حفاظت کاتدیک چیست؟

حفاظت کاتدیک؛ ضامن طول عمر و بازدهی قطعات فلزی

حفاظت کاتدیک یکی از سیستم های اساسی در حوزه افزایش بازدهی و راندمان بهره گیری از فلزات در سراسر دنیا می باشد. حتماً تا به حال با این موضوع مواجه شده اید که هنگام خرید یک شیء یا محصول فلزی از فروشنده ضمانت کیفیت و عدم زنگ زدگی قطعات فلزی را درخواست کرده باشید.

یکی از این سیستم ها که امروزه به عنوان یک سیستم مطلوب و بهینه در زمینه جلوگیری از خوردگی فلزات در صنایع مختلف، جا افتاده است و معمولاً به کارگیری می شود، سیستم حفاظت کاتدیک (Cathodic Protection Systems) است که در ادامه این مطلب به ویژگی ها، نحوه عملکرد و سایر خصوصیات مهم و کاربردی این سیستم خواهیم پرداخت. ضمن اینکه  اجرای حفاظت کاتدی  نیز در صفحه ایی جداگانه بررسی شده است.

تقریباً تمامی ما در طول عمرمان با قطعات فلزی زنگ زده مواجه شده ایم و به واسطه تجربیات این‌چنینی از همان کودکی متوجه تمایل ذاتی فلزات به زنگ زدن و اکسید شدن شده ایم، می بینیم که برای خرید یک محصول جهت استفاده خانگی چقدر به کیفیت و طول عمر و سلامت محصول توجه می کنیم.

حال این مسئله را به صنایع بزرگ و پیچیده از صنایع نظامی، عمرانی، دریایی، کشاورزی و … گرفته تا کارخانجات و ساخت انواع کالاهای کوچک و بزرگ صنعتی، بسط دهید، خواهید دید که اهمیت کیفیت و طول عمر قطعات فلزی به عنوان یکی از پرمصرف ترین مواد اولیه در تمامی صنایع فعال در کشورها، چقدر مهم خواهد بود و لزوم حفظ سلامت و بازدهی کالاها و دستگاه های ساخته شده از عناصر فلزی چقدر مهم می نماید.

به دلیل اهمیت و ضرورت حفظ فلزات از اکسید شدن، دستورالعمل ها، شیوه ها و سیستم های حفاظت از این عناصر تدوین و لزوم بهره گیری از این سیستم ها برای سازمان ها، نهادها و سایر عوامل اجرایی مربوطه تبیین شدند.

مطالب مرتبط : مشاوره حفاظت کاتدیک

آموزش حفاظت کاتدیک؛ اصول و نحوه کار سیستم

سیستم های حفاظت کاتدی برای کنترل فرآیند خوردگی در فلزات و کاهش سرعت خوردگی آن، از روش های الکتروشیمیایی که به آنها ماهیتی پویا می بخشد، استفاده می کنند؛ به عبارت دیگر مؤلفه اصلی و اساسی در این روش های الکتروشیمیایی همانطور که از نام آنها پیداست، مؤلفه الکتریسیته می باشد. اگر بخواهیم گریز کوتاه و مختصری به مسئله خوردگی در فلزات بزنیم می توانیم از اجزای پیل خوردگی به عنوان عناصر اصلی و بارز خوردگی اشاره کنیم.

آند، کاتد، الکترولیت اجزای اصلی در فرآیند خوردگی هستند و از این رو می بایست سیستم هایی نظیر سیستم حفاظت کاتدیک که برای محافظت از خوردگی فلزات به کارگیری می شوند، این سه عنصر را از منظر مباحث الکتروشیمیایی به نحو مطلوبی پوشش دهند. کاتد و آند دو جزء با عملکرد مخالف هستند؛ یعنی در آند واکنش های اکسیداسیون صورت می پذیرد و الکترون از فلز به محیط اطراف یا همان الکترولیت وارد می شود و در کاتد عملکرد معکوس که در واقع واکنش کاهشی خوانده می شود، انجام می پذیرد.

از آن جایی که جزء کاتد در پیل خوردگی، بستری برای انجام فرآیندهای کاهشی در روند خوردگی می باشد، از این رو سیستم هایی اینچنینی می بایست کلیات سازه مورد نظر جهت حفاظت را با روش های الکتروشیمیایی به کاتد تبدیل کنند تا بتوانند با تنظیم جریان ورودی به محیط پیرامون سازه، سرعت و روند اکسید شدن را کاهش دهند و به نوعی کنترل نمایند. با این توصیفات متوجه شده اید که فرآیندهای خوردگی و محافظت با مشارکت سه عنصر الکترولیت به عنوان بستر و مجرای جریان الکتریسیته و الکترون ها، آند به عنوان الکترودی که موجب تسریع در روند اکسیداسیون می شود و کاتد به عنوان فلز مورد حفاظت که موجب کاهش در روند اکسیداسیون می شود، اتفاق می افتند.

مطالب مرتبط : ملزومات کاتدیک

عوامل و پارامترهای مؤثر در طراحی و اجرای سیستم حفاظت کاتدیک

همانطور که پیشتر اشاره شد، سیستم های حفاظت کاتدی از روش های الکتروشیمیایی در حیطه عملکرد خود بهره گیری می کنند. برای حصول نتیجه و راندمان مطلوب در حین استفاده از این سیستم ها، می بایست پارامترهای الکتریکی و شیمیایی مؤثر در اجرای سیستم به نحو اصولی و استاندارد هنگام طراحی آن لحاظ شوند.

• مقدار پتانسیل: در بسیاری از صنایع و نیز زیرساخت های مهندسی، از چندین نوع فلز در ساخت تأسیسات و سازه های مهندسی بهره گیری می شود. میزان پتانسیل موجود در الکترولیت برای نگهداری و محافظت این سیستم می بایست بر اساس دیاگرام ایوانز و به میزانی تعیین گردد که حفاظت بهینه ای برای تمامی فلزات موجود حاصل شود. این عامل با استفاده از ولت متر و هافسل محاسبه می شود.

• میزان جریان مدار: برای تثبیت میزان پتانسیل موجود در محیط، می بایست شدت جریان ورودی به مدار که با واحد آمپر مورد سنجش قرار می گیرد، به درستی محاسبه شود.

• فاصله مناسب برای بسترهای آندی: نکته مهمی در زمینه ارتباط بین فاصله بسترهای آندی با میزان جریان تزریق شده به مدار وجود دارد و آن این است که این دو رابطه مستقیمی با یکدیگر دارند؛ یعنی هرچه فاصله بسترهای آندی بیشتر باشد، شدت جریان لازم برای ورود به مدار نیز می بایست افزایش یابد.

• وجود یا عدم وجود پوشش های حفاظتی: وجود لایه ها یا پوشش های حفاظتی می تواند به این سیستم در رسیدن به محافظت و نگهداری مطمئن تر و پایدارتر کمک کند. وجود یا عدم وجود این پوشش ها می تواند به دستور کارفرما و با مشورت طراح سیستم، تعیین شود.

• توجه به اندازه قطعات و سازه های مهندسی: تعیین اندازه قطعات سازه ها و فلزات موجود در محیط از نظر اندازه قطر، طول و عرض و مساحت قطعات و … برای تعیین میزان مقاومت الکتریکی آن ها ضروری می باشد.

• نوع و جنس خاک و خصوصیات بستر الکترولیت: این عامل از این رو قابل اهمیت است که خصوصیات شیمیایی خاک یا بستر الکترولیت بستگی مستقیمی به شرایط الکتروشیمیایی قابل ایجاد توسط سیستم حفاظت کاتدیک خواهد داشت. همچنین مقاومت خاک نیز می بایست ضمن طراحی سیستم، مورد ارزیابی واقع شود.

• پیش بینی بروز جریان های ناخواسته: لازم است پیش از اجرای سیستم حفاظت کاتدیک، احتمال بروز جریان های ناخواسته و اصطلاحاً سرگردان نظیر عبور جریان فشار قوی از نزدیکی قطعه مد نظر جهت محافظت و نیز وجود سیستم هایی نظیر ترانس ها و دیگر تجهیزات الکتریکی تأثیرگذار، به دقت مورد بررسی قرار گیرد و سیستم به نوعی طراحی شود که حین بروز چنین اتفاقاتی، خللی در عملکرد کلی سیستم حفاظت کاتدیک ایجاد نشود.

• و …

حفاظت کاتدی : به عنوان یکی از بهترین و مؤثرترین روش های محافظت از خوردگی و به منظور جلوگیری از خوردگی سازه‌های فلزی مدفون در خاک یا مغروق در آب شناخته شده‌ است که به‌طور گسترده در محافظت از خوردگی لوله‌های توزیع و انتقال گاز، مواد نفتی ، خطوط انتقال آب ، خطوط انتقال زیر دریا و مخازن نگهدارنده نفت یا آب ، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

حفاظت کاتدی عبارت است از جلوگیری یا کاهش سرعت خوردگی فلزات توسط اعمال یک جریان الکتریکی خارجی (DC) یا تماس آن با یک آند فداشونده ، بر روی سطح فلز مورد نظر که دارای مناطق کاتدی و آندی باشد (در مناطق آندی خوردگی صورت می‌گیرد و در مناطق کاتدی محافظت صورت میگیرد).

این سیستم از مهم‌ترین و مؤثرترین روش های بازدارنده گی خوردگی می‌باشد، به‌طوری‌که با اجرای این روش می‌توان فلزات را بدون اینکه خورده شوند به مدتی زیاد در محیط‌های خورنده نگهداری نمود.

مکانیزم در تزریق جریان مربوط به جریان خارجی است که در نتیجه آن عناصر کاتدی پیل‌های موضعی به پتانسیل مدار باز آندها پلاریزاسون می‌شوند، یعنی در این حالت تمام سطح فلز هم پتانسیل گشته (پتانسیل‌های آند و کاتد معادل هم می‌شوند) و جریان‌های خوردگی متوقف می‌گردند.

همچنین می‌توان چنین بیان کرد که به علت ایجاد یک شدت جریان خارجی شبکه‌ای از جریان مثبت در کلیه مناطق سطح فلز وارد شده و بدین ترتیب از ورود یون‌های فلز به محلول یا محیط اطراف جلوگیری به عمل می‌آید. عملیات حفاظت کاتدی را می‌توان در مورد خوردگی فلزاتی از قبیل فولاد، مس، سرب، و برنج در زمین (خاک) و محلول‌های مختلف آبی به کار برد.

به کمک این سیستم می‌توان از خوردگی حفره‌ای فلزات روئین از جمله فولادهای ضدزنگ جلوگیری نمود.

انواع سیستم های حفاظت کاتدی

دو نوع سیستم وجود دارد، اولی به وسیله آندهای فداشونده (آلومینیوم ، منیزیم ، روی ) و دیگری سیستمی به روش آندهای تزریق جریان ( آند چدنی پر سیلیس یا سیلیکونی ، آند MMO و… )

سیستم حفاظت کاتدی به روش آندهای فداشونده یا آندهای فناشونده

در صورتی که آند، کمکی نسبت به فلزی که باید محافظت شود بر طبق جدول سری گالوانیکی فعالتر باشد پیل گالوانیکی به وجود می‌آید. در صورت استفاده از آندهای فداشونده ، دیگر نیازی به منبع خارجی نمی‌باشد.

اختلاف پتانسیل بین آندهای از بین رونده یا آند فداشونده و فلز مورد حفاظت سبب تخلیه جریانی از طرف محیط به سمت فلز وجود داشته می‌گردد. فلزات از بین رونده که برای حفاظت به کار می‌روند اغلب آلیاژهایی از آلومینیوم ، منیزیم و روی ، می باشند.

اهمیت آن‌ها مخصوصاً در مواردی است که امکان دسترسی به نیروی برق وجود نداشته ویا در نقاطی که نصب خطوط نیرو با صرفه نباشد و دیگر کاربرد آنها برای سیستم های حفاظت کاتدی موقت بوده تا سیستم اصلی برقرار گردد.

در این روش یک الکترود که آند نامیده می‌شود در مخزن آب در نزدیکی فلز تحت محافظت قرار گرفته‌ است. آند مذکور از موادی ساخته شده‌است که نسبت به آهن فعالتر می‌باشد.

این بدان معنا است که در الکترولیت آب دریا آند نسبت به آهن منفی تر می‌شود. معمولترین ماده‌ای که مورد استفاده قرار می‌گیرد آند آلومینیوم و آند روی است ، آند منیزیم معمولا در الکترولیت خاکی مورد استفاده قرار میگیرد که به صورت یک سلسله از آندها در نزدیکی تحت حفاظت سازه و در تمام طول آن پخش می‌شود.

آندها توسط اتصالات مکانیکی یا باندینگ یا با اتصال کابل به صورت موضعی در بسیاری از نقاط به فولاد متصل می‌شوند. آند آلومینیوم یا آند روی و آهن به همراه آب دریا که به صورت یک الکترولیت عمل می‌کند تشکیل یک سل آب دریا را می‌دهند که در آن آهن مثبت و روی یا آلومینیوم منفی می‌باشد.

جریان از آهن مثبت (کاتد ) از طریق اتصال با مقاومت کم، به سمت آند منفی رفته و سپس از طریق آب دریا به آهن بازمی‌گردد، شبیه یک باتری اتصال کوتاه شده. از آنجائیکه جریان از آندهای فداشونده با از بین رفتن تدریجی آند فداشونده همراه‌است، پس از مدتی آند فداشونده کوچک شده و اثر و راندمان خود را از دست می‌دهد و باید تعویض شود. به همین دلیل به آن‌ها آند فناشونده اطلاق می‌شود.

تأثیر آن‌ها به‌شکل مداوم پیگیری شود تا زمان لزوم جایگزینی مشخص گردد. این عمر معمولاً 2 تا 5 سال برای آندهای فداشونده روی در کشتی ها و حدود 10 سال بریا اسکله های فراساحلی و بنادر میباشد .

باید توجه داشت که سیستم آندهای فداشونده به هیچ منبع انرژی خارجی نیاز ندارند و جریان الکتریکی از انرژی شیمیایی ماده آند فداشونده تأمین می‌شود.

سیستم حفاظت کاتدی تزریق جریان

برخلاف روش آندهای فداشونده در روش جریان اعمالی به یک منبع خارجی جهت تأمین جریان مورد نیاز برای محافظت نیاز می‌باشد. جنس آندهای استفاده شده در این روش به دلیل اینکه می بایست تجزیه کمی داشته باشند ، مهم می‌باشد. در این روش آندها نسبت به سازه مثبت نگه داشته شده که این عمل توسط یک منبع جریان مستقیم DC انجام می‌گیرد.

لذا در این روش بر خلاف روش آندهای فداشونده که آندها منفی بودند، آندها از سازه مثبت تر هستند. منبع جریان یکسو را به این ترتیب در سیستم قرار می‌دهند که قطب مثبت آن متصل به آند کمکی و قطب منفی آن به فلز دستگاه مورد نظر وصل شود. به‌طوری‌که یون‌های مثبت در داخل الکترولیت از آند به سمت فلز مورد نظر برمی‌گردد و سازه ی ما کاتد شده و مورد محافظت قرار میگیرد .

ولتاژ اعمال شده باید به مقداری تنظیم شود که بتواند شدت جریان کافی برای تمام نقاط دستگاهی که تحت حفاظت کاتدی قرار گرفته‌است تأمین نماید. در مورد خاک‌ها یا آب‌های با مقاومت زیاد ولتاژ اعمال شده باید بیشتر از محیط‌هایی با مقاومت کم باشد. همچنین هنگامی که طول زیادی از یک خط لوله فقط به وسیله یک بستر حفاظت شود به ولتاژ اعمال شده بیشتری نیاز دارد. در شبکه‌های لوله‌کشی شهرها و خطوط لوله طویل و سرتاسری و کابل کشی‌های مخابرات و نیرو (برق) ، لوله های انتقال آب ، گاز ، نفت و … ، مخازن نگهدانده آب و نفت ، اسکله های فراساحلی ، سازه های بتنی نزدیک دریا ، اغلب از سیستم‌های با اعمال جریان خارجی استفاده می‌گردد.

وقتی که در مورد تأسیسات طویل زیر زمینی نظیر لوله‌ها و کابل‌های پتانسیلی جریان برق اعمال می‌شود، جریان معمولاً در تمام طول آن تأسیسات وارد شده و به طرف محل اتصال می‌رود، و چون این قبیل تأسیسات از نظر الکتریکی متصل است لذا جریان‌های طولی مسئله‌ای را به وجود نمی‌آورند؛ ولی در بعضی لوله‌کشی‌ها ممکن است نقاط اتصالی وجود داشته باشد که دارای مقاومت الکتریکی زیادی بوده و در نتیجه جریان‌های طولی، مناطق آندی در یک طرف نقاط اتصال ایجاد می‌گردد. به همین منظور و قبل از اجرای عملیات حفاظت کاتدی لازم است که در این قبیل موارد اتصال الکتریکی مناسب تأمین شود.

کاربردهای سیستم حفاظت کاتدیک

این سیستم به دلیل کارایی بالا و بازدهی مطلوب در حفاظت از انواع سازه های فلزی مدفون و مستغرق در بسترهای الکترولیت، در صنایع مختلف کشور مورد استفاده قرار می گیرد. در ادامه به نمونه هایی از بهره گیری از سیستم حفاظت کاتدیک اشاره خواهیم کرد.

حفاظت کاتدی آهن

در حوزه حفاظت از فلزات معمولاً قطعات فلزی آهنی جزء جدایی ناپذیر تأسیسات و سازه های فلزی هستند. سیستم های حفاظت کاتدیک یکی از مناسب ترین سیستم ها جهت محافظت از این قطعات کاربردی هستند. لوله ها و مخازن آهنی نیاز به محافظت در برابر عوامل تشدید کننده خوردگی دارند و سیستم های حفاظت کاتدی ارائه دهنده پاسخ کامل و جامع برای این مسائل می باشد.

حفاظت کاتدی لوله های آب ، نفت ، گاز

در این حوزه از لوله های عبور سیالات ، به طور معمول از آندهای تزریق جریان مانند آند گرافیتی، آندهای چدنی ، آند MMO و یا از آندهای فداشونده ، مانند آند منیزیم آند روی ، آند آلومینیوم ، بهره گیری می شود. قابل ذکر است که آندهایی از جنس آهن قراضه نیز در سال های اخیر رایج شده است. اگر به طور کلی بخواهیم نگاهی به جنس آندهای مورد استفاده در این سیستم بیندازیم می توانیم آندهایی با جنس قراضه فولاد، آلومینیوم، گرافیت و چدن پرسیلیسیم را مشاهده کنیم.

نکته مهم در رابطه با لوله های در تماس با خاک، این است که می بایست به فاصله هر دو کیلومتر از خطوط لوله، نقاطی تحت عنوان تست پوینت در نظر گرفته شود تا به طور مداوم پتانسیل خاک بررسی شود تا حداکثر محافظت از لوله ها صورت پذیرد. نوارپیچ کردن خطوط لوله، نوعی پوشش برای محافظت از آن ها می باشد.

اگر چنانچه در سیستم های حفاظت کاتدی لوله ها، از پوشش استفاده گردد، مقاومت الکتریکی پوشش یکی از پارامترهای مهم در نگهداری خواهد بود.

در واقع به هر میزان که مقاومت الکتریکی پوشش و کیفیت آن بیشتر باشد، میزان جریان الکتریکی مورد نیاز برای محافظت از آن کمتر خواهد بود و این مسئله می تواند تأثیر مستقیمی در بحث هزینه که از عوامل مهم در محافظت از خوردگی فلزات است، داشته باشد.

حفاظت کاتدیک مخازن

مخازن مدفون در خاک یا در مجاورت بسترهای خورنده از جمله سازه هایی هستند که می توانند به خوبی توسط این روش حفاظتی، در برابر اکسید شدن یا خوردگی محافظت شوند.

مخازن چه از بعد داخلی و چه از بعد بدنه خارجی بسته به اینکه محیط بیرونی آن ها یا مواد ذخیره شده درون محفظه آن ها عامل ایجاد یا تشدید کننده خوردگی باشد، با اعمال تغییراتی در نوع سیستم نگهداری به کار گرفته شده، قابل محافظت هستند.

تهیه محصولات حفاظت کاتدیک

شرکت ها و مجموعه های معتبر فعال در زمینه تهیه، تأمین، عرضه و فروش محصولات حفاظت کاتدیک ضمن ارائه محصولات باکیفیت و با برندهای معتبر، سعی در فروش این محصولات با قیمت های مناسب و مقرون به صرفه برای صاحبان صنایع دارند. قیمت حفاظت کاتدیک به عوامل مختلفی بستگی دارد.

برخی از این عوامل شامل جنس بسترهای آندی و نوع پوشش جهت محافظت بیشتر برای سازه ها هستند. جهت خرید محصولات حفاظت کاتدیک پیشنهاد می کنیم با کارشناسان و متخصصان فروش این محصولات در شرکت دانش آریا مشورت کنید تا ضمن دریافت کاتالوگ محصولات و مقایسه قیمت حفاظت کاتدی، از سازه های مد نظر خود ضمن به عمل آوردن بررسی های علمی و کارشناسانه، به شیوه ای علمی و اصولی با اطمینان از حصول بهترین نتیجه، در برابر خوردگی محافظت نمایید.

در ادامه مطالب این سایت میتوانید اطلاعات تکمیلی در خصوص محصولات و ملزومات حفاظت کاتدی، دریافت نمایید .

مطلب مشابه