طراحی حفاظت کاتدی و عوامل موثر بر آن

عوامل موثر بر طراحی حفاظت کاتدی

این فصل به عوامل فراوانی که طراحی سامانه­ های حفاظت کاتدی را تحت تأثیر قرار می­دهند، می­پردازد. پیش از این که طراحی حفاظت کاتدی آغاز شود، باید به تمام عوامل احتمالی محیطی و سازه­ای که طراحی را تحت تأثیر قرار خواهند داد، توجه شود.

عوامل محیطی

رطوبت

بدون رطوبت هیچ یک از واکنش­های الکتروشیمیایی خوردگی و حفاظت کاتدی نمی­توانند رخ دهند. برای مثال، آب کاملاً منجمد جلوی مهاجرت یون­ها را می­گیرد و یخ مقاومت ویژه بسیار بالایی دارد. خاک کاملاً خشک که در موارد نادری دیده می­شود، بار الکتریکی را عبور نمی­دهد. رطوبت نه تنها می­تواند دارای ترکیبات شیمیایی باشد که یون­های لازم برای انتقال بار را فراهم می­کند، بلکه می­تواند شامل اکسیژن محلول باشد که پلاریزاسیون را تحت تأثیر قرار می­دهد و نیز سایر گازها مانند دی اکسید کربن و دی اکسید گوگرد که pH را کاهش می­دهند.

بافت خاک

بافت خاک (اندازه ذرات) از این نظر که بر سهولت نفوذ مایعات و گازها در خاک اثر می­گذارد، مهم است. تفاوت­های بافت خاک می­تواند پیل­های مختلف و خورنده را به وجود آورد. این مناطق که کمبود اکسیژن حل شده دارند، نسبت به مناطق هوادهی شده، آند می­شوند. خاک رس و لجن شرایط بی هوازی را فراهم می­آورند که برای توسعه گونه­های میکروبیولوژیک خاصی که خوردگی پیش رونده تولید می­کنند، مناسب هستند.

pH

به صورت کلی جریان مورد نیاز برای حفاظت کاتدی در اسیدها از بازها و محیط­های خنثی بیشتر است. دو پدیده این افزایش را توضیح می­دهند: 1) تغییر پتانسیل مدار باز کاتد در جهت مبت 2) کم شدن شیب منحنی پلاریزاسیون کاتدی سازه که در شکل زیر نشان داده شده است. کم شدن شیب منحنی پلاریزاسیون به این منحنی است که جریان بیشتری برای تغییر پتانسیل پلاریزاسیون سطح در یک مقدار ثابت نیاز است.

اثر pH محیط بر چگالی جریان مورد نیاز برای حفاظت.

با افزایش اسیدی بودن، شیب پلاریزاسیون کاتدی سازه به دلیل افزایش غلظت یون­های هیدروژن قابل احیا (H⁺) کم می­شود. رابطه pH با غلظت یون­های هیدروژن به این صورت است:

رابطه 2-1

هر چه غلظت­ یون­های هیدروژن [H⁺] بیشتر باشد، pH کمتر می­شود.

جدول 2- 1: غلظت یون­های هیدروژن و هیدروکسل به صورت تابعی از pH

pH یک الکترولیت (خاک یا آب) به ندرت خنثی (7) است. این به دلیل جضور گونه­های مختلف یونی در الکترولیت در نتیجه هیدرولیز نمک­ها است (کربنات سدیم، سولفات آمونیم و غیره). بسته به ماهیت نمک، pH می­تواند در جهت قلیایی یا اسیدی تغییر کند. برای مثال سولفات آمونیم (نمک اسید) که به عنوان کود شیمیایی استفاده می­شود، تمایل دارد تا pH خاک را کاهش می­دهد. بتن که pH آن تقریباً 13 است، اثر بازدارندگی بر خوردگی فولاد دارد و جریان مورد نیاز را کاهش می­دهد.

دما

افزایش دما به دلیل افزایش نرخ نفوذ گونه­های احیا شونده به مناطق کاتدی و کاهش پلاریزاسیون غلظتی، اثر دپلاریزه کننده دارد. به همین ترتیب، نرخ واکنش احیا افزایش می­یابد، بنابراین سطح پلاریزاسیون کاهش و جریان مورد نیاز برای حفاظت کاتدی افزایش می­یابد .

علاوه بر این افزایش دما یونیزاسیون را افزایش خواهد داد. با افزایش یونیزاسیون هدایت الکتریکی الکترولیت افزایش می­یابد که در نتیجه جریان خوردگی و میزان جریان حفاظت کاتدی مورد نیاز برای حفاظت کافی را افزایش می­دهد. علاوه بر این به دلیل افزایش سرعت واکنش­های الکتروشیمیایی، پلاریزاسیون اکتیواسیون کاهش می­یابد.

میزان اکسیژن

اکسیژن و سایر اکسید کننده­ها جریان مورد نیاز را افزایش می­دهند که این در نتیجه کم شدن شیب پلاریزاسیون کاتدی است. برای مثال اکسیژن در واکنش احیای کاتدی شرکت می­کند:

و به این وسیله پلاریزاسیون را کاهش می­دهد. این اثر در شکل  نشان داده شده است.

به همین ترتیب، سازه­ها در خاک­هایی که به خوبی هوادهی شده­اند، مانند شن و ماسه، به جریان حفاظت کاتدی بیشتری از سازه­هایی که توسط خاک­های نسبتاً هوازدایی شده احاطه شده­اند، مانند خاک رس، احتیاج دارند. انحلال پذیری اکسیژن در آب سرد از آب گرم بیشتر است؛ بنابراین محیط­های آب سرد دارای تماس با هوا، جریان مورد نیاز بیشتری از آب­های گرم دارند.

حرکت

افزایش حرکت نسبی میان الکترولیت و سازه سبب افزایش جریان مورد نیاز می­شود. این امر عمدتاً به دلیل افزایش میزان دسترسی به گونه­های قابل احیا در سطح سازه و افزایش نرخ واکنش احیای ناشی از آن است. این اثر که در شکل  زیر نشان داده شده است، در سازه­هایی نظیر پروانه کشتی­ها، اسکله­ها، سازه­هایی دریایی در معرض جریان آب دریا یا جزر و مد و در سطوح داخلی محفظه­های آب چگالنده­ها بروز می­یابد.

به هر حال جریان مورد نیاز ضرورتاً تابعی خطی از سرعت سیال نیست. در سیال با جریان آرام برخلاف جریان گردایی، جریان مورد نیاز کمتر است

برای مثال، یک کشتی در حرکت به جریان حفاظت کاتدی بیشتری از یک کشتی در حال سکون نیاز دارد؛ به همین ترتیب پاشنه کشتی به جریان بیشتری از سینه کشتی نیاز دارد.

فعالیت­های میکروبیولوژیکی

فعالیت میکروبیولوژی می­تواند نرخ خوردگی فلز را به چندین روش شامل خوردگی در اثر محصوات جانبی باکتری­ها، تشکیل پیل­های اختلاف هوادهی و دپلاریزه کردن افزایش دهد. در مورد باکتری­های احیا کننده سولفات، دو نظریه شامل: دپلاریزه کردن با برداشتن هیدروژن محصول واکنش و تولید سولفید آهن و واکنش­های در بر گیرنده فسفر وجود دارد. دپلاریزه کردن شامل برداشت هیدروژن از کاتد می­شود که سرعت واکنش آندی را افزایش می­دهد. تشکیل سولفید آهن، یون­های آهن را از بین می­برد که این نیز آند را دپلاریزه می­کنند.

واکنش­های داده شده در جدول  زیراین مطلب را نشان می­دهد:

جدول زیر : رابطه واکنس­های مرتبط با SRB(Sufate Reducing Bacteria) 

به دلیل اثر دپلاریزه کننده باکتری­ها، معیارهای معمول حفاظت کاتدی اعمال نمی­شوند. تحقیقات نشان داده است که در حضور باکتری­ها، فولاد می­بایست تا پتانسیل حداقل mV CSE -950 پلاریزه شود.

سازه

سازه ­ها اثر مهمی بر حفاظت کاتدی دارند. برخی از مهم­ترین ملاحظات به این شرح­اند:

• مواد مورد استفاده در ساخت
• روش تولید
• هندسه سازه و همسایه­های آن
• پوشش محافظی که ممکن است وجود داشته باشد.
• عایق سازی الکتریکی از سازه­های دیگر یا در خود سازه
• الزامات اتصال الکتریکی به زمین

مواد مورد استفاده در ساخت

موقعیت الکتروشیمیایی

اتصالات دو فلزی منبع مشخصی از اختلاف انرژی هستند. این اختلاف پتانسیل موجب خوردگی گالوانیک می­شود. پتانسیل الکتریکی فلزات مختلف که در ساخت استفاده شده­اند باید از طریق اعمال حفاظت کاتدی برابر شوند. اجزایی که کمترین فعالیت را دارند باید تا پتانسیل فعال­ترین اجزا پلاریزه شوند. استفاده از بست­های فولادی برای اتصال ورق­های بزرگ مسی نامطلوب است، چرا که در این حالت نیاز است که تمامی سطح مس تا پتانسیلی برابر پتانسیل بست­های کوچک فولادی پلاریزه شوند. تفاوت پتانسیل­ها و در برخی موارد موقعیت­های نسبی فعالیت فلزی می­توانند با محیط تغییر کنند.

برخی از آلیاژها (به عنوان مثال فولادی­های زنگ نزن) می­توانند پتانسیل­هایی را نشان دهند که بسته به شیمی و عوامل دیگر محیط، فعال (Active) یا غیر فعال (Passive) هستند. به صورت کلی فولادهای زنگ نزن برای حفظ غیر فعال بودن به حضور اکسیژن وابسته هستند. جدولی از فلزها و آلیاژهای رایج در آب دریا به ترتیب فعالیت گالوانیک آن­ها از کاتدی به آندی در جدول  زیر نشان داده شده است.

جدول  سری­های گالوانیک­ فلزها و آلیاژها در آب دریا در 25C⁰

(Cathodic Protection of Reinforcement Steel in Concrete. KGC Berkeley, S. Pathmanaban, Butterworths & London (1990). Pg. 5.)

حساسیت به خسارت هیدروژنی

هیدروژن اتمی تولید شده روی سطح فلز به وسیله حفاظت کاتدی یا خوردگی می­تواند با فلزهای مشخصی واکنش دهد تا تشکیل هیبریدهای فلزی دهد با می­تواند درون فلز نفوذ کند. این اتم هیدروژن می­تواند به چندین روش سبب ایجاد خسارت در فلزات شود. این روش­ها شامل تاول­زنی، تشکیل ذرات ترد، تردی، با تسهیل ترک برداری خوردگی تنشی است. تردی فلز می­تواند سبب تشکیل ترک شود که با رشد آن سازه دچار شکست می­شود. مثال­هایی از فلزهایی که به صورت نامطلوبی تحت تأثیر نفوذ هیدروژن قرار می­گیرند به این شرح هستند:

• فولاد کربنی با استحکام کششی نهایی بیشتر از ksi 200 (MPa 1380)
• فولاد کم آلیاژ (برای مثال 4130، 4340، AC6D) بالای ksi 200 (MPa 1380)
• فولاد زنگ نزن مارتنزیتی
• فولاد زنگ نزن رسوب سختی شده (شرایط عملیات حرارتی خاص)
• برخی از آلیاژهای آلومینیوم سری 2000
• برخی از آلیاژهای آلومینیم سری 7000 (به جز عملیات حرارتی 73T)
• برخی از آلیاژهای آلومینیم ریخته­گری
• برخی از آلیاژهای مس تحت شرایط سختی خاص
• آلیاژهای منیزیم
• تیتانیم (تشکیل ذرات هیبرید تیتانیم)

شکل  زیر  اثر هیدروژن بر قابلیت چکش خواری فولاد را نشان می­دهد. این آزمایش­ها بر روی کابل­های آویزش پل با استحکام کششی بالا در آب با pH 6/5 انجام شده است. نمونه­ های آزمایش برای ایجاد متمرکز کننده تنش، شیاردار شدند. نمودار درصد کاهش در مساحت و تنش شکست شیار نرماله شده برحسب پتانسیل را نشان می­دهد. تنش شکست نرماله شده، تنش شکست در هوا تقسیم بر تنش شکست تحت شرایط آزمایش است.

پس از این که نمونه­ها برای خارج کردن هیدروژن باقیمانده در فلز، در هوا حرارت داده شدند، در شرایط خوردگی آزاد  و همچنین با پتانسیل کنترل شده کمتر از E_corr غوطه­ور شدند. بنابراین استحکام و چکش خواری فولاد زمانی که هیدروژن نفوذ نکرده است، به دست می­آید. کاهش شدیدی در قابلیت چکش خواری در پتانسیل­های فعال­تر از پتانسیل آزاد شدن هیدروژن بروز می­کند.

برخی شرایط تنش داخلی و کار سرد می­توانند فلزی را که به صورت عادی مقاوم است، به خسارت هیدروژنی حساس کنند، مانند فولاد کربنی با استحکام پایین. برای اطلاعات بیشتر به Metals Handbook جلد 13 خوردگی، ویرایش 9  عادی مقاوم است، به خسارت هیدروژنی حساس کنند، مانند فولاد کربنی ؟؟؟؟؟؟؟ ونه & London (1990). pg.ال بودن، ASM International، Materials Park، OH، 1987 مراجعه کنید.

جلوگیری از تردی هیدرونی به نگه داشتن پتانسیل کمتر از پتانسیل آزاد شدن هیدروژت بستگی دارد که این نیز به pH وابسته است. رابطه کلی برای پتانسیل واکنش

توسط پوربه (. M. Pourbaix, Atlas of Electrochemical Equilibria in Aqueous Solutions, NACE, Houston, TX, 1974) ارائه شده است:

که در این رابطه E₀ پتانسیل آزاد شدن هیدروژن (در مقیاس هیدروژن) بر حسب ولت است.

به صورت مشخص، هر چه pH بیشتر باشد، پتانسیل منفی­تری برای تولید هیدروژن نیاز است. برای مثال، در خاک یا آب با pH خنثی 7، E₀=-0/414 ولت (SHE) یا 730/0 ولت (CSE) است. در محیطی با pH 12، برای مثال در بتن، هیدروژن در E₀=-0/709  ولت (SHE) یا 025/1- ولت (CSE) تولید می­شود.

پتانسیل پلاریزه شده برای آلومینیم باید مثبت­تر از mV 1200 (CSE) نگه داشته شود تا از خوردگی قلیاییجلوگیری شود (به بخش فلزهای آمفوتر در زیر مراجعه شود)؛ به هر حال برای آلیاژهای حساس، پتانسیل محدود کننده ممکن است مثبت­تر باشد. پتانسیل محدود کننده برای تیتانیم mV 700- (نقره – کلرید نقره) است تا از تشکیل هیدرید جلوگیری کند. سطوح حفاظت بیش از حد در بعضی از مدارک معیارهای حفاظت کاتدی بحث می­شوند و ممکن است تا حدودی با این پتانسیل­ها متفاوت باشند. برای بتن پیش فشرده، از پتانسیل­های پلاریزه شده منفی­تر از mV 1000 (CSE) باید اجتناب شود. در طراحی سامانه­های حفاظت کاتدی باید مواظب موادی بود که به تردی هیدروژنی یا هیدرید شدن حساس هستند. این موارد برای محدود کردن پتانسیل سازه به الکترولیت به پایین­تر از پتانسیل آزاد شدن هیدروژن استفاده می­شوند.

فلزهای آمفوتر

بعضی از فلزها (به خصوص آلومینیم و سرب) مستعد خوردگی در محیط­های اسیدی و قلیایی هستند که این امر می­تواند کارایی حفاظت کاتدی را تحت تأثیر قرار دهد. حفاظت بیش از حد در فلزهای آمفوتر، pH در فصل مشترک فلز / الکترولیت را افزایش خواهد داد. در pH بالا اکسیدهای محافظ تشکیل شده روی این فلزها حل شده و فلز می­تواند مستقیماً با آب واکنش دهد که سبب خوردگی سریع می­شود. فلز روی در شرایط قلیایی که pH بزرگ­تر از 5/12 است، خورده می­شود. آلومینیوم در تمام شرایط قلیایی خورده نمی­شود. نرخ خوردگی آلیاژ آلومینیم 1100 در هیدروکسید سدیم و کربنات سدیم در pH بیشتر از 9 به سرعت افزایش می­بابد. جایی که فلزهای آمفوتر حضور دارند باید از پتانسیل­هایی که pH بالا ایجاد می­کنند، اجتناب کرد. روش توصیه شده 96 – 0169 NACE RP توصیه می­کنند که پتانسیل آلومینیم تحت حفاظت کاتدی از mV 1200 (CSE)- بیشتر نشود. شکل زیر اثر pH بر خوردگی روی را نشان می­دهد.

خلاصه ­ای از اثر مواد بر طراحی حفاظت کاتدی

مواد مورد استفاده در ساخت نقشی اساسی در طراحی حفاظت کاتدی ایفا می­کنند. احتیاط­های خاص ذکر شده اثری مستقیم بر موفقیت یا ایمنی حفاظت کاتدی بر یک سازه مشخص یا بخشی از آن دارند.

تأثیر ترکیبی مواد و محیط

ترک برداری خوردگی تنشی

ترک برداری خوردگی تنشی (SCC)، ترک برداری یک فلز تنش کششی (تنش اعمالی خارجی یا تنش باقیمانده داخلی) در حضور محیطی خوردنده است. محیط خورنده­ای که سبب SCC می­شود، معمولاً خاص است. مثال­هایی از برخی از فلزهای حساس به SCC در جدول  زیر آورده شده است.

اثر pH بر خوردگی روی (Zinc: Its Corrosion Resistance, C. J. Slunder and W.K. Boyd, International Leal Zinc Research Organization, Inc., New York, NY.)

فلزهای حساس به SCC

ترک از یک نقص روی سطح فلز مانند حفره خوردگی، آخال درون فلز یا سایر افزایش دهنده­های تنش آغاز می­شود. شکل  زیر  ترک برداری خوردگی تنشی شاخه­دار معمولی را نشان می­دهد.

حفاظت کاتدی، به دلیل توقف فرایند خوردگ، ترک برداری خوردگی تنشی را در بسیاری از محیط­ها به صورت کلی کاهش داده یا حذف می­کند، هر چند فولاد کربنی به SCC در هیدروکسیدها و کربنات­ها حساس است. دو نوع متفاوت از خوردگی تنشی خطوط لوله در خاک شناسایی شده است. در مقادیر pH بین 6/5 و 7/5، SCC ترادانه­ای (Transgranular) به وسیله تشکیل هیدروژن ایجاد می­شود. در مقادیر pH بین 8 و 10/5، SCC مرزدانه­ای می­تواند رخ دهد. در مقادیر pH بالاتر، تولید هیدروژن متوقف شده یا کاهش می­یابد و فولاد شروع به تشکیل یک لایه­ی نازک محافظ می­کند، اما تخریب این لایه نازک محافظ (Passive Film) و به دنبال آن خوردگی فولاد در معرض قرار گرفته، باعث رشد ترک می­شود. ترک برداری خوردگی تنشی به شرایط زیر وابسته است.

• کربنات­ها و بی کربنات­ها در فصل مشترک فلز که از واکنش دی اکسید کربن موجود در خاک با هیدروکسید تشکیل شده از واکنش حفاظت کاتدی به وجود می­آیند. این شرایط موضعی در فصل مشترک فلز – الکترولیت است و به شیمی الکترولیت وابسته نیست.
• محدوده پتانسیلی در سطح فلز بین mV -525 و mV -725 (CSE). محدوده پتانسیل ثابت نیست و با افزایش pH، پتانسیل کاهش یافته (اندکی منفی­تر می­شود) و دامنه کوچک­تر می­شود.
• حفرات پوشش و مناطق با پوشش جدا شده روی لوله
• دمای سطح لوله بین 22C⁰ و 90C⁰ (؟؟؟ 72 و 195⁰F)
• سطح تنشی بیشتر از 60 درصد تنش تسلیم حداقلی مشخص (Specified Minimum Yield Strength)
• ساختار متالورژیکی و شرایط سطحی نیز می­توانند بر وقوع SCC مؤثر باشند.
• وجود پوسته­های نورد سطح لوله، احتمال SCC را افزایش می­دهد.

استفاده مؤثر از حفاظت کاتدی وقوع خوردگی، به خصوص خوردگی حفره­ای که می­تواند به عنوان مناطق اولی برای SCC عمل کند را کاهش خواهد داد. استاندارد 0169 NACE RP اخطار می­دهد که نباید از پتانسیل­های منفی­تر از mV CSE -850، زمانی که فشار خط لوله و شرایط برای SCC مساعد هستند، فراتر رفت.

روش­های ساخت

مکانیکی

شرایط مکانیکی اتصال اجزای روی یک سازه می­تواند بر حساسیت آن به خوردگی و اعمال حفاظت کاتدی تأثیرگذار باشد. اتصال­های مکانیکی بدون در نظر گرفتن سایر عوامل، لزوماً هادی­های الکتریکی خوبی نیستند. اغلب لایه نازکی از محصولات خوردگی (اکسیدها) بین اجزای متصل تشکیل عایق الکتریکی می­دهند. شیارهای تولید شده توسط روش­های مکانیکی اتصال می­توانند سبب ایجاد محیط­های خورنده شوند. منطقه درون یک شیار معمولاً دارای اکسیژن حل شده پایینی است و به آند یک پیل اختلاف هوادهی تبدیل می­شود. اثر شیارها در خوردگی اغلب توسط پلاریزه کنترل می­شود. روش­های مکانیکی به صورت کلی برای سازه­ای که قرار است حفاظت کاتدی بر آن اعمال شود، مطلوب نیستند.

جوشکاری ذوبی

جوشکاری از پیوستگی الکتریکی یک قسمت از سازه به قسمت دیگر آن اطمینان می­دهد. جوش­های ذوبی کامل در مقایسه با جوش­های گوشه­ای، مقاومت به خوردگی بیشتر دارند و برای استفاده مؤثر طولانی مدت از حفاظت کاتدی مناسب هستند.

خلاصه­ ای از تأثیرات ساخت بر طراحی حفاظت کاتدی

مهندس طراح باید در مورد روش­های تولید به کار رفته در ساخت سازه­ای که او حفاظت کاتدی را برای آن طراحی می­کند، دانش کاملی داشته باشد. اغلب ایجاد اتصال اضافی برای پیوستگی الکتریکی در برخی از روش­های ساخت مورد نیاز است.

پیوستگی الکتریکی و مقاومت خطی

روش­های اتصال

همان طور که در بخش روش­های ساخت ذکر شد، اتصال مکانیکی ممکن است سبب ایجاد اتصال­های ناپیوسته الکتریکی در یک بخش نسبت به سایر قسمت­ها شود. لوله­های پیچ شده و واحدهای لوله کشی که با پیچ یا سایر اتصالات مکانیکی متصل شده­اند، اغلب مقادیر زیادی مقاومت خطی در خط لوله ایجاد می­کنند. ممکن است حتی اتصالات مکانیکی به صورت اتصالات عایق الکتریکی نیز عمل کنند.

زمانی که حفاظت کاتدی را برای فولاد تقویت کننده در سازه بتنی مسلح در نظر می­گیریم، ضروری است تا یکپارچگی الکتریکی در اجزای فلزی مختلف ثابت شود. اگر برخی از فولادهای تقویت کننده از نظر الکتریکی متصل نباشند، جریان حفاظتی را دریافت نمی­کنند و ممکن است در معرض تداخل خورنده قرار بگیرند.

مقاومت ویژه

مقاومت ویژه خاصیت یک ماده است که مقاومت آن را در برابر شار بار الکتریکی تعریف می­کند. مقاومت ویژه یک ماده را می­توان با اندازه­گیری مقاومت در طول و مساحت سطح مقطع مشخص، تعیین کرد.

که در این رابطه:

P: مقاومت ویژه

R: مقاومت اندازه­گیری شده در طول نمونه

A: مساحت سطح مقطع نمونه

L: طول نمونه

مقاومت خطی یک سازه به صورت مستقیم با مقاومت ویژه ماده متناسب است، از رابطه بالا:

هر چه مقاومت ویژه بزرگ­تر باشد، مقاومت در واحد طول افزایش می­یابد. زمانی که سطح مقطع کوچک باشد یا طول هادی جریان بزرگ­تر باشد، مقاومت ویژه اهمیت بیشتری پیدا می­کند.

ضخامت فلز

مساحت سطح مقطع فلز در یک جز، تأثیر مهمی بر مقاومت خطی دارد. در این مورد، مقاومت به صورت معکوس با مساحت سطح مقطع فلز هادی متناسب است. لوله­ای با جداره نازک نسبت به لوله­ای با همان جنس و جداره ضخیم­تر، مقاومت الکتریکی بیشتری در واحد طول دارد.

خلاصه ­ای از اثر یکپارچگی الکتریکی بر طراحی حفاظت کاتدی

طراحی

اگر قرار باشد حفاظت کاتدی برای یک سازه طولانی اعمال شود، مخصوصاً در محیط­های با هدایت بالا (مقاومت ویژه پایین)، یکپارچگی الکتریکی آن عامل مهمی است. زمانی که جریان روی سازه فلزی طولانی تجمع می­کند، جریان در طول سازه تولید افت ولتاژ می­کند. این افت ولتاژ با افزایش شار جریان افزایش می­یابد. به این اثر میرایی (Attenuation) گفته می­شود. در طراحی سامانه­های حفاظت کاتدی برای خطوط لوله طولانی یا سامانه­های با پیکربندهای آند موازی طویل، میرایی – عاملی اساسی است. حالت دوم زمانی اتفاق می­افتد که لازم باشد جریان برای آندهای دور از طرق کابل­های طویل تأمین شود.

هندسه

زمانی که یک سازه از اجزای زیادی تشکیل شده باشد، مانند منطقه­ای از شمع­های پی (Foundation Pile)، یک قسمت از سازه می­تواند مانع رسیدن جریان حفاظتی کافی به بخشی دیگر شود. حضور سازه­های دیگر در مجاورت با عبور آن­ها از سازه­ای که قرار است حفاظت شود را می­بایست در طراحی حفاظت کاتدی در نظر گرفت. جریان سرگردان از سامانه­ی حفاظت کاتدی ممکن است تأثیر نامطلوبی بر سازه­های مجاور داشته باشد. این اثر ممکن است به محل آند حفاظت کاتدی یا نواقص پوشش محافظ سازه وابسته باشد. این نواقص سبب ایجاد مناطق موضعی تبادل جریان با سازه­های نزدیک خواهند شد.

شیب ولتاژ از منابع جریان و چاه­ها (Sink)

افزایش ولتاژ زمین در هر نقطه، X، که توسط ورود یا خروج جریان به زمین از طریق یک آند عمودی با آغاز از سطح زمین ایجاد می­شود، در رابطه زیر (Corrosion Handbook, H. H. Uhlig, Editor, 1984, p. 941, John Wiley & Sons, Inc., New York)داده شده است:

که در این رابطه:

I: جریان منتقل شده (توسط آند) به زمین (آمپر)

P: مقاومت ویژه میانگین زمین (ohm-m)

L: طول میله زیر سطح (متر)

X_r: فاصله (متر) از مرکز آند تا نقطه x

V_r: افزایش ولتاژ در x (ولت) نسبت به زمین دور

شکل 2-9 نموداری از افزایش ولتاژ به ازای آمپر جریان، اطراف یک آند میله­ای عمودی در عمق 2 متری خاک است.

شکل 2- 9: افزایش ولتاژ (ولت / آمپر) اطراف میله 2 متری فرو برده شده در خاک با مقاومت ohm-m -10 اگر X_r بزرگ­تر از 10 برابر L باشد، رابطه به صورت زیر خلاصه می­شود:

از این رابطه ساده شده مشخص است که افزایش ولتاژ (V_r) به صورت معکوس با فاصله (X_r) از منبع جریان (آند) یا چاه (فلز بدون پوشش روی سطح کاتدی) متناسب است. نسبت افزایش ولتاژ در یک نقطه (X_r)  با فاصله دور از آند عمودی به افزایش ولتاژ آند که نسبت به زمین دور اندازه­گیری شده را می­توان با استفاده از معادله نرخ افزایش ولتاژ در (I) آمپر تخمین زد:

رابطه دوایت برای یک میله عمودی در (I) آمپر ضرب می­شود:

انجام تقسیم­ها نتیجه می­دهد:

که در این رابطه:

V_r: افزایش ولتاژ به ازای آمپر در فاصله ؟؟؟ متر از آند (ولت)

IR: ولتاژ بین آند و زمین دور در جریان 1 آمپر

X_r: فاصله از آند

L: طول آند زیر سطح (متر)

d: قطر آند (متر)

لازم به ذکر است که این رابطه از مقاومت ویژه و جریان مستقل است. این رابطه اجازه می­دهد که تخمین­هایی در مورد «دوری» نسبی یک آند نسبت به سازه در محیط انجام شود.

شکل 2 – 10 نموداری است که شیب ولتاژ در خاک را به صورت درصدی از ولتاژ الکترود نسبت به زمین دور نشان می­دهد. همچنین درصد شیب ولتاژ الکترود که با فاصله از الکترود کاهش می­یابد، نشان داده شده است.

تخمین جریان مورد نیاز

طراحی سامانه حفاظت کاتدی احتیاج به برخی تخمین­ها از جریان مورد نیاز برای تأمین حفاظت سازه­ها دارد. انجام کارهای پایه­ای یکی از مهم­ترین بخش­های فرایند طراحی است. می­توان از بسیاری اشتباه­ های پرهزینه با انجام کارهای مقدماتی احتیاطی اجتناب کرد. این مورد به خصوص در مورد سامانه­های پیچیده یا غیر معمول صدق می­کند.

جریان مورد نیاز

تخمین جریان مورد نیاز برای حفاظت کاتدی پیش از ساخت سازه شامل تعدادی از فرض­ها می­شود. این روش به شرح زیر است:

• به دست آوردن اطلاعات کلی در مورد محیط
• چنانچه جریان مورد نیاز برای ماده در آن محیط ثبت شده است، از آن استفاده کنید.
• چنانچه شرایط محیط یا عملیات، غیر معمول یا سؤال برانگیز است، آزمایش­هایی در مقیاس آزمایشگاهی با مساحت سطح معلوم از ماده، تحت شرایط محیطی که قرار است مواجه شود، انجام دهید.
• مساحت کل فلزی که با محیط تماس خواهد داشت را تخمین بزنید. اگر قرار است پوشش­های محافظ همراه با حفاظت کاتدی استفاده شوند، در نظر بگیرید که چه مقدار از سازه توسط پوشش محافظت نمی­شود.
• جریان کل مورد نیاز برای حفاظت کاتدی را یا استفاده از رابطه زیر محاسبه کنید:

که در این رابطه:

I_t: کل جریان مورد نیاز

A_s: سطح فلز بدون پوشش

i: چگالی جریان مورد نیاز

جدول 2-5 راهنمایی برای تخمین بزرگی چگالی جریان مورد نیاز برای حفاظت کاتدی در چندین محیط است.

آزمایش­های میدانی

زمانی که یک سازه در شکل نهایی خود در محل قرار گرفت، به صورت کلی ممکن است بتوان آزمایش­های جریان مورد نیاز را انجام داد. مزیت این گونه آزمایش­ها، تولید داده­ها بر روی سازه­ی حقیقی است و شامل فرض­هایی مانند کارایی پوشش محافظ و سایر عوامل نمی­شود. تمامی سازه­هایی که برای اعمال حفاظت کاتدی طراحی شده­اند (به عنوان مثال خطوط لوله پوشش­دار و عایق الکتریکی) را می­توان آزمایش کرد. سازه­های در برگیرنده اتصال میانی با اجزای فلزی خارج از منطقه حفاظت مطلوب برای آزمایش مشکل­تر هستند.

آزمایش جریان مورد نیاز به صورت کلی در برگیرنده نصب سامانه آند دائمی یا موقت است. هدف وارد کردن جریان به زمین در نقطه­ای است که بستر (آند) در آنجا قرار خواهد گرفت. برای سازه­های بزرگ، برای نمونه یک قسمت معرف را می­توان برای مرحله آزمایش اولیه انتخاب کرد. سپس منبع توان مناسبی (باتری­ها، یکسو کننده­های آزمایشی یا سامانه مولد موتوری) بین سازه و بستر آزمایشی متصل می­شوند (شکل 2-11). جریان آزمایشی بین سازه و بستر اعمال و تأثیرات آن روی سازه اندازه­گیری می­شود.

آزمایش­هایی که می­توان اجرا کرد شامل:

• آزمایش الکتروشیمیایی برای تغییر پلاریزاسیون
• تجزیه و تحلیل شبکه برای تعیین توزیع جریان روی لوله و سامانه­ی کابلی
• آزمایش­هایی برای تعیین اتصال زمین (Electrical grounding) بر روی سازه­های عایق شده
• تعیین محل دائمی بهینه برای منطقه بستر آندی
• تأثیرات تداخلی احتمالی بر روی سازه­های دیگر

جدول 2- 5: مقادیر معمول جریان مورد نیاز برای فولاد بدون تأثیرات منفی گالوانیک در چندین محیط

چنانچه فقط قسمتی از یک سازه طولانی (لوله یا سیم) برای تعیین تأخیر جریان اعمالی تحت آزمایش است، یک آزمایش محدود امکان­پذیر است. یک روش برای تعیین فاصله گذاری آندها در طول چنین سازه­ای در شکل 2-12 نشان داده شده است.

یک آند آزمایشی در فاصله­ای قابل قبول عمود بر سازه­ای که قرار است حفاظت شود، قرار داده می­شود. این فاصله ممکن است توسط محدودیت­های فیزیکی (برای مثال مسیر دسترسی تجهیزات داخلی) تحمیل شود. سپس یک الکترود مرجع روی سازه در نقطه­ای مقابل آند آزمایشی قرار داده می­شود. تغییر پتانسیل سازه به خاک به ازای آمپر از جریان آزمایش (اتصال ولتاژ زمین، R_1,I) اندازه­گیری می­شود:

که در این رابطه:

R_1,I: تغییر در پتانسیل سازه به خاک در نقطه 1 به ازای آمپر از جریان

ΔV₁: تغییر ولتاژ در نقطه 1

ΔI: تغییر در جریان آزمایش

سپس الکترود مرجع در طول سازه حرکت داده می­شود تا تغییر در ولتاژ (ΔV₂) تولید شده توسط جریان (I) برابر 0/5× R_1,I شود. سپس آند دوم در فاصله D2 از آند اول قرار داده می­شود. آندهای بعدی در طول سازه در فاصله­ای برابر D2 نصب می­شوند. تقریب نسبتاً دقیقی از جریان مورد نیاز برای حفاظت یک چنین سازه­ای را می­توان با نصب سه تا پنج آند آزمایشی به این شیوه به دست آورد. سپس آزمایش­های پلاریزاسیون کاتدی برای تعیین مقدار جریان مورد نیاز به منظور دستیابی صحیح به معیارهای حفاظت، مقابل آند مرکزی گروه انجام می­شود. جریان برای کل سازه و تعداد آندهای مورد نیاز را می­توان پس از این محاسبه کرد.

مثال

«رشته ­های هم مرکز» (Concentric Neutral) یک کابل الکتریکی زیرزمینی در حال خورده شدن است. قرار است حفاظت کاتدی برای 914 متر (3000 فوت) از این کابل با استفاده از تعدادی از آندها که در طول خط کناره (Curb Line) قرار داده شده، اعمال شود. کارشناس فنی خوردگی از روشی که در شکل 2-12 توضیح داده شد، استفاده می­کند تا فاصله بین آندها را تعیین کند. آزمایش­ها نشان می­دهند که آندها با فاصله مرکزی 9/1 متر (30 فوت) نیازها را برآورده می­کنند:

سپس کارشناس فنی، ردیفی از آندهای آزمایشی شامل 5 میله پایه­ای که با فاصله 9/1 متری (30 فوت) از مرکز یکدیگر در زمین فرو برده شده­اند را برپا می­کند. سپس هر پنج میله با استفاده از میگر (Megger) (آزمون مقاومت عایق) زمین آزمایش می­شوند تا مقاومت هر میله به رشته محافظ کابل تعیین شود. مقاومت اندازه­گیری شده همه میله­ها در محدوده­ی 15 درصدی یکدیکر است. این آزمایش اطمینان می­دهد، زمانی که میله­ها به صورت یک آند آزمایشی به هم متصل شده­اند، میزان برابری از جریان از هر میله تخلیه خواهد شد.

سپس میله­ ها به هم متصل می­شوند تا تشکیل یک آند آزمایشی در طول 45/7 متر (150 فوت) از کابل را بدهند. با استفاده از یک مدار که مشابه آنچه در شکل 2-11 آورده شده است، کارشناس فنی آزمایش E log I را انجام می­دهد. آغاز شیب تافلی در جریان mA 150 رخ می­دهد. جریان و تعداد آند کل مورد نیاز برای حفاظت 914 متر (3000) فوت از رشته محافظ چقدر است؟

مرکز آندها باید در فاصله 1/9 متری (30 فوت) از یکدیگر قرار گیرند، بنابراین تعداد آندهای مورد نیاز برابر است با:

خروجی جریان میانگین هر آند در آزمایش در خروجی کل مورد نیاز mA 150 برابر است با: mA

جریان کل مورد نیاز برای حفاظت 914 متر (300 فوت) از طول کابل برابر است با:

عوامل طراحی و محاسبات سیستم حفاظت کاتدی

داده ­های موجود

اولین قدم در طراحی حفاظت کاتدی، جمع­آوری داده­ها است. یک روش برای دسته­بندی داده­ها تهیه خلاصه داده­ها و فهرست است.

خلاصه نمودن داده ­ها

خلاصه­ای منظم از داده­ها نقطه شروع خوبی برای کار طراحی است. خلاصه می­بایست شامل اطلاعات زیر باشد:

• تاریخچه
• عمر طراحی سازه
• مساحت سطوحی که قرار است حفاظت شوند.
• مواد ساخت
• ساخت
• پوشش­های محافظ
• عایقی الکتریکی
• خواص محیط (الکتریکی و شیمیایی)
• موارد مهم در عملکرد
• متون مرتبط
• شیوه­های ممکن عملکرد

تخمین جریان مورد نیاز

جریان مورد نیاز را می­توان با استفاده از داده­های میدانی و / یا داده­های آزمایشگاهی تخمین زد.

یکپارچگی الکتریکی

یکپارچگی الکتریکی می­بایست در عناصر یک سازه که قرار است حفاظت شود، برقرار باشد.

جداسازی الکتریکی

سازه­ای که قرار است به وسیله حفاظت کاتدی حفاظت شود، در هر جا که ممکن است می­بایست از نظر الکتریکی از سایر سازه­ها عایق شود.

جریان­های سرگردان

اثرات جریان سرگردان در مرحله طراحی می­بایست در نظر گرفته شود.

عمر متوسط سازه

از آنجا که عمر مفید مورد انتظار سازه و همچنین طول عمر اجزای سامانه حفاظت کاتدی با صرفه­­ی اقتصادی کلی حفاظت مرتبط هستند، می­بایست در نظر گرفته شوند.

پایش و نگهداری

برای کنترل خوردگی موفقیت­آمیز، پایش و نگهداری سامانه­های حفاظت کاتدی ضروری است.

توزیع جریان حفاظت کاتدی

چگونگی توزیع جریان از آند سامانه و در طول سطوح یک سازه تحت حفاظت می­بایست بررسی شود.

منبع توان

انتخاب یک منبع توان مناسب به در دسترس بودن، میزان جریان مورد نیاز و محیط بستگی دارد.

ایمنی

تمام استانداردهای الکتریکی و ایمنی کاربردی در طراحی حفاظت کاتدی می­بایست رعایت شوند.

تداخل با سازه ­های دیگر

ممکن است حفاظت کاتدی باعث اثرات جانبی نامطلوبی بر سایر سازه شود.

نتایج محصولات جانبی حفاظت کاتدی

در مناطقی که آندها و کاتدها با مواد فرآیند (آب آشامیدنی، محصولات غذایی و غیره) تماس برقرار کنند، ممکن است تثرات جانبی نامطلوب وجود داشته باشد.

اقتصاد

ملاحظات اقتصادی شامل این موارد می­شود:

• هزینه­های نصب
• مصرف برق
• تعویض اجزا و نگهداری

محاسبات

جریان مورد نیاز

تخمین از مساحت سطح بدون پوشش

جریان مورد نیاز بر اساس مساحت سطح بدون پوشش مورد انتظار، همواره در معرض خطا است.

عوامل متعددی وجود دارند که بر نتاجیج اثر می­گذارند.

عوامل زیر را در نظر بگیرید:

• مساحت سطح کل در تماس با خاک یا الکترولیت دیگر
• خواص عایقی هر پوشش محافظی
• عواملی که ممکن است به پوشش محافظ در حین نصب آسیب بزنند.
• عمر مورد انتظار پوشش تحت شرایط عملکرد
• درصد شمول مورد انتظار توسط پوشش محافظ
• تجربه­های قبلی از اعمال کننده­های پوشش و پیمانکارهای ساخت
• چگالی جریان مورد نیاز برای حفاظت کاتدی فلز (های) درون محیط.

در انتها، جریان مورد نیازی که انتظار می­رود به محاسبه مساحت بدون پوشش فلز در تماس با الکترولیت و ضرب این مقدار در «بهترین تخمین» از چگالی جریان برای شرایط حاضر بستگی دارد. روش دیگری برای سازه­های پوشش شده عایق الکتریکی (لوله­ها، مخازن ذخیره سازی زیرزمینی و غیره) وجود دارد که در آن داده­هایی از سامانه­های حفاظت کاتدی حاضر در دسترس است. این روش نیازمند داده­ها موضعی قابل اعتماد در مورد وارد زیر است:

• هدایت نشتی مورد انتظار (زیمنس بر واحد مساحت) در خاک  ohm.cm 1000 برای دسته­ای از پوشش­ها (اپوکسی، نوار پلی اتیلن و غیره) و نوع عملکرد (خطوط لوله انتقال، توزیع گاز، مخزن سوخت)
• مقاومت ویژه خاک در محیط عملکرد
• تغییر مورد نیاز در پتانسیل سازه به الکترولیت برای تولید پلاریزاسیون لازم برای رسیدن به معیار حفاظت کاتدی. این میزان، تغییر آنی در پتانسیل یک سازه­ی عایق شده است که نسبت به نقطه­ای در «زمین دور» در زمان عملکرد حفاظت کاتدی سنجیده می­شود. این مقدار، معیاری برای حفاظت نیست. به هر حال تحت مجموعه­ای از شرایط عملکرد و محیط، تغییری در پتانسیل تخمین خوبی از جریان مورد نیاز برای برآورده کردن معیار مورد قبول فراهم می­کند.

این روش  با استفاده از یک مثال به خوبی درک می­شود:

مثال 4-1

شرکت گاز در نظر دارد تا 3049 متر (10000 فوت) خط اصلی توزیع فولادی پوشش شده با قطر cm 1/5 (2 اینچ) در طرح توسعه جدید نصب کند. مقاومت ویژه میانگین خاک در منطقه ohm.cm 5000 است. مهندس خوردگی در نظر دارد تا جریان تقریبی لازم برای حفاظ کاتدی لوله­ها را تخمین بزند. داده­های زیر از تجربه در این تأسیسات در مورد جریان مورد نیاز حفاظت کاتدی به دست آمده است:

• هدایت نشتی مخصوص میانگین g برای سرویس از نوع توزیع، S/m²  2/14×10^-3 در خاک cm 1000 است.
• تغییر پتانسیل میانگین (ΔV) اندازه­گیری شده نسبت به زمین دور برای دستیابی به حفاظت، 0/25- ولت است.

محاسبات

مساحت سطح کل لوله پیشنهاد شده:

هدایت نشتی تخمینی برای لوله نو در خاک ohm.cm 1000:

از آنجا که مقاومت عکس هدایت است:

مقاومت به زمین دور

مقاومت به زمین دور تخمین زده شده در خاک ohm.cm 5000: (مقاومت به صورت مستقیم به مقاومت ویژه متناسب است)

جریان تخمینی برای تغییر پتانسیل لوله به زمین دور به میزان 0/25- ولت از قانون اهم (I = E/R):

آمپر

جدول 4-1 محدوده­های هدایت پوشش برای لوله­کشی در انواع مختلف سرویس­ها در خاک ohm-cm 1000 را نشان می­دهد.

از آزمایش­های میدانی

آزمایش­ های میدانی قابل اعتمادترین راه برای تخمین جریان مورد نیاز بر روی یک سازه موجود است. چنانچه سازه از نظر الکتریکی جدا و دارای پوششی عایق باشد (لوله­های مدفون و مخازن ذخیره سازی زیرزمینی)، تعیین جریان مورد نیاز به صورت مستقیم ممکن خواهد بود. یک آند موقت (بستر) ساخته شده و منبع توان قابل حمل (باتری، مولد یا یکسو کننده) بین سازه و آند متصل می­شود. در صورت امکان، آند آزمایشی می­بایست در محل مناسب برای نصب دائمی یا نزدیکی آن قرار داده شود.

مثال 4-1

سامانه لوله ­کشی توزیع سوخت یک فرودگاه قرار است تحت حفاظت کاتدی قرار گیرد. لوله­کشی دارای پوشش و شامل 1524 متر (5000 فوت) لوله 20/3 سانتی­متری (8 اینچ) و کوچک­تر است. این سامانه از محوطه مخازن در یک گوشه از فرودگاه تا شیرهای سوخت در مجموعه خروجی ادامه دارد. تمام اتصال­ها به سازه­های دیگر شامل مخازن سوخت، پمپ­ها و سازه­های متصل به زمین از نظر الکتریکی جدا شده­اند. شیرهای سوخت از لوله­ها عایق نشده­اند و دارای یک میله اتصال به زمین هستند که به آن­ها متصل شده است. از آنجا که اکثر لوله­ها زیر توقفگاه بتنی هستند، تنها نقطه استفاده برای قرار دادن آند حفاظت کاتدی در انتهای تغذیه کننده نزدیک محوطه مخازن است. مقاومت ویژه میانگین خاک ohm.cm 4000 است. یک مهندس خوردگی چطور ممکن است جریان مورد نیاز برای حفاظت این سامانه سوخت رسانی را تعیین کند؟

جدول 4- 1: هدایت نشتی لوله به زمین مخصوص، معلول برای پوشش­های محافظ عایق در خاک ohm.cm

قدم 1. جداسازی الکتریکی و یکپارچگی الکتریکی لوله­کشی را بررسی کنید.

• نقاطی را تعیین کنید که بتوان تماس الکتریکی به لوله­کشی را برقرار نمود (شیرهای سوخت رسانی، شیرهای خطوط، چند راهه­های روزمینی و غیره). طرح ساده­ای از سامانه را آماده کنید. شکل 4-1.

مقاومت لوله به زمین را اندازه­گیری کنید. در این مورد از آنجا که محوطه مخازن دارای پمپ­های متصل به زمین است و در قیاس با سامانه لوله­کشی مقاومت بسیار کمتری نسبت به زمین دور دارد، مقاومت الکتریکی در طول اتصال عایق الکتریکی در محوطه مخازن، مقاومت لوله به زمین دور را تقریب می­زند با استفاده از ضمائم روی هر سمت اتصال عایق (خروجی 1 از شکل 4-1)، مقاومت R_1,1؛ ohm 80/0 اندازه­گیری شد. مساحت سطح کل لوله­کشی تقریباً 1000m² (10500 فوت مربع) است. مقاومت 0/80 اهم برابر هدایت 1/25 زیمنس است. هدایت ویژه میانگین به ازای واحد مساحت پوشش (در خاک Ohm-cm 4000) برابر است با:

یا

در خاک ohm  cm

براساس جدول 4-1 این مقدار با پوشش کیفیت متوسط در لوله­کشی نوع توزیعی با اتصال­های زیاد برابر است. با در نظر گرفتن این که شیرهای سوخت دارای میله­های اتصال زمین هستند، تماس الکتریکی به سازه­ی اصلی متصل به زمین لازم نیست.

• جداسازی و پیوستگی لوله­کشی را بررسی کنید. جریان را در خروجی 1 (شکل 4-1) اعمال کرده و تغییر ولتاژ را بین لوله­کشی و اتصال الکتریکی زمین در منطقه خروجی اندازه­گیری کنید. مقادیر پیوست الکتریکی برای R _2,1و  R _3,1به ترتیب 0/75 volt/A و 0/70volt/A است. ضمیمه «ط»: تحلیل شبکه DC برای توضیح پیوست­های الکتریکی را مشاهده کنید.

چنانچه لوله­ کشی به یک سازه متصل به زمین، مدار کوتاه شده باشد، مقاومت لوله به زمین معمولاً بسیار کمتر از 1/0 اهم خواهد بود. اگر لوله دارای اتصال عایقی ناشناخته بین محوطه مخازن و خروجی باشد، R _2,1و  R _3,1  بسیار کمتر از R_1,1 خواهد بود.

قدم 2. جریان مورد نیاز برای حفاظت لوله­کشی را تعیین کنید.

• میله­های فولادی را در محوطه مخازن در زمین فرو کنید تا تشکیل بستر آندی آزمایشی بدهد (خروجی 4، شکل 4-1)
• چنانچه به صورت معمول تغییر پتانسیلی به میزان 300/0- ولت بین لوله و زمین برای پلاریزه کردن لوله­های فولادی پوشش شده در منطقه مورد نیاز باشد و مقادیر کوپلینگ الکتریکی (Electrical coupling value) 0/70volt/Aباشد، بنابراین جریان مورد نیاز تخمینی برای حفاظت لوله­کشی در خروجی 3 (بر اساس قانون اهم) برابر خواهد بود با:

• پتانسیل لوله به خاک را در محل شیر سوخت با استفاده از الکترود مرجع مس / سولفات مس که در نزدیکی شیر قرار داده شده است، اندازه­گیری کنید. در صورت امکان پیل مرجع را در چاله شیر لوله (Hydrant pit) و در تماس با خاک محلی قرار دهید.
• 450/0 آمپر جریان آزمایش را در بستر اعمال و پتانسیل نسبت به مرجع را در خروجی 5 بررسی کنید. شار جریان را قطع و پتانسیل خاموش لحظه­ای (Instant Off) (E_P) را به صورت دوره­ای تا زمانی که تغییر در پتانسیل پلاریزه شده با زمان به صفر برسد، اندازه­گیری کنید (ΔE_P/Δt→0) . سپس جریان طراحی را به این صورت محاسبه کنید:

بر روی سازه­های گسترده که جداسازی نشده­اند، ممکن است انجام تعدادی از آزمایش­های محلی و برون­یابی نتیجه­ها تا سازه کل، ضروری باشد.

مقاومت آند به زمین

کلیات

محاسبه مقاومت الکتریکی سامانه­های آند به زمین دور، عموماً با استفاده از روابط ریاضی دوایت (H. B. Dwight, ‘’Calculation of Resistance to Ground’’, Elec. Eng., 55, 1319 – 1328 December 1936.) انجام می­شود. این رابطه به همراه روابط دیگر در مثال­های توضیحی بعداً در این فصل استفاده خواهند شد. سازنده­های آندها اغلب جداول یا نمودارهایی مخصوص اندازه و شکل آندهای خود تأمین می­کنند. در اکثر موارد، مقاومت ویژه میانگین خاک (یا الکترولیت دیگر) برای انجام این محاسبات مورد نیاز است. مقدار مقاومت ویژه مورد استفاده می­بایست بیانگر مقاومت ویژه حجمی مؤثر بر آند باشد.یک راه معمول برای به دست آوردن مقاومت ویژه استفاده از روش چهار میله ونر است (78 – 57G ASTM) چهار میله فلزی با فاصله یکسان  در خطی مستقیم درون خاک فرو می­شوند. منبع جریان دستگاه به میله­های خارجی و خروجی­های اندازه­گیری ولتاژ به دو میله داخلی متصل می­شوند. این آرایش در شکل 4-2 نشان داده شده است.

که در این رابطه:

s= به صورت سانتی­متر

R= مقاومت به صورت اهم

شکل 4- 2: اندازه­گیری مقاومت ویژه چهار میله ونر.

مقاومت (اهم) به صورت مستقیم از دستگاه خوانده می­شود. مقاومت ویژه خاک با استقاده از عبارت از عبارت زیر محاسبه می­شود:

چنانچه فاصله به فوت اندازه­گیری شود در آن صورت عبارت به صورت زیر در می­آید:

وسایل اندازه ­گیری مقاومت ویژه خاک به این روش به صورت گسترده­ای در دسترس هستند. فاصله بین میله­ها می­بایست به نحوی انتخاب می­شوند که اندازه­ گیری، منعکس کننده میانگین مقاومت ویژه حجمی برای اندازه بستر آندی باشد. فاصله بین میله­ها می­بایست به اندازه عمیق بستر آندی باشد. این امر به خصوص زمانی مهم است که مقاومت ویژه با عمیق تغییر کند. برای آندهای عمیق (در زیر بحث شده است)، مقاومت ویژه را می­بایست یا با استفاده از نمونه­های به دست آمده از حفاری چاه در منطقه یا با روش تحلیل لایه بارنز (Barnes) تخمین زد. مثالی در واحدهای انگلیسی که در شکل 4-3 نشان داده شده است را در نظر بگیرید.

در این تصویر نمایه ­ای از لایه­ های خاک هر کدام به عمق 50 فوت (15/2 متر) و با مقاومت ویژه میانگین متفاوت، ارائه شده است. اندازه­گیری سطحی از مقاومت کل (R_T) با استفاده از روش چهار میله ونر با فاصله میله 50، 100، 150، 200 و 250 فوت (15/2، 30/4، 45/6، 60/8 و 76 متر) مقادیر مقاومت نشان داده شده را نتیجه می­دهد. اولین عدد مقاومت «خوانده» شده توسط دستگاه به عنوان میانگین برای لایه­ی خاکی با 50 فوت عمق است. دومین عدد مقاومت اندازه­گیری شده در لایه اول است که با مقاومت «دیده» شده در لایه از عمق 50 فوت تا عمق 100 فوت موازی شده است. افزایش 50 فوت دیگر به فاصله میان میله­ها، لایه سومی را به موازات دو لایه اول اضافی می­کنید. این فرایند را می­توان تا زمانی که دستگاه دارای حساسیت لازم برای حل تفاوت­های اندک میان مقاومت­های کلی اندازه­گیری شده است، ادامه داد. معادله­ای که به ما اجازه محاسبه مقاومت­های موازی را می­دهد به این صورت است:

یا به فرم هدایت:

برای محاسبه مقاومت میانگین هر لایه (n)، هدایت (1/R_T) اندازه­گیری شده در فاصله میله­ای که بیانگر تمام خاک بالای لایه مورد نظر است را از هدایتی که شامل لایه مورد نظر می­شود، کسر کنید. در مثالی که در شکل 4-3 نشان داده شده است، مقاومت لایه بین 200 و 250 فوت را می­توان به صورت زیر محاسبه کرد:

اهم

از آنجا که لایه میان 200 و 250 فوت، 50 فوت ضخامت دارد، مقاومت ویژه لایه را می­توان از رابطه زیر محاسبه کرد:

در زمان اندازه ­گیری مقاومت ویژه عمق­های بیشتر از 15 متر (50 فوت) باید نسبت به روش­های آزمایش، تجهیزات و زمین شناسی زیرسطحی مراقب بود.

بسترهای معمول

اکثر بسترهای معمول یا از بستر افقی مستقیم مشابه طول لوله یا ردیفی از آندهای عمودی کوتاه در خط مستقیم شکل شده­اند. مقاومت بستر افقی را می­توان با استفاده از رابطه دوایت برای میله (یا لوله) عمودی در خاک تخمین زد.

که در این رابطه:

P: مقاومت ویژه میانگین خاک ohm-m

L: طول بستر (متر)

d: قطر بستر (متر)

h: عمق تا مرکز بستر (متر)

چنانچه مقاومت ویژه به جای ohm-m به ohm-cm داده شده است، رابطه اغلب به صورت زیر نوشته می­شود:

اگر هر یک از عوامل بالا در واحد صحیح نباشند، آنگاه عوامل تصحیحی در جای مناسب می­بایست استفاده شوند. برای مثال اگر قطر، d، به سانتی­متر و L و h به متر و P به ohm-cm باشند، در این صورت:

در هنگام استفاده از هر رابط ه­ای، واحدها را بررسی کنید. بسیاری از مثال­های این کتاب از معادله­های خاص به جای شکل کلی روابط استفاده می­کنند که شامل عوامل تبدیل می­شوند.

مثال 4-3

مقاومت بستر آندی افقی با قطر 30/5 سانتی­متر (12 اینچ)، طول 15/2 متر (50 فوت) و مقاومت ویژع میانگین ohm-cm 4000 را تخمین بزنید. عمق بستر آندی را 1/2 متر (4 فوت) فرض کنید.

از رابطه دوایت برای میله افقی (معادله کلی):

چنانچه بستر آندی از گروهی از آندهای عمودی کوتاه در یک ردیف تشکیل شده باشد، معادله ساند (Sunde) تقریب خوبی از مقاومت به زمین دور را فراهم می­آورد.

که در این رابطه:

R_N: مقاومت بستر (اهم)

P: مقاومت ویژه میانگین خاک (ohm.cm)

N: تعداد آندهای موازی

L: طول یک آند (متر)

d: قطر آند (متر)

S: فاصله میان آندها در بستر آندب (متر)

مثال 4-4

مقاومت یک بستر آندی با طول 15/2 متر (50 فوت) در خاک ohm-cm 4000 زمانی که بستر شامل 6 آند عمودی با قطر 0/305 متر (12 اینچ) و با فاصله مرکز به مرکز 3/05 متر (10 فوت) است را تخمین بزنید. آندها دارای طول 1/52 متر (5 فوت) و پوشش اسمی 0/46 متر (18 اینچ) هستند. (لازم به ذکر است که معادله ساند عمق آندها زیر سطح را در نظر نمی­گیرد). با استفاده از حالت کلی معادله ساند و انجام اصلاحات برای واحدها:

آند عمودی

معادله دوایت برای یک تک میله یا لوله به زمین دور:

که در این رابطه:

P: مقاومت ویژه (ohm-cm)

L: طول آند (cm)

d: قطر آند (cm)

نکته: این رابطه فرض می­کند که L>>d.

در این رابطه، طول میله به اندازه L متر از سطح زمین به سمت پایین امتداد می­یابد. در عمل، L نشان دهنده ط.ل فعال آند در یک سامانه آند عمیق است. بالای قسمت فعال آند ممکن است در فاصله­ای زیر سطح باشد. برای تخمین­ ها عملی مقاومت آند به زمین دور، به نظر نمی­رسد که نادیده گرفتن اثر لایه بین سطح زمین و بالای آند فعال، خطای چشمگیری ایجاد کند.

مثال 4-5

مقاومت ویژه نشان داده شده در شکل 4-3 را در نظر بگیرید. مقاومت یک آند عمیق با قطر 20/3 سانتی­متر (8 اینچ) به زمین دور را، چنانچه قسمت فعال بین 45/7 و 76/2 متر (150 و 250 فوت) زیر سطح قرار گرفته باشد، تخمین بزنید.

حل:

مقاومت ویژه میانگین خاک را در منطقه­ای که عنصر فعال آند قرار خواهد گرفت، محاسبه کنید

لازم به ذکر است که cm 3048 (1000 فوت) در معادله بالا ضخامت کل لایه­های d و e است.

با استفاده از معادله دوایت برای میله عمودی:

که در این رابطه:

P: مقاومت ویژه میانگین خاک (ohm-cm 26/8)

L: طول فعال آند (30/48 متر)

d: قطر آند (0/203 متر)

آندهای توزیعی

آندهای توزیعی معمولاً در نزدیکی سازه­های که برای حفاظت از آن طراحی شده­اند، قرار داده می­شوند. این نزدیکی به کاهش مقاومت مؤثر بین آند و سازه­ تمایل دارد؛ بنابراین تخمین مقاومت آند به زمین دور با استفاده از معادله ساند محافظه کارانه است. ممکن است در سامانه­های آند توزیعی، مقاومت طولی کابل اصلی، عاملی اساسی باشد، میرایی ولتاژ و جریان در طول سیم تغذیه آند را می­بایست در نظر گرفت. محاسبات میرایی، به تخمین از هدایت میانگین یک واحد از طول سامانه آند توزیعی نسبت به زمین نیاز دارد.

این محاسبات همچنین به میزان مقاومت خطی سیم تغذیه آند (مدار) نیاز دارند. اگر آندهای تکی در سامانه آند توزیعی با فاصله زیاد از هم قرار داده نشوند، اثر مدار موازی (Paralleling Effect) به وجود خواهد آمد. میدان مغناطیسی تولید شده توسط شار جریان از یک آند، میدان و در نتیجه خروجی جریان تمام آندهای مجاور دیگر را تحت تأثیر قرار می­دهد. اثر متقابل، مقاومت مؤثر هر آند را به بیش از مقاومت یک آند در مقاومت ویژه خاک افزایش می­دهد. برای مثالی در خاک ohm-cm 5000 به جدول 4-2 مراجعه کنید

که در این رابطه:

R_N: مقاومت بستر (اهمی)

P : مقاومت ویژه میانگین خاک (ohm-cm)

N: تعداد آندهای موازی

L: طول یک آند (متر)

d: قطر آند (متر)

s: فاصله میان آندها در بستر آندی (متر)

جدول 4- 2: اثر مدار موازی

اغلب برای فواصل بیش از 6 متر (20 فوت) اثر مدار موازی در نظر گرفته نمی­شود. هدایت میانگین، G برای آند معمولی 0/305×1/52 متری (1×5 فوت) با فاصله 6 متر یا بیشتر در خاک ohm-cm 6000 برابر است با:

با فرض این که واحد طول یک سامانه آند شامل یک آند به اضافه طول کابل اصلی بین آندها است، هدایت واحد این سامانه آند، g میانگین هدایت یک آند، G، است که در بالا محاسبه شده است. اگر سیم مسی شماره AWG 4 (m 1000 / 0/82) استفاده شود و فاصله آندها 15 متر (49/2) فوت باشد، مقاومت واحد سیم برابر است با:

در جایی که واحد طول برابر 15 متر است.

مقاومت بین انتهای ورودی یک گذرگاه آند توزیعی طویل و زمین دور با این رابطه محاسبه می­شود:

مثال 4- 6

مقاومت در انتهای تغذیه کننده 1000 متر (3280 فوت) گذرگاه آند توزیعی طویل را نسبت به زمین دور محاسبه کنید. این گذرگاه، سیم مسی شماره 4 AWG (m 1000 / ohm 0/82)، فاصله آندها 15 متر (50 فوت)، هر آند دارای طول 1/52 متر (5 فوت) و قطر 0/3 متر (1 فوت) و مقاومت ویژه میانگین خاک ohm-cm 5000 است.

حل:

هر آند و 15 متر (50 متر) سیم گذرگاه را یک واحد در نظر بگیرید. تعداد کل واحدها در این سامانه برابر است با:

از جدول 4-2 و محاسبات نشان داده شده برای m 6 به عنوان تقریبی منطقی:

اگر میرایی قابل توجه نبود، مقاومت 66 آند زمانی که نسبت به زمین دور اندازه­گیری می­شود، چه میزان خواهد بود؟

مقاومت کاتد به زمین

از ویژگی­های تخمین زده شده پوشش

محاسبه مقاومت کاتد به زمین، آن چیزی بود که ضرورتاً در زمان محاسبه جریان مورد نیاز برای پایین آوردن پتانسیل نسبت به زمین به مقدار مشخص، انجام شد. برای مرور مجدد:

• کل مساحت سطح سازه را محاسبه کنید.
• از تجربیات عملیات ساخت و مشخصات پوشش­، هدایت نشتی کل برای سازه را محاسبه کنید.
• مقدار عکس هدایت کل (G/1) را برای به دست آوردن مقاومت سازه به زمین دور در نظر بگیرید.

تخمین از آزمایش­های میدانی

همانند سامانه­های آند توزیعی، ممکن است میرایی در تعیین مقاومت سازه به زمین درگیر باشد. اندازه­گیری مقاومت میان یک سازه عایق شده الکتریکی و هر سازه­ای که به شیوه مناسب به زمین متصل شده باشد، مقاومت تقریبی کاتد به زمین دور را خواهد داد. مثال 4-2 از این روش استفاده کرده است.

روش دیگر اعمال جریانی آزمایشی میان سازه و بستر آندی آزمایش یا دائمی و اندازه­گیری پیوست الکتریکی سازه به زمین (ΔV/ΔA) در چندین منطقه روی سازه است. الکترود مرجع مورد استفاده برای به دست آوردن تغییر پتانسیل زمین می­بایست به اندازه کافی از سازه دور باشد به نحوی که افزایش فاصله بیش از آن منتج به تغییر بیشتر در مقدار پیوست الکتریکی نشود. میانگین چندین مقدار پیوست الکتریکی، مقاومت سازه (کاتد) به زمین دور خواهد بود، مگر این که میرایی قابل توجهی درگیر باشد.

مقاومت کل مدار DC

مقاومت آند به سازه

مقاومت آند به سازه مجموع تقویت آند و سازه به زمین دور است. در مورد سازه بدون پوشش یا با پوشش ضعیف و آندهای با فاصله کم، مقاومت آند به سازه از مجموع مقاومت­ها به زمین دور کمتر خواهد بود.

این مورد اغلب در زمانی است که آندها برای حفاظت اجزا در تجهیزات فرایندی یا برای حفاظت «نقطه خطر (Hot Spot)» در سامانه­های لوله­کشی مدفون، استفاده می­شود.

 سایر منابع مقاومت

اتصال­های الکتریکی، سیم و مقاومت داخلی در سامانه­های توان ممکن است شامل مقداری مقاومت باشند. چنین مقاومت­هایی به صورت سری با مقاومت­های آند به زمین و سازه به زمین قرار دارد.

میرایی جریان

روابط تنها در جایی اعمال می­شوند که محیط دارای مقاومت ویژه تقریباً یکنواختی باشد.

میرابی سامانه آند

مثال 4- 6 اثر میرایی بر مقاومت ورودی یک آند طویل توزیعی را نشان می­دهد. رابطه ریاضی برای تغییر ولتاژ در هر نقطه “y” بین انتهای باز گذرگاه آند (Open – ended anode bus)و زمین دور:

مثال 4-7

در مثال 4-6، در صورتی که ولتاژ بین سازه و گذرگاه آند در محل یکسو کننده در زمان روشن بودن آن 15 ولت و در زمان خاموش بودن آن 3 ولت باشد، جریان خروجی تقریبی آندی که در 1000 متری یکسو کننده قرار گرفته چه مقدار خواهد بود؟ فرض کنید که مقاومت میان سازه و زمین دور و میرایی روی سازه ناچیز است.

حل:

باز به ولت در منبع (E_S) برابر است با:

از آنجا که هدایت میانگین یک تک آند از مثال­ 4- 6، 048/0 زیمنس است، جریان از آند نزدیک به موقعیت 1000 متر:

این میزان چگونه با جریان خروجی میانگین از آندهای نزدیک به انتهای تغذیه کننده گذرگاه مقایسه می­شود؟

میرایی سازه

میرایی جریان روی سازه­ای طویل مشابه مسیر آند طولانی است که در مثال­های 4-6 و 4-7 توضیح داده شد. چنانچه سازه بسیار طولانی یا دارای هدایت نشتی میانگین بالا به زمین دور باشد، مقاومت در هر جهت از منبع توان حفاظت کاتدی تقریباً برابر R_G (مقاومت مخصوص) خواهد بود. برای سازه­های کوتاه­تر و سازه­های با هدایت نشتی کم، مقاومت در هر جهت از منبع توان با استفاده از رابطه متعلق به خطوط انتها باز که در مثال 4-6 استفاده شد، داده خواهد شد. این مفهوم در مثال­های بعدی شرح داده می­شود.

مثال 4- 8

یک خط لوله فولادی جوشکاری شده 20/3 سانتی­متری (8 اینچ) (مقاومت خطی = 0/0287 اهم در 1000 متر) که دارای هدایت نشتی پوشش مخصوص، g، با میانگین اندازه­گیری شده 7/5×10^-5 است را در نظر بگیرید. خط لوله دارای طول 32200 متر با اتصالات عایق در هر انتها است. میانگین مقاومت ویژه خاک در تمتم منطقه ohm-cm 10000 است. مقاومت کاتد (سازه) به زمین دور از مرکز خط که منبع توان در آنجا قرار گرفته، در هر جهت چه مقدار است؟ رابطه میان چگالی جریان دریافت شده توسط لوله در هر انتها (16100 متر از منبع توان) به مقدار دریافت شده در نزدیکی منبع توان در وسط خط لوله، چه خواهد بود؟

حل:

یک واحد طول را 1000 متر در نظر بگیرید.

داده­ها:

از معادله شماره 5 (شکل 4-4)

مقاومت سازه به زمین دور برابر است با

از رابطه 3 (شکل 4-4):

1 ولت تغییر در پتانسیل لوله به زمین دور در منبع توان را فرض کنید:

از آنجا که چگالی جریان دریافت شده در سطح لوله از زمین، با تغییر ولتاژ اندازه­گیری شده نسبت به زمین متناسب است:

لازم به ذکر است که تمام محاسبات میرایی جریان در زمان صفر و در غیاب پلاریزاسیون الکتروشیمیایی معتبر است. تغییرات پتانسیل لوله به زمین دور که درمعادله­های میرایی محاسبه شده، مجموع افت ولتاژهای بین لوله در نقطه مورد نظر و زمین دور است که توسط شار جریان منبع ایجاد شده­اند.

عمر سامانه

آندهای فدا شونده

تمام اجزای سامانه حفاظت کاتدی دارای طول عمر محدود هستند. اجزای یکسو کننده، عایق سیم و آندها با زمان از بین می­روند. آندهای فدا شونده در فرایند تولید جریان مصرف می­شوند. ظرفیت آمپر ساعت (با ضریب کارایی برای ماده آند به خصوص) به ما اجازه می­دهد تا میزان وزن مورد نیاز از فلز آند برای تأمین تعداد داده شده­ی آمپر ساعت از جریان را تعیین کنیم. در تخمین طول عمر برای سامانه حفاظت کاتدی آند گالوانیک، این موارد را در نظر بگیرید:

• دمای میانگین سالانه محیط و اثر دما بر پتانسیل آند، جریان مورد نیاز و مقاومت مدار
• مقاومت مدار آند
• مقاومت مدار سازه و رفتار آن با زمان
• ولتاژ کاری کل شامل پلاریزاسیون کاتد و آند

مثال 4-9

آزمایشی میدان نشان می­دهد که 0/375 آمپر برای حفاظت یک قسمت پوشش شده از لوله مورد نیاز است. در این جریان، لوله تا 0/900- ولت نسبت به الکترود مرجع مس / سولفات مس پلاریزه می­شود. لوله دارای مقاومت 0/8 اهم، اندازه­گیری شده نسبت به زمین دور است. تجربه نشان می­دهد که مقاومت به تدریج در طول چند سال آینده کاهش یافته و در حدود نصف مقدار کنونی (0/4 اهم) ثابت می­شود. با این فرض که همان تغییر پتانسیل لوله به زمین دور، حفاظت را نگه خواهد داشت، چند آند منیزیم پتانسیل بالا 7/7 کیلوگرمی (17 پوندی) برای حفاظت این قسمت از لوله مورد نیاز خواهد بود؟ طول عمر مفید مورد انتظار چقدر خواهد بود؟

حل:

تغییر پتانسیل در حال حاضر برابر است با:

جریان طولانی مدت مورد نیاز برای حفظ تغییر پتانسیل 0/30 ولتی برابر است با:

اطلاعات تأمین کننده­ی آند بیان می­کند که در خاک ohm-cm 5000، یک آند منیزیم پتانسیل بالا 0/4 آمپر (mA 40) به یک سازه پلاریزه شده تا 0/85 ولت نسبت به الکترود مرجع مس / سولفات مس، خروجی خواهد داد. داده­ها اشاره می­کنند که سازه دارای مقاومت به زمین ناچیز و در نتیجه عاری از افت ولتاژ است. مقاومت یک تک آند منیزیم پتانسیل بالا (1/75- ولت نسبت به الکترود مرجع مس / سولفات مس) نسبت به زمین دور را می­توان محاسبه کرد:

با فرض این که این قسمت از لوله تا 0/900- ولت نسبت به CSE پلاریزه باقی خواهد ماند، ولتاژ محرکه موجود برای سامانه آند گالوانیک برابر خواهد بود با:

ولت

مقاومت مدار کل که اجازه عبور جریان 0/75 آمپری را در ولتاژ محرکه 0/85 ولت می­دهد برابر است با:

از آنجا که تخمین زده شده که مقاومت لوله به زمین 0/4 اهم شود، مقاومت گروه آندهای فدا شونده می­بایست برابر باشد با:

فرض کنید که برای جلوگیری از اثر مدار موازی بتوان آندها را با فاصله از یکدیگر قرار داد، تعداد آندهای مورد نیاز برای رسیدن به مقاومت بستر مورد نیاز برابر است با:

وزن کل منیزیم در سامانه آند برابر خواهد بود با:

خروجی آمپر ساعت کل سالانه برابر خواهد بود با:

ظرفیت آمپر ساعت سامانه آند (با فرض 1100 A-hrs/kg) برابر است با:

عمر آند به این ترتیب تخمین زده می­شود:

توجه: ظرفیت آمپر – ساعت/ کیلوگرم برای آندهای منیزیم به چگالی جریان و پشت­بند مخصوص مورد استفاده در حین نصب بستگی دارد. طول عمر واقعی ممکن است متفاوت باشد. همچنین، ضریب کارایی (درصد قابل استفاده آند) در محاسبات بالا وارد نشده است.

مقدمه

سیستم‌های حفاظت کاتدی به اعمال جریان‌های الکتریکی جهت مقابله با تمایل طبیعی فلزات برای مراجعت به ترکیب اولیه خود در طبیعت وابسته هستند. علاوه ‌بر خطراتی که برای کار با سیستم‌های برقی وجود دارد، سیستم‌های حفاظت کاتدی ممکن است از طریق عبور جریان در مسیرهای ناخواسته باعث تشدید خوردگی سازه‌های دیگر که در مجاورت سازی تحت حفاظت قرار دارند شوند. اعمال پتانسیل‌های بیش از حد نیاز موجب آسیب به سیستم‌های حفاظت کاتدی می‌شود. اعمال پتانسیل‌های کمتر از حد نیاز، موجب حفاظت ناکافی در سازه می‌شود و در این حالت نرخ خوردگی سازه کمتر از نرخ خوردگی سازه در حالت بدون حفاظت می‌شود.

ولتاژها و جریان‌ها اضافی (بیش از حد نیاز)

میزان جریان عبوری در مسیرهای ناخواسته در اطراف سازه، بستگی به میزان کل جریان اعمالی به سازه تحت حفاظت کاتدی دارد. بنابراین مسائل و مشکلات حفاظت کاتدی سازه‌های دارای پوشش خوب که به جریان کمتری برای حفاظت احتیاج دارند، بسیار کمتر از حفاظت کاتدی سازه‌های فاقد پوشش و یا با پوشش ضعیف که به جریان بیشتری نیاز دارند، می‌باشد. در صورتی‌ ‌که پتانسیل اعمالی به سازه‌های تحت حفاظت منجر به آسیب به پوشش سازه‌ها و باعث تردی هیدروژنی نیز نشود، اعمال جریان‌های اضافی باعث زوال و خوردگی در سازه‌های تحت حفاظت نمی‌شود ولی باعث حملات موضعی بر سازه‌های اطراف می‌شود.

تداخل

عبور جریان در مسیرهای ناخواسته که منجر به حملات خوردگی در سازه‌های اطراف می‌شود به تداخل موسوم است. سازه‌های اطراف نیز سازه‌های غریبه نامیده می‌شوند. در شکل‌های مکانیزم‌های دو نوع از شرایطی که منجر به تداخل می‌شوند، نشان داده شده‌اند. در شکل  جریان‌های ناخواسته از داخل دو خط لوله در مجاورت سازه‌های تحت حفاظت عبور می‌کنند.

خوردگی در مناطقی که یون‌های مثبت از سطح فلز به داخل محیط وارد می‌شوند تشدید می‌شود اگر چه خوردگی معمولاً بر سطح فلز تحت حفاظت تشدید نمی‌شود، ولی اثرات تداخلی معروف به تداخل آندی باعث می‌شود تا توزیع جریان حفاظتی بر سازه تحت حفاظت ناهماهنگ شده و میزان جریان حفاظتی در بعضی از نقاط سازه کمتر از حد لازم برای حفاظت کامل شود. خوردگی معمولاً در نقاطی به وقوع می‌پیوندد که از آن نقاط جریان‌ سازه را ترک کرده و وارد محیط می‌شود. در بعضی از مدل‌های الکتریسیته از جهت عبور یون‌های مثبت در الکترولیت برای نشان‌ دادن جهت عبور بارهای مثبت فرضی در مسیرهای فلزی استفاده می‌شود. این در واقع برای نشان‌ دادن جهت جریان استاندارد است. در تکنیک حفاظت کاتدی، از عبور جریان استاندارد به‌ طور وسیعی استفاده می‌شود و در واقع نشان دادن مسیر عبور یون‌های (مثبت) از داخل الکترولیت در سیستم‌های حفاظت کاتدی برای ابهام‌زدایی و رفع هر گونه تناقض است. نشان‌ دادن عبور جریان‌های یونی و الکترونی در تمام سیستم‌های حفاظت کاتدی بر روی بهتر توضیح دادن آنچه که در حین فرآیندها اتفاق می‌افتد مفید است.

در شکل ، وجود گرادیان پتانسیل در اطراف یک آند سیستم اعمال جریان، منجر به عبور جریان به سازه غریبه در مجاورت آند می‌شود. این جریان که به جریان استاندارد یا جریان یون مثبت موسوم است و در طول لوله (لوله فرضی) جریان می‌باید تا به نقطه آندی برسد. در این نقطه جریان لوله را ترک می‌کند و وارد الکترولیت می‌شود. در این نقطه خوردگی شدید به وقوع می‌پیوندد.

تشخیص تداخل

تداخل سیستم حفاظت کاتدی از طریق اندازه‌گیری پتانسیل سازه به الکترولیت و هم‌چنین میزان جریان عبوری از سازه و در نتیجه، افت ولتاژ ناشی از عبور جریان از مقاومت الکتریکی سازه قابل‌ تشخیص است. شکل ۲۱ نشان ‌دهنده وقوع تداخل است. این شکل نشان‌ دهنده مواضعی است که در آن‌ها پتانسیل سازه به الکترولیت اندازه‌گیری می‌شود. نتایج حاصل از اندازه‌گیری پتانسیل سازه به الکترولیت در آزمایش‌های تداخل، در جدول و همچنین شکل ارائه‌ شده است. همان‌ طور که در شکل نشان‌ داده‌ شده است، موقعیت سازه غریبه توسط اثرات آن بر روی سازه تحت حفاظت تعیین می‌شود. به همین ترتیب با اندازه‌گیری پتانسیل بر روی سازه غریبه به‌ راحتی می‌توان نقاط کاتدی (نقاط دریافت جریان) و نقاط آندی (نقاط خروج جریان) را بر روی آن تعیین نمود.

جدول نتایج اندازه‌گیری پتانسیل سازه نسبت به الکترولیت

روش میدانی دیگر برای تعیین تداخل، اندازه‌گیری میزان جریان عبوری از سازه است. همان طور که در شکل  نشان داده شده است، این روش شامل اندازه‌گیری افت پتانسیل در طول قسمتی از سازه است که از آن جریان عبور می‌کند. بخشی از سازه در ابتدا با عبور جریان مشخص از داخل آن، که با استفاده از سیم‌های رابط بیرونی انجام می‌شود، کالیبره می‌گردد. حال با استفاده از فاکتور کالیبراسیون می‌توان با اندازه‌گیری‌های بعدی افت پتانسیل، میزان جریان عبوری از سازه را محاسبه نمود. این اندازه‌گیری به آزمایش‌های افت IR معروف است. در طول مسیر خطوط لوله طولانی، به منظور اندازه‌گیری میزان جریان عبوری و تعیین تغییرات جریان، ایستگاه‌هایی معروف به ایستگاه‌های آزمایش تعبیه می‌شوند. در این ایستگاه‌ها با تعیین تغییرات جریان می‌توان به وجود تداخل در خطوط لوله پی برد.

کنترل تداخل – موقعیت بستر آند

مهم‌ترین عامل در کنترل تداخل، موقعیت بستر آند است. عموماً بستر آند دور که در سیستم اعمال جریان مورد استفاده قرار می‌گیرد مشکلات تداخل بیشتری در مقایسه با سیستم آندهای فداشونده که در آن‌ها آندها در فاصله نزدیک‌تری از سازه قرار دارند ایجاد می‌کنند. در این‌ مورد پتانسیل محرکه کم آندهای فداشونده (حدود ۱ ولت یا کمتر) نیز دخیل است. بنابراین در تعیین محل بسترهای آند دور در سیستم اعمال جریان باید به اثرات تداخلی آن بر سازه‌های غریبه توجه خاص مبذول نمود.

کنترل تداخل از طریق مرتبط کردن سازه‌ها به یکدیگر

یک روش جهت کنترل تداخل، مرتبط کردن سازه تحت حفاظت به سازه غریبه می‌باشد. سیم رابط با مقاومت پایین و یا مقاومت بالا می‌باشد. شکل  روش اصلاح تداخل را با استفاده از سیم رابط نشان می‌دهد. در واقع توسط مرتبط نمودن دو خط لوله به یکدیگر ضرورتاً هر دو خط لوله تحت حفاظت قرار می‌گیرند. در این گونه موارد لازم است تا یک ایستگاه آزمایش در محل ارتباط دو خط لوله تعبیه شود. در این ایستگاه می‌توان با انجام آزمایش از پیوستگی رابطه و همچنین میزان جریان عبوری از آن مطلع گردید. به‌ طور کلی بهتر است تا در محل تقاطع خطوط لوله و اصولاً هر محلی که در آن احتمال تداخل در آینده وجود دارد، ایستگاه کنترل و آزمایش تعبیه شود. بدین‌ ترتیب به ‌راحتی می‌توان در هر زمان و در صورت نیاز دو خط لوله متقاطع را به یکدیگر مرتبط نمود و همچنین بر روی آن‌ها آزمایش‌های لازم را انجام داد.

کنترل تداخل – استفاده از رزیستور

روش ارتباط مستقیم سازه‌ها اغلب روش مطلوبی نیست زیرا یا سیستم حفاظت کاتدی موجود قادر به تأمین جریان لازم برای حفاظت دو سازه نمی‌باشد و یا آن که سازه غریبه و سازه تحت حفاظت در مالکیت یک سازمان نمی‌باشند. قابل‌ ذکر است که میزان جریان اعمالی به سازه غریبه باید به حداقل مقدار ممکن افزایش یابد. در این حالت از یک رزیستور در بین دو سازه استفاده می‌شود. حال باید مقاومت این رزیستور طوری تنظیم شود تا میزان جریان اعمالی به سازه غریب به‌ حدی باشد تا پتانسیل آن به همان میزان اولیه که در غیاب سازه تحت حفاظت قرار داشت، برسد. شکل  این حالت را نشان می‌دهد. شکل  نیز چگونگی اندازه‌گیری پتانسیل بر روی هر دو سازه را نشان می‌دهد ایستگاه‌های آزمایش معمولاً در محل این رزیستورها نصب‌ شده تا عملیات تنظیم و اصلاح سازی به‌ راحتی قابل ‌انجام باشد. این رزیستورها معمولاً یا به‌ طور تجاری و استاندارد تهیه می‌شوند و یا آن که باید در محل از سیم نایکروم (نیکل – کروم دار) به طول مناسب بریده و بعد آن را به شکل فنری در آورده و به‌ عنوان رزیستور استفاده نمود.

تنظیم رزیستور برای اصلاح تداخل، از طریق نصب یک باند مقاومتی موقتی انجام می‌شود. بدین‌ ‌ترتیب جریان عبوری از رزیستور و تغییرات پتانسیل حاصله به وسیله باند مقاومتی موقتی اندازه‌گیری می‌شود مقدار صحیح جریان باند از طریق فرمول‌های زیر قابل تعیین می‌باشد.

برای یک باند دائمی، میزان مقاومت رزیستور برای حالتی که پتانسیل سازه غریبه در محل تقاطع با سازه خودی در حال اندازه‌گیری است، تنظیم می‌شود. در این حالت، میزان مقاومت زمان اصلاح‌ شده است که پتانسیل سازه غریبه معادل E_fn (پتانسیل طبیعی) باشد. از باندینگ نیز همانند آنچه که در شکل نشان داده شده است برای تضمین پیوستگی سازه‌های مدفون در خاک استفاده می‌شود. استفاده از باندینگ هم برای پیشگیری از تداخل و هم برای صحیح کار کردن سیستم‌های حفاظت کاتدی مفید می‌باشد.

کنترل تداخل با استفاده از آندهای فداشونده

در بعضی موارد برای کنترل تداخل، از نصب آندهای فداشونده بر روی سازه‌های غریب استفاده می‌شود. با استفاده از این روش پتانسیل سازه غریبه در مجاورت سازه تحت حفاظت به ‌اندازه پتانسیل سازه تحت حفاظت یا منفی‌تر از آن در محل تقاطع می‌رسد. بدین‌ ترتیب یک جریان در جهت عکس جریان تداخلی در سازه غریبه اعمال می‌شود. اگر سازه غریبه دارای پوشش خوبی باشد، آند منیزیم به ‌خوبی تمام جریان‌های تداخلی را خنثی می‌کند. اگر سازه غریبه دارای پوشش ضعیف و یا بدون پوشش باشد و یا آن که جریان تداخلی بزرگ باشد، نصب آند در محل تقاطع، مقدار جریان تداخلی در محل تقاطع را کاهش می‌دهد یا حذف می‌کند، امّا جریان تداخلی همچنان در سازه غریبه در دو سمت محلی که آند وصل شده ‌است، جریان می‌یابد. به طور خلاصه وجود آند فداشونده بر روی سازه غریبه در محل تقاطع بسیار مفید است و در بعضی مواقع نیز کاملاً مشکلات و مسائل تداخلی را رفع می‌کند. البته در بعضی موارد نیز قادر به حل مشکل به‌ طور کامل نیست و باید از اتصالات مقاومتی نیز هم‌چنان استفاده شود. شکل  چگونگی استفاده از آند فداشونده برای کنترل مسائل تداخلی را نشان می‌دهد. اندازه آند باید طوری طراحی ‌شده باشد که بتواند جریان بیش از جریان لازم در محل تقاطع ارائه نماید.

اثرات دانسیته جریان بالا

اعمال دانسیته جریان‌های بالا منجر به تردی هیدروژن یا گندگی پوشش می‌شود (به قسمت ۷ – ۳ مراجعه شود) در اکثر موارد انتخاب نامناسب محل بستر آند در سیستم حفاظت کاتدی اعمال جریان و یا تداخل با سازه‌های غریب منجر به توزیع غیر یکنواخت جریان بر روی سازه تحت حفاظت می‌شود. ایجاد پتانسیل‌های بهینه حفاظتی در بعضی از نقاط سازه، منجر به ایجاد پتانسیل‌های اضافی (بیش از حد نیاز) در بعضی دیگر از نقاط سازه می‌شود. این شرایط را می‌توان با نصب آندهای اضافی با تغییر مکان بستر آند اصلاح نمود تا آن که توزیع جریان در سازه یکنواخت‌تر گردد. در بعضی موارد می‌توان سازه را به قسمت‌های مجزا تقسیم نمود و توزیع جریان را با نصب اتصالات مقاوم بین سازه و یکسو کننده بهبود بخشید. پتانسیل‌های اضافی به‌ ندرت در مورد سیستم آندهای فداشونده به وقوع می‌پیوندد. اگر این حالت به وقوع پیوست می‌توان آن را با نصب مقاومت در سیم رابط بین آند و سازم اصلاح نمود.

اثرات pH الکترولیت

آلومینیم و سرب نباید در محیط‌هایی که pH آن‌ها بیش ‌از ۸ است حفاظت کاتدی شوند. در خاک‌های فشرده مانند خاک رس، محیط قلیایی تشکیل ‌شده در اطراف کاتد در اثر حفاظت کاتدی، باعث افزایش pH به مقادیر بسیار بالا می‌شود و در نتیجه آلومینیم و سرب تحت حملات شیمیایی شدید قرار می‌گیرند. در صورتی که محیط اطراف سازه آب جاری و روان باشد، در این‌ صورت شرایط قلیایی از اطراف سازه شسته می‌شود و در نتیجه حملات تخریبی شیمیایی بر آلومینیم و سرب رخ نمی‌دهد. بعضی از انواع پوشش‌ها همچون آلکیدها نیز توسط محیط قلیایی شدیداً آسیب می‌بینند.

شرایط با pH پایین (اسیدی) هم خوردگی را تشدید می‌کنند و هم بر سیستم‌های حفاظت کاتدی دارای آثار مخرب و زیانبار هستند. در خاک‌های با pH پایین‌تر از ۳، میزان جریان لازم برای حفاظت کاتدی فولاد تقریباً ۱۰ برابر بیش از آن چیزی است که برای حفاظت کاتدی فولاد در خاک‌های خنثی لازم است. بالا بودن میزان جریان لازم برای حفاظت کاتدی فولاد در چنین شرایطی، انجام حفاظت کاتدی فولاد در این محیط‌ها را بسیار سخت و پرهزینه می‌سازد. استفاده از پوشش‌های با کیفیت بسیار بالا به همراه حفاظت کاتدی فولاد در چنین محیط‌هایی بسیار ضروری است.

خطرات حاصل از وجود سیستم‌های حفاظت کاتدی

سیستم‌های حفاظت کاتدی مانند همه سیستم‌های الکتریکی می‌توانند تحت شرایط خطرناک باشند. عملکرد چنین سیستم‌هایی می‌تواند کاملاً ایمن باشد، اگر در هنگام طراحی، نصب، بهره‌برداری و نگهداری این سیستم‌ها ملاحظات و احتیاط‌ها لازم و ضروری مدنظر قرار گرفته باشد.

خطرات انفجار

در نواحی که مایعات آتش‌گیر یا گازهای انفجار وجود دارند، باید توجه خاصی به طراحی صحیح و اصولی سیستم‌های حفاظت کاتدی چه سیستم اعمال جریان و چه سیستم آندهای فداشونده مبذول گردد. نمونه‌هایی از این نواحی عبارت از محل‌های استقرار مخازن سوخت، ترمینال‌های سوخت، پالایشگاه‌ها و دپوهای مواد منفجره می‌باشند. از آنجا که جریان‌های حفاظتی مربوط به سیستم‌های حفاظت کاتدی وقتی از داخل زمین عبور می‌کنند، تولید جرقه و یا حرارت می‌کنند بنابراین استفاده از سیستم‌های حفاظت کاتدی در این ‌گونه محل‌ها ایمن می‌باشد. امّا یکسو کننده‌های مورد استفاده در این گونه محل‌ها باید از نوع مقاوم در مقابل انفجار و در داخل روغن نیز غوطه‌ور باشند. در صورتی‌ که از این نوع یکسو کننده استفاده نمی‌شود باید حتماً یکسو کننده در این ‌گونه محل‌ها در نقاط دور از نقاط پر مخاطره قرار داده باشد. در ضمن کلیه عمل اتصالات باید در یک محل ضد انفجار انجام پذیرد. علاوه‌ بر مایعات و گازهای انفجاری، در بعضی موارد دیگر نیز باید تمهیدات ایمنی اندیشیده شود. از آن جمله می‌توان به این‌ مورد اشاره نمود که جریان‌های سیستم اعمال جریان نیز توسط سیم‌های رابط به مواد منفجره که برای انهدام در محل‌های در نظر گرفته‌ شده‌اند، جذب می‌شوند و باعث انفجار می‌شوند. بنابراین در محل‌هایی که عمل انفجار انهدام صورت می‌پذیرد، باید سیستم‌های حفاظت کاتدی از نوع اعمال جریان در زمان‌هایی که عمل انفجار صورت می‌پذیرد خاموش شوند.

باندینگ برای ایمنی الکتریکی

استفاده از باندینگ الکتریکی برای ایمنی در محل‌هایی که کشتی‌ها، خودروها یا هواپیماها در حال سوخت‌گیری هستند، لازم می‌باشد. هر گرادیان ولتاژ در خاک می‌تواند منجر به ایجاد اختلاف پتانسیل بین سازه‌های موجود در نقاط مختلف خاک گردد. اختلاف‌ پتانسیل می‌تواند منجر به جرقه‌زنی خطرناک گردد. سیستم‌های حفاظت کاتدی می‌تواند باعث افزایش سطح چنین گرادیان ولتاژی شوند. باندینگ الکتریکی عادی که در این چنین شرایط استفاده می‌شوند برای کنترل این نوع خطر کافی است.

گرادیان‌های ولتاژ حاصله از سیستم‌های حفاظت کاتدی همچنین در موارد دیگری می‌توانند تولید جرقه کنند و آن در حالتی رخ می‌دهد که در هنگام تعمیرات، خط لوله بریده شود. برای پیشگیری از این حالت باید قبل ‌از بریدن خط لوله باندهای موقتی در طول خط لوله نصب شوند.

تداخل حاصل از قرار گرفتن یک کشتی در مجاورت یک اسکله تحت حفاظت کاتدی می‌تواند منجر به حملات خوردگی شدید بر روی کشتی گردد (شکل). این مشکل را می‌توان به‌ طور عادی از طریق اتصال یک باند مستقیم بین سازه تحت حفاظت کاتدی و کشتی بر طرف نمود (شکل).

جریان‌های متناوب القایی

همان ‌طور که در مورد هر سازه بزرگ که در مجاورت و خطوط انتقال برق متناوب قرار دارد، صادق است، جریان متناوب می‌تواند بر اجزای مدفون یا اجزای موجود روی سطح زمین سیستم‌های حفاظت کاتدی القا شود. این به‌ ویژه برای سازه‌های با پوشش خوب و یا سازه‌هایی که به خوبی از زمین ایزوله نشده‌اند و به‌ طور موازی با خطوط انتقال برق AC قرار دارند صادق است. خطوط لوله‌ای که دارای مسیر عبوری یکسان با خطوط انتقال برق هستند به‌ طور ویژه تحت تأثیر ولتاژهای AC القایی هستند.

این نوع ولتاژها علاوه ‌بر ایجاد صدمات خوردگی بر سازه‌ها، برای افرادی که به سیستم‌های حفاظت کاتدی نزدیک می‌شوند نیز دارای خطرات جدی است. موقعیت قرار گرفتن خطوط انتقال برق AC باید در هنگام طراحی سیستم‌های حفاظت کاتدی مدنظر قرار گیرد. باید به اثرات جریان‌های القایی توجه شود و به فکر تغییر مسیر عبوری خطوط انتقال برق AC و یا تغییر مسیر خط لوله بود. ضمناً باید از قرار دادن ایستگاه‌های اندازه‌گیری در محل‌هایی که احتمال وجود جریان‌های القایی ذکر شده وجود دارد اجتناب نمود. در عین‌ حال باید در زمان ارزیابی‌های میدانی و همچنین آزمایش‌ها و اندازه‌گیری‌های الکتریکی در مجاورت خطوط انتقال برق AC، به این احتمال وجود جریان‌های القایی توجه شود.

لینکدین دانش آریا را دنبال کنید.