بررسی تخصصی اصول حفاظت کاتدی

معرفی اصول حفاظت کاتدی

یکی از مؤثرترین راه‌های پیشگیری از خوردگی حفاظت کاتدی است که می‌تواند برای همه انواع خوردگی استفاده شود و ممکن است در برخی شرایط به‌ طور کامل خوردگی را متوقف کند. اجرای حفاظت کاتدی و  فن حفاظت کاتدی در صنعت برای سازه‌های فلزی مانند خطوط لوله زیرزمینی، اسکله‌ها، لنگرگاه‌ها، کشتی‌ها، مخازن ذخیره نفت و غیره که در الکترولیت‌هایی مانند آب، خاک، بتن و غیره قرار گرفته‌اند، به طور گسترده اجرا می‌شود.

حفاظت کاتدی ابتدا برای یک کشتی نظامی به نام سمارنگ (Samarang) و توسط سر همفری دیوی (Sir Humphry Davy) در سال ۱۸۲۴ انجام شد. بدنه کشتی، که از مس ساخته ‌شده بود، با استفاده از آندهای روی محافظت شد؛ به‌ هر حال، به‌ عنوان نتیجه‌ای از پیشگیری خوردگی موفق، یون‌های مس از سیستم جدا می‌شدند که به پوشیده شدن بدنه کشتی به وسیله موجودات زنده‌ای مانند خزه‌ها منجر می‌شد و این به نوبه خود تصور ناموفق بودن حفاظت کاتدی را القا می‌کرد.

حفاظت کاتدی پیش‌تر در سال ۱۸۳۶، با فرو بردن صفحات آهنی در روی (Zn) مذاب به‌ منظور حفاظت کشتی‌های جنگی از خوردگی، نیز استفاده ‌شده بود. بعد از حدود یک قرن، حفاظت کاتدی مجدد استفاده شد، این ‌بار برای حفاظت خطوط لوله زیرزمینی و حدود سال ۱۹۵۰ و این آغازی بود برای استفاده رایج آن در مخازن ذخیره آب و نفت، کشتی‌ها، سدها، پایه اسکله‌ها، میله‌های فولادی داخل بتن مسلح.

به طور ساده، حفاظت کاتدی شامل تامین الکترون‌ها از یک منبع خارجی برای فلزی که باید حفاظت شود، که فلز را کاتد می‌کند. به‌ ‌طور معمول الکترون‌ها در آند تولید می‌شوند و به سمت کاتد جریان می‌یابند، جایی‌ که در واکنش‌های کاتدی مصرف می‌شوند. اگر این الکترون‌ها به‌ صورت خارجی تأمین شوند، پس واکنش‌های آندی نمی‌توانند الکترون‌های بیشتری تولید کنند، در حالی‌ ‌که سرعت واکنش‌های کاتدی افزایش می‌یابد و واکنش‌های آندی در سطح فلزی که محافظت می‌شود، رخ نمی‌دهند، اما در سطح آند دیگر در سامانه حفاظت کاتدی اتفاق می‌افتد.

لازم نیست کل یک سازه فولادی مانند یک خط لوله طویل با حفاظت کاتدی، محافظت شود. به‌ ‌هر حال، برای این ‌که حفاظت کاتدی یک اقدام مؤثر پیشگیرانه خوردگی باشد، نواحی در معرض خورده شدن خط لوله، باید محافظ شوند. اگر چه یک پیکره فلزی کامل یا بخش‌هایی از آن حفاظت شود، حفاظت کاتدی مؤثر در شرایط زیر اجرا می‌شود:

1. مقاومت زمینی که خط لوله بتن مسطح در آن قرار دارد، کمتر از 1300 ohm.cm می‌باشد.
2. محتوی کلرید خاکی که خط بتن مسطح در آن قرار دارد، بیشتر از ppm 500 باشد؛
3. نواحی با ویژگی‌های مشابه مرداب یا بیابان، که ماسه و گِل با نفوذپذیری بالا دارد؛
4. نواحی که جریان‌های سرگردان دارند.

مطالب مرتبط : سیستم حفاظت کاتدی تزریق جریان

سامانه های حفاظت کاتدی به روش آند فداشونده

حفاظت کاتدی به روش آند فداشونده، یک فن حفاظت کاتدی است که از یک زوج گالوانیک استفاده می‌کند، فلزی که باید محافظت شود به لحاظ الکتریکی به فلز دیگری که در محیط فعال‌تر است، متصل می‌شود. فلز فعال‌تر اکسید می‌شود، الکترون از آن خارج ‌شده و فلز اولی را از خوردگی محافظت می‌کند. به‌ ‌عبارت‌ دیگر، فلز فعال‌تر به سازه فلزی که باید محافظت شود، متصل می‌شود، به‌ طوری‌ ‌که همه خوردگی در فلز فعال‌تر متمرکز می‌شود و بنابراین، سازه فلزی از خوردگی در امان می‌ماند.

بر شار یافتن جریان از این پیل حفاظت کاتدی گالوانیکی، باید اختلاف پتانسیل کافی بین آند و کاتد برای غلبه بر مقاومت مدار، وجود داشته باشد. جریان گرفته گرفته ‌شده از آند به پتانسیل مدار باز آند و مقاومت مدار بستگی دارد.

این روش برای حفاظت وسائل دریاپیما مانند کشتی و قایق استفاده می‌شود. صفحاتی از روی یا منیزیم به اطراف بدنه کشتی آویخته می‌شوند که نسبت‌ به آهن آند بوده و خورده می‌شوند. روی و منیزیم به ‌طور مرسوم استفاده می‌شود، زیرا آن‌ها در انتهای سری گالوانیکی قرار می‌گیرند. از آن جا که آن‌ها در فرایند حفظ آهن فدا می‌شوند، آندهای فداشونده نامیده می‌شوند. وقتی آند فداشونده به‌ طور کامل مصرف شود، آند خورده‌ شده با یک آند تازه جایگزین می‌شود. حفاظت کابل‌ها و خطوط لوله زیرزمینی از خوردگی در اثر خاک، پیشگیری از تشکیل زنگ به کمک صفحات منیزیمی که در دیگ‌های بخار آب قرار داده می‌شوند، از دیگر کاربردهای حفاظت آندی به روش فداشونده است.

فرآیند گالوانیزه کردن به‌ طور ساده، اعمال یک ‌لایه روی (Zn) بر سطح فولاد به کمک اندود کردن (Hot dipping) (غوطه‌وری گرم) است. در بیشتر محیط‌های آبی و اتمسفر، روی (Zn) نسبت به فولاد آند است و بنابراین، اگر سطح آسیب ببیند، فولاد را محافظت خواهد کرد.

به دلیل نسبت مساحت سطح آند و کاتد خیلی زیاد، هر گونه خوردگی روی با سرعت بسیار آهسته پیش می‌رود. واکنش آندی، اکسایش آند گالوانیکی فداشونده و واکنش کاتدی عمدتاً احیاء یا کاهش اکسیژن می‌باشد. به‌ عنوان نتیجه‌ای از این واکنش‌ها، ناحیه آندی ممکن است اسیدی شود و هیدروکسید فلزی می‌تواند سطح آند را بپوشاند و سبب ایجاد مسائلی شود. ظرفیت جریان آندهای گالوانیکی و بازده جریان آن‌ها ثابت است. تعداد و وزن آندها بر اساس سطح کاتدی که باید محاظت شود و زمان حفاظت، تعیین می‌شود.

سامانه های حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان

در حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان، منبع الکترون‌ها، جریان اعمال ‌شده از یک منبع قدرت DC خارج است. جریان اعمالی در جهت عکس جریان خوردگی و به‌ منظور بی‌اثر کردن آن و تبدیل فلز از آند به کاتد، به کار می‌رود. قطب منفی منبع قدرت به سازه‌ای که باید محافظت شود، متصل می‌شود. قطب دیگر به یک آند بی ‌اثر، اغلب گرافیت، متصل می‌شود که در خاک دفن شده ‌است و مصالح پشت‌ بند (Backfill material) با قابلیت رسانایی بالا، یک ارتباط الکتریکی خوب بین آند و خاک اطراف ایجاد می‌کند.

مسیر جریان بین کاتد و آند از طریق خاک کانال وجود دارد که مدار الکتریکی را کامل می‌کند. از آن جا که در این روش جریان از یک منبع خارجی بر سیستم اعمال می‌شود، آن را روش اعمال جریان می‌نامند و این نوع حفاظت معمولاً در مورد سازه‌های مدفون، مانند مخازن یا خطوط لوله، استفاده می‌شود.

اگر آلیاژهایی مانند آهن و آلومینیوم که بی‌اثر نیستند، به ‌جای فلزات نجیبی مانند پلاتین و پالادیم یا گرافیت بی‌اثر، استفاده شوند، آن‌ها به سرعت تجزیه خواهند شد. بنابراین، قطبش کاتدی برای آند اولیه با کاربرد آندهای بی‌اثر که قطب منفی پیل را تشکیل می‌دهند به انجام می‌رسد، و جریان مورد نیاز برای سیستم به ‌صورت خارجی تامین می‌شود. با این روش، واکنش آندی به جای انحلال فلز به واکنش‌های تصاعد گاز تغییر می‌یابد؛ مانند تصاعد اکسیژن در آب شیرین و زیرزمین که به محیط‌های اسیدی منجر می‌شود و تصاعد گاز کلر در آب دریا گاهی همراه با اکسیژن یا منو اکسیدکربن و دی‌ اکسیدکربن در مورد گرافیت یا بستر آندی زغالی:

در آب دریا یا در آب‌هایی که غلظت بالایی از کلرید دارند، در آند گاز کلر به‌ تنهایی و یا همراه با اکسیژن متصاعد می‌شود:

و کلر با آب واکنش می‌دهد و اسیدهیدروکلرید که اسید ضعیفی است تشکیل می‌شود و بنابراین pH خیلی کاهش نمی‌یابد:

این که در آند کدام یک از این دو گاز، کلر یا اکسیژن، متصاعد می‌شود، به غلظت کلر و مقادیر اضافه پتانسیل این گازها در آند بستگی دارد. پتانسیل الکترود استاندارد کلر V 1/36- و برای اکسیژن V 0/4- است، در حالی‌ که در آب دریا پتانسیل تجزیه کلر V 1/39- و برای اکسیژن V 0/81- می‌باشد؛ به‌ هر حال، دلیل مقادیر بالای اضافه ولتاژ اکسیژن، که برابر V 0/7 در سطح فولاد و در چگالی جریان 1mA/cm² است، فقط گاز کلر برای چگالی جریان‌هایی که خیلی بالا نیستند، متصاعد می‌شود.

معمولاً، آندهای گالوانیکی در بستر حاوی زغال به‌ عنوان پشت‌بند آندی، استفاده می‌شوند و این زغال به گازهای مونوکسید کربن و دی‌اکسید کربن اکسید می‌شود. برای وقوع واکنش‌های زیر، زغال باید خیس باشد و به‌ عنوان نتیجه‌ای از این واکنش‌ها، آند اسیدی می‌شود:

آندهای مورد استفاده در هر دو سیستم اعمال جریان و فدا شونده، می‌بایست اقتصادی و مقرون‌ به‌ صرفه باشند، چرا که تقریباً نیمی از هزینه اولیه احداث یک سامانه حفاظت کاتدی صرف آندها می‌شود. دوم، جریان گرفته‌ شده از مساحت سطح واحد آند بایستی تا آنجا که امکان دارد بالا باشد و مقاومت آندی با گذشت زمان افزایش نیابد. به‌ منظور تولید جریان با شدت و مدت برنامه‌ریزی‌ شده، کاهش وزن آند با جریان خروجی در یک‌ سال، باید تا آن جا که امکان دارد کم باشد.

انتظار می‌رود عمر آندهای بی‌اثر در این فن نسبتاً طولانی باشد، مگر این که واکنش‌های شیمیایی با گونه‌های دیگر و قطبش اتفاق بیافتد؛ به‌ هر حال، آندهای بی‌اثر به دلیل عبور جریان، حتی در مقادیر کم، هم دچار کاهش وزن شوند.

اصول حفاظت کاتدی : جریان مورد نیاز حفاظت کاتدی

در منابع، مقادیر برآورده مقدار جریان مورد نیاز برای حفاظت کاتدی، براساس نوع فلز، مساحت سطح فلزی که باید محافظت شود، نوع و کیفیت پوشش و همچنین خورندگی محیطی که سیستم در آن قرار دارد، برای مثال، مقاومت محیط، pH، اکسیژن محلول و غیره می‌باشد. به‌ هر حال، معمولاً این مقادیر جریان در گستره‌های وسیعی ارائه می‌شوند و این در حالی است که حد پایین‌تر از این دامنه ممکن است ایمن نباشد، حد بالای دامنه هم اقتصادی نباشد. دوم، کیفیت پوشش فقط بر اساس مقاومت پوشش به ضخامت مورد توجه قرار می‌گیرد، اما نه بر اساس خطاهای انسانی رایج مثل آسیب‌های پوشش در طی حمل‌ و نقل، انبارداری، نصب لوله و عایق کاری نواحی جوش.

به‌ لحاظ نظری، حداقل جریان مورد نیاز برای حفاظت کاتدی یک سازه فلزی، از منحنی‌های قطبش واکنش‌های آند و کاتد محاسبه می‌شود. برای مثال، خوردگی فولاد در یک محیط اسیدی، شامل واکنش کاتدی تصاعد گاز هیدروژن و واکنش آندی انحلال آهن برای تولید یون‌های آهن است. در تعادل یک سیستم خوردگی فلزی، مثل سیستم خوردگی فولاد، پتانسیل E_cort  و جریان  i_cort ، نقطه تلاقی منحنی‌های قطبش کاتدی و آندی است، برای مثال، E_cort برابر mV 250-  و i_cort برابر

است. اگر جریان کاتدی به این سیستم خوردگی فولادی اعمال شود، جا به جایی پتانسیل در جهت منفی از mV 250- به mV 370- خواهد بود، سرعت خوردگی به یک هزارم مقدار اولیه1 mA/cm²   تقلیل می‌یابد، و شدت جریان مورد نیاز برای انجام این کار برابر

می‌باشد. به عبارت دیگر، جریان مورد نیاز برای حفاظت 1m² سطح فولادی لخت در یک محیط اسیدی به اندازه A 100 است. به هر حال، حفاظت کاتدی با چنین شدت جریان بالایی اقتصادی نیست و بنابراین، در محلول‌های اسیدی، حفاظت آندی به حفاظت کاتدی ترجیح داده می‌شود. به‌ هر حال، اگر حفاظت کاتدی باید اجرا شود، برای کاهش شدت جریان مورد نیاز بایستی سطح فلز به ‌خوبی پوشش داده شود.

صرف‌ نظر از روش حفاظت کاتدی مورد استفاده، هدف نگهداری، برای مثال، پتانسیل مواد آهنی در کمتر از V 85/0- در مقایسه با الکترود استاندارد :

و V 0/55- در مقایسه با الکترود استاندارد هیدروژن (SHE)  است. اگر باکتری کاهش سولفات (SRB) در محیط موجود باشد، حد پایین‌تر به‌ جای V 0/85- مقدار V 0/95- در مقایسه با CSE است. پتانسیل‌های منفی‌تر از این مقدار سبب بروز آسیب‌های هیدروژنی می‌شود و بنابراین خطرناک هستند. بنابراین، نباید چنین خطری کرد و کاهش سرعت خوردگی به حد معینی کفایت می‌کند و جلوگیری کامل از خوردگی انجام نمی‌شود.

برای مثال، وقتی پتانسیل فلز به ‌اندازه mV 100 در جهت منفی جا به جا شود، سرعت خوردگی 90% کاهش می‌یابد، در حالی‌ که جا به جایی به‌ اندازه mV 200، سرعت خوردگی را 99% کاهش می‌دهد. به‌ طور کلی، لازم نیز سرعت خوردگی را بیشتر از 99% کاهش دهیم. جریان مورد نیاز برای تامین چنین تغییر پتانسیلی به ویژگی‌های سیستم بستگی دارد. برای یک خط لوله پوشش‌دار با طول km 240، جریان کل می‌تواند 2A باشد، که برای مقایسه، یک خط لوله لخت با همان طول، A 1000 جریان نیاز است.

بنابراین، کنترل پتانسیل معمولاً به‌ جای تنظیم جریان ترجیح داده می‌شود، چرا که متغیرهای زیادی دخالت دارند. به هر حال، تعیین جریان حفاظت کاتدی کل در سامانه حفاظت کاتدی به روش آند فداشونده برای تعیین تعداد، جرم و اندازه آندهایی که باید نصب شوند، لازم است.

جریان حفاظت کاتدی مورد نیاز در واحد سطح برای حفاظت کاتدی فولاد، بر اساس محیط و کیفیت پوشش در دامنه‌های زیر قرار می‌گیرد:

1. برای سازه فولادی لخت در آب دریای سیلان، مواج و ناهمگون، ۱۰۰ تا 160mA/m²؛
2. برای سازه فولادی لخت در آب دریای راکد، ۵۵ تا 85mA/m²؛
3. برای سازه فولادی لخت در لجن کف دریا، ۲۰ تا 30mA/m²؛
4. برای سازه فولادی لخت در خاک‌های مرطوب و زیرزمین ۱۰ تا 20mA/m²؛
5. برای سازه فولادی پوشش داده ‌شده به طور ضعیف در آب یا زیرزمین ۱ تا 2mA/m²؛
6. برای سازه فولادی خوب پوشش داده‌ شده در آب یا زیرزمین 0/5mA/m²؛
7. برای سازه فولادی پوشش داده‌ شده با پلی‌اتیلن (PE) در آب یا زیرزمین 005/0mA/m².
8. این مقادیر، جریان‌های اولیه مورد نیاز برای حفاظت کاتدی است، چرا که بعد از قطبش سطح فلز، جریان مورد نیاز کاهش می‌یابد. به‌ هر حال، مقاومت پوشش هم با گذشت زمان کاهش می‌یابد و به افزایش در مقدار جریان مورد نیاز منجر می‌شود که با اثر قطبش تعدیل می‌گردد.

اصول حفاظت کاتدی : اثر پوشش بر حفاظت کاتدی

پوشش دادن سطح فلزی که باید به ‌صورت کاتدی محافظت شود، مقدار جریان مورد نیاز برای حفاظت کاتدی را کاهش می‌دهد. این‌ موضوع میسر است، چرا که با پوشش دادن فلز، سرعت نفوذ اکسیژن به نواحی کاتدی روی فلز کاهش می‌یابد و بنابراین جریان کمتری برای قطبش فلز به‌ صورت کاتدی مورد نیاز است. پوشش دادن فلز هزینه‌های اجرای اولیه و بهره‌برداری سامانه‌های حفاظت کاتدی را کاهش می‌دهد. از این‌ رو، حفاظت کاتدی پوشش با هم استفاده می‌شوند.

اثر غیر فعال شدن بر حفاظت کاتدی

واکنش‌های کاتدی روی سطح آندهای تحت جریان حفاظت کاتدی به شکل تصاعد گاز هیدروژن و اکسیژن رخ می‌دهد. این واکنش‌ها، یون‌های هیدروکسید تولید می‌کنند که همراه با یون‌های سختی آب، Ca²⁺  و Mg²⁺ روی سطح رسوب می‌کنند. مشابه اثر پوشش بر حفاظت کاتدی، این رسوب‌ها هیدروکسید کلسیم و منیزیم از نفوذ اکسیژن به نواحی کاتدی روی فلز جلوگیری می‌کنند که نتیجه آن حفاظت کاتدی با جریان محدود کمتری برای قطبش فلز می‌باشد.

این‌ موضوع، دلیل حفاظت کاتدی سازه فولادی لخت در آب دریا را توضیح می‌دهد، چرا که سختی آب دریا و محصولات خوردگی یک لایه محافظ روی سطح فلز تشکیل می‌دهند که مشابه یک پوشش عمل می‌کند. بنابراین، اگر چه جریان حفاظت کاتدی اعمالی در ابتدا خیلی زیاد است، درست در چند ماه اول این جریان به یک پنجم مقدار اولیه کاهش می‌یابد.

مرتبط