بررسی تخصصی سیستم حفاظت کاتدی تزریق جریان

این امکان وجود دارد که با تبدیل سازه فلزی به کاتد با استفاده از یک جریان مستقیم با شدت و پتانسیل مناسب از طریق روش حفاظت کاتدی اعمال جریان، آن را از خوردگی محافظت کرد. اجرای حفاظت کاتدیک و جریان مستقیم مورد استفاده برای حفاظت کاتدی از طریق یک دستگاه ترانسفورماتور / یکسو کننده (T / R) (Transformator / Rectifire Unit) که جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل می‌کند، تأمین می‌شود. قطب مثبت جریان مستقیم خروجی از دستگاه T / R به بستر آندی و قطب منفی به سازه فلزی، به‌ عنوان مثال، به خط لوله تحت حفاظت کاتدی، متصل می‌شود.

برخلاف سامانه‌های حفاظت کاتدی به روش آند فدا شونده که با نصب آند اضافی، جریان حفاظت کاتدی کل افزایش می‌یابد، در سامانه‌های حفاظت کاتدی به روش اعمال، جریان و پتانسیل سامانه را می‌توان بسته به ظرفیت دستگاه T / R به اندازه مورد نظر افزایش داد. بنابراین، در سامانه‌های حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان، یک خط لوله بسیار طولانی می‌تواند فقط با یک بستر آندی محفاظت شود، به شرطی که پتانسیل خط لوله / زمین از یک مقدار حدی معین در نقطه تزریق جریان تجاوز نکند که به ‌علت حفاظت بیش‌ از حد نمی‌تواند اجازه داده شود.

طول بخشی از یک خط لوله که می‌تواند با استفاده از یک بستر آندی منفرد حفاظت شود به نوع خط لوله، قطر داخلی و خارجی آن و ضخامت بدنه فلزی، همچنین در صورت وجود کیفیت پوشش و به شدت جریان آندی تولیدی بستگی دارد.

به ‌عنوان مثال، در مورد حفاظت بیش از حد، اگر پتانسیل فولاد با قطبش اضافی در جهت کاتدی در جهت منفی افزایش یابد، بنابراین، نه ‌تنها اکسیژن در کاتد کاهش می‌یابد، بلکه هیدروژن نیز از طریق واکنش الکترولیز آب هم کاهش می‌یابد. هیدروژن متصاعد شده ممکن است باعث تاول زدن و تورق شود. علاوه ‌بر این، در محیط‌های مناسب برای خوردگی تنشی، برخی از اتم‌های هیدروژن تولید شده ممکن است در ساختار بلوری فلز نفوذ کنند که نتیجه آن تردی هیدروژنی است. همچنین، استفاده از جریان برای حفاظت بیش‌ از حد به هزینه‌های اضافی منجر می‌شود.

مطالب مرتبط : طراحی حفاظت کاتدی سیستم اعمال جریان

سیستم حفاظت کاتدی تزریق جریان : دستگاه ترانس رکتیفایر T/R

در سامانه‌های حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان، جریان از شبکه برق عمومی به شکل جریان متناوب دریافت و به جریان مستقیم تبدیل می‌شود. یک دستگاه ترانسفورماتور / یکسو کننده (T / R) برای تبدیل جریان متناوب (AC) (Alternative Current) به جریان مستقیم (DC) (Direct Current) استفاده می‌شود.

با توجه به این ‌که یک الکترود مرجع ثابت به سامانه حفاظت کاتدی متصل است، اگر پتانسیل تنظیم شود، هر اندازه جریان مستقیم که مورد نیاز باشد را می‌توان از دستگاه T / R دریافت کرد. بنابراین، تنظیم خودکار جریان خروجی از یک سیستم T / R، به ‌عنوان مثال، یک دستگاه T / R تک‌ فاز و دیگری سه ‌فاز، ممکن و میسر است. قطب منفی از جریان مستقیم سیستم ترانسفورماتور/ یکسو کننده (T / R) به فلزی که باید محافظت شود، متصل می‌شود، در حالی‌ که قطب مثبت به آندهای موجود در سامانه حفاظت کاتدی متصل هستند.

هر یک از دو نوع دیودهای سیلیکونی یا سلنیومی در یکسو سازی استفاده می‌شوند، که در هر دو شکل نیم موج یا تمام موج، برای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم به کار می‌روند. از آنجا که دیودهای سیلیکونی نسبت ‌به دیودهای سلنیومی، ۱۰ درصد بازدهی بیشتر دارند و نیز فضای کمتری اشغال می‌کنند، ترجیح داده می‌شوند.

به دلیل نوسان ۶۰ دور در ثانیه که “موج‌دار شدن” (Ripple) نامیده می‌شود، جریان متناوب به شکل سینوسی در می‌آید. این جریان نوسانی نیز خود را در حفاظت کاتدی نشان می‌دهد، اما از آن جا که تغییر پتانسیل کم است، به‌ عنوان مثال، بین mV -1200 و mV -1400، و چون از این نوسانات در پتانسیل در کمتر از یک چند صدم ثانیه رخ می‌دهد، ولت متر تنها یک مقدار ثابت یعنی mV -1300، را نشان می‌دهد، و در نتیجه در عمل هیچ‌ گونه آسیبی ایجاد نمی‌کند.

بازده دستگاه ترانس رکتیفایر T/R

در بهره‌برداری، ابتدا ترانسفورماتور پتانسیل جریان متناوب سه‌ فاز و یا تک‌ فاز دریافتی از شبکه برق را به سطح مورد نظر کاهش می‌دهد، سپس، یکسو کننده آن را به جریان مستقیم معمولاً با بازدهی 60% تا 70% تبدیل می‌کند.

بازده دستگاه T / R برابر با نسبت قدرت جریان مستقیم تولیدی یکسو کننده به قدرت جریان متناوب تولیدی شبکه برق می‌باشد:

و

زمان / hour انرژی الکتریسیته (kW.hour) = قدرت جریان متناوب (watt)

و

بنابراین بر اساس فرمول ۶۴ تا ۶۲، برای تولید جریان مستقیم A 20 و V 15، قدرت جریان مستقیم W 300 خواهد بود: و اگر انرژی برق Kw.hour 0/2 به مدت نیم‌ ساعت صرف شده باشد، قدرت برابر با W 400 خواهد شد و در نتیجه بازده دستگاه T / R برابر 75% می‌باشد. بازده دستگاه T / R با پتانسیل جریان مستقیم خروجی افزایش می‌یابد. بنابراین، برای پتانسیل‌های کمتر از V 10، بازده به کمتر از 60% کاهش پیدا کند. زمانی‌ که جریان سه‌ فاز استفاده می‌شود، بازده بالاتر است.

دستگاه ترانس رکتیفایر T/R با پتانسیئل ثابت

در برخی موارد، به دلیل وجود جریان‌های سرگردان ناشی از تغییر مقاومت بستر آندی بسته به تغییرات فصلی، جریان مورد نیاز حفاظت کاتدی تعییر می‌کند؛ بنابراین، برای حفظ پتانسیل ثابت خط لوله / زمین دستگاه T / R به ‌طور خودکار جریان را تنظیم می‌کند. به‌ همین دلیل، یک الکترود مرجع دائمی در نزدیک سازه فلزی تحت حفاظت نصب می‌شود و پتانسیل تولید شده تحت کنترل جریان از طریق تقویت‌ کننده مغناطیسی (Magnetic amplifire)، استفاده می‌شود. اگر پتانسیل بیشتر از مقدار مورد نیاز باشد، پس تقویت ‌کننده جریان را برای یک دوره کوتاه زمانی متوقف می‌کند، و اگر پتانسیل کمتر باشد، جریان بیشتری از دستگاه T / R خارج می‌شود، و از این‌ رو، پتانسیل خط لوله / زمین همیشه ثابت نگه ‌داشته می‌شود.

نصب دستگاه ترانس رکتیفایر T/R

دستگاه T / R معمولاً روی یک بلوک بتنی که حداقل ۳۰ سانتی‌متر ارتفاع دارد و یا روی یک تیر برق که حداقل ۱۳۰ سانتی‌متر بالاتر از سطح زمین است، نصب می‌شود، به‌ طوری‌ که تحت تاثیر عوامل محیطی مانند باران، تغییر دما، و غیره قرار نگیرند. کابل‌های حامل جریان متناوب از شبکه برق، باید با قرار دادن آن‌ها در کابل محافظ دیگر و سپس بستن آن‌ها بر روی تیر، محافظت شوند. برای قطع کردن جریان، باید یک کلید در بیرون جعبه T / R متصل کرد. جعبه بیرونی باید ارت شود و کابل‌های حامل جریان مستقیم باید برای مشخص کردن قطب مثبت و منفی برچسب شده شوند.

برای دستگاه‌های T / R که برای حفظ پتانسیل ثابت خط لوله/ زمین، به ‌طور خودکار جریان را تنظیم می‌کنند، باید یک کابل که به خوبی به الکترود مرجع نزدیک خط لوله متصل شده است، نصب‌ شده باشد.

کابل‌ها از طریق جوش ترمیتی و پس‌ از زدودن پوشش تا نمایان شدن سطح لخت فولاد و تمیز کردن کامل سطح، به لوله متصل می‌شوند. در سطحی که کاملاً تمیز شده ‌است، ذرات ترمیت آتش زده می‌شوند، پس‌ از جوشکاری سرباره حذف و نواحی باز با استفاده از مواد ماستیک عایق می‌شوند.

به‌ منظور جلوگیری از کاهش پتانسیل، کابل‌هایی که برای حمل جریان مستقیم با شدت بالا استفاده می‌شوند، باید سطح مقطع بزرگ داشته باشد و اتصالات آن‌ها نباید ناحیه‌ای با مقاومت بالا ایجاد کنند، اگر یک سوراخ ریز در هر یک از کابل‌های مدفون در زمین به وجود آید، جریان‌های سرگردان شکل می‌گیرد و این کابل‌ها به دلیل خوردگی، پوسیده و قطع می‌شوند. یک جریان سرگردان به این معنا خواهد بود که پتانسیل جریان مستقیم اعمالی توسط دستگاه T / R به سمت آند نیز کاهش خواهد یافت.

مشخصات فنی دستگاه ترانس رکتیفایر T/R

مشخصات فنی یک دستگاه T / R از قبیل ظرفیت، پتانسیل و جریان خروجی مستقیم است، که باید در طی فاز طراحی پروژه براساس معیارهای زیر تعیین شود:

• از جریان متناوب V 220 یک فاز یا ۳۸۰ ولت سه فاز استفاده خواهد شد؛
• از سیستم خنک‌ کننده هوا و یا روغن استفاده خواهد شد؛ در جو خورنده، دستگاه T / R خنک‌ شونده با روغن ترجیح داده می‌شود، در حالی‌ که در جاهایی که پالایشگاه‌ها، گازها و مواد شیمیایی قابل احتراق، دستگاه T / R ضد انفجار خنک ‌شونده با هوا باید استفاده شود؛
• دستگاه T / R، دیودهای سلنیومی و یا سیلسکونی خواهد داشت؛
• حداکثر درجه حرارت بهره‌برداری؛
• حساسیت و ظرفیت دستگاه‌های اندازه‌گیری مانند آمپرمتر یا ولت‌متر که در جعبه دستگاه T / R است؛
• جاهایی که دستگاه T / R نصب خواهد شد، روی تیر برق، روی دیوار یا روی سطح بلوک بتنی.

سیستم حفاظت کاتدی تزریق جریان : انواع آندها ی تزریق جریان

در حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان، از آنجا که انرژی یا جریان از بیرون تامین می‌شود، آند مرجع به جای فلز تحت حفاظت، دچار خوردگی نمی‌شود؛ با این‌ حال، از آن جا که با اعمال پتانسیل، هر فلزی کم و بیش، خورده می‌شود، حتی بادوام‌ترین آندها عمر محدودی خواهند شد. بنابراین، به دلیل این که نیمی از هزینه اولیه ساخت سامانه حفاظت کاتدی، صرف خرید آندها می‌شود، آندها باید مقرون به صرفه باشند. بنابراین، کاهش جرم در جریان خروجی (A.year) باید تا حد ممکن کوچک‌تر باشد. مهم این است تا حد امکان جریان خروجی از آند بیشترین باشد و مقاومت آند با زمان افزایش پیدا نکند، مانند آند تیتانیوم که با اکسیدهای فلزی رسانا مانند Fe₂O₃-NiO که هرگز غیر فعال (روبین) نمی‌شود، پوشانده شده‌ است.

آند مورد استفاده در سامانه‌های حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان به دو صورت عمودی یا افقی در بستر آندی و در عمق حداقل برابر با طول آند قرار داده می‌شوند. معمولاً از ذرات زغال کک به ‌عنوان مواد پر کننده اطراف آند استفاده می‌شوند. ذرات کک مقاومت بستر آندی را کاهش داده و مانع کاهش وزن آند می‌شود.

مسائلی مانند طرح محل آند، اتصالات آن‌ها و کاهش پتانسیل در امتداد اتصالات باید قبل از قرار دادن آن‌ها در سامانه‌های حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان، مورد توجه قرار گیرند. برای پایش مؤثر سامانه، مکان‌هایی که اندازه‌گیری پتانسیل انجام خواهد شد، باید به دقت انتخاب شود.

آندهای گرافیتی

آندهای گرافیت مقرون‌ به‌ صرفه هستند و بنابراین، به‌ طور معمول در آب دریا، آب‌های شیرین و در زمین استفاده می‌شوند. از آن جا که همه محصولات واکنش‌های آندی گرافیت گازی هستند، هیچ لایه غیر فعالی (روبین) در سطح آند تشکیل نمی‌شود. در آب‌های شیرین و در زمین، اکسیژن و دی ‌اکسید کربن تولید می‌شود، در حالی‌ که در دریا و به‌ خصوص در چگالی‌های جریان زیاد، به طور عمده گاز کلر همراه با اکسیژن تشکیل می‌شود. آند گرافیت برای خروجی جریان 3/0-5/2 A/m² مناسب است که به کاهش وزن کمتر از kg/A.year 0/5 منجر می‌شود، در حالی‌ ‌که خروجی جریان بیش ‌از 4 A/m² در آب شیرین و بیش‌ از جریان 10 A/m² در زمین، و بیش ‌از جریان 30 A/m² در دریا باعث شکستن آند گرافیت خواهد شد.

آند گرافیت در مواد بستر آندی ذرات زغال کک قرار گرفته‌ است که به خروجی یکنواخت جریان منجر می‌شود، با این‌ حال، گازهای تشکیل‌ شده به‌ عنوان نتیجه واکنش‌های آندی باید از محیط خارج شوند که با استفاده از فیلتر ذرات کک انجام می‌گیرد. علاوه‌ بر این، اسیدهای تشکیل ‌شده باید خنثی شوند که معمولاً این کار با افزودن آب آهک انجام می‌شود.

یک پتانسیل اضافی V 7/1 باید به سامانه حفاظت کاتدی اعمال شود تا گرافیت را آند سازد و فولاد را به‌ عنوان کاتد نگه دارد، چرا که پتانسیل آند گرافیت V 7/1 است و مثبت‌تر از فولاد می‌باشد. بنابراین، در غیاب جریان اعمالی، گرافیت کاتد و فولاد آند خواهد بود.

آند آهن-سیلیکن

آندهای چدن که با 14/4% سیلیکون آلیاژ شده‌اند، در سامانه‌های حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان به طور گسترده استفاده می‌شوند. سیلیکون یک فیلم دی‌اکسید سیلیکون محکم روی سطح آند تشکیل می‌دهد و آند محفاظت می‌کند. با این‌ ‌حال، این فیلم مقاومت آند را افزایش نمی‌دهد چون با وجود مقاومت بسیار بالای سیلیکون خالص و تا زمانی‌ که سطح به طور کامل با دی‌اکسید سیلیکون پوشیده نشده باشد یون هیدرونیوم (H⁺) رسانایی را میسر می‌کند. این امکان با آلیاژ کردن آهن با 14/35% سیلیکون به دست می‌آید.

آند آهن- سیلیکون در آب شیرین و در زمین بسیار مقاوم و بادوام می‌باشد. کاهش وزن این آند در چگالی جریان 20 A/m²  به مقدار 0/5 تا kg/A.year 0/75 است. در آب دریا، اگر چه، به دلیل تولید گاز کلر، غیر فعال (روبین) شدن لغو می‌شود، که به خوردگی حفره‌ای در سطح آند منجر می‌شود. با افزودن 4/5% کروم به این آلیاژ، آلیاژ چدن پر سیلیس (HSCI) (High Silicon Cast Iron) به دست می‌آید، از خوردگی حفره‌ای جلوگیری و در نتیجه، در چگالی جریان 500 A/m²، افت وزن تا g/A.year 450 کاهش می‌یابد. افزودن 3% مولیبدن به جای کروم به این آند، استفاده از آن را در دماهای حتی بالاتر از ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد اجازه می‌دهد.

بزرگ‌ترین عیب آند آهن – سیلیکون این است که آن‌ها سنگین و شکننده هستند. هم‌چنین، اگر بستر آند خشک شود، جریان تولیدی یا بازده جریان به صورت قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد.

آندهی سرب – نقره

آندهای سرب حاوی 1% تا 2% نقره، می‌توانند جریان‌های ۵۰ تا 200 A/m² در آب دریا تولید کنند. در ابتدا کاهش وزن این آندها در حدود A/kg 1 است که بعد از حدود یک ماه به دلیل تشکیل لایه پراکسید سرب بر سطح آند، به ۳۰ تا A.year 50 کاهش می‌یابد. لایه پراکسید سرب از تجزیه آند ممانعت می‌کند، اما به دلیل رسانا بودن این لایه، مقاومت آندی افزایش پیدا نمی‌کند، مگر این‌ که جریانی بیش از 400 A/m² دریافت شود. خروج چنین جریان زیادی به تشکیل کلرید سرب و اکسی کلریدهای سرب نارسانا در زیر لایه پراکسید سرب منجر شده که مقاومت آندی را افزایش داده و بنابراین جریان آندی کاهش می‌یابد.

دلیل افزودن نقره این است که اگر آلیاژ سرب با نقره آلیاژ نشود، سرب غیرفعال (رویین) می‌شود و کلرید سرب در آب دریا تشکیل می‌شود. نقره از غیر فعال (روبین) شدن جلوگیری می‌کند حتی اگر در محیط سولفات‌ها در کنار کلریدها وجود داشته باشند. افزایش درصد نقره به 2%، تشکیل پراکسید سرب را تسریع می‌کند، با پوشاندن سطح آند با ذرات زغال کک نتیجه مشابه حاصل می‌گردد. با این‌ حال، لایه پراکسید سرب نمی‌تواند در آب شیرین و زمین تشکیل شود، به‌ ویژه از آن در چگالی جریان خیلی کم بهره‌برداری شود.

آندهای تیتانیوم با پوششی از پلاتین

آندهای تیتانیوم و یا نیوبیوم پوشش داده ‌شده با یک‌ لایه پلاتین به ضخامت ۱۵ تا 10µm آندهایی با بازدهی بسیار بالا هستند که در آب دریا جریان‌های بسیار بالایی تا 1000 A/m² و در زمین با بستر آندی ذرات زغال کک 300 A/m² جریان تولید می‌کنند. آندهای پلاتین پوشیده شده با تیتانیوم و یا نیوبیوم، کاهش وزن بسیار کمی، تنها ۵ تا  mg/A.year 10 در آب دریا دارند.

آندهای پلاتین پوشیده شده با تیتانیوم یا نیوبیوم به متصاعد شدن گاز کلر مقاوم هستند، با این‌ حال آن‌ها گران‌ بهاء هستند و اگر پتانسیل بیش‌ از V 8 اعمال شود و یا اگر تغییرات فرکانس یا موج‌دار شدن در دستگاه T / R به دلیل جریان ورودی متناوب ایجاد شود، پوشش پلاتین ممکن است آسیب ببیند و به غیر فعال (روبین) شدن آند منجر شود.

آندها ی تیتانیوم با پوششی از اکسیدهای فلزی (MMO ANODE)

آندهای تیتانیوم پوشش داده‌ شده با اکسیدهای فلزی (این آندها را با عنوان MMO (Mixed metal Oxides) می­شناسیم.)، به‌ عنوان مثال، با مخلوطی از NiO+Fe₂O₃ با نسبت معین، به ‌طور گسترده‌ای استفاده می‌شوند، چرا که آن‌ها هرگز غیر فعال (رویین) نمی‌شوند، خروجی جریان بسیار بالایی دارند و مقاومت‌شان با زمان افزایش نمی‌یابد. آن‌ها می‌توانند در آب دریا جریان‌های تا 600 A/m² و در زمین با بستر آندی ذرات زغال کک تا 100 A/m² جریان تولید می‌کنند. ذرات زغال کک اطراف آند به عنوان ماده پر کننده بستر آندی استفاده می‌شوند، مقاومت را کاهش داده و در نتیجه جرم کاهش می‌یابد. سایر مواد پر کننده مورد استفاده رایج با این نوع آندها،گرافیت، زغال کک نفتی و زغال سنگ هستند.

اکسیدهای NiO و Fe₂O₃ بر سطح این آندها از طریق ترسیب (Sintering) پوشش داده می‌شود به طوری که آن‌ها با تصاعد گازهای کلر و اکسیژن در سطوح آند تحت تاثیر قرار نمی‌گیرند، و همچنین به اسیدهایی که مقادیر pH کمتر از ۱ دارند، حتی در چگالی‌های جریان بسیار بالا بدون قطبش، مقاوم می‌باشد. بنابراین، آن‌ها به خصوص در اسیدها و محلول‌های حاوی مواد شیمیایی فعال ترجیح داده می‌شود.

از آن جا که چنین بی‌اثری (inertness)، کاهش وزن آندهای تیتانیوم پوشش داده ‌شده با NiO  10% و Fe₂O₃  90% در چگالی جریان 500 A/m² برابر g/A.yaear 1/56 است، در حالی‌ که این کاهش وزن برای آندهای تیتانیوم پوشش داده‌ شده با NiO  40% و Fe₂O₃  60% در چگالی جریان 500 A/m² برابر g/A.yaear 0/40 می‌باشد، با g/A.yaear 0/01 کاهش وزن آند پلاتین پوشش داده شده با تیتانیوم، g/A.yaear 30 کاهش وزن آند گرافیت و g/A.yaear 450 کاهش وزن آندهای آهن- کروم- سیلیکون تحت شرایط مشابه در چگالی جریان 500 A/m² در آب مقایسه شود.

مزیت استفاده از این آند نسبت‌ به آند پوشش‌دار به پلاتین این است که پتانسیل بیش از حد این آندها به دلیل تصاعد گازهای اکسیژن و کلر در چگالی جریان بالا مانند 500 A/m²  خیلی افزایش نمی‌یابد، چرا که پتانسیل تجزیه هر دو کلر و اکسیژن برای آندهای تیتانیوم پوشیده شده با اکسید فلز کم است. در هر دو آندهای پوشیده شده با پلاتین و اکسید فلز، ابتدا گاز کلر در سطح آند متصاعد می‌شود؛ با این‌ حال، در آند تیتانیم پوشیده شده با پلاتین و در چگالی جریان بالا مانند 500 A/m²، تصاعد گاز اکسیژن رخ می‌دهد. پتانسیل‌های تجزیه برای آندهای تیتانیم پوشیده شده با اکسید فلز با تغییرات چگالی جریان خیلی آرام تغییر می‌کند. این‌ موضوع اجازه می‌دهد که بدون افزایش پتانسیل جریان اعمالی از آندهای تیتانیم جریان‌های بالا دریافت گردد، و به عنوانه یک نتیجه، استفاده از آند کوچک‌تر و کاهش اندازه و اثر آندی ممکن شود.

سیستم حفاظت کاتدی تزریق جریان : مقاومت بستر آندی

مقاومت بستر آندی به طول ناحیه فعال چاه، قطر چاه، تعداد و نوع آندها، مقاومت زمین و به مواد پر کننده بستر آندی بستگی دارد. طول ناحیه غیر فعال (Iactive region) چاه، بر مقاومت بستر آندی تاثیر ندارد. ناحیه غیر فعال در بستر آندی چاه عمیق محلی است که آندی در آن قرار ندارد و در نتیجه با شن تمیز پر شده ‌است و تهویه گازهای تولید شده توسط واکنش‌های آندی را اجازه می‌دهد که اگر تهویه نشوند مقاومت بستر آندهای را به ‌طور قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌دهند.

بر آن است که در سامانه‌های حفاظت کاتدی، مقاومت بستر آندی تا جایی ‌که ممکن باشد، کاهش داده شود، چون مقاومت بالا نیازمند جریان آندی با پتانسیل بالا است، همچنین به هزینه‌های بالاتر منجر می‌شود. به‌ هر حال، در ابتدا، جریان مورد نیاز برای حفاظت کاتدی تعیین می‌شود، زیرا اگر جریان با شدت کم برای حفاظت کاتدی کافی باشد، ممکن است به کاهش مقاومت بستر آندی نیازی نباشد، در غیر این صورت افزایش هزینه‌ها را به دنبال خواهد داشت.

با این وجود، اگر جریان تعیین ‌شده نیازمند کاهش مقاومت بستر آندی نباشد به‌ طوری است که پتانسیل جریان اعمالی بتواند کم شود، همچنین کاهش هزینه‌های کل را نیز به دنبال دارد، پس به‌ منظور کاهش مقابل مقاومت بستر آندی به کاهش عمر حفاظت کاتدی، اقدامات زیر می‌تواند انجام شود:

• ذرات زغال کک به‌ عنوان ماده پر کننده بستر آندی استفاده شود، که اندازه مؤثر آند را افزایش می‌دهد؛
• بستر آندی در زمین با مقاومت کم اجرا شود؛
• تعداد آندها افزایش یابد، که، با این‌ حال، همچنین هزینه‌های کل را افزایش خواهد یافت؛
• فاصله بین آند که به موازات یکدیگر به‌ هم متصل شده‌اند، افزایش یابد؛
• تعداد آند کوچک‌تر بیشتری با جرم کل یکسان به جای چند آند بزرگ استفاده شوند؛
• آندی که نسبت طول به قطر (L / d) بالاتری دارد، ترجیح داده شوند.

فرمول دوایت برای اندازه‌گیری مقاومت آند منفرد که نسبت طول به قطر بزرگ‌تر از 5 (L/d>5) دارد و به شکل یک میله یا استوانه است، استفاده می‌شود. اول، قطر نیمی از آندهایی که سطح مقطع دایره‌ای ندارد بر اساس فرمول ۶۰ محاسبه می‌شود. سپس، یک نسخه از فرمول دوایت برای محاسبه مقاومت بستر آندی تعدادی از آندها که بر طبق فرمول ۶۱ به موازات یکدیگر متصل شده‌اند، استفاده می‌شود. با این‌ حال، اگر فاصله بین آندها بیش ‌از حد طولانی باشد، مانند s>10m پس‌ از آن نسبت سوم داخل پرانتز را می‌توان صفر در نظر گرفت و حذف شود، درنتیجه:

می‌تواند به‌ صورت زیر بازنویسی شود:

که در آن n تعداد آندهاست، چون مقاومت آند منفرد که به‌ صورت عمودی در یک بستر آندی قرار می‌گیرد، در فرمول ۵۸ بیان‌ شده است:

در عمل، داشتن یک مقدار “s” بیش‌ از ۵ متر ترجیح داده نمی‌شود، چرا که هزینه‌ها را به دلیل کابل و حفاری بیشتر، افزایش می‌دهد.

سیستم حفاظت کاتدی تزریق جریان : انواع بستر آندی

در سامانه‌های حفاظت کاتدی روش اعمال جریان، دو نوع بستر آندی مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ یک بستر آندی چاهی کم عمق (Shallow well anodic bed) (سطحی) و دیگری بستر چاهی عمیق (Deep well anodic bed) است.

در بستر آندی چاهی کم‌ عمق، آند در چاهی به عمق حدود ۲ متر و به‌ صورت عمودی یا افقی قرار می‌گیرد، سپس، با ذرات زغال کک پوشانده می‌شود، در حالی‌ که در مورد بستر آندی چاهی عمیق، آندها در چاهی عمیق به‌ صورت عمودی و در حداقل عمق ۱۵ متری چاه بستر آندی با قطر حداقل cm 20 قرار داده می‌شوند، چرا که قطر کم سبب نصب سخت آندها خواهد شد. حداقل عمق ۱۵ متر مورد نیاز است، چون فقط پس‌ از این عمق، افزایش پتانسیلی که در سطح ایجاد خواهد شد کمتر از mV 200 می‌باشد، و بنابراین، سبب تداخل نمی‌شود.

بعد از نصب آندها در چاه عمیق، باقی مانده اطراف و زیر آندها با ذرات زغال کک پر می‌شود، در حالی‌ که بخش بالاتر از سطح آندها با شن تمیز پر می‌شود که اجازه می‌دهد گازهای متصاعد شده تخلیه گردند. به بیانی دیگر، بستر آندی چاه کم‌ عمق ممکن است باعث تغییرات پتانسیل تا V 5 شود.

قاعدتاً، روش چهار میله‌ای ورنر (Wenner’s four electrode methode) برای اندازه‌گیری مقاومت لایه خاک در سطح زمین استفاده می‌شود. با این‌ حال، در مورد بستر آندی چاهی عمیق، اطراف بستر آندی معمولاً شامل لایه‌های زمین‌ شناسی متعددی است و فقط خاک نیست؛ بنابراین، مقاومت زمین را نمی‌توان اندازه‌گیری کرد، مگر این‌ ‌که چاه حفر گردد.

اختلاف پتانسیل ایجاد شده توسط بستر آندی در سطح زمین با استفاده از فرمول ۵۰ اندازه‌گیری می‌شود یعنی:

که i جریان خروجی آند به آمپر،  مقاومت زمین به ohm.cm می‌باشد، r فاصله تا محور بستر آندی می‌باشد، و ΔE اختلاف پتانسیل بر حسب ولت در فاصله r از محور بستر آندی در سطح می‌باشد.

شیب پتانسیل ایجاد شده در سطح زمین به شکل یک کره است، و در نتیجه، در مورد بستر آندی عمیق‌تر، اختلاف‌ پتانسیل کمتری در سطح ایجاد می‌شود.

اگر چه نصب بستر آندی چاهی کم‌ عمق، ارزان‌تر و آسان‌تر است، در خیلی از موارد و به دلایل زیر، بستر آندی چاهی عمیق ترجیح داده می‌شود:

1. یک محل وسیع برای بستر آندی کم عمق مورد نیاز است، که به خصوص در مناطق شهری و یا در دیگر نقاط نامتعارف، مانند مناطق کوهستانی، ممکن نیست چنین زمینی پیدا شود؛
2. اگر مقاومت زمین بیش از حد بالا باشد، استفاده از بسترهای چاهی عمیق آندی ممکن است به کاهش مقاومت بستر آندی کمک کند؛
3. بسترهای آندی چاهی عمیق با تغییرات اقلیمی فصلی و یا سایر تغییراتی که در نزدیک سطح اتفاق می‌افتد، مانند فعالیت‌های کشاورزی یا ساخت و سازها، تحت تاثیر قرار نمی‌گیرند؛
4. بسترهای آندی چاهی عمیق، توزیع جریان یکنواخت‌تر را اجازه می‌دهند، در نتیجه باعث ایجاد اختلاف پتانسیل کمتری در سطح می‌شود، در حالی‌ که سبب هر گونه تداخلی در سازه‌های فلزی پیرامون نمی‌شود. اثرات تداخل بسترهای آندی چاهی عمیق به طول آند و طول بخش غیرفعال یا بی‌اثر که با شن پر شده ‌است، بستگی دارد.

معایب بستر آندی چاهی عمیق

1. بستر آندی چاهی عمیق حدود 25%- 20 گران‌تر از بستر آندی چاهی کم‌عمقی است که جریان یکسانی تولید می‌کند. این تفاوت هزینه با افزایش مقاومت زمین و چنانچه جریان دریافتی از آند افزایش یابد، کاهش می‌یابد؛
2. در بستر آندی چاهی عمیق، آندی که فرسوده شده باشد را نمی‌توان با آند جدید جایگزین کرد؛
3. پر کردن کامل بستر آندی چاهی عمیق با ذرات زغال کک دشوار است، حفره‌ها و منافذی بر جا می‌گذارد که مقاومت بستر آندی را افزایش می‌دهد. بنابراین، در ابتدا، قبل ‌از پر کردن چاه با ذرات زغال کک از پایین به بالا، آب داخل چاه به طور کامل تخلیه می‌شود. علاوه‌ بر این، مواد پر کننده ذرات زغال کک را با افزودن kg 5/0 پاک‌ کننده (detergent) به هر kg 90 ذرات زغال کک سیال‌تر کرده، سپس L 100 مخلوط ذرات زغال کک با آب را تهیه می‌کنند و بعد برای پر کردن چاه از پایین چاه تا بالای آن‌ها استفاده می‌شود؛
4. گاز متصاعد شده ناشی از واکنش‌های آندی، در داخل چاه جمع می‌شود و نمی‌تواند به راحتی تخلیه گردد؛ بنابراین، یک لوله تهویه برای تخلیه گازها نصب می‌شود. لوله تهویه باید به ‌اندازه کافی برای تخلیه گاز بزرگ باشد و همچنین به‌ اندازه کافی کوچک باشد که به وسیله مواد پر کننده بستر آندی به‌ طور کامل مسدود نشود، که معمولاً اندازه قطر ۲ تا ۳ سانتی‌متر مناسب است. مسدود شدن داخل چاه می‌تواند با پمپاژ هوای فشرده به داخل چاه با استفاده از یک شلنگ و از طریق لوله تهویه باز کرد. با این‌ حال، با گذشت زمان، مقدار مشخصی از گازهای متصاعد شده هنوز هم محبوس می‌شوند،با شروع این مسئله از پایین چاه مقاومت آندی افزایش می‌یابد، در نتیجه، به کاهش جریان آندی تولید شده منجر می‌شود. اگر هیچ یکی از اقدامات پیشگیرانه ذکر شده، هیچ کمکی نکرد، انتقال جریان به بستر آندی قطع و واکنش‌های آندی متوقف می‌شوند. بنابراین، اگر این مسئله به دلیل گازهای جمع‌ شده، به افزایش فشار منجر شود، باید چند روز صبر کرد، به آن‌ها فرصت داده تا تخلیه شوند، که نتیجه کاهش فشار و بازگشت به حالت قبل است، اگر چنین موردی بود، سپس بستر آندی به عملکرد قبل باز می‌گردد. این زمان در پتانسیل پایین‌تر، برای چنین مشکل مشابه‌ای تکرار نمی‌شود. لوله تهویه همچنین می‌تواند به‌ عنوان یک انتقال‌ دهنده آند برای جای دادن آند در مرکز بستر آندی استفاده شود. علاوه‌ بر این، اگر کلر به‌ عنوان محصول واکنش‌های آندی متصاعد شود، کابل‌های اتصال آند باید با پلی‌اتیلن با وزن مولکولی بالا (HMWPE) و یا اتیلن کلرو – تری فلورواتیلن (ECTFE) پوشش داده شود؛
5. با گذشت زمان، خشک شدن مواد پر کننده بستر آندی از بالا به پایین شروع می‌شود که به کاهش تراوایی (Permeability) بستر آندی، افزایش مقاومت بستر آندی و کاهش جریان تولید شده، منجر می‌شود. تزریق آب به داخل بستر آندی چاهی عمیق با استفاده از یک شلنگ و از طریق لوله تهویه بستر آندی، اگر به‌ موقع انجام شود، می‌تواند بستر آندی را خیس نگه دارد.

سطح مقطع کابل

برای جلوگیری از کاهش پتانسیل کاتدی، مقاومت کابل‌های اتصال آند باید کمتر از مقدار مشخصی باشد. فرمول زیر برای محاسبه مقاومت کابل‌های مسی به کار می‌رود:

R مقاومت کابل مسی به اُهم، L طول کابل به متر و A مساحت سطح مقطع کابل به mm² است. بر اساس شدت جریان عبوری و همچنین عمر حفاظت کاتدی پیش‌ بینی‌ شده، L و A تعیین می‌شوند.

پروژه های حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان

تعداد و مراحلی که باید به‌ ترتیب در زمان اجرای یک پروژه سامانه حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان، دنبال شود، عبارتند از:

1. چند شاخص وجود دارد که باید قبل ‌از شروع اجرای یک پروژه سامانه حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان مشخص شوند، که عبارتند از:

• قطر خط لوله، برای مثال cm 40،
• ضخامت فلز خط لوله، برای مثال mm 7،
• طول خط لوله، برای مثال km 10،
• پوشش خط لوله، برای مثال، آسفالت،
• عمر برنامه‌ریزی‌ شده سامانه حفاظت کاتدی، برای مثال ۲۰ سال،
• مقاومت زمین، برای مثال، cm 3000،
• چگالی جریان بر اساس آزمایشات میدانی، برای مثال، 0/5mA/m².

2. سپس بر مبنای این شاخص‌ها، مساحت سطح کل که باید محافظت شود و بر اساس آن جریان کل مورد نیاز، محاسبه می‌شوند.

۳. به ‌دنبال آن، بر مبنای جریان کل مورد نیاز و مقاومت زمین تعیین می‌شود که از حفاظت کاتدی به روش آند فداشونده یا اعمال جریان، به کار رود.

۴. از داده‌های موجود در منابع، مقاومت الکتریکی درونی لوله‌های فولادی در هر متر طول از متراژ لوله و ضخامت فلزی خط لوله داده‌ شده در مرحله ۱، محاسبه می‌شود.

۵. پس ‌از آن، از چگالی جریان مورد نیاز برای سامانه حفاظت کاتدی داده ‌شده در مرحله ۱، مقاومت پوشش محاسبه می‌شود.

۶. بر اساس فرمول ۶۹، مقاومت الکتریکی درون لوله‌های فولادی از مرحله ۴ و مقاومت پوشش از مرحله ۵، ضریب میرایی محاسبه می‌شود:

که در آن r مقاومت الکتریکی درونی لوله‌های فولادی در متر طول و R مقاومت پوشش در متر طول و a ضریب میرایی است.

۷. حداکثر طول خط لوله که در هر دو انتهای ایزوله می‌شود (این کار به وسیله فلنج یا اتصال عایقی انجام می­شود.)، از ضریب میرایی به دست آمده در مرحله ۶ و با توجه به ولتاژهای پتانسیل داده‌ شده در هر طرف ایزوله شده، تعیین می‌گردد.

۸. سپس، حداکثر مجاز مقاومت بستر آندی، براساس داده‌های منابع و کل جریان مورد نیاز برای حفاظت کاتدی داده‌ شده از مرحله ۲ محاسبه می‌شود. از آن جا که مقادیر موجود در منابع معمولاً برای زمین ohm.cm 10000 می‌باشد، مقدار متناظر با ضریب فاکتور به دست ‌آمده از فرمول ۷۰ به دست می‌آید:

که r مقاومت واقعی زمین به ohm.cm است.

۹. به‌ دنبال آن، حداقل تعداد آندهایی که برای نصب کردن مورد نیاز است از مقاومت زمین در مرحله ۱ و جریان مورد نیاز برای حفاظت کاتدی در مرحله ۲ محاسبه می‌شود.

۱۰. سپس، جرم آند مورد نیاز بر اساس فرمول ۷۱ محاسبه می‌شود، که نسخه اصلاح شده فرمول ۵۲ است، با توجه به این‌ که عمر آند باید حداقل به‌ اندازه عمر برنامه‌ریزی‌ شده حفاظت کاتدی از مرحله ۱ ادامه باشد، در حالی‌ که دیگر پارامترها براساس انتخاب آند هستند که در منابع وجود دارند:

۱۱. مقاومت آندها بر اساس تعداد آندهایی که به موازات یکدیگر به سیستم حفاظت کاتدی متصل هستند و همچنین بر مبنای فاصله آندها از یکدیگر بر طبق فرمول دوایت محاسبه می‌شود.

۱۲. مقاومت بستر آندی بسته به مقاومت آند‌ها و نوع بستر آندی مورد استفاده، یعنی بستر آندی چاهی کم‌ ‌عمق و یا چاهی عمیق، محاسبه می‌شود.

۱۳. سپس، بر اساس مقاومت بستر آندی مرحله ۱۱ و حداقل تعداد آند مورد نیاز از مرحله ۹ و جرم آندی مورد نیاز از مرحله ۱۰ تعیین می‌شود که آند کوچک‌تر و یا بزرگ‌تر نصب شود.

۱۴. بر اساس کل جریان مورد نیاز مرحله ۲ و عمر برنامه‌ریزی‌ شده سامانه حفاظت کاتدی از مرحله ۱، سطح مقطع کابل‌های اتصال محاسبه می‌شود.

۱۵. بر اساس فرمول ۶۷ سطح مقطع کابل از مرحله ۱۴ و به طول کابل از مرحله ۱، مقاومت کابل محاسبه می‌شود.

۱۶. به‌ دنبال آن، با توجه به کل جریان مورد نیاز برای حفاظت کاتدی از مرحله ۲، مقاومت کاتد از مرحله ۵ و ۴ و مقاومت آند از مرحله ۱۵، ولتاژ جریان مستقیم تولید شده توسط دستگاه ترانسفورماتور/ یکسو کننده با استفاده از فرمول ۷۲ محاسبه می‌شود:

که در آن i جریان کل مورد نیاز برای حفاظت کاتدی می‌باشد.

۱۷. سرانجام، اثر تداخل سامانه حفاظت کاتد بر سازه‌های فلزی پیرامونی براساس ولتاژ جریان مستقیم تولید شده توسط دستگاه ترانسفورماتور / یکسو کننده به دست آمده از مرحله ۱۶ و طول بستر آندی که به نوع بستر آندی مورد استفاده، چاهی عمیق و یا چاهی کم‌ عمق، به دست ‌آمده از مرحله ۱۲ بستگی دارد، محاسبه می‌شود.

تعمیر و نگهداری سامانه حفاظت کاتدی به روش تزریق جریان

سامانه حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان باید یک بار در ماه برای سال اول که سامانه به ‌طور کامل در سرویس است، بررسی شود، پس‌ از آن هر سه ماه بررسی انجام می‌شود.

اندازه گیری دوره ای و کنترل های کل سیستم

به‌ منظور تعمیر و نگهداری، کنترل‌ها و اندازه‌گیری‌های زیر باید انجام شود:

• اندازه‌گیری پتانسیل خط لوله / زمین در هر دو حالت “روشن” و “خاموش”؛
• اندازه‌گیری جریان مستقیم تولید شده توسط دستگاه T / R؛
• اندازه‌گیری پتانسیل جریان مستقیم تولید شده توسط دستگاه T / R؛
• اندازه‌گیری مقاومت بستر آندی؛
• اندازه‌گیری پتانسیل خط لوله بیگانه در هر دو حالت “روشن” و “خاموش” در تقاطع با خط لوله که حفاظت کاتدی می‌شود؛
• کنترل کامل دستگاه T / R، آیا فیوزها، اتصالات کابل، دستگاه‌های اندازه‌گیری، و غیره، به‌ طور کامل در سرویس هستند و کالیبره شده‌اند؛
• کنترل اتصال عایقی و فلنج عایقی؛
• کنترل مقاومت اتصالات جریان سرگردان، در صورت وجود.

اندازه گیری های دوره ای و کنترل های دستگاه ترانس رکتیفایر T/R

جدا از بررسی‌های دوره‌ای سامانه‌های حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان، دستگاه‌های T / R باید به‌ طور کامل یک‌ بار در سال، برای مورد زیر بررسی شوند:

• کار کردن دستگاه‌های T / R با صدای کار کردن ایجاد کنند؛
• دستگاه‌های T / R برای خوردگی، کیفیت رنگ، حرارت بیش‌ از حد باید به ‌صورت عینی بررسی شود. قطعات زنگ‌ زده ثبت و سپس دوباره رنگ شوند،
• داخل دستگاه برای وجود حشرات، مارمولک‌ها و مار بررسی شود؛
• ولت ‌متر و آمپرمتر هم قرائت شود؛
• کلید قدرت جریان اعمالی به حالت خاموش تغییر حالت داده و سپس تمام اجزای دستگاه T / R برای وجود گرما بررسی شوند، چون وجود یک جز سرد ممکن است نشان دهد که آن جز کار نمی‌کند. قطعات خیلی گرم ثبت شود؛
• تجهیزات اندازه‌گیری کالیبره شوند؛
• در صورت وجود تهویه و خنک کننده با هوا و تمام اتصالات دیگر تمیز شود؛
• سطح روغن دستگاه T / R با سیستم خنک‌ کننده روغنی بررسی شود و اگر روغن ترانسفورماتور شفاف نبود، و یا اگر رنگ شفاف ولی تاریک و ابری بود، تعویض گردد؛
• کابلی که شکسته و یا عایقش سوخته تعویض گردد؛
• قطع کننده‌ها و کلیدهای جریان بررسی شوند و در صورت شکستگی و آسیب‌ دیدگی جایگزین شوند؛
• کلید قدرت جریان اعمالی روشن شود و بازده دستگاه T / R با فرمول ۶۴ بررسی شود. بازده دستگاه T / R باید در حدود 50% تا 60% باشد که با زمان کاهش می‌یابد و زمانی‌ که بازده کمتر از 25% باشد، کل دستگاه باید تعویض گردد.

مشکلات معمول

عمدتاً با مشکلات زیر در سامانه‌های حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان مواجه هستیم که باید بررسی شوند:

الف) پتانسیل خط لوله / زمین پایین

وجود پتانسیل خط لوله / زمین پایین علی‌رغم کافی بودن شدت و پتانسیل جریان مستقیم تولید شده توسط دستگاه T / R، ممکن است ناشی از یکی یا چهار تا از دلایل زیر باشد:

ممکن است به دلیل افزایش سطح آب‌های زیرزمینی و یا افزایش نرخ نفوذ اکسیژن، زمین بسیار خورنده شده باشد.

1. ممکن است فلنج‌های عایقی که برای مجزا کردن خط لوله استفاده می‌شوند، مقاومت خود را از دست داده باشند.
2. ممکن است یک جزء جدید به سیستم خط لوله اضافه‌ شده است که جریان مورد نیاز برای حفاظت کاتدی را افزایش می‌دهد.
3. ممکن است یک سیستم خط لوله جدید در نزدیکی خط لوله موجود قبلی اجرا شده ‌است.
4. ممکن است پوشش خط لوله آسیب‌ دیده باشد که به افزایش جریان کاتدی منجر می‌شود.

ب) پتانسیل خط لوله / زمینی خیلی زیاد

وجود پتانسیل خط لوله / زمین چه منفی زیاد و چه مثبت زیادی در مقایسه با پتانسیل استاتیک، با توجه به نرمال بودن شدت و پتانسیل جریان مستقیم تولید شده توسط دستگاه T / R، ممکن است به ‌علت یکی یا چند تا از دلایل زیر باشد:

1. ممکن است پتانسیل بسیار منفی خط لوله / زمین منفی زیاد دلالت بر وجود جریان‌های سرگردان تولید شده از سامانه‌های حفاظت کاتدی اطراف یا منابع جریان مستقیم داشته باشد، که از سازه فلزی تحت حفاظت کاتدی خارج می‌شود.
2. ممکن است پتانسیل مثبت‌تر از پتانسیل استاتیک دلالت بر وجود اتصال اشتباه باشد، چرا که معمولاً قطب مثبت منبع جریان مستقیم باید به آند و قطب منفی منبع جریان مستقیم باید به کاتد متصل شود، و در هنگامی‌ که حفاظت جریان کاتدی اعمال می‌شود پتانسیل باید در جهت منفی افزایش یابد. در غیر این صورت، همانند مورد اتصال اشتباه، پتانسیل در جهت مثبت افزایش می‌یابد و خط لوله آند شده و خورده می‌شود.

مرتبط