حفاظت کاتدی چیست و چگونه کار می کند؟

در طی سال ها، حفاظت کاتدی (CP) همچنان به عنوان یک واژه اسرارآمیز توسط کسانی که به طور کامل با این ابزار مفید کنترل خوردگی آشنا نیستند، تلقی می شود. ظاهرا، بسیاری احساس می کنند که CP یک روش پیچیده است. در واقع، ایده اولیه CP بسیار ساده است. هر گونه عارضه ای در حین استفاده از این ایده اساسی ایجاد می شود. با این حال، مهندسین خوردگی خطوط لوله آموزش دیده، به دانش مورد نیاز برای اعمال مفهوم اولیه CP در سیستم های خط لوله و دستیابی به سطح بسیار بالایی از کنترل خوردگی موثر مجهز هستند.

در این مطلب، یک نظریه ساده از CP توضیح داده شده است. عوامل دخیل در کاربرد و همچنین محدودیت هایی که باید در نظر گرفته شوند نیز تشریح شده اند. 

اساس نظریه حفاظت کاتدی

 CP روشی برای کاهش سرعت خوردگی سطح فلز با تبدیل آن به کاتد یک سلول الکتروشیمیایی است. این تعریف در این جا با جزئیات بیشتری توضیح داده شده است.
می دانیم که نواحی آندی و نواحی کاتدی روی سطح لوله وجود دارند. در نواحی آندی، جریان از فولاد خط لوله به الکترولیت اطراف (خاک یا آب) جریان می یابد و خط لوله خورده می شود. در نواحی کاتدی، جریان از الکترولیت به سطح لوله می گذرد و میزان خوردگی کاهش می یابد.
با توجه به موارد فوق، بدیهی است که اگر هر ذره فلز در معرض روی سطح خط لوله بتواند جریان را جمع آوری کند، سرعت خوردگی را می توان کاهش داد.

این دقیقاً همان کاری است که CP انجام می دهد. جریان مستقیم به تمام سطوح خط لوله وارد می شود. این جریان مستقیم پتانسیل خط لوله را در جهت فعال (منفی) تغییر می دهد و در نتیجه سرعت خوردگی فلز کاهش می یابد. هنگامی که مقدار جریان به درستی تنظیم شود، بر جریان خوردگی تخلیه شده از نواحی آندی روی خط لوله غلبه خواهد کرد و جریان خالصی بر روی سطح لوله در این نقاط جریان خواهد داشت. سپس کل سطح یک کاتد خواهد بود و سرعت خوردگی کاهش می یابد. این مفهوم در شکل زیر نشان داده شده است. فعالیت اصلی یک مهندس CP تعیین سطح واقعی CP مورد نیاز برای کاهش نرخ خوردگی به سطح قابل قبول است. نظارت، همراه با اعمال معیارهای CP، برای این تعیین استفاده می شود.

اگر همان طور که در شکل بالا نشان داده شده است، در مناطقی که قبلاً جریان را تخلیه می کردند، جریان مجبور شود به لوله وارد شود، ولتاژ محرک سیستم CP باید بیشتر از ولتاژ محرک سلول های خوردگی باشد که در حال غلبه بر آن هستند. نواحی کاتدی اصلی روی لوله، جریان را از نواحی آندی جمع آوری می کند. تحت CP، همین مناطق کاتدی (که در وهله اول با سرعت ناچیز خورده می شدند) جریان بیشتری را از سیستم CP جمع آوری می کنند.

برای اینکه سیستم CP کار کند، جریان باید از اتصال زمین تخلیه شود. تنها هدف این بستر زمین تخلیه جریان است. در فرآیند تخلیه جریان، آندهای موجود در بستر زمین در اثر خوردگی مصرف می شوند. مطلوب است که از موادی برای بستر زمین استفاده شود که با نرخ بسیار کمتری (پوند / در هر آمپر / در سال) نسبت به فلزات معمول خط لوله مصرف می شود. این کار باعث می شود که طول عمر نسبتا طولانی برای آندها تضمین شود. 

کاربرد عملی حفاظت کاتدی

با در نظر گرفتن تئوری ساده CP، بحث اولیه در مورد روش های استفاده واقعی از CP در زیر آورده شده است. 

حفاظت کاتدی با آند های گالوانی

از تماس فلزات غیر مشابه یک سلول خوردگی تشکیل می شود. در چنین سلولی، یک فلز نسبت به دیگری فعال تر (منفی تر) است و خورده می شود. در CP با آندهای گالوانیکی، از این اثر با ایجاد عمد یک سلول فلزی نامشابه به اندازه کافی قوی برای مقابله با سلول‌های خوردگی که معمولاً در خطوط لوله وجود دارند، استفاده می‌شود. این با اتصال یک فلز بسیار فعال به خط لوله انجام می شود. این فلز خورده می شود و با انجام این کار، جریان را به خط لوله تخلیه می کند، همانطور که در شکل نشان داده شده است. در مورد CP با آندهای گالوانیکی، CP خوردگی را از بین نمی برد. در عوض، خوردگی را از ساختار محافظت شده به آندهای گالوانیکی جابجا می کند. (همان آند های فدا شونده)

تحت شرایط معمول، جریان موجود به آندهای گالوانیکی محدود است. به همین دلیل، CP توسط آندهای گالوانیکی معمولاً در جایی استفاده می‌شود که جریان مورد نیاز برای حفاظت کم باشد. به طور مشابه، پتانسیل محرک موجود بین فولاد لوله و فلزات آند گالوانیکی محدود است. بنابراین، مقاومت تماس بین آندها و زمین باید کم باشد تا آندها مقدار جریان مفیدی را تخلیه کنند. این بدان معناست که برای تاسیسات معمولی، از آندهای گالوانیکی در خاک‌هایی با مقاومت کم استفاده می‌شود.
یک نصب معمولی، همان طور که در اینجا در نظر گرفته می شود، نصبی است که در آن انتظار می رود جریان یک نصب آند گالوانیکی از طول قابل توجهی از خط لوله محافظت کند. همچنین مواردی وجود دارد که آندهای گالوانیکی در نقاط خاصی از یک خط لوله (اغلب نقاط داغ نامیده می‌شوند) قرار می‌گیرند و شاید انتظار می‌رود که تنها چند فوت از لوله را محافظت کنند، به خصوص در جایی که خط خالی است. این یک کاربرد از مفهوم آند نزدیک است، همان طور که بعداً در فصل مورد بحث قرار گرفت.

حفاظت کاتدی تحت تاثیر جریان

برای رهایی از ولتاژ محرک محدود مرتبط با آندهای گالوانیکی، ممکن است با استفاده از یک بستر زمین و یک منبع برق، جریان از برخی از منابع برق خارجی بر روی خط لوله تاثیر بگذارد. رایج ترین منبع تغذیه رکتی فایر است. این دستگاه برق جریان متناوب (AC) را به برق جریان مستقیم ولتاژ پایین (DC) تبدیل می کند. رکتی فایرها معمولاً با وسایلی برای تغییر ولتاژ خروجی DC، در افزایش‌های کوچک، در یک محدوده نسبتاً گسترده ارائه می‌شوند. اگرچه حداکثر ولتاژ خروجی ممکن است کمتر از 10 ولت یا نزدیک به 100 ولت باشد، اکثر رکتی فایر های خط لوله در محدوده بین 10 تا 50 ولت کار می کنند و می توانند با حداکثر جریان خروجی از کمتر از 10 آمپر تا چند صد آمپر به دست آیند. این امر برای نشان دادن انعطاف پذیری در انتخاب ظرفیت منبع انرژی در دسترس مهندس خوردگی هنگام برنامه ریزی یک سیستم CP فعلی تحت تاثیر قرار می گیرد.
هر منبع قابل اعتماد دیگری از توان الکتریکی DC را می توان برای سیستم های CP جریان تحت تاثیر قرار داد. 

معیارهای حفاظت کاتدی

اگرچه تئوری اولیه CP ساده است (تاثیرگذاری  جریان DC بر روی یک سازه برای کاهش نرخ خوردگی)، سوال واضحی که مطرح می‌شود این است:

چگونه بفهمیم که به حفاظت کافی  یک سازه مدفون رسیده‌ایم؟

معیارهای مختلفی در طی سال‌ها برای این کار ایجاد شده است. این معیارها در استفاده رایج تر شامل اندازه گیری پتانسیل بین خط لوله و زمین است. اندازه گیری امکان تعیین سریع و مطمئن درجه حفاظت به دست آمده را می دهد. اساساً از معیارهای پتانسیل برای ارزیابی تغییرات پتانسیل سازه با توجه به محیط استفاده می شود که ناشی از جریان CP از خاک یا آب اطراف به سازه است. 

پتانسیل یک خط لوله در یک مکان معین معمولاً به عنوان پتانسیل لوله به خاک نامیده می شود. پتانسیل لوله به خاک را می توان با اندازه گیری ولتاژ بین خط لوله و الکترود مرجع که مستقیماً روی خط لوله در خاک قرار می گیرد اندازه گیری کرد.

رایج ترین الکترود مرجع که برای این منظور استفاده می شود، الکترود مرجع سولفات مس- مس است که معمولاً به آن CSE می گویند. در صورتی که اندازه گیری با سیستم CP فعال شده باشد، پتانسیل روشن گفته می شود. پتانسیل خاموش یا قطع فوری پتانسیل پلاریزه را زمانی تخمین می زند که اندازه گیری در عرض یک ثانیه پس از قطع همزمان خروجی جریان از تمام منابع جریان CP و هر منبع جریان دیگری که آن قسمت از خط لوله را تحت تأثیر قرار می دهد انجام شود. 

انتخاب نوع، اندازه و فاصله یک سیستم حفاظت کاتدی
 

برخی از مسائلی که هنگام برنامه ریزی سیستم CP خط لوله باید حل شود شامل موارد زیر است:

1. آیا از آندهای گالوانیکی استفاده می شود یا یک سیستم جریان اعمالی انتخاب بهتری خواهد بود؟
2. برای رسیدن به CP کافی چقدر جریان کل مورد نیاز است؟
3. فاصله بین تاسیسات چقدر باید باشد و خروجی جریان مورد نیاز از هر نصب چقدر خواهد بود؟
4. چه مقرراتی باید برای اجازه آزمایش نصب کامل انجام شود؟
5. آیا شرایط خاصی در مکان های خاصی وجود دارد که نیاز به اصلاح در طرح کلی برای CP داشته باشد؟

این سوالات را نمی توان تنها با استفاده از مطالبی که تا این لحظه پوشش داده شده پاسخ داد. اطلاعات مورد نیاز که بر تصمیم  گیری تاثیر می گذارد شامل موارد زیر است:

* خورندگی محیط؛
* ساختار و مقاومت خاک؛
* این که آیا خط لوله خالی است یا پوشش داده شده است.
* در صورت پوشش، کیفیت و استحکام الکتریکی پوشش و وجود عوامل محیطی شرایطی که ممکن است باعث خراب شدن پوشش شود.
* فلز یا آلیاژ مورد استفاده در خط لوله؛
* اندازه خط لوله و توانایی آن برای هدایت جریان CP
* وجود سازه های فلزی از منابع دیگر (معمولاً سازه های خارجی نامیده می شود) عبور یا نزدیک شدن به خط لوله ای که باید محافظت شود.
* وجود جریان های سرگردان از منابع مصنوعی یا طبیعی.

همانطور که این فهرست آشکار می کند، مقدار قابل توجهی از اطلاعات و داده ها باید با توجه به خط لوله ای که CP برای آن برنامه ریزی شده است، جمع آوری شود. هنگامی که اطلاعات قابل اعتماد با جزئیات کافی به دست آمد، می توان پاسخ به سوالات مطرح شده در این بخش را توسعه داد .

اثر پوشش در حفاظت کاتدی

 99 درصد سطح لوله ای که به خوبی پوشش دهی شده باشد کاملاً عاری از خوردگی خواهد بود و اعمال CP نسبتاً آسان است زیرا فقط مناطق کوچک فولاد در معرض نیاز به محافظت دارند. 
شکل 1 الگوی جریان مورد انتظار برای حفاظت از یک بخش از خط لوله خالی را نشان می دهد. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، تصویر با یک پوشش مانع با مقاومت بالا بین خط لوله و محیط کاملاً متفاوت است.

در شکل 3، جریان از زمین CP نشان داده شده است که در تمام مناطقی که فلز لوله در معرض آن قرار دارد جریان دارد. با انجام این کار، تخلیه جریان خورنده اصلی از نقص در مناطق آندی کاهش می یابد. علاوه بر جریان نشان‌داده‌شده که به سمت عیوب می‌رود، جریان از خود ماده پوشش نیز عبور می‌کند. هیچ ماده پوششی عایق کاملی نیست (حتی زمانی که کاملاً عاری از هرگونه نقص باشد) و مقداری جریان را هدایت می کند. مقدار آن به مقاومت الکتریکی ماده (بیان شده بر حسب اهم سانتی متر) و ضخامت آن بستگی دارد.

هنگامی که از یک پوشش با مقاومت بالا استفاده می شود، جریانی که مستقیماً از پوشش عبور می کند در مقایسه با جریانی که به سوراخ های پوشش می رسد ناچیز خواهد بود، مگر اینکه تعداد و اندازه سوراخ ها به طور غیرعادی کوچک باشد.

جدول بالا  ایده ای از محدوده جریان CP که ممکن است با آن مواجه شود را ارائه می دهد. جریان مورد نیاز برای حفاظت از یک بخش 10 مایلی خط لوله با قطر 36 اینچ برای طیف وسیعی از مقاومت‌های پوشش، از لوله بدون پوشش تا پوشش بدون منفذ 3.32  اینچی در ضخامت با مقاومت 13^ 10 ×1 اهم سانتی‌متر مقایسه می‌شود. بخش خط لوله در خاکی با مقاومت متوسط 1000 اهم سانتی متر در نظر گرفته می شود. جریان مورد نیاز برای ایجاد یک افت ولتاژ 0.3 در مقاومت موثر بین خط لوله و زمین از راه دور است (اثرات قطبش نادیده گرفته می شود).

مقاومت های موثر پوشش داده شده در جدول 1 همه را می توان با همان پوششی که رقم فعلی پوشش کامل برای آن ارائه شده است، اما با تعداد متفاوتی از عیوب پوشش، به دست آمد. برای نمونه های استفاده شده در جدول، مقاومت موثر 4^10×1  تا 4^10×2.5  اهم برای یک فوت مربع پوشش، نشان دهنده مدیریت ضعیف و نصب لوله پوشش داده شده یا تخریب پوشش پس از نصب است. برای خطوط لوله در خاک 3^10×1 اهم سانتی‌متر، مقاومت‌های متوسط 5^10×1 تا 6^10×5 اهم برای یک فوت مربع پوشش نشان‌دهنده کار ساخت‌وساز خوب و برتر و تخریب اندک یا بدون تخریب پوشش با گذشت زمان است.

جدول نشان می دهد که یک خط لوله بدون پوشش می تواند هزاران بار جریان بیشتری نسبت به همان خط با پوشش برتر بپذیرد. طراحی لامپ چراغ قوه دو سلولی معمولی حدودا 0.5 A می تواند تقریباً 17 برابر جریان مورد نیاز برای محافظت کاتدی از 10 مایل لوله با قطر 36 اینچی با پوشش برتر (6^10×5 اهم برای یک فوت مربع) جریان داشته باشد. در مقابل، جریان مورد نیاز برای محافظت از یک خط با پوشش ضعیف (4^10×2.5 اهم برای یک فوت مربع) می تواند حداقل 200 برابر بیشتر از جریان مورد نیاز باشد اگر همان پوشش به روشی برتر اعمال شود و به کار گرفته شود.

مثال های ارائه شده برای تاکید بر یک نکته مهم است. به دلیل تنوع زیاد ممکن، مهندس خوردگی خط لوله باید قبل از تعیین میزان جریان مورد نیاز یک سیستم CP پیشنهادی، از وضعیت فعلی پوشش روی خط لوله مطلع باشد. مهندس خوردگی همچنین باید بتواند نرخ تخریب پوشش را تخمین بزند تا سیستم CP بتواند برای محافظت از خط لوله با تخریب پوشش طراحی شود.

خطوط لوله بسیار طولانی را می توان با یک سیستم CP محافظت کرد. به عنوان مثال، اگر خط لوله قطر بزرگی داشته باشد و به خوبی پوشش داده شده باشد، اغلب می توان بیش از 50 مایل از خط لوله متقابل کشور را از یک مکان محافظت کرد. عجیب است که، محافظت از لوله های با قطر زیاد نسبت به لوله های با قطر کوچک از یک نصب CP آسان تر است. در یک نصب CP مانند آنچه در شکل 1 نشان داده شده است، جریان در هر مکانی روی لوله بر اساس قانون اهم نسبت معکوس با مقاومت کل سیستم در آن مکان دارد. هنگامی که جریان از بستر زمین وارد جرم زمین می شود، در یک هادی با مقاومت بسیار کم قرار می گیرد و در صورت وجود هادی برگشتی مناسب، از نظر تئوری مسافت های زیادی را طی می کند. در کار خط لوله، خود لوله هادی برگشتی است. برای ضخامت دیوار معین، لوله با قطر بزرگ مقاومت کمتری نسبت به لوله با قطر کوچک دارد، زیرا اولی سطح مقطع بزرگتری دارد و مقاومت یک هادی با سطح مقطع نسبت عکس دارد.
بنابراین، یک لوله با قطر بزرگتر اجازه گسترش CP موثر را برای فواصل بسیار بیشتر می دهد. بنابراین، همچنین به این نتیجه می رسد که پوشش های بهتر باعث ایجاد سریع جریان کمتر در لوله می شود و فاصله حفاظت موثر از یک نصب CP را افزایش می دهد.
​​​​​​​
محافظت بالای خطوط پوشش داده شده

​​​​​​​
تحت برخی شرایط، مقدار بیش از حد جریان CP به یک خط لوله پوشش داده شده ممکن است به پوشش آسیب برساند. به این فرآیند جدایش کاتدی می گویند. جریان باعث مهاجرت آب و یون از طریق پوشش و افزایش pH الکترولیت در سطح لوله می شود. اگر پتانسیل پلاریزه به اندازه کافی منفی باشد، هیدروژن می تواند به شکل حباب های گاز روی سطح لوله نیز تکامل یابد. همه این فرآیندها برای پوشش ها مضر هستند و باعث تخریب و از هم گسیختگی می شوند.
پتانسیل پلاریزه ای که در آن آسیب قابل توجهی به یک پوشش رخ می دهد تابعی از عوامل بسیاری از جمله مقاومت ذاتی پوشش در برابر تخریب، کیفیت کاربرد پوشش، شرایط خاک و دمای خط لوله است.

به عنوان یک قاعده کلی، از پتانسیل های غیرفعال که منفی تر از1.1- ولت (CSE) هستند، باید برای به حداقل رساندن تخریب پوشش اجتناب شود. در این رابطه، باید توجه داشت که شرایط آسیب‌رسان می‌تواند به آسانی توسط یک سیستم CP جریان تحت فشار تنظیم نشده ایجاد شود، و گاهی اوقات ممکن است هنگام استفاده از آندهای گالوانیکی با پتانسیل بالا مانند منیزیم ایجاد شود، اما به ندرت در هنگام استفاده از آند های گالوانیکی با پتانسیل پایین ایجاد می‌شود.​​​​​​​