3- فاصله بسترهای آندی : هر قدر که فاصله آندها از قطعه بیشتر باشد جریان بیشتری در مدار می بایست تزریق گردد تا حفاظت کامل تری صورت پذیرد.

 

نزدیکی بیش از حد آند به قطعه از رسیدن جریان به تمامی سطح ( بخصوص طرف پشت قطعه ) جلوگیری خواهد نمود.

 

4-احتمال بکار گرفته شدن پوشش های حفاظتی و تاثیر آنها بر طراحی سیستم حفاظت کاتدی

 

5- اندازه های قطعه مهندسی ، طول قطر، طول یا عرض جهت محاسبه سطح و در نتیجه اندازه مقاومت الکتریکی آن

 

6- نوع و جنس خاک ، به لحاظ خواص شیمیایی و تعیین مقاومت آن اهمیت خاص دارند.

 

7- احتمال وجود جریان های ناخواسته ( سرگردان) جریان های القائی که بنا بر عبور برق فشار قوی از نزدیکی قطعه مهندسی و یا وجود ترانس ها و دیگر دستگاه ها ایجاد می گردد.

 

شكل 2- دیاگرام ایوانز

 

 

 

رابطه مقاومت ، جریان و پتانسیل با یکدیگر:

 

با فرض اینکه قطعه مهندسی ، خاک و یا سیال هر یک دارای مقاومت الکتریکی خاص خود هستند ، هر گاه جریان حفاظتی با استفاده از یک منبع تغذیه و یا آند فدا شونده برقرار گردد ، در نزدیکی آند مقاومت كمتری بوجود آمده ، شدت جریان بیشترین خواهد بود . لذا هر قدر که از منبع آندی دورتر شویم مقاومت الکتریکی افزایش یافته جریان کمتر خواهد شد ، در نتیجه حفاظت کامل نخواهد بود این پدیده را اصطلاحا ( افت ولتاژ) می نامند ، اگر ولتاژ به اندازه ای افت نماید که از ناحیه حفاظت کاتدی ( ایوانز) خارج شود دیگر حفاظتی صورت نمی گیرد . همین پدیده را می توان با استفاده از یک مدار مقاومتی نشان داد که جریان در مقاومت های نزدیک به بستر آندی بیشترین خواهد بود ( شکل 3) . شدت جریانی که از واحد سطح زمین و در نزدیکی بستر آندی خارج می شود ؛ به مراتب از شدت جریان عبوری در فواصل دورتر از آند بیشتر است. در نتیجه به ازای بعد مسافت، جریان کاهش خواهد یافت ، این پدیده باعث افت پتانسیل می شود ( با فرض مقاومت ثابت ) . شكل4

شكل 3 - افت ولتاژ و عدم حفاظت كاتدی بعد از 15 متر فاصله از آند ( لوله بدون پوشش )

 

شكل 4- رابطه افت پتانسیل نسبت به فاصله از بستر آندی

 

مقدار افت پتانسیل نسبت به فاصله قابل اندازه گیری است :

پتانیسل (v)              = v

جریان( A)              = I

 

 مقاومت خاک (   Cm. Ω)   = ρ

 

طول آند ( ft )        = y

 

فاصله از آند ( ft )     = X

 

  هر گاه      X>10Y   گردد فرمول فوق به ذیل تبدیل می شود:

در سیستم حفاظت کاتدی به روش آند فدا شونده این افت پتانسیل نیز می بایستی در نظر گرفته شود هر چند که آند معمولا از قدرت کمتری برخوردار است.

مقدار جریان لازم از فرمول V = IR محاسبه می شود . مقدار جریان مورد نیاز برای حفاظت واحد سطح از یک لوله فولادی بدون پوشش متغیر است . که وابسته به نوع خاکی که در آن لوله قرار گرفته است و همچنین  تجربه می توان یک مقدار متوسط و معین را بکار برد. مقادیر جدول 1 نشان می دهد که پوشش ها ، حتی پوشش های ضعیف ، تفاوت چشمگیری در میزان جریان ایجاد می کنند.

جدول 1- جریان مورد نیاز برای محافظت لوله پوشش شده

 

 

اندازه گیری پتانسیل و شدت جریان:

 

صحت حفاظت کاتدی و مقدار پتانسیل قطعه مهندسی با استفاده از ولت متر نسبت به الکترود مرجع (Cu/Cu SO4) سنجیده می شود. شکل ( 5 و 6)

شكل 5 - الکترود مرجع (Cu/Cu SO4)

 

 

شكل6 - اندازه گیری پتانسیل خط لوله

 

 برای این کار ابتدا بر روی زمین مقداری آب ریخته تا سطح زمین كاملا خیس شود، سپس نیم سلول Cu/Cu SO4 را بر روی آن قرار می دهیم. یک سر ولت متر را به نیم سلول و سر دیگر آنرا به خط لوله وصل می کنیم . پتانسیل اندازه گرفته شده باید بیشتر از mv850- باشد ؛ چون نقاطی که پتانسیل کمتر mv 850- دارند دیگر حفاظت نمی شوند . جهت حفاظت از خوردگی لوله های فولادی نو مدفون شده درخاک بوسیله اندازه گیری به شیوه فوق بعضی اعمال جریان مستقیم تا رسیدن به پتانسیل مورد نظر جهت حفاظت یعنی بالاتر از mv 850- صورت می پذیرد . که جریان مورد نیاز در این خصوص فقط حدود A/ft2 100 است .

 

در بسیاری از موارد مدار الکتریکی محافظت کننده به شکل یک مدار باز با صرف جریان بیش از حد معمول عمل می نمایند (Current Drainage) این بنابر دلایل عدیده ای همانند ایجاد لایه های اکسیدی ناخواسته ، اتصال پیش بینی نشده ، القای جریان های سرگردان و غیره صورت می گیرد . جهت کشف این موضوع که آیا حفاظت به روش کاتدی موثر افتاده است و یا خیر طبق شکل 7 از دو الکترود مرجع Cu/Cu SO4 به همراه دو ولت متر استفاده می شود که در یک نقطه به لوله متصل می گردند . اگر اختلاف پتانسیل اندازه گیری شده توسط دو دستگاه ولت متر بیشتر از 5 باشد . حفاظت به طورکامل انجام نمی پذیرداما برعکس اگر کمتر باشد حفاظت از خوردگی کامل خواهد بود.

 

شكل 7 - شیوه اندازه گیری برای حصول اطمینان از حفاظت كامل كاتدی

 

جریان خروجی از آند را می توان بوسیله معادله دوایت بدست آورد.

 

I = جریان خروجی (A)

 

E = ولتاژ آند (v)

 

L = طول آند (cm)

 

ρ = مقاومت خاک

 

D= قطر آند