حفاظت کاتدی (CP)
حفاظت کاتدی یکی از موثرترین روش ها برای جلوگیری از خوردگی سطح فلزات است. حفاظت کاتدی معمولاً برای محافظت از سازه های فلزی گوناگون مدفون، زیر آب یا شناور مانند کشتی ها، تاسیسات دریایی، تجهیزات زیر دریا، بنادر، خطوط لوله و مخازن مورد استفاده قرار می گیرد. صدمات فیزیکی و اقتصادی زیادی که ناشی از خوردگی فلزاتی مانند خطوط لوله مدفون در خاک است، سبب شده است علاوه بر اجرای انواع پوشش های ضد خوردگی مانند پوشش FBE دولایه، پوشش پلی اتیلن سه لایه، پوشش پلی یورتان و اپوکسی لوله، از حفاظت کاتدی نیز به عنوان یک روش مکمل یا سپر دوم حفاظتی استفاده شود.
نرم افزار پوشش لوله Pipe Protection علاوه بر رهگیری لوله، پوشش و سوابق کنترل کیفی، قابلیت مشخص کردن لوله های متصل به سیستم حفاظت کاتدی و شماره سریال مواد بکار رفته در پوشش تک تک لوله ها را دارد.
حفاظت کاتدی خطوط لوله فولادی عبارتست از عبور دادن یک جریان الکتریکی از خط لوله و نصب فلزات خورنده به عنوان آند در فواصل معین. وظیفه آند فداشونده، خوردگی به جای گوشته فلز لوله است. در اینجا اهمیت عایق بودن پوشش لوله در برابر جریان الکتریسیته مشخص می شود چرا که هر چقدر پوشش لوله عایق قویتری در مقابل جریان برق باشد، هدر رفت انرژی الکتریسیته مورد استفاده در حفاظت کاتدی کمتر بوده و اصطلاحا پوشش سازگاری بهتری با حفاظت کاتدی دارد به این ترتیب جریان الکتریسیته فقط در نقاط مشخص شده به عنوان آند خارج می شود و فلز محافظت می شود. این روش از سال ۱۹۱۰ در خطوط لوله و تاسیسات زیرزمینی مورد استفاده قرار می گیرد و امروزه برای حفاظت کاتدی لوله گاز، حفاظت کاتدی لوله های آب و حفاظت کاتدی لوله نفت بسیار فراگیر است.
حفاظت کاتدی چیست؟
در حالی که طراحی سیستم های حفاظت کاتدی می تواند پیچیده باشد، عملکرد آنها بر اساس مفهوم خوردگی دو فلزی یا گالوانیکی است بطوریکه عمداً فلزات را با هم جفت کنیم تا اطمینان حاصل شود که یکی از دیگری به صورت کاتدی محافظت می‌کند. به عبارت دیگر، اگر بخواهیم از یک ساختار فلزی خاص محافظت کنیم، می توانیم شرایطی ایجاد کنیم که این فلز به کاتد یک سلول الکتروشیمیایی تبدیل شود. با اتصال الکتریکی فلزی که قرار است محافظت شود به یک فلز آندی (الکترون منفی) تر، می توانیم اطمینان حاصل کنیم که آند با خوردگی بسیار بالاتر نسبت به همتای کاتدی، خود را قربانی می کند.
در خطوط لوله از منابع قدرت خارجی برای تامین الکترون های اضافی در فرآیند الکتروشیمیایی استفاده می شود تا اثربخشی حفاظت کاتدی افزایش یابد. صنعت نفت و گاز از سیستم های حفاظت کاتدی برای جلوگیری از خوردگی در خطوط لوله سوخت، مخازن ذخیره سازی فولاد، سکوهای دریایی و پوشش چاه های نفت استفاده می کند. در صنایع دریایی نیز از این روش حفاظتی بر روی شمع های فولادی، اسکله ها و بدنه کشتی ها استفاده می شود. نوع رایج دیگری از حفاظت کاتدی که به نام گالوانیزه شناخته می شود، معمولاً برای محافظت از اجزا و سازه های فولادی استفاده می شود.
حفاظت کاتدی لوله های گاز
همانطور که احتمالا از دوران تحصیل و از شیمی دوازدهم به یاد دارید میزان میل فلزات به اکسیداسیون (خوردگی) با پتانسیل کاهشی استاندارد یا °E مشخص می شود. هرچه این عدد در یک فلز کمتر باشد سریعتر خورده می شود. بنابراین در مباحث حفاظت کاتدی همیشه به دنبال فلزاتی با °E کمتر از آهن هستیم تا از آنها به عنوان فلز فدا شونده استفاده کنیم و از خوردگی سازه های فولادی مانند لوله های گاز و نفت محافظت کنیم. فلز لیتیوم با °E حدود 3- ولت در صدر لیست تمایل به خوردگی قرار دارد اما مشخص است که فراوانی و قیمت فلز فداشونده هم مهم است. از آنجا که بصورت دوره ای باید آند را جایگزین کنیم بنابراین به دنبال گزینه های اقتصادی تری هستیم. پتانسیل کاهشی استاندارد چند فلز مهم را در زیر مشاهده می نمایید:
پتانسیل کاهشی استاندارد آهن (Fe): 0.44V-
پتانسیل کاهشی استاندارد روی (Zn): 0.76V-
پتانسیل کاهشی استاندارد آلومینیوم (AL): 1.68V-
پتانسیل کاهشی استاندارد منیزیوم (Mg): 2.37V-
طبق این لیست، فلزاتی مانند روی، آلومینیوم و منیزیوم پتانسیل کاهشی استاندارد کمتری نسبت به آهن دارند و در مجاورت فولاد سریعتر خورده می شوند. امروزه آندها را از این فلزات و با اشکال مختلفی مانند شمش، استوانه و غلافی (به صورت تسمه های نیم دایره بر روی لوله نصب می شوند) تولید می کنند و برای حفاظت کاتدی لوله های گاز یا نفت و آب بکار می برند.
آندهای منیزیوم سیستم حفاظت کاتدی خطوط لوله دفنی
حفاظت کاتدی غیرفعال
در سیستم های حفاظت کاتدی غیرفعال، آند قربانی به فلز مورد محافظت متصل می شود. اختلاف پتانسیل بین دو فلز غیرمشابه، الکتریسیته کافی برای تشکیل سلول الکتروشیمیایی و ایجاد خوردگی گالوانیکی یا دو فلزی تولید می کند. این نوع حفاظت معمولاً در صنعت نفت و گاز برای محافظت از اعضای فولادی سازه دکل ها و سکوهای دریایی استفاده می شود. در اینجا، میله های آلومینیومی (یا فلز مناسب دیگری) مستقیماً بر روی مقاطع فولادی نصب می شوند تا نقش فلز قربانی را بر عهده بگیرند. آبگرمکن های فولادی، مخازن و شمع ها نیز با استفاده از روشی مشابه به صورت کاتدی محافظت می شوند.
نمونه رایج دیگر حفاظت کاتدی غیرفعال، فولاد گالوانیزه گرم است. در طی این فرآیند، قطعات سازه های فولادی در حمام فلز روی مذاب غوطه ور می شوند که جسم را می پوشاند. هنگامی که فولاد از روی مذاب جدا می شود، با هوا و رطوبت واکنش می دهد و یک لایه محافظ به نام کربنات روی تشکیل می دهد که یک سلول گالوانیکی با فولاد ایجاد می کند. زمانیکه قطعه فولادی خراشیده یا آسیب می بیند، به طوری که لایه زیرین در معرض دید قرار می گیرد، پوشش روی (Zn) به عنوان آند قربانی عمل می کند و خورده می شود تا از فولاد در معرض دید محافظت کند. این نوع محافظت تا زمانی که فلز روی مجاور تخلیه شود ادامه می یابد.
حفاظت کاتدی فعال (ICCP)
در سازه های بزرگ، ممکن است استفاده از روش های حفاظت کاتدی غیرفعال امکان پذیر نباشد. بطور ویژه در خطوط لوله، افزایش تعداد آندها برای تامین جریان الکتریکی کافی، می تواند غیر عملی باشد. برای رفع این مشکل، از یک منبع انرژی خارجی برای کمک به هدایت واکنش‌های الکتروشیمیایی استفاده می‌شود. این تکنیک به عنوان حفاظت کاتدی فعال (ICCP) شناخته می شود. سیستم های ICCP برای محافظت از سازه های عریض و طویلی مانند خطوط لوله زیرزمینی ایده آل هستند. در این سیستمها معمولا فلنج‌های اتصال لوله با استفاده از کیت‌های جداسازی عایق‌بندی می‌شوند تا خط لوله را به بخش‌های کوچک‌تر و قابل کنترل‌تر برای حفاظت کاتدی فعال، جدا کنند.
فلنج لوله های فولادی
موانع و محدودیتهای حفاظت کاتدی خط لوله
در خطوط لوله بزرگ، ممکن است تقاطع‌ها، خطوط موازی و شبکه های لوله زیادی در نزدیکی سیستم CP وجود داشته باشد و ممکن است تداخل DC بین خطوط لوله رخ دهد که باعث تسریع خوردگی می شود. برای غلبه بر این مشکل، خطوط لوله را می توان به صورت مستقیم یا از طریق مقاومت به صورت الکتریکی کوپل کرد.
برای خطوط لوله پوشش داده شده، جدایش کاتدی ممکن است به دلیل سطوح بالای CP در جایی که کیفیت پوشش اعمال شده ضعیف است رخ دهد. دماهای بالاتر نیز ممکن است باعث از هم گسیختگی کاتدی شود محیطهای با pH بالا نیز از نظر ترک خوردگی تنشی-خوردگی نگران‌کننده هستند.
اهمیت ویژگی دی الکتریک پوشش لوله
به دلیل اینکه خوردگی لوله ها در خاک یک فرآیند الکتروشیمیایی است. پوشش لوله باید یک عایق الکتریکی قوی در برابر شار جریان الکتریکی از لوله به محیط خارج باشد. بنابراین یکی از خواص مهم پوشش لوله باید خاصیت دی الکتریک آن باشد.
برای بررسی جزییات بیشتر در مورد سیستم حفاظت کاتدی خط لوله، نرم افزار پوشش لوله Pipe Protection قابلیت رهگیری لوله هایی که فلز آند بر روی آنها نصب می شود را در اختیار کاربر قرار می دهد و از این لحاظ می توان کل فرآیند حفاظت کاتدی خط لوله را بصورت سیستمی از لحاظ شماره لوله، شماره بچ مواد استفاده شده در پوشش و ... مورد گزارشگیری و ارزیابی قرار داد این موضوع در مورد خطوط پوشش شده با پوشش کانکریت که از داخل رودخانه یا دریا عبور می کنند و از جمله محیطهای عملیاتی با خورندگی بالا هستند، اهمیت بیشتری پیدا می کند.
نحوه عملکرد حفاظت کاتدی در خطوط لوله گاز، آب و نفت
حفاظت کاتدی یک روش حفاظتی محبوب برای جلوگیری از خوردگی در خطوط لوله، سکوهای نفتی دریایی و سایر سازه های فولادی است. با این حال، برای اجرای موثر آن، درک اصول اولیه خوردگی دو فلزی (گالوانیکی) بسیار مهم است. انتخاب نوع مناسب سیستم حفاظت کاتدی به عوامل متعددی از جمله مقرون به صرفه بودن و اندازه سازه ای که قرار است محافظت شود بستگی دارد.