اصول حفاظت کاتدی

حفاظت کاتدی روشی برای کاهش خوردگی فلز با تبدیل آن به کاتد در پیل الکتروشیمیایی است. کاتد در پیل الکتروشیمیایی، الکترودی است که در آن کاهش (بدون خوردگی) رخ می­دهد. پیش از اعمال حفاظت کاتدی، سازه­ها دارای مناطق کاتدی و آندی (مناطقی که در آن­ها خوردگی اتفاق می­افتد) هستند. چنانچه تمام مناطق آندی را بتوان به مناطق کاتدی تبدبل کرد، تمام سازه به کاتد تبدیل می­شود و خوردگی از بین خواهد رفت.

تعریف کلاسیک حفاظت کاتدی: پلاریزاسیون کاتدی تمام مناطق دارای پتانسیل نجیب (کاتدها) به فعال­ترین مناطق (آند) بر روی سطح فلز.

حفاظت کاتدی با تبدیل سازه به کاتد یک مدار جریان مستقیم به دست می­آید که در آن نرخ جریان بار الکتریکی به نحوی تنظیم می­شود تا اطمینان حاصل شود که پتانسیل پلاریزاسیون حداقل به اندازه فعال­ترین (الکترونگاتیو) منطقه بر روی سازه است.

فرهنگ لغات فنی بر اساس بخش 1 «فرهنگ لغات بین­المللی انجمن ملی مهندسین خوردگی (National Association of Corrosion Engineers: NACE) از عبارات مرتبط با خوردگی» در ضمیمه «الف» آورده شده است.

تعریف ترمودینامیکی حفاظت کاتدی: سازه می­بایست تا پتانسیل پایداری ترمودینامیکی فلز سازه در محیط خاص به صورت کاتدی پلاریزه شود. این پتانسیل با منطقه مصونیت در نمودار پوربه (pH-Potential) مرتبط است که بعداً در این فصل به آن پرداخته می­شود. نیاز نیست که جریان مورد نیاز حفاظت کاتدی تحت این دو تعریف یکسان باشند.

مطالب مرتبط : سیستم حفاظت کاتدی تزریق جریان

انرژی

نمودار پوربه

مفهوم روابط انرژی برای کنترل خوردگی و حفاظت کاتدی ضروری است. شکل 1-1 نسخه­ای ساده از نمودار پوربه آهن است که پتانسیل الکتریکی را به pH مرتبط می­کند. این شکل در اصل نمودار از انرژی برحسب pH  برای یک عنصر و ترکیبات آن است. نمودار  ساده شده­ی شکل 1-1، سه منطقه پایداری برای آهن را نشان می­دهد: مصونیت، خوردگی و غیر فعال شدن.

با فرض پسیو شدن توسط فیلم­های Fe₂ O₃ و Fe₃ O₄ بر روی نمودار خط­های نقطه­چین a و b نیز نمایش داده شده است. خط a حد پایینی پایداری آب را نشان می­دهد. این­ها شرایطی از pH و پتانسیل هستند که در آن­ها یون­های هیدروژن در آب با گاز هیدروژن در فشار یک اتمسفر در تعادل هستند. رابطه شیمیایی به این صورت است:

خط b حد بالایی پایداری آب را نشان می­دهد. این­ها شرایطی هستند که در آن گاز اکسیژن می­تواند از آب در یکی از الکترودها آزاد شود. رابطه به این صورت است:

خطوطی که سایر مناطق روی نمودار را به هم متصل می­کنند، نواحی پایدار ترمودینامیکی محصول را مشخص می­کنند. پتانسیل داده شده روی این نمودار (شکل 1-1) برحسب الکترود استاندارد هیدروژن است (SHE). برای به دست آوردن پتانسیل برحسب الکترود مرجع مس / سولفات مس 0/316 ولت (mV 316) از پتانسیل SHE کم کنید. لازم به ذکر است که ناحیه پایداری برای مصونیت، در پتانسیل 0/60- ولت و pH های 2- تا 9 قرار دارد. اگر pH بزرگ­تر از 9 باشد، خط به موازات خط تعادل برای آزاد شدن هیدروژن در می­آید (خط a). بر اساس حفاظت کاتدی صحیح «بر پایه قواعد ترمودینامیک» پتانسیل آهن باید برابر با منفی­تر از خط متصل کننده ناحیه پایداری آهن باشد.

در نمودار پوربه، منطقه (ناحیه) بین خطوط a و b، منطقه­ای است که در آن آب پایدار است. در پتانسیل­های منفی­تر از خط a، یون­های هیدروژن به گاز هیدروژن احیا می­شوند. تمامی منطقه پایداری آهن در مناطق منفی­تر از خط a قرار دارد. از نظر ترمودینامیکی، حفاظت کاتدی آهن بدون امکان احیای حداقل مقداری یون هیدروژن در سطح فلز، امکان­پذیر نیست. معیارهای حفاظت کاتدی به غیر از pH کمتر از 9، معمولاً از پتانسیل­های آزاد شدن هیدروژن فراتر نمی­روند. نمودار پوربه بیان می­کند که جریان مورد نیاز برای حفاظت آهن (یا سایر فلزات) باید برای الکترونگاتیو نگه داشتن پتانسیل فلز، حداقل به اندازه­ی ناحیه پایداری فلز در pH داده شده، کافی باشد.

اطلاعات بیشتر در مورد نمودارهای پوربه در اطلس تعادل­های الکتروشیمیایی در محلول­های آبی نوشته مارسل پوربه از انتشارات NACE International موجود است.

خوردگی زمانی اتفاق می­افتد که اتم­های فلزی، الکترون­های خود را از دست بدهند که این امر جریان الکترون (شار جریان منفی) به خارج از منطقه و یون­های مثبت (محصولات خوردگی) تولید می­کند. هدف حفاظت کاتدی تبدیل تمام سطح به یک کاتد است تا هیچ پتانسیل الکتریکی برای ایجاد واکنش الکتروشیمیایی وجود نداشته باشد و بنابراین خوردگی رخ ندهد. اعمال جریان مستقیم به یک سازه فلزی در حال خورده شدن می­تواند سبب تبدیل تمامی آن به کاتد شود. جریان مستقیم مرتبط با فرایند خوردگی بر روی یک خط لوله فلزی مدفون یا زیر آب را نشان می­دهد.

یون­های مثبت، همانند محصولات خوردگی، از منطقه آندی وارد محیط می­شوند. هم زمان سایر یون­های مثبت از محیط، الکترون­ها را از سطح فلز در مناطق کاتدی پیل می­گیرند. در حالی که یون­های مثبت در حال خنثی شدن (احیا شدن) در سطح کاتد هستند، یون­های منفی از مجاورت کاتد به سمت آند حرکت می­کنند. یون­های مثبت و منفی در فرایند انتقال بار درگیر هستند. برای تکمیل شدن مدار، شار جریان در خود فلز انجام می­شود. برای یک ولتاژ محرکه مشخص (پتانسیل مدار باز میان آند و کاتد)، مقدار جریان توسط عواملی نظیر مقاومت محیط (غلظت یون­های موجود در الکترولیت) و میزان پلاریزاسیون در سطح آند و کاتد، محدود می­شود. شکل  زیر  مدار الکتریکی معادل برای پیل خوردگی ساده را نشان می­دهد. پلاریزاسیون تابعی از چگالی جریان خوردگی، i است.

قطبیت نشان داده شده بر روی نمادهای معرف E_c,oc و E_a,oc ، نشان دهنده قطبیت فلز نسبت به الکترولیت در محل­های کاتدی و آندی است. تفاوت پتانسیل کل میان پتانسیل مدار باز آند و کاتد که نیروی محرکه خوردگی است، به گونه­ای است که کاتد نسبت به آند مثبت است

قطبیت­های نشان داده شده بر روی نمادهای معرف پتانسیل­های پلاریزاسیون E_c,p و E_a,p ، قطبیت اثرهای پلاریزاسیون است. پتانسیل­های پلاریزاسیون عکس پتانسیل­های آند و کاتد هستند که پیل را تشکیل می­دهند. نتیجه پلاریزاسیون، کاهش اختلاف پتانسیل کل میان آند و کاتد در پیل خوردگی است.

نشان دهنده روش پایه­ای در اعمال حفاظت کاتدی است. قسمتی از لوله که در شکل در حال خورده شدن بود، به کاتد تبدیل می­شود. جریان حفاظت کاتدی می­بایست از آند حفاظت کاتدی (معمولاً در حفاظت کاتدی زیرزمین، بستر گفته می­شود) که برای همین هدف ایجاد شده، به درون محیط وارد شود. طبق تعریف، مواد مورد استفاده در بسترها، آند هستند و تبدیل جریان الکتریکی به یون­های مثبت در بستر رخ می­دهد.

قطبیت و قرارداد علائم

برای جلوگیری از سردرگمی لازم است تا از یک قرارداد علائم استاندارد برای مدارهای الکتریکی استفاده شود. پایه­ی قرارداد علائم، فرض حرکت بار مثبت است. جهت جریان بر اساس این فرض تعیین می­شود که حمل کننده بارها مثبت هستند. این فرض به نام جریان قراردادی شناخته می­شود. جهت جریان قراردادی برعکس جهت جریان بار منفی است. پیش فرض همواره جریان قراردادی است مگر این که به صورت مشخص ذکر شود.

با توجه به قرارداد بالا برای جهت جریان، از دو قانون برای تعیین قطبیت ولتاژ می­توتن استفاده کرد. این قوانین تنها برای مدارهای خارج از منبع تغذیه به کار برده می­شوند:

• قانون 1: جهت جریان قراردادی (مثبت) از خروجی ولتاژ مثبت دستگاه تولید کننده توان (منبع) است.
• قانون 2: جهت جریان قراردادی (مثبت) به سمت خروجی جریان مثبت دستگاه مصرف کننده توان (بار) است.

قطبیت و قراردادهای علائم در  شکل نشان داده شده­ اند.

مقاومت­ها مثال­هایی از دستگاه­های مصرف کننده توان هستند، توان با تولید حرارت مصرف می­شود. کابل­ها، مقاومت آند به زمین، مقاومت خط لوله به زمین و مقاومت خطی خط لوله، مثال­هایی از عناصر مقاومتی مدار در زمینه خوردگی هستند. منابع تغذیه یکی از انواع انرژی را در درون خود به انرژی الکتریکی تبدیل می­کنند. یکسو کننده­ها، منابع تغذیه خورشیدی، پیل­های خوردگی سامانه­های آند گالوانیک مثال­هایی از منابع تغذیه در حفاظت کاتدی هستند.

قراردادهای اندازه­ گیری و گزارش پتانسیل الکترود

دو الکترود که هر یک از عنصری فلزی احاطه شده توسط الکترولیت پیوسته تشکیل و توسط هادی الکتریکی متصل شده­اند، پیل گالوانیک را به وجود می­آورند. ممکن است الکترولیت­ها از نظر شیمیایی اما مرزی مشترک داشته باشند یا ممکن است الکترودها در یک الکترولیت مشترک غوطه­ور باشند. هر یک از الکترودها به همراه الکترولیت احاطه کننده آن نیم پیل نامیده می­شود. یک سازه فلزی در تماس با خاک یا سایر الکترولیت­ها در واقع یک نیم پیل است، هر چند که ممکن است تعداد زیادی پیل­های موضعی (آند و کاتد) روی سطح فلز وجود داشته باشند. برای اندازه­گیری پتانسیل نیم پیل یک سازه، نیم پیل دومی با پتانسیل نیم پیل پایدار مورد نیاز است. پتانسیل اندازه­گیری شده سازه نسبت به نیم پیل مرجع پایدار، اطلاعات مورد نظر را تأمین می­کند. چهار جزء برای گزارش اندازه­گیری پتانسیل نیم پیل مورد نیاز است: قطبیت، بزرگی، واحد اندازه­گیری و مرجع/ برای مثال -850 volts CSE به معنی منفی 0/850 در واحد ولت است، زمانی که نسبت به یک الکترود مرجع مس / سولفات مس اندازه­گیری شود. چنانچه یکی از چهار جزء اندازه­گیری پتانسیل نادیده گرفته شوند یا گزارش نشوند، اندازه­گیری مشکل می­شود.

تمام پتانسیل­های نیم پیل می­بایست نسبت به یک مرجع استاندارد، نظیر مرجع مس / سولفات مس (CSE)، اندازه­گیری شوند. بنابراین ضروری است که همواره مرجع استفاده شده برای اندازه­گیری پتانسیل نیم پیل ذکر شود. برای مثال پتانسیل حفاظتی اندازه­گیری شده برای یک خط لوله فولادی مدفون را می­توان به صورت 0/850- ولت نسبت به مرجع مس / سولفات مس اشباع شده (CSE) گزارش کرد. اغلب این پتانسیل به صورت 0/850- ولت لوله به خاک گزارش می­شود.

اگر چه ممکن است که این بهترین روش گزارش­دهی نباشد، اما در زمینه خوردگی، به صورت کلی پذیرفته شده است که «لوله به خاک» به معنی «پتانسیل لوله نسبت به مرجع مس / سولفات مس اشباع شده در تماس با خاک» است. در جدول 1-1 فهرستی از الکترودهای مرجع معمول به همراه پتانسیل نیم گیل استاندارد آن­ها و عوامل تبدیل آورده شده است.

در تمامی موارد، پتانسیل مورد نظر، پتانسیل الکترود داده شده نسبت به یک مرجع مشخص در دمای 25 درجه سانتی­گراد است. لازم به ذکر است که این پتانسیل، پتانسیل مرجع نسبت به نیم  پیل داده شده­ی مورد نظر نیست. در نگاه اول ممکن است به نظر آید که این پتانسیل­ها یکسان هستند، ولی آن­ها یکسان نیستند. اگرچه هر دو پتانسیل اندازه عددی یکسانی دارند، یکی از پتانسیل­ها مقدار منفی پتانسیل دیگر است. بنابراین به منظور گزارش پتانسیل مورد نظر با قطبیت صحیح، می­بایست آن را به صورت پتانسیل الکترود مورد نظر نسبت به یک مرجع مشخص گزارش داد.

برای اندازه­گیری پتانسیل نیم پیل مورد نظر نسبت به یک مرجع مشخص، مرجع باید به خروجی منفی ولت متر متصل باشد تا نمایشگر ولت متر قطبیت صحیح را مشخص کند. این مطلب توسط علائم “common” یا “reference” بر روی خروجی منفی بسیاری از ولت مترها تائید شده است. از آنجا که اکثر نمایشگرهای دیجیتال می­توانند مقادیر مثبت یا منفی را مشخص کنند، اتصال مرجع به خروجی منفی مشکلی را به وجود نمی­آورد. به هر حال از آنجا که نمایشگرهای آنالوگ تنها می­توانند مقادیر مثبت را نشان دهند، اتصال مرجع به خروجی منفی، در صورتی که مقادیر اندازه­گیری منفی باشند، می­تواند سبب انحراف نشانگر به سمت مقادیر منفی شود. از آنجا که جلوی حرکت نشانگر به سمت مقادیر منفی گرفته شده است، سیم مرجع باید به خروجی مثبت ولت متر انتقال داده شود تا بزرگی پتانسیل در این مورد تعیین شود. سپس مقادیر باید به صورت منفی گزارش شوند. شکل 1-6 را ببینید.

به صورت خلاصه، زمانی که از ولت ­متر دیجیتال با قابلیت نمایش مقادیر مثبت و منفی استفاده می­شود، چنانچه مرجع به خروجی منفی متصل شده باشد، قطبیت صحیح برای گزارش نمایشگر مشخص می­شود، زمانی که از ولت متر آنالوگ که فقط قابلیت نمایش مقادیر مثبت را دارد، استفاده شود، مرجع را به خروجی، جهت ایجاد اندازه­ گیری مثبت متصل کنید. چنانچه برای ایجاد مقادیر مثبت، مرجع به خروجی مثبت متصل باشد، اندازه­گیری­ها باید با قطبیت منفی گزارش شوند.

با فرض جریان قراردادی و پتانسیل گزارش شده به صورت الکترود مورد نظر بر حسب مرجع مشخص، علائم تمامی پتانسیل­ها مطابق گزارش اتحادیه بین­المللی شیمی محض و کاربردی(IUPAC) خواهد بود که به عنوان توافق استکهلم شناخته می­شود(David J. G. Ives and George J. Janz, ea., Reference Electrodes: Theory and Practice, (New York: Academic Press, 1961), p. 26 – 28.). همچنین این استاندارد گزارش به صورت کلی علائم در زمینه خوردگی را پذیرفته است.

پلاریزاسیون

با ادامه شار جریان، پلاریزاسیوندر آند و کاتد به وجود می­آید. پلاریزاسیون اختلاف پتانسیل مناطق آندی و کاتدی را کاهش می­دهد و طبق قانون اهم، جریان و نرخ خوردگی افت می­کنند تا یک تعادل میان تأثیرات پلاریزاسیون و دپلاریزاسیون به دست آید. عوامل دپلاریزه کردن شامل این عوامل است:

• اکسیژن حل شده
• تغییرات غلظت یون
• جریان آب
• دما
• pH پایین

پلاریزاسیون همواره در خلاف جهت شار جریانی که آن را به وجود می­آورد، رخ می­دهد. زمانی که آند و کاتد یک پیل خوردگی به هم متصل می­شوند، جریان بین آن­ها به وجود می­آید. این جریان باعث خواهد شد تا پتانسیل آند به پتانسیل کاتد نزدیک شود.همچنین پتانسیل کاتد نیز به پتانسیل آند نزدیک خواهد شد. اختلاف ولتاژ میان الکترودهای پلاریزه شده تا نزدیک شدن به یک پتانسیل حالت پایدار مخلوط (E_M) کاهش می­یاید و این تا زمانی است که تأثیر پلاریزه کننده جریان دقیقاً با تأثیرات دپلاریزه کننده خارجی برابر شود. پتانسیل مخلوط جایی میان پتانسیل­های پلاریزه شده­ی دو الکترود است. اختلاف پتانسیل میان پتانسیل­های پلاریزه شده­ی آند و کاتد، ولتاژ محرکه پیل خوردگی است. جریان در این حالت پایدار، به عنوان جریان خوردگی (I_corr) سامانه تعریف می­شود. نمودار پلاریزاسیون یا نمودار ایوانس(Evans) در شکل 1-7، مفهوم پلاریزسیون پیل خوردگی را بهتر نشان می­دهد.

پتانسیل الکترودها پیش از شار جریان، پتانسیل­های مدار باز نامیده می­شوند. این پتانسیل­ها (E_a,oc و E_c,oc)، پتانسیل­های آند و کاتد پیش از متصل شدن آن­ها به یکدیگر است (مدار کوتاه). تحت شرایط مدار باز تنها جریانی که به الکترود وارد یا از آن خارج می­شود، جریان تبادلی است. جریان تبادلی سرعتی است که در آن­ بارهای مثبت یا منفی، زمانی که یک الکترود در الکترولیت به تعادل پویا می­رسد. به سطح آن وارد یا از آن خارج می­شوند. در شرایط تعادلی هیچ شار جریان خالصی در الکترود وجود ندارد. میزان چگالی جریان تبادلی تابعی از ماده الکترود مشخص و الکترولیت است که به صورت کلی میزان اندکی است. مثال­هایی تحت شرایط پلاریزاسیون اکتیواسیون در جدول 1-3 آورده شده است.

به صورت کلی پلاریزاسیون مربوط به تخلیه واکنش دهنده­ها و تجمع محصولات واکنش است. هر عاملی که سبب تجمع محصولات واکنش یا تخلیه واکنش دهنده­ها شود، پلاریزاسیون را افزایش می­دهد. برعکس هر عاملی که سبب برداشته شدن محصولات خوردگی یا تجدید واکنش دهنده­ها شود، پلاریزاسیون را کاهش می­دهد. سه نوع پلاریزاسیون الکتروشیمیایی وجود دارد: مقاومتی، اکتیواسیون (فعال سازی) و غلظتی.

پلاریزاسیون مقاومتی

پلاریزاسیون مقاومتی که افت ولتاژ در خاک نیز نامیده می­شود، بسیار شبیه مفهوم مقاومت در مدار الکتریکی است. انتقال بار در الکترولیت از طریق یون­های موجود در محلول است. هر چه یون­ها، از هر نوعی، بیشتر باشند، انتقال بار ساده­تر و اندازه میدان الکتریکی ناشی از انتقال بار، کمتر خواهد بود. اختلاف پتانسیل درون الکترولیت و در طول فیلم­های لایه مرزی که توسط انتقال بار ایجاد شده­اند (معادل شار جریان از درون یک مقاومت) پلاریزاسیون مقاومتی نامیده می­شود. از آنجا که پلاریزاسیون مقاومتی بخشی از افت ولتاژ می­شود، حائز اهمیت است. افت ولتاژ می­بایست در اندازه­گیری پتانسیل سازه به پیل مرجع در نظر گرفته شود.

از نظر ریاضی پلاریزاسیون مقاومتی با استفاده از رابطه زیر محاسبه می­شود که در واقع همان قانون اهم است.

برای مطالعه بیشتر موضوع پلاریزاسیون مقاومتی به کتاب جنبه­های نظری و آزمایشگاهی سینتیک ( Klaus J. Vetter ‘’Electrochemical Kinetics Theoretical and Experimental Aspects’’, Academic Press, New York, London, 1967, pp385 – 395) مراجعه کنید.

پلاریزاسیون اکتیواسیون (فعال سازی)

پلاریزاسیون اکتیواسیون توسط عوامل تأخیری درون خود واکنش ایجاد می­شود. برای مثال آزاد شدن گاز هیدروژن در کاتد را در نظر بگیرید، سرعتی که در آن یون­های هیدروژن به گاز هیدروژن احیا می­شوند تابعی از عوامل مختلفی از جمله سرعت انتقال الکترون به یون­های هیدروژن در سطح فلز است. بنابراین برای این واکنش، سرعت ذاتی است و به فلز خاص و دمای سامانه بستگی دارد. در حقیقت گستره­ی وسیعی از فلزات با توانایی مختلف برای انتقال الکترون به یون­های هیدروژن وجود دارند که در نتیجه آن سرعت آزاد شدن هیدروژن از سطح فلزی مختلف، کاملاً متفاوت است.

پلاریزاسیون اکتیواسیون معمولاً در الکترولیت­هایی غالب است که واکنش دهنده­ها بسیار زیاد هستند و / یا برداشت محصولات درگیر در واکنش الکتروشیمیایی به سرعت و سهولت انجام می­گیرد. معادله پلاریزاسیون اکتیواسیون به این صورت است.

شکل 1-8 نموداری از پلاریزاسیون اکتیواسیون بر روی یک کاتد با چگالی جریان تبادلی

است.

به یاد داشته باشید:

برای مثال:

در این رابطه (که معمولاً به آن رابطه تافل گفته می­شود)، چنانچه جریان قراردادی از الکترود به الکترولیت حرکن کند، ثابت تافل (شیب خط) مثبت است. در این صورت اکسیداسیون در سطح در حال وقوع است و این محل آند است. پتانسیل پلاریزاسیون با افزایش چگالی جریان بر روی سطح الکترود در جهت مثبت حرکت می­کند. به صورت برعکس زمانی که جریان قراردادی از الکترولیت به الکترود جریان می­یابد، ثابت تافل منفی است. در این مورد احیا بر روی سطح رخ می­دهد. میزان ثابت تافل با واکنش الکتروشیمیایی مشخص، شیمی الکترولیت و سطح الکترود تغییر می­کند. مثال­های بسیاری از میزان ثابت تافل در جدول 1-2 آورده شده است.

مثال­هایی از ثابت تافل برای آزاد شدن هیدروژن از محلول­های آبی (Data after Parsons, Handbook of Electrochemical Constants, Butterworths, London (1959))

چگالی جریان تبادلی نیز تابعی از واکنش الکتروشیمیایی مشخص، شیمی الکترولیت و سطح الکترود است. این مقدار نشان دهنده سادگی انجام یک واکنش خاص است. هر چه این مقدار بزرگ­تر باشد، انجام واکنش ساده­تر می­شود. چگالی جریان­های تبادلی برای واکنش آزاد شدن هیدروژن در اسید سولفوریک رقیق در جدول 1-3 آورده شده است(L. L. Shreir, Corrosion, Volume 2, Newnes – Butterworth, London (1976)).

پلاریزاسیون غلظتی

به تأخیر در یک واکنش الکتروشیمیایی در نتیجه تغییرات غلظتی در محلول در مجاورت سطح فلز اشاره دارد. برای مثال در واکنش آزاد شدن هیدروژ، تصور کنید که غلظت یون­های هیدروژن در محلول نسبتاً پایین است و واکنش با سرعت تقریباً بالایی در حال انجام است. واکنش کاتدی با مصرف یون­های هیدروژن، منطقه بسیار نزدیک به سطح فلز را از این یون­ها تهی می­کند. تحت این شرایط، واکنش توسط نرخ نفوذ یون­های هیدروژن به سطح فلز کنترل می­شود.

پلاریزاسیون غلظتی معمولاً در الکترولیت­هایی غالب است که غلظت واکنش دهنده­ها کم است، برای مثال محلول­های رقیق، یا زمانی که محصولات واکنش تجمع پیدا می­کنند، برای مثال محیط­های راکد. رابطه پلاریزسیون غلظتی به این صورت است:

بر اساس این رابطه واضح است که چگالی جریان محدود کننده زیاد، منجر به پلاریزاسیون غلظتی بسیار کمی خواهد شد.  تأثیر چگالی جریان محدود کننده بر پلاریزسیون را نشان می­دهد.

نمودار تأثیر چگالی جریان بر پلاریزاسیون غلظتی i_L=0/003725A.cm² نشان دهنده تأثیرات ترکیبی پلاریزاسیون اکتیواسیون و غلظتی است.

 

ارتباط پلاریزاسیون و حفاظت کاتدی

پلاریزاسیون جزئی از حفاظت کاتدی است. به یاد داشته باشید که پلاریزاسیون تغییری در پتانسیل در نتیجه شار جریان است. زمانی که جریان از الکترولیت به فلز شار می­کند، واکنش­های احیا رخ می­دهند. محصولات این واکنش­ها، ترکیب شیمیایی الکترولیت در فصل مشترک الکترولیت / سازه را تغییر می­دهند. تغییر شیمی و تغییر پتانسیل ناشی از آن در فصل مشترک، پلاریزاسیون نامیده می­شود. زمانی که جریان حفاظت کاتدی قطع می­شود، مشابه اضمحلال ولتاژ در خازن، پلاریزاسیون نیز به تدریج کم می­شود.

زمانی که یک سازه پلاریزه می­شود، پتانسیل آن به سمت الکترونگاتیو شدن تغییر می­کند. پلاریزاسیون به روش مرحله­ای رخ می­دهد که در آن ابتدا مناطق مثبت­تر یا کاتدی پلاریزه می­شوند. زمانی که پتانسیل اولین نقاط کاتدی با پتانسیل سایر نقاط برابر می­شود، پلاریزاسیون در سایر نقاط نیز آغاز می­شود. توضیح ساده­تر شکل  به درک بهتر این موضوع کمک می­کند.

برای متوقف کردن خوردگی می­بایست تمام نقاط کاتدی موجود، به صورت الکترونگاتیو تا پتانسیلی برابر با منفی­ترین پتانسیل مدار باز موجود در سازه پلاریزه شوند. پلاریزاسیون یک سازه به وسیله اعمال جریان خارجی به دست می­آید که بزرگی این جریان به رفتار حفاظت کاتدی بستگی دارد. عوامل تأثیر گذار بر میزان جریان مورد نیاز برای حفاظت کاتدی کافی یک سازه، در ادامه بحث خواهند شد. نمودار ایوانس در شکل نشان دهنده پلاریزاسیون کاتد به سمت پتانسیل مدار باز آند یک پیل خوردگی، بر روی یک سازه با استفاده از آند حفاظت کاتدی است.

پلاریزاسیون کاتدها به سمت پتانسیل مدار باز آندها معیار صحیحی برای از بین بردن خوردگی است. اما برای اهداف عملی، تعیین پتانسیل مدار باز فعال­ترین منطقه آندی غیر ممکن است. از آنجا که پیل­های خوردگی معمولاً میکروسکوپی هستند و پتانسیل اندازه­گیری شده، پتانسیل­های خوردگی هستند، بسیار محتمل است که اندازه­گیری­های اولیه، میانگین پتانسیل­های خوردگی چندین پیل خوردگی باشند. بنابراین چندین معیار جایگزین که بعداً مورد بحث قرار خواهند گرفت، برای کمک به دستیابی به معیار صحیح، توسعه یافتند.

عوامل مرتبط با جریان مورد نیاز

مقدار جریان مورد نیاز برای تأمین حفاظت کافی به مساحت سطح تحت حفاظت و رفتار پلاریزاسیون سازه در محیط خود بستگی دارد.

مساحت سطح

در یک محیط، جریان مورد نیاز به صورت مستقیم با مساحت سطح متناسب است. هر چه سطحی که قرار است حفاظت شود مساحت بیشتری داشته باشد، جریان مورد نیاز بیشتر می­شود. برای مثال یک سطح پوشش داده شده، جریان کمتری از یک سطح بدون پوشش نیاز دارد. یک سازه­ی دارای پوشش، تنها به جریان حفاظتی درعیوب پوشش(Holidays) نیاز دارد. برای در نظر گرفتن یک مثال عملی، محاسبات زیر در مورد یک پوشش غیر ایده­آل را در نظر بگیرید:

اطلاعات داده شده:

محاسبات:

مساحت سطح

که در این رابطه:

A_s: مساحت سطح خط لوله         d: قطر خارجی خط لوله (m)        L: طول خط لوله (m)

جریان مورد نیاز:

که در این رابطه:

I: جریان مورد نیاز (برای سطح بدون پوشش)

A_s: مساحت سطح (m²)

جریان مورد نیاز (برای سطح پوشش داده شده)

پاسخ پلاریزاسیون به جریان

در مورد یک پیل خوردگی، پلاریزاسیون چه از نوع کاتدی، آندی یا هر دو، مطلوب است، چرا که جریان خوردگی را کاهش می­دهد. در یک سامانه حفاظت کاتدی، عواملی که تمایل به دپلاریزه کردن یک سطح فلزی دارند، نیاز به جریان حفاظت کاتدی را افزایش می­دهند.

معیارها، نگهداری و مدیریت حفاظت کاتدی

در یک الکترولیت پیوسته، پلاریزه کردن کاتد به صورت الکترونگاتیو، می­تواند خوردگی را کم کند. زمانی که کاتدها تا پتانسیلی برابر یا منفی­تر از پتانسیل منفی­ترین آند روی سطح فلز تحت حفاظت پلاریزه شوند، خوردگی به صورت کامل متوقف می­شود. عوامل متعددی وجود دارند که بر نرخ خوردگی و متقابلاً بر جریان مورد نیاز برای حفاظت کاتدی تأثیر می­گذارند. عوامل مهم­تر در جدول آورده شده­ اند.

پتانسیل منفی­ترین نقطه آندی روی سطح سازه­ای که قرار است حفاظت شود، معیار صحیح برای دستیابی به حفاظت کاتدی کامل است. متأسفانه این پتانسیل (E_a,oc) را نمی­توان به طرز معنی داری اندازه­گیری یا محاسبه نمود. علاوه بر این، اندازه و محل این پتانسیل با زمان و شرایط محیط تغییر می­کند. معیارهای دیگری برای حفاظت توسعه یافته­اند که برخی از آن­ها در جدول آورده شده­ اند.

جدول  عوامل درگیری در جریان مورد نیاز برای دستیابی به حفاظت کاتدی

جدول  انواع معیارهای حفاظت کاتدی

هر یک از این معیارها، مزایا و محدودیت­هایی دارند که مهندس خوردگی برای رسیدن به سطح مطلوب حفاظت کاتدی، می­بایست مد نظر قرار دهد. تغییراتی در این معیارها وجود دارد و توافق جهانی، برای مثال در مورد اعتبار یا کارایی آن­ها جود ندارد. NACE استانداردهایی با توافق جامع برای حفاظت کاتدی سامانه­های فلزی زیرزمینی یا زیرآبی، سطوحداخلی مخازن ذخیره سازی آب، سازه­های بتنی مسلح روزمینی، سکوهایی دریایی و تجهیزات فراوری تخصصی مختلف، ارائه داده است.

شماره تعدادی از استانداردهای قابل دسترس NACE در جدول 1-6 آورده شده است. این استانداردها شامل معیارهایی کاربردی برای انواع مشخص سازه و محیط هستند.

استاندارد 104D (AWWA) American Water Works Association «حفاظت کاتدی اعمال جریان با کنترل خودکار» معیار 850- تا 1050- میلی ولت پتانسیل پلاریزه شده نسبت به الکترود مرجع سولفات مس / مس را تشخیص می­کند.

مؤسسه نفت آمریکا (API) در 651 Recommended Practice «حفاظت کاتدی مخازن ذخیره سازی نفت زیرزمینی» به استاندارد 169، NACE RP برای حفاظت کاتدی خارجی و استاندارد 0575 NACE RP و 0388 RP برای حفاظت کاتدی داخلی ارجاع داده است. این استاندارد حاوی اطلاعات تکمیلی در این خصوص است.

1632 API Recommended Practice «حفاظت کاتدی مخازن ذخیره سازی نفت زیرزمینی و سامانه­های لوله­کشی» شامل معیارهایی مشابه با استاندارد 0286 NACE RP است.

معیارهای صنعتی و بین­المللی بسیاری در متون مختلف منتشر شده­اند. در زیر به برخی از این استانداردها به صورت خلاصه پرداخته شده است.

• نروژی

طراحی حفاظت کاتدی (DNV) Det Norske Veritas Industrie Norge AS 401B RP. معیارها:

1) فولاد کربنی و کم آلیاژ در آب دریای هوادهی شده: mV 800- نسبت به مرجع نقره / کلراید نقره

2) در محیط­های بی هوازی: mV 900- نسبت به مرجع نقره / کلرید نقره.

استاندارد Norsok الزامات مشترک حفاظت کاتدی، MCR-503.

mV 800- تا mV 1050- نسبت به الکترود مرجع آب دریا نقره / کلرید نقره.

• توسعه نفتی عمان (PDO-65-12)

حداقل mV 850- پتانسیل خاموش لحظه­ای نسبت به الکترود مرجع مس / سولفات مس(Copper / Copper Sulfate Refrence Electrode (CSE)). از پتانسیل­های منفی­تر از mV CSE 1200- اجتناب کنید (خاموش).

• شرکت ملی نفت ابوظبی (ADNOC)

فولاد در خاک:

• پتانسیل خاموش لحظه­ای mV CSE 950- تا 1150-
• پتانسیل خاموش لحظه­ای mV SSC 900- تا 1100-

فولاد در بتن:

• پتانسیل خاموش لحظه­ای mV CSE 700- تا 1100-
• پتانسیل خاموش لحظه­ای mV SSC 650- تا 1050-

فولاد آب:

• پتانسیل خاموش لحظه­ای mV CSE 850- تا 11105050-
• پتانسیل خاموش لحظه­ای mV SSC 800- تا 1000-

• بریتانیایی

حفاظت کاتدی، بخش 1، آیین نامه کاربردهای خشکی و دریایی، بخش 1: 1991، 7361 BS، BSI Standards (British Standard Institution).معیارهای این استاندارد به این شرح هستند:

معیار برای فولاد در بتن در معرض اتمسفر، اضمحلال پلاریزاسیون حداقل mV 100 در 4 ساعت یا کمتر است.

آیین­نامه پوشش محافظ سازه­های آهنی و فولادی در مقابل خوردگی، 1977 – 5495 BS

حفاظت سازه­ها در مقابل صاعقه، 1985: 6651BS

• کانادایی

استاندارد 96 – 662Z، CSA، «سامانه­های خط لوله گاز و نفت» مرجع CGA، روش توصیه شده(Recommended Practice (RP)) OCC-1 «کنترل خوردگی خارجی روی سامانه­های لوله­کشی فلزی مدفون یا زیرآبی» را مرجع معیارها و روش­ها قرار داده است. معیارها مشابه روش توصیه شده NACE هستند.

استاندارد 169 CSA-z در مورد حفاظت کاتدی آلومینیوم است.

• استرالیایی

موسسه استاندارد استرالیا، استاندارد شماره 2832. این استاندارد دارای سه بخش است. بخش 1 به لوله­ها، کابل­ها و کانال­ها می­پردازد. ممنوع بخش 2 سازه­های مدفون متراکم است و عنوان بخش 3 سازه­های زیرآبی ثابت است، معیارهای فهرست شده با 0169 NACE RP یکسان هستند.

• ژاپنی

دستورالعمل­ محافظت در برابر خوردگی و تعمیر برای سازه­های فلزی بندر و لنگرگاه، مؤسسه توسعه مناطق ساحلی خارجی ژاپن، 1998. این سند معیترهای حفاظت کاتدی فولاد در آب دریا را به صورت زیر فهرست می­کند:

mV 770- نسبت به الکترود کالومل اشباع

mV 780- نسبت به کلرید نقره / نقره

mV 850- نسبت به مرجع مس / سولفات مس

این سند، چگالی جریان حفاظتی را به صورت زیر فهرست می­کند:

انجمن تخصصی بندر ژاپن، بخش 1، بحث و معیارهای فنّاوری تأسیسات بندرگاه. این سند معیارها و جریان مورد نیاز یکسانی را مشابه موارد ذکر شده در بالا فهرست میکند.

انجمن لوله­کشی آب ژاپن، دستورالعمل حفاظت کاتدی برای لوله آب فولادی پوشش داده شده، 95- 050- WSP. این سند معیار mV 850- نسبت به پیل مرجع مس / سولفات مس را بیان می­کند.

همانند تمام استانداردها، استفاده کنند می­بایست با مراجع قانونی تماس گرفته تا آخرین نسخه را به دست آورد.

• آلمانی

DIN 30676 معیارهای حفاظت کاتدی را به صورت زیر آورده است:

معیارهای پتانسیل

بر اساس یک معیار پتانسیل، مقدار انتخاب شده، اندکی از منفی­ترین پتانسیل آند که ممکن است بر روی سازه موجود باشد، منفی­تر است. بر همین اساس معیار پتانسیل، همان­طور که در جدول 1-7 مشخص شده است، تابعی از فلز و محیط است. به دلیل وابستکی شدید معیارهای پتانسیل به محیط، توافقی کلی در مورد معیارهای پتانسیل برای حفاظت کاتدی فلزات، به جز آهن و فولاد در محیط­های هوازی، وجود ندارد.

جدول 1- 7: معیارهای پتانسیل از منابع حفاظت کاتدی برای بعضی از فلزات و آلیاژها در ؟؟؟؟؟؟؟؟ 25

معیارهای پتانسیل ذکر شده در جدول 1-7 نباید بدون در نظر گرفتن شرایط محیط استفاده شوند. منابع دیگر، مقادیری متفاوت و در واقع یک محدوده­ی معیارهای حفاظت را گزارش می­دهند. برای مثال، منابع ژاپنی پتانسیل حفاظتی را برای سرب mV 710- و برای فولاد mV 1000- نسبت به مرجع مس / سولفات مس گزارش می­کنند. محققان بریتانیایی معتقدند پتانسیل حفاظتی برای آلومینیم می­تواند بین mV 950- و mV 1200- نسبت به CSE تغییر کند. محققان آمریکایی پیشنهاد کرده­اند که خوردگی ناچیزی روی فولاد در معرض شرایط متفاوت خاک، زمانی که فولاد تا mV 850- نسبت به CSE به صورت کاتدی پلاریزه شده باشد. رخ می­دهد. اعتبار این معیارهای پتانسیل با افزایش دما کاهش می­یابد. معمولاً معیار پتانسیل برای جبران افزایش دما، باید منفی­تر باشد. در صورت وجود فعالیت باکتری بی هوازی احیا کننده سولفات (SRB) نیز باید پتانسیل الکترونگاتیوتر باشد.

در کاربرد معیارهای پتانسیل، جدای از ماده­ی سازه، پتانسیل باید به صورت مقدار پلاریزه شده تفسیر شود. اندازه­گیری­های سازه به الکترولیت برای مقایسه با معیار انتخاب شده باید عاری از خطای افت ولتاژ باشد. این اندازه­گیری را می­توان با قرار دادن الکترود مرجع در نزدیکی سازه انجام داد. روش دیگر اندازه­گیری پتانسیل بلافاصله بعد از قطع جریان حفاظت کاتدی است، یعنی پس از  این که افزایش جریان گذرا به دلیل قطع جریان از بین رفت و قبل از این که میزان قابل توجهی دپلاریزه شدن رخ دهد.

جایی که پتانسیل­های آندی پایدار بر روی سازه کمتر از حد معمول الکترونگاتیو هستند، استفاده از معیار پتانسیل می­تواند سبب حفاظت بیش از حد شود. برعکس، حتی زمانی که سازه تا معیارهای انتخاب شده، پلاریزه شده باشد نیز یک جریان خوردگی باقیمانده، هر چند کوچک، می­تواند وجود داشته باشد. در هر یک از این موارد، زمانی که معیار انتخاب شد، برای راحتی بررسی تنها نیاز است تا پتانسیل­های پلاریزه شده سازه با مقدار معیار مقایسه شوند.

معیار پتانسیل تا حدی مثبت­تر از پتانسیل مورد نیاز برای حفاظت کامل.

معیارهای پتانسیل NACE International

استاندارد 0169 NACE RP (در ضمیمه «ک» قرار داده شده) معیاری از پتانسیل را به عنوان یکی از معیارها برای ارزیابی عملکرد سامانه حفاظت کاتدی ارائه می­دهد. روش توصیه شده 1- 1- 2- 2- 6 این معیار ولتاژ را ارائه می­دهد: پتانسیل منفی (کاتدی) حداقل mV 850 در زمان اعمال حفاظت کاتدی. این پتانسیل نسبت به الکترود مرجع مس / سولفات مس، زمانی که الکترود با الکترولیت در تماس است، اندازه­گیری می­شود. افت ولتاژها، به جز افت ولتاژ در مرز سازه به الکترولیت، باید برای تفسیر صحیح این اندازه­گیری ولتاژ در نظر گرفته شوند.

در نظر گرفتن سایر افت ولتاژها می­تواند شامل این موارد باشد: اندازه ­گیری یا محاسبه افت ولتاژ؛ بررسی تاریخچه عملکرد سامانه حفاظت کاتدی، ارزیابی مشخصات فیزیکی و الکتریکی لوله و محیط و تعیین این که شواهد فیزیکی از خوردگی وجود دارد یا خیر.

استاندارد 0285 NACE RP معیارهای پتانسیل مشابهی را ارائه می­دهد.

پتانسیل سازه به خاک اندازه­گیری شده مجموعی از پتانسیل خوردگی، میزان پلاریزاسیون و افت ولتاژ است. اگر افت ولتاژ از اندازه­گیری­ها حذف شود، چه از طریق قطع جریان یا هر روش معتبر دیگری، مقدار باقیمانده بیان کننده پتانسیل پلاریزه شده سازه است. پتانسیل پلاریزه شده (در اساس تعریف 0169 RP) «پتانسیل در فصل مشترک سازه / الکترولیت و مجموع پتانسیل خوردگی و پلاریزاسیون کاتدی است». به بیان دیگر، از آنجا که بند 1- 1- 2- 2- 6 از 0169 NACE RP الزام می­کند که «افت ولتاژ غیر از آنچه در مرز سازه به الکترولیت وجود دارد را برای تفسیر صحیح می­بایست در نظر گرفت» . بند 2- 1- 2- 2- 6 تعیین «پتانسیل پلاریزه شده» را لازم می­داند، این دو معیار به سادگی دو بیان متفاوت از یک معیار هستند.

معیارهای تغییر پلاریزاسیون

در حال حاضر یک معیار تغییر پلاریزاسیون، 3- 1- 2- 2- 6، برای سازه­های آهنی مورد قبول است: mV 100- تغییر پتانسیل پلاریزاسیون در اعمال این معیار تصور می­شود که پیل­های خوردگی روی سازه، تحت کنترل کاتدی در حال عملکرد هستند؛ بنابراین پتانسیل خوردگی سازه (E_corr) در مقدار نزدیک به پتانسیل مدار باز آند (E_a,oc) (کمتر از mV 100) است، همان طور که در شکل  مشخص شده است.

اگر پتانسیل خوردگی، mV 100 در جهت منفی پلاریزه شود، دستیابی به حفاظت در نظر گرفته می­شود. برای اعمال این معیار نیاز است تا پتانسیل­های خوردگی سازه قبل از روشن کردن سامانه حفاظت کاتدی ثبت شوند و سپس پتانسیل­های پلاریزه شده در همان محل­ها پس از وارد عمل شدن سامانه اندازه­گیری شوند. از آنجا که پلاریزاسیون تابعی از زمان است. زمان دادن به سامانه حفاظت کاتدی برای عملکرد، پیش از بررسی پتانسیل پلاریزه شده، می­تواند به خصوص در مورد سازه­های بدون پوشش مفید باشد. تمام پتانسیل­های اندازه­گیری شده بعد از روشن شدن سامانه، می­بایست عاری از افت ولتاژ باشند تا بتوان مقایسه­­ی معتبری نسبت به پتانسیل­های خوردگی انجام داد. چنانچه داده­های پتانسیل خوردگی خط مبنا پیش از روشن شدن سامانه ثبت نشده باشند، می­توان سامانه حفاظت کاتدی را خاموش کرد تا به سازه اجازه داده شود تا دپلاریزه شود و پس از آن داده­های خط مبنا قابل دستیابی است. یکی از معایب این روش این است که سازه برای مدت زمان طولانی بدون حفاظت می­ماند. اگر پیل­های خوردگی سازه تحت کنترل آندی عمل کنند، ممکن است که هیچ یک از معیارهای جابجایی پتانسیل معتبر نباشند.

معیار E log i

اگر چه استاندارد 0169 NACE RP  و 0285RP معیارهای E log i را برای حفاظت کاتدی به رسمیت نمی­شناسند، این معیارها در گذشته مؤثر بوده­اند و ممکن است هنوز در موقعیت­های خاصی که روش­های مستقیم­تر قابل اعمال نیستند، مؤثر باشند.

برای کاربرد معیار E log i می­بایست منحنی پلاریزاسیون کاتدی سازه را رسم نمود. داده­های لازم برای نمودار را می­توان از طریق اعمال جریان­های آزمایشی با اندازه­های افزایشی و اندازه­گیری پتانسیل پلاریزه شده سازه در هر مقدار جریان آزمایشی جداگانه، به دست آورد.

در انجام این آزمایش چن عامل مهم هستند. فاصله زمانی بین اندازه­گیری­ها می­بایست تا حد امکان یکسان نگه داشته شوند تا انحراف ناشی از تغییر پلاریزاسیون با زمان حذف شود. محدوده جریان آزمایشی می­بایست تا حداقل 10 برابر جریان تخمین زده شده برای حفاظت افزایش یابد. به علاوه، پتانسیل اندازه­گیری شده باید به دلیل افت ولتاژ اصلاح شود تا پتانسیل پلاریزه شده به دست آید. سپس داده­ها روی کاغذ نیمه لگاریتمی رسم می­شوند. این نموداری از داده­های عملی از آزمایشی روی چاه نفت است.

در محیط­های تقریباً هوازدایی شده، همانند لوله­های جداره چاه، معمولاً منحنی پلاریزاسیون، رفتار خطی (تافل) با افزایش جریان آزمایش نشان می­دهد. معمولاً یک خط مستقیم مماس بر قسمت تافل منحنی رسم می­شود و به سمت محور عمودی امتداد می­یابد. تفسیرهای متعددی از این امتداد تافل ارائه شده است. معمول­ترین تفسیر از منحنی E log i این است که جریان در نقطه­ای که خط مماس بر شیب تافل از داد­ها جدا می­شود، به عنوان جریان لازم برای دستیابی حفاظت کامل در نظر گرفته می­شود. در شکل این جدا شدن در جریان تقریبی 11 آمپر رخ می­دهد. لازم به ذکر است که شیب تافل تقریباً V/dec 115/0- و در انطباق مناسبی با مقادیر گزارش شده برای احیای H⁺ بر روی آهن است. همان طور که گفته شد، جریان تعیین شده برای حفاظت توسط معیار E log i تقریباً 11 آمپر است.

اعتبار معیار E log i  به دستیابی به رفتار تافل وابسته است. این رفتار اغلب بر روی سازه­های در معرض محیط هوازدایی شده که سرعت پیل خوردگی توسط پلاریزاسیون اکتیواسیون در واکنش احیا شدن یون­های هیدروژن کنترل می­شود، رخ می­دهد. رفتار تافل برای سازه­های در معرض محیط­های هوادهی شده مورد انتظار نیست، چرا که در این محیط­ها سرعت پیل خوردگی توسط پلاریزاسیون غلظتی کنترل می­شود (نفوذ اکسیژن به مناطق کاتدی که احیا رخ می­دهد). گاهی اوقات این معیار برای لوله­های جداره چاه­های عمیق که در آن­ها محیط مشخصاً هوازدایی شده است، اعمال می­شود. اگر بتوان نشان داد که این معیار، نتایج موفقیت­آمیزی داشته است، ممکن است همچنان مورد استفاده قرار بگیرد. در بسیاری از مواردی که معیار E log i  برای برقراری تنظیمات جریان اولیه برای حفاظت کاتدی استفاده شده است، معیارهای پتانسیل پلاریزه شده نسبت به مرجع استاندارد و mV 100 تغییر نیز بعد از مدت کوتاهی از عملکرد به دست می­ آیند.

معیارهای جهت جریان سازه / الکترولیت

در حالی که استانداردهای NACE، RP0169 و 0285 RP معیارهای جهت جریان سازه به الکترولیت را صحیح نمی­دانند، این معیارها در گذشته مورد استفاده قرار گرفته­ اند و تحت شرایط خاص معتبر شناخته می­شوند. برای معیار جهت جریان الکترولیت به ساره برای حفاظت کاتدی نیاز است که تمام نقاط آندی روی سازه از ابتدا شناسایی شوند. پس از آن، در صورتی که بتوان نشان داد که جریان خالص (حفاظتی) ار الکترولیت به سازه در تمام نقاط آندی از پیش تعیین شده وجود دارد، می­توان گفت که حفاظت کاتدی برقرار شده است. جریان با استفاده از یک جریان سنج که به دو الکترود متصل است، اندازه­گیری می­شود. یکی از این الکترودها باید در نزدیک­ترین فاصله ممکن از نقطه آندی قرار داده شود، همان گونه که در شکل نشان داده شده است.

این استاندارد به دلیل مشکل در تعیین تمام نقاط آندی بر روی سازه در حال خورده شدن، دارای مزیت بحث برانگیزی است. علاوه بر این، محل نقاط آندی با زمان تغییر می­کند و معمولاً برای مهیا کردن شرایط انجام آزمون صحیح، لازم است حفاری صورت گیرد.

بدون توجه به معیار مورد استفاده، عامل مهم این است که از دستیابی به حفاظت کاتدی کافی، اطمینان حاصل شود (سازه دیگر با نرخ غیر قابل پذیرشی خورده نمی­شود). در بعضی سازه­ها، نظیر مخازن ذخیره سازی آب و محفظه چگالنده­ها، می­توان از قطعه آزمون استفاده کرد تا به صورت دوره­ای، موفقیت نسبی معیار حفاظت کاتدی را ارزیابی کرد. قطعه­های آزمون مورد استفاده باید از نوع فلز مورد استفاده در سازه باشند.

سایر معیارها

آلومینیم

آلومینیم فلز فعالی است که در غیاب لایه سطحی اکسید محافظ، به صورت مستقیم با آب واکنش می­دهد. تشکیل سریع و ماندگاری لایه اکسید است که به آلومینیم اجازه استفاده در بسیاری از کاربردهای معمول که در معرض محیط­های آبی قرار دارد را می­دهد.

معیار حفاظت کاتدی آلومینیم بر اساس 0169 NACE RP

حداقل mV  100 پلاریزاسیون کاتدی بین سطح سازه و الکترود مرجع پایدار که در تماس با الکترولیت است، آلومینیم آمفوتر است، به این معنی که تحت شرایط اسیدی و بازی خورده می­شود. برای جلوگیری از تجمع قلیا بر روی سطح که می­تواند نرخ خوردگی را افزایش دهد، پتانسیل پلاریزاسیون نباید mV 1200- که بین سطح لوله و الکترود مرجع مس / سولفات مس اندازه­گیری شده، بیشتر شود. به همین ترتیب چنانچه pH محیط بالاتر از 8 است، بیش از اعمال حفاظت کاتدی می­بایست موقعیت را ارزیابی کرد. فلزهای آمفوتر را می­بایست از سایر فلزهای سامانه، عایق و به صورت جداگانه حفاظت کرد.

مس

معیار حفاظت کاتدی مس براساس 0169NACE RP

• حداقل mV 100 پلاریزاسیون کاتدی بین سطح سازه و الکترود مرجع پایدار که در تماس با الکترولیت قرار دارد.
• در مورد لوله­کشی فلزات غیر هم­جنس – ولتاژ منفی برابر با آندی­ترین فلز، بین سطح تمام لوله­ها و الکترود مرجع پایدار.

سازه­های بتنی تقویت شده

استاندارد 100 NACE RP «حفاظت کاتدی خطوط لوله استوانه­ای بتنی دارای تنش»، ایجاد یا از بین رفتن mV 100 پلاریزاسیون با محدوده­ی حفاظت کاتدی mV CSE 1000- به منظور جلوگیری از تشکیل هیدروژن و تردی هیدروژنی احتمالی در فولادهای با استحکام بالا از بیان می­کند. معیار mV 100 پلاریزاسیون برای اکثر سازه­های بتنی تقویت شده مورد قبول است.

خلاصه معیارها

برای حفاظت کاتدی لازم است که پتانسیل­های خوردگی (E_corr) روی سازه در جهت الکترونگاتیو پلاریزه شوند. حفاظت کامل زمانی به دست می­آید که پتانسیل­های سازه تا منفی­ترین پتانسیل آندی مدار باز روی سازه (E_a,oc) ، پلاریزه شوند. از آنجا که (E_a,oc)  به روش معنی داری قابل اندازه­گیری نیست، ایجا معیارهایی برای حفاظت کاتدی ضروری است. معیارهای متعددی برای حفاظت کاتدی وجود دارند و هر یک از آن­ها دارای مزایا و محدودیت­هایی هستند. این معیارها در جدول  زیر  خلاصه شده­ اند.

مزایا و محدودیت­های معیارهای حفاظت کاتدی

(1) پتانسیل مدار باز آند بر روی سطحی که به صورت آزاد در حال خورده شدن است.

ملاحظات افت ولتاژ

تعیین و اصلاح خطای افت ولتاژ

همان طور که پیش از این به صورت خلاصه بحث شد، اندازه­گیری پتانسیل برای مقایسه با معیارها، عموماً دارای خطاهای است که توسط افت ولتاژ ایجاد شده­اند، به خصوص در الکترولیت. علاوه بر این می­بایست برای زمان اندازه­گیری و برآورد داده­های میدانی، بزرگی خطاهای افت ولتاژ را تعیین و به صورت صحیح جبران کرد. بر همین اساس تعدادی روش معمول برای تعیین و اصلاح خطای افت ولتاژ وجود دارد:

• الکترود مرجع را نزدیک سطح فلزی فاقد پوشش سازه تحت اندازه­گیری قرار دهید. برای سازه­های پوشش دار، الکترود مرجع را باید در کنار یکی از عیوب پوشش قرار داد.
• الکترود مرجع را در زمین دور قرار دهید تا حداکثر خطای افت ولتاژ را شامل شود، سپس این خطا را از پتانسیل­های اندازه­گیری شده، زمانی که مرجع نزدیک­تر به سازه قرار داده شده، کسر کنید.
• جریان را قطع کنید و پتانسیل را پیش از این که مقدار قابل توجهی دپلاریزه شدن رخ دهد، اندازه­گیری کنید (معمولاً پتانسیل «خاموش لحظه­ای» نامیده می­شود).
• جریان را به صورت مرحله­ای کاهش دهید و هم­زمان تغییرات پتانسیل سازه به الکترولیت و شیب ولتاژ سطحی ناشی از آن را اندازه­گیری کنید. منحنی که از این داده­ها به وجود می­آید تا جریان صفر برون­یابی شده تا خطای کل افت ولتاژ در پتانسیل سازه به الکترولیت در جریان کل شناسایی شود.
• از قطعه­های آزمون(Coupon)و پروب­ها(Probe) استفاده کنید.

در برخی موقعیت­ها چنانچه جریان و / یا مقاومت کوچک باشند، می­توان از خطای افت ولتاژ چشم­پوشی کرد. مقاومت مسیر جریان، تابعی از مساحت سطح مقطع، مقاومت ویژه و طول مسیر است. پیش از چشم­پوشی از افت ولتاژ، می­بایست بزرگی آن را برای تائید ناچیز بودن، محاسبه کرد.

الکترود مرجع نزدیک سازه

قرار دادن الکترود مرجع در نزدیکی سازه خطای افت ولتاژ (IR drop)در الکترولیت را متناسب با فاصله الکترود از سطح کاهش می­دهد. متأسفانه در سازه­های زیرزمینی، به غیر از نقاط ورود و خروج سازه به خاک، این روش قابل اعمال نیست. همچنین در مورد سازه­های پوشش داده شده، معمولاً نمی­توان الکترود را نزدیک­تر از نقطه­ای دقیقاً خارج پوشش قرار داد و اکثراً افت ولتاژ در طول پوشش ایجاد می­شود.

الکترود مرجع در زمین دور

اگر الکترود مرجع در زمین دور از سازه قرار داده شود، پتانسیل­های اندازه­گیری شده در زمان اعمال جریان شامل حداکثر خطای افت ولتاژ می­شوند. بر همین اساس با تعیین حداکثر مقدار بین الکترود مرجع قرار داده شده در سطح لوله و زمین دور، این مقدار را می­توان از پتانسیل­های لوله به خاک خوانده شده بعدی، مادامی که چگالی جریان و مقاومت مسیر تقریباً قابت باشند، کسر کرد. زمانی که شرایط ثابت است این روش احتمالاً منجر به اصلاح زیاد نتایج پتانسیل و در نتیجه احتیاط بیش از حد خواهد شد.

قطع جریان

مؤثرترین روش برای حذف خطاهای افت ولتاژ، صفر کردن جریان در اندازه­گیری پتانسیل «خاموش لحظه­ای» و در نتیجه صفر کردن ولتاژ ناشی از آن است. به صورت معمول افت ولتاژ برابر با صفر به وسیله قطع موقت شار جریان و اندازه­گیری لحظه­ای پتانسیل سازه به دست می­آید. از آنجا که سازه با گذشت زمان دپلاریزه می­شود، این پتانسیل می­بایست به سرعت خوانده شود. به هر حال ممکن است افزایش ولتاژ ناگهانی ناشی از اثرات خازنی و القایی وابسته به قطع جریان حفاظت کاتدی وجود داشته باشد. پتانسیل «خاموش لحظه­ای» می­بایست بعد از حذف افزایش ولتاژ ناگهانی و قبل از این که مقدار قابل توجهی دپلاریزه شده در سازه رخ دهد، اندازه­گیری شود، همان گونه که در شکل نشان داده شده است.

حذف افت ولتاژ توسط قطع جریان.

ان روش مزیت دیگری دارد که افت ولتاژ در مسیر فلزی را نیز حذف می­کند. بر روی سازه­های دارای منابع متعدد جریان که بر میزان پتانسیل خوانده شده مؤثر هستند، ممکن است قطع تمام منابع یا قطع همه آن­ها به صورت همزمان مشکل باشد. از آنجا که افت ولتاژ در هر منطقه­ای مجموع تأثیر جریان اعمالی همه منابع است، افت ولتاژ کلی را می­توان با جمع کردن اثر هر یک به صورت جداگانه، محاسبه کرد:

کاهش جریان گام به گام

زمانی که چندین منبع جریان وجود دارند و عملاً آن­ها را نمی­توان به صورت همزمان قطع کرد، می­توان از روش کاهش جریان گام به گام استفاده کرد. همان طور که در شکل  نشان داده شده است، پتانسیل سازه به الکترولیت و شیب ولتاژ سطحی اندازه­گیری می­شوند.

پس از این که پتانسیل­های V₁ و  V₂ اندازه­گیری شدند، جریان کاهش یافته و پتانسیل­ها مجدداً اندازه­گیری می­شوند. تغییر پتانسیل سازه در نتیجه کاهش جریان بر روی محور عمودی و شیب سطح جدید بر روی محور افقی رسم می­شوند (شکل را ببینید). اتصال این مقادیر نقطه P₁ را به وجود می­آورد.

در نهایت برون­یابی این مقادیر تا جریان صفر، منجر به تقاطع با جریان روی محور y در مقداری برابر با افت ولتاژ کل در اندازه­گیری پتانسیل اولیه V₁ می­شود که به همین طریق می­توان آن را اصلاح کرد. این روش را باید برای هر یک از منابع جریان که در نقطه مورد نظر دارای اثر هستند، انجام داد.

این روش خطاهای افت ولتاژ فلز را تشخیص نخواهد داد.

استفاده از قطعه­ های آزمون و پروب­ها

گاهی اوقات از قطعه­های آزمون برای به حداقل رساندن خطاهای افت ولتاژ استفاده می­شود. جنس و محیط قرارگیری قطعه­های آزمون با سازه تحت حفاظت یکسان و به این سازه متصل هستند. در این روش جریان قطعه آزمون کوچک است و افت ولتاژ حداقل می­شود. قرار دادن قطعه آزمون به نحوی که بتوان الکترود مرجع را بسیار نزدیک به آن قرار داد، افت ولتاژ را حتی کمتر نیز می­کند. در برخی موارد قطعه­ای آزمون با الکترودهای مرجع دائمی در کنار آن­ها دفن می­شوند. نزدیکی الکترود مرجع به نمونه فلزی در قطعه آزمون، امکان اندازه­گیری پتانسیل با حداقل افت ولتاژ را فراهم می­کند.

پروب­ها عناصر مقاومتی هستند که دارای جنس یکسان با سازه هستند. همانند قطعه آزمون، آن­ها نیز به سازه تحت حفاظت متصل می­شوند. اگر خوردگی روی پروب رخ دهد، مقاومت الکتریکی آن افزایش می­یابد. اندازه­گیری مقاومت با زمان مشخص خواهد کرد که آیا خوردگی توسط سامانه حفاظت کاتدی کنترل شده است یا خیر؟

اگر چه مبنای این روش جدید نیست، استفاده از قطعه­های آزمون و پروب­ها برای حداقل کردن خطای افت ولتاژ اخیراً بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. با این وجود این روش بر اساس فرض­های بسیاری است که ممکن است در بسیاری از موارد مناسب یا نامناسب باشند. احتمالاً قابل تأمل­ترین فرض این است که فلز پروب کاملاً یکسان با فلز درون سازه به حفاظت کاتدی پاسخ خواهد داد.

تعدادی «ایستگاه آزمون» پایش حفاظت کاتدی مخصوص در دسترس هستند. اکثر آن­ها با یک قطعه آزمون که از طریق کابل­کشی ایستگاه آزمون به لوله تحت حفاظت متصل می­شوند، ساخته می­شوند. ایستگاه آزمون به نحوی قرار داده می­شود که قطعه آزمون در نزدیکی خط لوله در خاکی مشابه پشت­بند اطراف لوله جای گیرد. یک الکترود مرجع در پایه ایستگاه آزمون یا در خاک نزدیک قطعه آزمون قرار داده می­شود تا اندازه­گیری را میسر کند. قطعه آزمون برای یک لحظه از لوله جدا و پتانسیل آن خوانده می­شود. این روش ضرورتاً اجازه می­دهد تا پتانسیل قطعه آزمون نسبت به الکترود مرجع و در نتیجه پتانسیل لحظه­ای خاموش هم ارز سطح لوله، عاری از خطای افت ولتاژ باشند، چرا که هر دوی آن­ها باید در پتانسیل یکسانی پیس از زمان اندازه­گیری باشند.

برخی از این ایستگاه­های آزمون، همراه با پروب خوردگی نوع مقاومتی هستند که در پایه آن­ها قرار داده شده است. پروب به خط لوله متصل شده و دارای سطح حفاظت کاتدی یکسانی با لوله است. اگر خوردگی در حال وقوع باشد، پروب مقاومتی شرایط را با نشان دادن مقاومت بالاتر با زمان، منعکس خواهد کرد. شکل 1-21 یکی از انواع ایستگاه آزمون مخصوص که شامل مشخصات ذکر شده است را نشان می­دهد.

مزایا و محدودیت­های روش­های مختلف اصلاح افت ولتاژ در جدول خلاصه شده­اند.

جدول  زیر خلاصه­ای از روش­های اصلاح افت ولتاژ.

لینکدین دانش آریا را دنبال کنید.