سیستم های پوشش و حفاظت کاتدی خط لوله

چکیده

خطوط لوله هیدروکربنی به طور کلی توسط یک پوشش مانع و سیستم حفاظت کاتدی (CP) به عنوان سیستم تکمیلی از خوردگی محافظت می شوند، ترکیبی که توسط قوانین دولتی در بسیاری از کشورها الزامی است. پوشش های خطوط لوله، مانند اپوکسی با پیوند همجوشی  ([fusion-bonded epoxy]FBE) و پلی اتیلن سه لایه  (3LPE[Three layer polyethylene])، به طور کلی محافظت در برابر خوردگی عالی را ارائه می دهند. در صورتی که پوشش، آسیب ببیند یا تخریب شود و زیرلایه فولادی در معرض دید الکترولیت های خورنده قرار گیرد، خط لوله همچنان در برابر خوردگی توسط CP محافظت می شود.
 
پوشش محافظت اولیه در برابر خوردگی را فراهم می کند. با این حال، هیچ خط لوله ای را نمی توان بدون نقص در پوشش مانند "منفذ" در خاک دفن کرد. و در طول عمر خط لوله، پوشش تخریب می شود و فولاد را در معرض محیط قرار می دهد. این منافذ ممکن است آندی شوند . و برای جلوگیری از خوردگی فولاد از CP یا همان حفاظت کاتدی استفاده می شود.
سیستم های مختلف پوشش بر اساس کاربرد و الزامات حفاظتی و سازگاری با آماده سازی سطح و همچنین با سیستم CP دارای مزایا و معایبی هستند.
 
مقدمه

خطوط لوله  زمانی که در زیر زمین قرار می گیرند، توسط پوشش در ترکیب با سیستم حفاظت کاتدی محافظت می شوند. پوشش، محافظت اولیه در برابر خوردگی را فراهم می کند. با این حال، هیچ خط لوله ای را نمی توان بدون نقص در پوشش مانند "منفذ" در خاک دفن کرد. و در طول عمر  خط لوله، پوشش تخریب می شود و فولاد را در معرض محیط قرار می دهد. این منافذ ممکن است آندی شوند و برای جلوگیری از خوردگی فولاد از CP استفاده می شود.

ترکیب سیستم‌های پوشش مختلف با پشتیبانی از سیستم CP به چندین مشکل از جمله آسیب مکانیکی، زوال و تخریب سیستم پوشش در طی چرخه عمر، ایجاد منافذ احتمالی پوشش فائق می آید .  برای حفاظت CP و غیره چگالی جریان مورد نیاز است. این مقاله بر روی این عوامل پوشش و ترکیبات CP به شرح زیر تمرکز دارد:

* تأثیر استفاده از سیستم های پوشش دهی مختلف بر الزامات جاری CP
* تاثیر پوشش های مختلف بر روی مکان های نصب آند / میرایی.
* تأثیر پوشش بر پتانسیل های CP  (شیب های پتانسیل)

در ادامه هر یک از این عوامل بررسی می شود.
 

تأثیر پوشش بر الزامات حفاظت کاتدی

اگرچه از نظر فنی می توان از سازه ها و خطوط لوله فولادی بدون پوشش دهی و فقط با استفاده از سیستم حفاظت کاتدی محافظت کرد، اما به ندرت انجام این کار مطلوب است زیرا برای ارائه توزیع جریان یکنواخت، هزینه تامین جریان زیاد و ترتیب بندی آندها دشوار می باشد.

یک پوشش خوب با ارزش عایق بندی بالا، تا حد زیادی جریان مورد نیاز برای محافظت فولاد در پتانسیل خاک را کاهش می دهد و پخش یکنواخت تر جریان از بسترهای آند را فراهم می کند. بنابراین، پوشش محافظ باید در ساختار خط لوله اعمال شود.

چگالی جریان مورد نیاز برای حفاظت کاتدی فولاد بدون پوشش در محیط های مختلف  در دمای محیطی 15 درجه سانتی گراد و 45 درجه سانتی گراد از 5 میلی آمپر بر متر مربع تا 30 میلی آمپر بر متر مربع متغیر است.

پس از اعمال پوشش، جریان حفاظت کاتدی مورد نیاز برای دمای محیط های مختلف از 0.002 تا 2 میلی آمپر بر متر مربع  بسته به نوع طراحی پوشش، عمر پوشش و تخریب پوشش متغیر است. در نتیجه اعمال پوشش باعث کاهش چگالی جریان و کاهش هزینه ها می شود. جریان حفاظت کاتدی  مورد نیاز برای انواع مختلف پوشش ها به شرح زیر است.

تأثیر پوشش بر پتانسیل های حفاظت کاتدی

حداکثر محدودیت "پتانسیل خاموش" توصیه شده برای پوشش‌های زیرزمینی نسبت به الکترود مرجع (Cu/CuSO4) مس -سولفات مس، 1.2- ولت برای هر سیستم پوششی است. با این حال، حداکثر پتانسیل روشن می تواند بر اساس پوشش های مبتنی بر تضعیف و پوسیدگی باشد.

استفاده از حفاظت کاتدی از خوردگی جلوگیری می کند اما باعث می شود سطح خط لوله به شدت قلیایی شود و در معرض سطوح فلزی، هیدروژن تولید کند. (حفره ناشی از گاز هیدروژن روی سطح تشکیل می شود) در نتیجه باعث از دست دادن چسبندگی پوشش در اطراف مناطق آسیب دیده می شود و اجازه ورود به الکترولیت داده می شود. بنابراین ضروری است که پوشش از نظر تمایل به جدا شدن تحت این شرایط آزمایش شود. این پدیده را «جدایش کاتدی» می نامند.

پوشش های مختلف در جریان حفاظت کاتدی، رفتار متفاوتی دارند. تا زمانی که پتانسیل ها در محدوده توصیه شده باشد، چسبندگی پوشش به زیرلایه فولادی از بین نمی رود. با این حال، هنگامی که پتانسیل حفاظتی به دلیل افزایش تقاضای جریان حفاظت کاتدی فراتر از محدوده توصیه شده افزایش می یابد، پوشش شروع به از هم گسیختگی می کند.
3LPE. FBE مقاوم ترین پوشش ها در برابر جدایش پوشش در حفاظت کاتدی هستند.
 

وجود پوشش‌ها در محل‌های نصب آند

اگر قرار باشد مکان‌های نصب آند برای عملکرد اقتصادی سیستم حفاظت کاتدی، فاصله زیادی داشته باشند، پوشش با کیفیت بالا بسیار حائز اهمیت است. متغیری که این عامل را تعیین می کند، مقاومت الکتریکی پوشش خط لوله می باشد. همچنین برای در نظر گرفتن طول عمر پوشش طراحی شده، کاهش در مقدار مقاومت الکتریکی پوشش خط لوله باید در نظر گرفته شود.

مقاومت الکتریکی پوشش خط لوله از 5000 اهم - متر مربع تا 15000 اهم - متر مربع متغیر است. پوشش 3LPE/FBE دارای مقاومت الکتریکی بالا در حدود 10000-15000 اهم متر مربع است در حالی که پوشش های Enamel قطران زغال سنگ دارای مقاومت الکتریکی در حد 5000 تا 10000 اهم متر مربع هستند.

در طی یک دوره زمانی، پوشش رطوبت را جذب می کند و مقادیر مقاومت الکتریکی کاهش می یابد. کمترین جذب رطوبت/بخار آب از پوشش های 3 لایه PE/PP است و از این رو کاهش در مقدار مقاومت الکتریکی کمترین میزان است.

مقرون به صرفه ترین طراحی سیستم CP برای پوشش 3 لایه پلی اتیلن به دلیل مقاومت الکتریکی بالا و حفظ این ویژگی در طول عمر طراحی است.

کاهش مقاومت الکتریکی پوشش منجر به افزایش جریان حفاظت کاتدی از بسترهای آند برای حفاظت طولانی‌تر خط لوله می‌شود. افزایش جریان حفاظت کاتدی منجر به افزایش پتانسیل خط لوله در نزدیکی بستر آند و در نتیجه جدایش کاتدی می شود. بسیاری از پوشش‌های خطوط لوله به دلیل این اثر پیش از موعد از بین رفته‌اند که منجر به پروژه‌های پرهزینه بازسازی پوشش خط لوله در سراسر جهان شده است.

پوشش ها و حفاظت کاتدی

برای اینکه سیستم حفاظت کاتدی کار کند، پوشش باید کاملاً به بستر لایه فولادی چسبانده شود. در صورت تخریب پوشش در طول عمر خط لوله، برای محافظت از خط لوله در برابر خوردگی، سیستم حفاظت کاتدی باید موثر باشد. زیرا پوشش با چسب لاستیک بوتیل و پلی اتیلن با مقاومت الکتریکی بالا ، به دلیل تنش های خاک، حرکت لوله، چرخه دمایی ، چرخه های فصلی مرطوب / خشک به راحتی از سطح لوله جدا می شود. 

پوشش انتخاب شده برای منطقه با تنش بالای خاک باید دارای استحکام برشی بالایی در دمای عملیاتی خط لوله باشد تا استفاده موثر از سیستم حفاظت کاتدی اعمال شده را تضمین کند.
 
تأثیر پوشش و حفاظت کاتدی بر ترک خوردگی تنشی خطوط لوله گاز

در چند دهه گذشته، تعدادی از شرکت های خط لوله گاز در سراسر جهان وجود ترک ناشی از خوردگی تنشی ([stress corrosion cracking]SCC)  را در خطوط لوله خود شناسایی کرده اند. در حالی که علت SCC در نتیجه عوامل متعددی است. به نظر می رسد که یک اشتراک مربوط به پوشش های خط لوله وجود دارد. اگرچه SCC  نوارهای معمول سرد اعمال شده پلی اتیلن / PVC  و پوشش های Enamel رخ داده است، اما هیچ موردی ثبت نشده است که SCC روی پوشش های FBE/3LPE رخ داده باشد. عوامل مؤثر بر SCC که مستقیماً با پوشش / حفاظت کاتدی مرتبط است عبارتند از:

* مقاومت پوشش در برابر جدایش
* قابلیت عبور جریان از پوشش و در نتیجه جلوگیری از جدایش مناطق
* آماده سازی سطح لوله گاز قبل از اعمال پوشش

مقاومت پوشش در برابر جدایش کاتدی عاملی است که بر همه نوع خوردگی خط لوله تأثیر می گذارد. یک پوشش دست نخورده که از تماس الکترولیت با سطح فولاد جلوگیری می کند همه نوع خوردگی را کاهش می دهد.
حفاظت کاتدی اهمیت ویژه ای برای وقوع SCC دارد زیرا محدوده پتانسیل SCC در حدود 0.7- ولت متمرکز است و این بین پتانسیل محلی فولاد و اغلب خاک ها متناسب با حفاظت کاتدی 0.85- نسبت به الکترود سولفات مس است.
از این رو برای خطوط گاز، انتخاب پوشش مناسب در حضور حفاظت کاتدی از اهمیت بالایی برخوردار است.

نتیجه

پوشش خط لوله و سیستم حفاظت کاتدی مکمل یکدیگر هستند. انتخاب پوشش مناسب خط لوله و طراحی موثر حفاظت کاتدی، عملکرد بدون خوردگی خطوط لوله مدفون را تضمین می کند.
انتخاب ترکیبی از پوشش و CP، نگهداری از خطوط لوله در طی چرخه عمر و اطمینان از نظارت روتین پوشش و CP برای یکپارچگی طولانی مدت خطوط لوله، امری کلیدی است.