حفاظت کاتدیک

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.