حفاظت کاتدی و اصول آن 1

شروع موضوع توسط nasim ‏8 می 2017 در انجمن حفاظت کاتدیک

  1. nasim

    nasim New Member

    تاریخ عضویت:
    ‏8 می 2017
    ارسال ها:
    16
    تشکر شده:
    3
    جنسیت:
    زن
    حفاظت کاتدی و اصول آن



    حفاظت کاتدی (کاتودیک) چیست؟

    امروزه 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 منجر به ضرر و زیانهای غیر قابل پیش بینی می شوند.
    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 قبلاً 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––› Fe2+ + 2


    خوردگی توسط انتقال جریان الکترون از فلز به الکترولیت صورت می گیرد 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 می گردد. 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 (SACRIFICIALANODES) 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 استانداردNACE-RPO169-83 تحت عنوان ” کنترل خوردگی خارجی سیستم های خطوط لوله فلزی غوطه ور یا مدفون” بیان شده است. پتانسیل mv 850- 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 mv 850- 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.
     

به اشتراک بگذارید