خوردگی فلزات
فلزات را می توان به سه دسته مختلف تقسیم کرد.
دسته اول: مجاورت هوا اکسید نمی شوند، پس به محافظت نیازی ندارند (مانند طلا و پلاتین).
دسته دوم: فلزاتی هستند که در مجاورت هوا اکسید می شوند. اما اکسید آنها مقاوم بوده و چسبیده به سطح فلز باقی می ماند. در واقع این لایه به عنوان لایه محافظی برای فلز می باشد و نیازی به محافظت بیشتر ندارند (مانند فلزات آلومینیوم، روی، کبالت، نیکل، کروم و … ).
دسته سوم: شامل فلزاتی می شود که در مجاورت هوا اکسید می شوند. از آنجاییکه اکسید آنها متخلخل بوده و به سطح فلز نمی چسبد، پس از بدنه فلز جدا می شود و به این ترتیب فلز به تدریج فاسد شده و از بین می رود (مانند آهن). اینگونه فلزات را بایستی به روش های مختلف همانند رنگ کردن، ضد زنگ زدن، چرب نمودن سطح فلز به وسیله یک ماده روغنی مثل گریس، لعاب کاری، آب فلز کاری و همچنین حفاظت کاتدی از زنگ زدن محافظت کرد. توجه داشته باشید که از بین رفتن فلزات به دلیل واکنش شیمیایی آنها با محیط اطرافشان اتفاق می افتد. در واقع خوردگی یک پدیده طبیعی است که نیازمند سه شرط رطوبت، وجود یک سطح فلزی و یک عامل اکسید کننده است.
علت استفاده از حفاظت کاتدی
هزینه ها و ضررهای ناشی از تعویض، تعمیر و تعطیلی واحدهای تولیدی و صنعتی به اندازه ای بالاست که ما را به سمت پیشگیری و یا کاهش این هزینه ها تا حد امکان سوق می دهد. برای مثال تصور کنید که یکی از شاهرگ های خطوط انتقال نفت کشور در اثر انهدام ناشی از خوردگی، به مدت یک هفته از مدار خارج شود. در این صورت، چند میلیون دلار خسارت بر اقتصاد کشور تحمیل خواهد شد؟؟
در برخی از مواقع، جهت دوام بیشتر این لوله ها، آن ها را با ضخامت بیشتری طراحی می کنند. اما در صورتی که حفاظت از این تاسیسات به درستی انجام شود، هزینه طراحی این تاسیسات کمتر شده و در ضمن عمر طولانی تری را در مدار فعال خواهند بود. به ویژه خسارت های ناشی از خوردگی های موضعی که گاها بدون علائم قبلی بوده و خسارات شدیدی را متحمل صنایع می کنند. یکی از روش های این حفاظت حفاظت کاتدی می باشد که در ادامه به توضح این روش پرداخته می شود.
مبانی حفاظت کاتدی چیست؟
در تصویر زیر شکل ساده‌ای از حفاظت کاتدی را مشاهده می‌کنید که به کمک آن می‌توان دریافت که حفاظت کاتدی چیست. در حقیقت، به کمک یک منبع جریان خارجی، اختلاف پتانسیل بین کاتد و آند کاهش می‌یابد. در واقع، زمانی‌که پتانسیل کاتد با آند برابر شود، خوردگی متوقف خواهد شد. در نتیجه برای جلوگیری از خوردگی نیازمند سه عامل هستیم.
- وجود آند، کاتد، الکترولیت و مسیری که الکترون‌ها منتقل شوند.
- منبع تغذیه DC جهت تامین الکترون‌ها
- تامین جریان کافی برای کاهش اختلاف پتانسیل بین کاتد و آند
روش های حفاظت کاتدی
به طور کلی، دو روش متداول در صنایع برای حفاظت کاتدیک تاسیسات در نظر گرفته می شود:
- حفاظت کاتدی با جریان مستقیم برق
- حفاظت کاتدی با استفاده از آند فدا شونده
در هر دوی این روش ها، مبنا ایجاد یک مدار الکتریکی است که در آن جهت جریان، به سمت فلز تحت حفاظت قرار دارد. در ادامه اشاره ای بر هر کدام از این روش ها خواهیم داشت.
1- حفاظت کاتدی با جریان مستقیم برق
در این روش از یک منبع خارجی برای تولید جریان برق مستقیم (DC) و از یک یا چند الکترود کمکی (آند) استفاده می‌شود. آند معمولاً از جنس آهن یا گرافیت انتخاب می شود و در فاصله کمی از ساختار محافظت شده قرار می گیرد. آندهای گرافیتی در مقایسه با آندهای آهنی دیرتر مصرف می‌شوند و البته گران‌تر هم هستند. از طرفی آندهای گرافیتی شکننده هستند و باید با دقت زیادی در محل نصب شوند.
در این روش، قطب مثبت (+) منبع جریان به الکترود کمکی (آند) و قطب منفی (-) به سازه ای که قصد حفاظت از آن را داریم، متصل می شود. بر اثر چنین اتصالی، جریان از آند به داخل الکترولیت وارد شده و به سطح فلزی که باید حفاظت شود، می‌رسد. در نهایت، این جریان مجددا از طریق یک مسیر فلزی به آند باز می‌گردد. در تصویر زیر می توانید یک خط لوله را مشاهده می کنید که در زیر خاک قرار گرفته و به این روش، تحت حفاظت قرار دارد.
مقدار ولتاژی که باید برای ایجاد جریان در این روش اعمال کنیم، چندان مهم نیست. فقط در نظر داشته باشید که ولتاژ اعمال شده در این روش، باید برای تأمین چگالی جریان کافی برای کلیه قسمت های سازه کافی باشد. در خاک یا محیط‌های آبی با مقاومت بالا، ولتاژ اعمال شده باید بیشتر از محیط‌های با مقاومت کم باشد. همچنین هنگامی که می‌خواهیم از یک خط لوله طولانی توسط یک آند محافظت کنیم، باید ولتاژ بالاتری اعمال کنیم.
منبع تولید جریان در این روش معمولاً یک رکتیفایر (یک‌سو کننده جریان) است. در برخی موارد از ژنراتورهای موتوری هم برای تولید جریان استفاده می‌شود. همچنین در مناطقی که وزش باد زیاد باشد، از توربین‌های بادی نیز می‌توان برای تولید جریان مورد نظر استفاده کرد.
انتخاب آند کمکی
در قسمت قبل اشاره شد که در این روش، معمولا از آندهای آهنی یا گرافیتی استفاده می شود، اما آندهای دیگری نیز وجود دارند که معمولا برای کاربردهای خاص استفاده می شوند. برای مثال، برای حفاظت سازه ها در آب دریا، آندهای بسیار مقاومی از جنس مس با روکش پلاتین، تیتانیوم یا نایوبیوم طراحی شده اند که مورد استفاده قرار می گیرند. هر چه این آندها در برابر خورده شدن مقاوم تر باشند، مدت زمان بیشتری می توانند مورد استفاده قرار بگیرند. در برخی از موارد، می توان از آندهای ذکر شده تا 10 سال نیز استفاده کرد.
در تجهیزاتی که در زیر زمین قرار دارند، مقاومت الکترولیت (خاک) اطراف آند، محدود به ناحیه نزدیک الکترود می‌شود. برای کاهش این مقاومت موضعی، معمولا از پشتبند استفاده می شود. پشتبند کردن معمولا با پوشاندن آند با یک لایه ضخیم از کک و اضافه کردن سنگ گچ و نمک به آن صورت میگیرد. پشتبند کک، به عنوان یک هادی، بخشی از جریان را حمل می کند و مصرف جریان را توسط آند کاهش می‌دهد. استفاده از پشتبند برای حفاظت کاتدی سازه ها در زیر آب ضرورتی ندارد.
چه مقدار جریان برای حفاظت کامل لوله لازم است؟
میزان جریانی که برای حفاظت کامل یک سیستم نیاز است، بستگی به فلز و محیط دارد و عموما به صورت تجربی اندازه‌گیری می‌شود. هر چه نرخ خوردگی فلز در یک محیط بالاتر باشد، برای حفاظت آن به اعمال جریان‌های بیشتری نیاز است.
اگر لوله‌ای دارای پوشش آلی باشد، میزان جریان مورد نیاز برای حفاظت آن نسبت به لوله بدون پوشش بسیار کمتر خواهد بود، چرا که تنها بخش‌هایی از لوله که در اثر نقص در پوشش در معرض محیط خورنده هستند، نیاز به حفاظت دارند.
برای اندازه‌گیری دقیق چگالی جریان مورد نیاز برای حفاظت کامل چندین روش وجود دارد که مهم ترین روش اندازه‌گیری پتانسیل سازه است. اندازه‌گیری پتانسیل از مهم‌ترین معیارهایی است که توسط مهندسین خوردگی برای تعیین میزان حفاظت صورت گرفته انجام می‌شود.
اصولا حداقل حفاظت کاتدی زمانی حاصل می‌شود که فلز تا پتانسیل آندی مدار باز (EOCP) پلاریزه شود. به عنوان مثال، این پتانسیل برای فولاد به ترتیب -0.85 و -0.53 ولت نسبت به الکترود اشباع سولفات مس و هیدروژن است. بنابراین تجهیزات فولادی در تماس با خاک و آب‌های شیرین و شور، اگر به پتانسیل -0.85 ولت (نسبت به الکترود مس) برسند، حفاظت خواهند شد. بر اساس این پتانسیل می‌توان حداقل جریان مورد نیاز برای حفاظت را نیز تعیین کرد. در جدول زیر جریان مورد نیاز برای حفاظت کاتدی فولاد در محیط‌های مختلف نشان داده شده است:
2- حفاظت کاتدی با آند فدا شونده
یکی دیگر از روش های حفاظت کاتدی، استفاده از یک آند کمکی است که از فلز تحت حفاظت فعال تر است. در این روش از مولد جریان خارجی استفاده نمی شود، بلکه با ایجاد یک اتصال گالوانیکی جریان مورد نظر ایجاد می شود. این آند کمکی که با مصرف شدن از خوردگی فلز جلوگیری می‌کند، اصطلاحا با نام آند فداشونده (Sacrificial Anode) شناخته می شود. در تصویر زیر حفاظت کاتدیک یک قطعه را به این روش ملاحظه می کنید.
جنس آند فدا شونده معمولا از آلیاژهای پایه منیزیم، آلومینیوم و در برخی موارد روی انتخاب می شود. توجه کنید که در حفاظت خطوط لوله در محیط‌های با مقاومت بالاتر، یک آند پاسخگو نبوده و باید از چندین آند فدا شونده در فواصل مختلف استفاده کرد.
معمولا از روش حفاظت کاتدیک با استفاده از آند فداشونده در مواقعی استفاده می شود که انرژی الکتریکی برای اعمال جریان برق به راحتی در دسترس نباشد و یا نصب خطوط برق در آن منطقه به لحاظ فنی یا اقتصادی به صرفه نباشد.
بر چه اساسی میزان حفاظت صورت گرفته را تشخیص دهیم؟
برای مشخص کردن میزان محافظت انجام شده توسط یک سیستم حفاظت کاتدیک می توان از روش های زیر برجسته جست:
تست‌های کوپنی: در این آزمایش یک کوپن فلزی وزن شده را با یک کابل اتصال لحیم شده به سازه متصل می‌کنند. هم کابل و هم سطح بین کوپن و سازه با ذغال سنگ پوشیده می‌شوند. پس از چند هفته یا چند ماه، میزان حفاظت کاتدی انجام شده را بر مبنای کاهش وزن کوپن اعلام می‌کنند.
تست‌های رنگ سنجی: در این روش بخشی از خط لوله مدفون کاملا تمیز می‌شود. یک تکه کاغذ جاذب خیس شده در محلول فری سیانید پتاسیم (C6N6FeK3)، به قسمت پاک شده تماس داده می‌شود و مجددا خاک در این ناحیه برگردانده می‌شود. پس از مدت زمان نسبتاً کوتاهی، رنگ کاغذ مورد بررسی قرار می گیرد. اگر کاغذ آبی شده باشد، یعنی حفاظت خوب نبوده و اگر آبی نباشد، یعنی حفاظت به خوبی انجام شده است.
اندازه‌گیری پتانسیل: برای اندازه‌گیری پتانسیل، مطابق با تصویر زیر، الکترود مرجع را در داخل زمین یا روی یک قطعه اسفنج آغشته به آب نمک می‌گذارند تا اتصال الکتریکی برقرار شود. با دانستن پتانسیل، دانسیته جریان لازم برای پلاریزه کردن فلز تا پتانسیل مدار باز آن به راحتی اندازه‌گیری خواهد شد.
در روش آند فدا شونده هم از این روش برای تعیین بهینه تعداد و اندازه آندها استفاده می‌کنند. در مورد لوله‌های بلند یا اسکلت‌های فلزی بزرگ و پیچیده، اندازه‌گیری پتانسیل برای تعیین یکنواختی جریان در بخش‌های مختلف می‌تواند مفید باشد.
معیارهای تشخیص میزان حفاظت گاهی اوقات بر اساس قوانین تجربی پیشنهاد شده است. به عنوان مثال، پیشنهاد شده که سازه های فولادی برای حفاظت مطلوب تا 0.3 ولت فعال تر از پتانسیل خوردگی پلاریزه شوند. البته این معیار دقیق نیست و در بسیاری از موقعیت ها منجر به حفاظت نادرست می‌شود.
اهمیت پوشش دهی
در حفاظت کاتدی با روش های اعمال جریان مستقیم و استفاده از آند فدا شونده، باید دقت داشت که جریان به طور مناسب به تمامی قسمت‌ها برسد. مثلا فرض کنید که می‌خواهیم با استفاده از یک آند فدا شونده از یک محفظه تانکر بزرگ حفاظت کنیم. در این صورت نواحی نزدیک‌تر به آند فداشونده در معرض جریان بیشتر قرار می گیرند و به سایر قسمت‌ها جریان کمتری می‌رسد.
برای حل چنین مشکلی باید از یک پوشش عایق استفاده کرد. در صورت استفاده از عایق، تعداد آندهای مورد نیاز برای حفاظت کاهش و می یابد و با استفاده از یک آند، طول بیشتری را می توان تحت حفاظت قرار داد. برای درک بهتر، در حفاظت یک خط لوله با استفاده از آند منیزیمی، در صورتی که عایق کاری به درستی انجام شود، می توان 8 کیلومتر خط لوله را با استفاده از یک آند حفاظت نمود، اما در صورت عدم پوشش دهی لوله، حفاظت به حدود 30 متر کاهش می یابد.
جریان‌های گردابی
جریان‌های گردابی و سرگردان غالبا در سیستم‌های حفاظت کاتدی باعث ایجاد مشکلاتی می‌شوند. زمانی که یک شیء فلزی در یک میدان الکتریکی قرار میگیرد، اختلاف پتانسیل به وجود آمده در سطح آن، باعث ایجاد یک سری جریان‌های سرگردان می‌شود. در صورتی که در آن منطقه‌ای که حفاظت تحت حفاظت قرار گرفته، شیء فلزی دیگری وجود داشته باشد، خوردگی آن تشدید خواهد شد. به تصویر زیر نگاه کنید:
در این تصویر می توانید ملاحظه کنید در صورتی که حفاظت کاتدیک برای لوله و یا تانک فولادی انجام شود، دیگری آسیب می بیند. به عبارتی، افزایش جریان برای حفاظت هر کدام از این تجهیزات، باعث افزایش جریان مورد نیاز برای حفاظت دیگری می‌شود. در یک منطقه صنعتی که دارای تعداد زیادی از این لوله ها در زیر زمین است، در صورتی که بدون دانش کافی نسبت به حفاظت کاتدی اقدام شود، می تواند پیامدهای جدی داشته باشد! برای حل چنین مشکلی باید نسبت به آن منطقه آشنایی لازم وجود داشته باشد و با تغییر طراحی حفاظت از خوردگی جزء دیگر جلوگیری نمود.
حفاظت بیش از حد
حفاظت باید به صورت بهینه انجام بگیرد و اگر بیش از حد نیاز حفاظت را اعمال کنیم، باعث اتلاف جریان برق و مصرف بیهوده الکترودهای کمکی خواهیم شد. همچنین با حفاظت بیش از حد ممکن است مقادیر زیادی هیدروژن در سیستم ایجاد شود که این موضوع منجر به تاول زدگی، تردی و ترک خوردگی هیدروژنی در فولادها می شود. در برخی فلزات نیز حفاظت بیش از حد باعث قلیایی شدن محیط و تشدید خوردگی تاسیسات خواهد شد.
ساختار چاه حفاظت کاتدی
به منظور برقرار شدن مدار بین آند و کاتد، ،ند در داخل چاهی قرار میگیرد که داخل این چاه یا آب و یا در صورت خشک بودن زغال کک وجود دارد. معمولا چندین آند در داخل هر چاه قرار میگرد و با اتمام عمر آند ها، این آند ها تعویض می شوند.
نوعی دیگر از قرار دادن آند در زمین به صورت کف خاب است. در این حالت آند ها به صورت خابیده بر روی بستری از خاک و مابین زغال کک قرار میگیرند تا امکان برقرار شدن مدار وجود داشته باشد.
