اثرات تداخل در حفاظت کاتدی

به طور کلی، در محل‌های نزدیک به بستر آندی، جایی‌ که جریان اعمال می‌شود، یک افزایش مثبت در پتانسیل زمین رخ میدهد و سیستم‌های خطوط لوله دیگر و سازه‌های فلزی در این ناحیه تحت تاثیر قرار می‌گیرند. این افزایش، به مقاومت خاک، جریان گرفته‌ شده از آند و فاصله از بستر آندی بستگی دارد و بر طبق فرمول ۵۰ محاسبه می‌شود.

انواع مهم اثرات تداخل که سامانه‌های حفاظت کاتدی به سازه‌های فلزی بیگانه که در نزدیک سامانه حفاظت کاتدی قرار دارند، تحمیل می‌کنند، شامل اثرات تداخل آندی و کاتدی هستند، در حالی‌ که اثرات تداخل ناشی از خطوط انتقال ولتاژ بالا، وسایل نقلیه ریلی، جوشکاری روی کشتی، تداخل فلنج‌های عایقی و تداخل کشتی – اسکله هم رایج هستند. صرف‌ نظر از نوع تداخل، اگر اقدامات پیشگیرانه انجام نشود، اثرات تداخل ممکن است سبب خوردگی تداخلی شدید به دلیل جریان‌های سرگردان شوند.

لینک های مفید : خرید آند MMO

حفاظت کاتدی و اثر تداخل

تداخل آندی

تداخل آندی به وسیله جریان‌های سرگردان، نشأت‌ گرفته از بستر آندی سامانه حفاظت کاتدی، ایجاد می‌شود و به سازه‌های فلزی اطراف وارد می‌شود و در جایی‌ که وارد می‌شوند سبب خوردگی نمی‌شوند، اما در محلی که سازه فلزی خارج می‌شوند، جایی‌ که کمترین مقاومت را دارد، خوردگی ایجاد می‌کنند.

در مورد سیستم‌های خطوط لوله زیرزمینی، وقتی جریان حفاظت کاتدی از بستر آندی که در فاصله معینی از خط لوله قرار دارد، اعمال می‌شود، یک شیب پتانسیل در جهت مثبت اطراف بستر آندی شکل می‌گیرد، در حالی‌ که یک کاهش در پتانسیل در جهت منفی در نواحی نزدیک خط لوله مشاهده می‌شود. با رفتن از آند به سمت کاتد و نزدیک آند، بسته به ظرفيت جریان تولیدی بستر آندی، کاهش پتانسیل می‌تواند بین V  10 تا V  50 باشد، در حالی که کاهش پتانسیل در نواحی بین آند و کاتد و دورتر از هر دو می‌تواند قابل صرف‌ نظر کردن باشد؛ بالاخره، کاهش پتانسیل درست اطراف کاتد در یک ناحیه کوچک، بسته به کیفیت پوشش خط لوله بین ۱ تاV  2 است. این نواحی پتانسیل اطراف آند و کاتد ممکن است سبب تداخل در سازه‌های دیگری که نزدیک هستند شده و به خوردگی تداخل منجر شود.

وقتی یک جریان بالا از دستگاه ترانسفورماتور – رکتیفایر (T/R) سامانه حفاظت کاتدی به بستر آندی اعمال می‌شود، پتانسیل زمین در جهت مثبت افزایش می‌یابد. این افزایش با جریان منتشره از آند به زمین و همچنین با مقاومت زمین تناسب مستقیم دارد. اختلاف ‌پتانسیل ایجاد شده در سطح با فرمول زیر اندازه‌گیری می‌شود:

برای مثال، اختلاف‌ پتانسیل ایجاد شده در سطح، در زمینی با مقاومت (P) برابر ohm.cm  3000 و جریان حفاظت کاتدی (i) برابر ۱۰ آمپر، در فاصله  r = 100mدورتر از بستر آندی، mV  447 است. سازه‌های فلزی پیرامون، با این اختلاف پتانسیل مثبت تحت تاثیر قرار می‌گیرند، به‌ ویژه اگر آن‌ها لخت یا به‌ صورت ضعیف پوشش شده باشند، نتیجه قرار گرفتن آن‌ها در معرض جریان‌های سرگردان، خوردگی تداخل آندی است. محل‌هایی که جریان وارد می‌شود کاتد و محل‌هایی که جریان خارج می‌شود، آندی می‌شوند. اگر محلی که جریان از سازه خارج می‌شود، یک سطح باریک داشته باشد، خوردگی می‌تواند شدید باشد. خوردگی تداخلی، به محل بستر آندی و هندسه آن بستگی دارد. اقدامات زیر برای پیشگیری از خوردگی تداخل آندی می‌تواند انجام شود:

  1. در مرحله طراحی پروژه، باید طوری طرح‌ریزی شود که بسترهای آندی حداقل در ۷۰ متری سازه‌های فلزی اطراف باشند؛
  2. بخش‌هایی از بدنه سازه فلزی بیگانه که در میدان تداخل آندی قرار می‌گیرند، خیلی ‌خوب پوشش داده شوند؛
  3. اگر در مرحله بهره‌برداری با خوردگی تداخل مواجه شویم، آندهای گالوانیکی باید به محل‌های بحرانی سازه فلزی بیگانه، برای مثال سیستم‌های خط لوله دیگر، متصل شوند، و بنابراین جریانی که به سازه وارد می‌شود، می‌تواند از طریق آندها تخلیه شود؛
  4. لوله‌ها و صفحات فلزی در هر دو سمت بخشی از خط لوله بیگانه که در حوزه تداخل آندی باقی می‌ماند، قرار داده شود و به قطب مثبت بسترهای آندی متصل شوند که به عنوان سپر سیستم خط لوله بیگانه عمل می‌کنند؛
  5. بستر آندی چاهی عمیق می‌تواند به جای بسترهای آندی چاهی سعدی استفاده شود. به این طریق، مرکز حوزه پتانسیل آندی ناحیه‌ای کروی خواهد بود که ۲۰ تاm 30 زیر زمین است، در واقع اثر تداخل بر سازه فلزی در سطح کاهش می‌یابد.

تداخل کاتدی

تداخل کاتدی با کاهش پتانسیل استوانه‌ای حول خط لوله‌ای که محافظت می‌شود، ایجاد می‌گردد که نتیجه آن جریان سرگردان ناشی از سازه‌های فلزی پیرامونی است که به سیستم خط لوله محافظت شده وارد می‌شوند و نتیجه خوردگی شدید در محلی که جریان سرگردان از سازه فلزی خارج می‌باشد، به ‌ویژه اگر این سازه‌های فلزی لخت یا به‌ صورت ضعیفی پوشش شده باشد.

خوردگی تداخل در سازه فلزی بیگانه به دلیل قرار گرفتن در ناحیه کاهش پتانسیل منفی خط لوله‌ای که به صورت کاتدی محافظت می‌شود، رخ می‌دهد. به‌ عبارت‌ ‌دیگر، خوردگی تداخلی در سازه فلزی دیگر، برای مثال در خط لوله دیگری که به‌ صورت کاتدی محافظت نمی‌شود، رخ می‌دهد، چرا که این سازه به ناحیه منفی‌تر از ناحیه خودش وارد می‌شود. این اختلاف در پتانسیل دو ناحیه که خط لوله دیگر از آن عبور می‌کند، سبب می‌شود که بخشی از لوله که در حوزه پتانسیل منفی‌تر قرار دارد آند شده ‌و خورده شود. این نوع خوردگی تداخلی با افزایش جریان کاتدی افزایش می‌یابد.

طول ناحیه‌ای که تحت تأثیر تداخل کاتدی قرار دارد به وسیله اندازه‌گیری‌های پتانسیل سازه فلزی بیگانه، برای مثال خط لوله دیگر، اندازه‌گیری می‌شود. اقداماتی که می‌تواند برای پیشگیری از خوردگی تداخل کاتدی در سازه فلزی بیگانه انجام شود، که هدف اصلی آن کاهش اختلاف پتانسیلی است، به‌ شرح زیر است:

  1. خط لوله‌ای که به‌ صورت کاتدی محافظت می‌شود و خط لوله یا سازه فلزی بیگانه در نزدیک‌ترین محل به هم با یک اتصال فلزی مرتبط شوند و بنابراین از این طریق خروج جریان‌های سرگردان از سازه بیگانه با یک رسانای الکتریکی انجام می‌شود. شدت جریان سرگردان باید برای رسیدن به اختلاف پتانسیل کافی باشد و بنابراین یک مقاومت با اندازه مناسب بین دو سازه فلزی بر اساس اتصال الکتریکی فلزی نصب می‌شود؛
  2. یک صفحه فلزی یا یک فلز قراضه در بین خط لوله محافظت‌ شده به‌ صورت کاتدی و خط لوله بیگانه و در نزدیک‌ترین محل به هم قرار داده می‌شود و به خط لوله بیگانه متصل می‌شود. نتیجتاً، خوردگی تداخل در این فلز قراضه رخ می‌دهد، جنس کهنه و قراضه به‌ جای خط لوله بیگانه. به‌ لحاظ نظری، هر چه فلز قراضه دورتر از خط لوله بیگانه باشد، می‌تواند آن را از خوردگی تداخلی بیشتر محافظت کند؛ به ‌هر حال، در عمل، این کار به یک افزایش در مقدار جریان کاتدی تولید شده هم منجر می‌شود؛ فلز کهنه، قراضه یا صفحات فلزی باید در امتداد خط لوله بیگانه و درست جایی بین دو خط لوله خودی و بیگانه قرار داده شوند؛
  3. بخش‌هایی از خط لوله بیگانه که در ناحیه کاهش پتانسیل خط لوله محافظت ‌شده به‌ صورت کاتدی قرار می‌گیرند، باید به خوبی پوشش داده‌ شده شوند؛
  4. به نواحی از خط لوله بیگانه یا سازه فلزی محافظت نشده که در ناحیه کاهش پتانسیل خط لوله محافظت ‌شده به‌ صورت کاتدی قرار دارند، به تعداد مناسب آندهای گالوانیکی متصل شوند. به این طریق، جریان‌های سرگردان از طریق این آندهای گالوانیکی از خط لوله بیگانه خارج می‌شوند. لازم نیست این آندها، پتانسیل بالایی داشته باشند، معمولاً آندهای روی کافی هستند. به‌ علاوه این آند‌ها، لازم نیست بین دو خط لوله قرار بگیرند. فقط کافی است آن‌ها تا آن جا که ممکن است در نزدیک‌ترین محل به خط لوله بیگانه قرار داده شوند.

موارد تداخل ویژه

غیر از تداخل آندی و کاتدی، انواع دیگری از تداخل‌های ترکیبی هم وجود دارد:

  1. اثر تداخل وسایل نقلیه ریلی

اغلب، جریان‌های سرگردان از وسیله نقلیه ریلی که با جریان مستقیم کار می‌کنند، به سازه‌های فلزی اطراف وارد می‌شود. وسیله نقلیه ریلی با ولتاژ بالا کار می‌کنند و جریان‌های هزار آمپری در طی حرکت‌شان خارج می‌شود. قطب مثبت جریان مستقیم به کابل تغذیه قطار متصل می‌شود، در حالی‌ ‌که قطب منفی به ریل متصل است. با حرکت قطار، جریان از روی ریل عبور و به این ایستگاه برمی‌گردد. در جایی ‌که قطار از آن عبور می‌کند، پتانسیل زمین در جهت مثبت افزایش می‌یابد و جریان‌های سرگردان از ریل به زمین نشت می‌کند. اگر یک سیستم خط لوله در اطراف وجود داشته باشد،  این جریان‌های سرگردان ممکن است از طریق خط لوله به ایستگاه برگردند. با حرکت قطار، جاهایی که جریان سرگردان به خط لوله وارد می‌شود، تغییر می‌کند. در واقع، جاهایی که جریان‌های سرگردان وارد خط لوله می‌شوند، مهم نیستند. جایی‌ که جریان سرگردان از خط لوله خارج می‌شود، خیلی مهم است، جایی‌ که در آن‌ جا خوردگی رخ می‌دهد. وقتی قطار در ایستگاه است، ریل‌ها و زمین پتانسیل منفی‌تری از حالت عادی دارند. به‌ هر حال، با دور شدن قطار از ایستگاه، پتانسیل ریل و زمین در جهت مثبت افزایش می‌یابند.

اگر پوشش خط لوله آسیب‌ دیده باشد یا کیفیت پایینی داشته باشد، جریان‌های سرگردان به آسانی وارد خط لوله می‌شوند. وجود فلج‌های عایقی روی خط لوله و این واقعیت که مسیر خط لوله بعد از نقطه تقاطع از ایستگاه قطار دور می‌شود، شدت خوردگی را کم نمی‌کند، اما ممکن است جایی از خط لوله که خوردگی در آن رخ می‌دهد، تغییر کند. اقدامات پیشگیرانه زیر مرسوم است:

  1. آسان‌ترین اقدام، افزایش کیفیت پوشش خط لوله، حداقل در نواحی که خط لوله به موازات ریل قطار است، می‌باشد؛
  2. اقدام دیگر، عایق کردن زمین اطراف ریل است، که از نشت جریان سرگردان به زمین نزدیک جلوگیری می‌کند؛
  3. جلوگیری از مقاومت ریل در نقاط اتصال نیز پتانسیل زمین اطراف را کاهش می‌دهد. رسانایی ریل‌ها با کمک اتصالات کابلی انجام می‌شود و کابل‌های سست و شل پتانسیل را افزایش می‌دهند که به یک افزایش در جریان‌های سرگردان منتشره به زمین منجر می‌شود؛
  4. اجازه ندادن به خروج جریان سرگردان از خط لوله، که سعی می‌کند به ایستگاه برگردد و بنابراین معمولاً ترک خط لوله در جایی نزدیک به ایستگاه، هم از خوردگی پیشگیری خواهد کرد. این کار می‌تواند با قرار دادن یک رابط تداخلی بین قطب منفی دستگاه ترانسفورماتور و خط لوله انجام می‌شود. در مورد خط لوله‌ای که نزدیک به دستگاه ترانسفورماتور نیست، یک اتصال فلزی بین ریل و خط لوله قرار داده می‌شود که باعث می‌شود جریان سرگردان از لوله به کمک ریل به ترانسفورماتور برگردد. اینجا مسئله تعیین مقاومت این اتصال است، چرا که جریان‌های سرگردان فقط وقتی ‌که قطار حرکت می‌کند، تولید می‌شوند و شدت این جریان‌ها با حرکت قطار تغییر می‌کند. بنابراین، مقاومت باید به صورت خودکار با تغییر شدت جریان تنظیم شود، در غیر این صورت، زمان‌هایی که قطار حرکت نمی‌کند، جریان غیرلازم از دستگاه ترانسفورماتور به خط لوله اعمال می‌شود.
  5. اگر خط لوله با ریل تقاطع عرضی داشته باشد، پس جایی‌ که جریان وارد خط لوله می‌شود را می‌توان با قطعیت شناسایی کرد؛ بنابراین، از ورود جریان‌های سرگردان می‌توان به وسیله اعمال حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان به این ناحیه از خط جلوی لوله جلوگیری کرد. سامانه‌های حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان باید در هر دو طرف نقطه تقاطع نصب شوند و فقط باید وقتی قطارها حرکت می‌کنند، کار کند که می‌تواند با کمک ترانسفورماتور که کنترل پتانسیل خودکار دارند، انجام شود. به‌ عبارت‌ دیگر، وقتی پتانسیل لوله از زمین به دلیل عبور قطار به حد معینی برسد، دستگاه ترانسفورماتور شروع به کار کند و با دور شدن قطعا متوقف شود. پتانسیل‌های خط لوله / زمین به طور مداوم با الکترود مرجع ثابت قرار داده شده در ناحیه‌ای که اثر تداخل جریان سرگردان حداکثر است، اندازه‌گیری شود که به دستگاه ترانسفورماتور متصل می‌شود و بنابراین، وقتی پتانسیل لوله / زمین به حد مورد نظر برسد، سیگنال‌ها شروع به اعمال کنند.

  1. اثر تداخل خطوط انتقال ولتاژ بالا

به دلیل جریان‌های ولتاژ بالای حمل‌ شده به وسیله خطوط انتقال یک میدان پتانسیل ایجاد می‌شود که به انتشار جریان‌های سرگردان به خط لوله نزدیک تیر زمینی پایه‌های خطوط انتقال منجر می‌شود. شدت جریان‌های سرگردان به فاصله بین خط لوله و خط انتقال جریان، فاصله‌ای که آن‌ها به موازات هم می‌باشند و کیفیت پوشش خط لوله بستگی دارد. اگر خطوط انتقال جریان، قبل ‌از ساخت خطوط لوله وجود داشته‌اند، پس باید مقدار نزدیکی خط لوله به خطوط انتقال جریان و طول مسیری که آن‌ها می‌توانند به موازات هم باشند، تعیین گردد.

به طور معمول، جریان متناوب حمل شده به وسیله خطوط انتقال جریان که به خطوط لوله نزدیک آن‌ها وارد می‌شوند، سبب خوردگی نمی‌شوند؛ به‌ هر حال، مسئله این نیست که خوردگی ایجاد می‌کنند، بلکه مسئله این است که خطوط لوله نباید پتانسیل بالا حمل کند.

  • در نقاط ابتدایی و انتهایی خط لوله که خطوط انتقال جریان را قطع می‌کند یا به موازات آن است، محافظ برق ( Surge protector ( محافظ تغییر ناگهانی ولتاژ، دستگاهی که افزایش ناگهانی برق متناوب را جذب می­کند)) نصب شود. پتانسیل کاری این محافظ‌های برق حداقل kV 5/2 باشد؛
  • یک سپر فلزی یا یک لوله قراضه را می‌توان در نواحی که خط لوله با خطوط انتقال جریان موازی است، و نزدیک‌تر به خط لوله قرار داد.

  1. تداخل فلنج عایقی

وقتی ‌که یک اختلاف پتانسیلی در محل پایان خط لوله ایجاد می‌شود، مانند نقطه نزدیک به مخزن، جایی‌ که خط لوله به کمک فلنج عایقی به دو قسمت جدا می‌شود، تداخل فلنج عایقی رخ می‌دهد. خوردگی تداخل در نواحی نزدیک به فلنج و در بخشی از خط لوله که به صورت کاتدی محافظت می‌شود، اتفاق می‌افتد.

  1. تداخل کشتی – اسکله

معمولاً در دریا اثرات تداخل قابل‌ چشم‌ پوشی است، چرا که آب دریا خیلی رسانا است. به‌ هر حال، نتیجه اعمالA  20 برای حفاظت کاتدی تیرهای اسکله‌ای که ۱۰۰ متر زیر دریا نصب شده است، شیب جریان 100 mv/1m  است و وقتی یک کشتی به این اسکله‌ای که به‌ صورت کاتدی محافظت می‌شود، نزدیک می‌شود، یک اختلاف پتانسیل ۲ تا ۳ ولت می‌تواند شکل بگیرد و زمانی‌ که کشتی در اسکله است در معرض خوردگی تداخل قرار می‌گیرد.‌ به‌ علاوه، جریان مورد نیاز برای حفاظت کاتدی اسکله نیز اساسی افزایش می‌یابد.

  1. جریان‌های سرگردان ناشی از جوشکاری در کشتی

هنگام جوشکاری کشتی به وسیله ماشین جوشکاری که قطب مثبت آن در اسکله ارت (earthe) شده‌ است، جریان‌های سرگردان از ماشین جوشکاری به دریا می‌روند و از طریق آن وارد بدنه کشتی می‌شود که نتیجه آن خوردگی تداخلی در جایی است که از کشتی خارج می‌شود. به‌ هر حال، اگر قطب مثبت ماشین جوشکاری به کمک یک کابل عایقی به کشتی ارت شود، هیچ خوردگی رخ نمی‌دهد، چرا که جریان‌های سرگردان ناشی از ماشین جوشکاری به دریا می‌رود و سپس به بدنه کشتی وارد می‌شود و از آن جا با کمک کابل عایقی به ماشین جوشکاری باز می‌گردد.

معیارهای پروژه های حفاظت کاتدی

برای نصب و اجرای موفقیت‌آمیز پروژه‌های حفاظت کاتدی، مراحل زیر باید به شکل منظم و متوالی دنبال شود:

  1. اندازه سازه‌ای که باید به صورت کاتدی محافظت شود، تعیین گردد؛
  2. ویژگی‌های الکتروشیمیایی محیط پیرامون سازه مشخص شود؛
  3. باید مشخص گردد که حفاظت کاتدی به روش آندی فدا شونده یا حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان برای سیستم مربوطه مناسب‌تر است؛
  4. سازه‌های فلزی بیگار در ناحیه سازه‌ای که باید محافظت شود، مشخص گردند؛
  5. نواحی امتداد خط لوله برای محیط‌ زیست بی‌هوازی بررسی گردد؛
  6. عمر دستگاه حفاظت کاتدی برآورد گردد؛
  7. مقاومت پوشش یا به‌ صورت نظری محاسبه و یا به‌ صورت تجربی تعیین گردد؛
  8. جریان مورد نیاز برای حفاظت کاتدی محاسبه گردد؛
  9. در مورد سیستم حفاظت کاتدی به روش آند فداشونده، تعداد و محل آندها تعیین شود؛
  10. در مورد سامانه‌های حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان، نوع بستر آندی، چاهی عمیق یا بستر آندی سطحی، تعیین گردد. اگر بستر آندی چاهی عمیق ترجیح داده شود، عمق چاه، نوع و تعداد آندهایی که باید در چاه قرار داده شود مشخص گردد؛
  11. مقاومت بستر آندی تعیین شود و عمر بستر آندی برآورد گردد؛
  12. انواع کابل‌های اتصال و سطح مقطع آن‌ها تعیین گردد؛
  13. پتانسیل جریان مستقیم دستگاه ترانسفورمر / رکتیفایر (T/R) تعیین شود؛
  14. ظرفیت و محل دستگاه ترانسفورمر / رکتیفایر (T/R) تعیین شود؛
  15. باید مشخص گردد که دستگاه ترانسفومور رکتیفایر (T/R) خودکار یا دستی باشد.

مرتبط