حفاظت کاتدی چیست؟ | راهنمای کاربردی — از صفر تا صد

حفاظت کاتدی روشی است که به کمک آن از خوردگی تاسیسات فلزی زیر زمین یا شناور جلوگیری می‌کنند. از حفاظت کاتدی به طور معمول برای حفاظت کشتی‌ها، تجهیزات نفت و گاز مثل دکل‌های نفتی، خطوط لوله، بندرگاه‌ها و تمامی تجهیزات مدفون در زیر زمین یا شناور در آب استفاده می‌کنند. در این آموزش یاد می‌گیریم که اصول حفاظت کاتدی چیست و بر چه اساسی استوار است.

حفاظت کاتدی چیست؟

«حفاظت کاتدی» (Cathodic Protection) یا حفاظت کاتدیک روشی ثابت شده برای حفاظت از خوردگی تاسیسات فلزی زیر دریا یا زمین به شمار می‌آید. امروزه از این روش بیشتر در حفاظت خطوط لوله و تجهیزات نفت و گاز  و کشتی‌ها و زیردریایی‌ها بهره می‌گیرند. طراحی سیستم حفاظت کاتدی قدری پیچیده است اما اصول آن از اصول الکتروشیمی و سلول‌های الکتروشیمیایی پیروی می‌کند. همانطور که در تصویر زیر نشان داده شده است، الکترون‌هایی که در واکنش آندی آزاد می‌شوند، در واکنش کاتدی به مصرف می‌رسند.

فیلم آموزش شیمی تجزیه 2 + نکات کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

اگر بتوانیم الکترون‌های اضافه‌ای به ساختار فلزی بیافزاییم، الکترون‌های بیشتری برای واکنش کاتدی خواهیم داشت و سبب می‌شوند تا سرعت این واکنش افزایش و سرعت واکنش آندی کاهش پیدا کند. این کار در نهایت سبب کاهش خوردگی یا حذف آن خواهد شد.

الکترون‌های اضافی به کمک منبع جریان مستقیم تامین می‌شوند. اگر به میزان کافی جریان مستقیم داشته باشیم، در نهایت اختلاف پتانسیل بین آند و کاتد حذف می‌شود و همین امر سبب متوقف شدن خوردگی خواهد شد.

با افزایش جریان کاتدی، واکنش کاتدی در جهت پتانسیل آند قطبیده می‌شود و همین امر به میزان بیشتری اختلاف پتانسیل بین آند و کاتد را کاهش می‌هد. میزان خوردگی به طور مستقیم به اختلاف پتانسیل بین آند و کاتد ارتباط دارد و در نتیجه، با کاهش این اختلاف، خوردگی نیز متوقف خواهد شد.

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

علت خوردگی تاسیسات زیرزمینی بدون حفاظت کاتدی چیست؟

خوردگی که برای فلزات در محلول‌های آبی رخ می‌دهد همواره طبیعتی الکتروشیمیایی دارد. در حقیقت،‌ به دلیل تشکیل مناطق کاتدی و آندی و جریان الکترون از مسیری فلزی، خوردگی ایجاد می‌شود.

بیان فیزیکی حفاظت کاتدی

فرض می‌کنیم لوله‌ای در زیر زمین (خاک) مدفون شده است. اختلافی بین نواحی کاتدی و آندی آن برقرار می‌شود که این اختلاف را می‌توان با رابطه زیر نشان داد.

$$\begin{equation} \Delta E=\left(E_{\mathrm{a}}-E_{\mathrm{c}}\right) \end{equation}$$

اگر $$R_{\mathrm{a}}+R_{\mathrm{c}}$$، مقاومت را کنترل کنند و $$E_{\mathrm{a}}-E_{\mathrm{c}}$$ مقداری مشخص (محدود) از مقاومت مدار را شامل شود، «جریان خوردگی» (Corrosion Current) خواهیم داشت. برای حذف خوردگی، جریان خوردگی باید به صفر برسد.

$$I_{\mathrm{c}}=\frac{E_{\mathrm{a}}-E_{\mathrm{c}}}{R_{\mathrm{a}}+R_{\mathrm{c}}}=0$$

اگر به طریقی عبارت داخل مخرج به بی‌نهایت برسد، جریان خوردگی به صفر می‌رسد. البته با برابر شدن اختلاف پتانسیل‌ها نیز جریان به صفر می‌رسد. برای ارائه توضیح بهتر در این خصوص، مداری معادل با حفاظت کاتدی در تصویر زیر آورده شده است.

بر اساس تصویر بالا خواهیم داشت:‌

$$\begin{array}{l} E_{\mathrm{A}}-E_{\mathrm{C}}=I_{1} R_{\mathrm{A}}+R_{\mathrm{C}}\left(I_{1}+I_{2}\right) \\ I_{1}=\frac{E_{\mathrm{A}}-\left(E_{\mathrm{C}}+R_{\mathrm{C}} I_{2}\right)}{R_{\mathrm{A}}+R_{\mathrm{C}}} \end{array}$$

اگر بنا باشد که خوردگی نداشته باشیم باید $$I_1$$ برابر با صفر باشد و در نتیجه خواهیم داشت:

$$\begin{equation} \left(E_{\mathrm{C}}+R_{\mathrm{C}} I_{2}\right)=E_{\mathrm{A}} \end{equation}$$

این رابطه بیان می‌کند اگر بخواهیم پتانسیل آند و کاتد با یکدیگر برابر باشند باید جریان کافی با مقاومت $$R_C$$ داشته باشیم. زمانی که به چنین حالتی برسیم، سازه ما به خوبی از خوردگی محافظت شده است.

انواع روش های حفاظت کاتدی چیست؟

دو نوع سیستم حفاظت کاتدی داریم که در زیر آورده شده‌اند.

• سیستم آند گالوانی یا آند فدا شونده
• «سیستم حافظت کاتدی جریان اعمالی» (Impressed Current Cathodic Protection | ICCP)

در هریک از روش‌های بالا، تاسیسات فلزی، با اتصال به آند گالوانی، آند (منفی) را تشکیل می‌دهند. به بیان ساده، آند گالوانی، منفی‌تر از تاسیسات است. جریان توسط خوردگی فلز فعال همچون منیزیم، روی و همچنین آلومینیوم تولید می‌شود که آند گالوانی را تشکیل می‌دهند.

$$\begin{equation} \begin{array}{l} \mathrm{Al} \rightarrow \mathrm{Al}^{+++}+3 e \\ \mathrm{Mg} \rightarrow \mathrm{Mg}^{++}+2 e \\ \mathrm{Zn} \rightarrow \mathrm{Zn}^{++}+2 e \end{array} \end{equation}$$

سیستم آند فداشونده

آندهای بالا به عنوان منبع الکترون به شمار می‌آیند. الکترون‌های آزاد شده از میان مسیر فلزی بین آند و فولاد (استیل) عبور می‌کنند و در نهایت وارد تاسیسات مورد نظر می‌شوند. آند مناسب در مجاورت لوله دفن و سطح آن با پایین‌ترین سطح لوله تنظیم می‌شود. اتصالی نیز بین لوله و آند برقرار خواهد شد. آند که به طور معمول از جنس منیزیم یا روی است به کمک یک سیم عایق به تاسیسات مدفون متصل خواهد شد. شماتیکی از سیستم حفاظت کاتدی گالوانی را در تصویر زیر مشاهده می‌کنید.

اتصال سیم مسی، مسیری برای جریان الکترون‌ها به سازه مورد نظر فراهم می‌کند. الکترون‌ها نیز در اثر مصرف آند منیزیم در واکنش آندی، آزاد می‌شوند. مدار خارجی نیز با عبور الکترون‌ها از لوله (کاتد) به آند (منیزیم) تکمیل می‌شود. تا زمانی که الکترون کافی از آند تامین شود،‌ لوله از خوردگی محافظت می‌شود. نصب یک آند در تصویر زیر نشان داده شده است.

این تصویر آند گالوانی متصل به یک «ایستگاه تست» (Test Station) را نشان می‌دهد که به میزان ۸ فوت از یکدیگر فاصله دارند. ایستگاه تست، ارتباط بین سیم آند و سازه را به کمک «پنل تست» (Test Panel) مشخص می‌کند. جزئیات جعبه تست «Surface Box» در تصویر بالا نشان داده شده است و گاهی اوقات در زیر سطح زمین نصب می‌شود. آندها نیز از طریق پنل تست مرکزی به لوله متصل می‌شوند.

برای اندازه‌گیری پتانسیل لوله نسبت به خاک و همچنین، جریانِ آند منیزیمی، از ایستگاه‌های تست استفاده می‌کنند. اطراف آند را جهت کاهش تماس با خاک‌های اطراف (خاک محلی) به کمک خاکریزی از ژیبس، بنتونایت و رس پر می‌کنند. این نوع نصب برای دوام ۱۰ ساله طراحی می‌شود اما اگر جریان عبوری کمی نیاز داشته باشیم، حتی بیش از ده سال نیز عمر می‌کند. پتانسیل لوله به طور مستمر باید اندازه‌گیری شود و مقدار آن ـ با استفاده از الکترود مرجع $$CuSO_4$$ - نباید به کمتر از $$-0.85 V$$ برسد. لازم به ذکر است آند منیزیمی با وزن 70 پاوند (۳۱/۷) کیلوگرم در خاکی با مقاومت متوسط ۲۰۰۰ اهم-سانتی‌متر، جریانی در حدود ۳۰۰ میلی‌آمپر خواهد داشت.

سیستم حفاظت کاتدی جریان اعمالی چگونه کار می کند؟

در مقابل سیستم آند گالوانی، در سیستم جریان اعمالی، جریان از آند به کاتد به کمک یک منبع DC تامین می‌شود. بنابراین، درحالی‌که جریان از طریق خوردگی الکترود در سیستم آند گالوانی به تولید می‌رسد، در این سیستم، الکترود به عنوان یک هادی عمل می‌کند و به ندرت دچار خوردگی می‌شود. ورودی برق متناوب نیز توسط یک رکتیفایر (یکسوساز) به ولتاژهای متغیر DC تبدیل می‌شود.

به دلیل اینکه در بسیاری از سیستم‌های زیر دریا، جریان‌های الکتریکی زیادی داریم، از آندهایی موسوم به آندهایی ICCP استفاده می‌شود که به سادگی در یون‌های فلزی حل نمی‌شوند. حال اگر الکترولیت حاوی کلر باشد، اکسایش یون‌های کلرید حل شده را خواهیم داشت. در این موارد از یک منبع تغذیه خارجی DC بهره می‌گیریم. همانطور که در بالا گفته شد، به این نوع از منابع تغذیه، «رکتیفایر» (ًRectifier) می‌گویند و توانایی ایجاد اختلاف پتانسیل‌های بیشتری را دارند.

$$\begin{equation} 2 \mathrm{Cl}^{-}\rightarrow\mathrm{Cl}_{2}+2 \mathrm{e}^{-} \end{equation}$$

حفاظت کاتدی چگونه مانع از خوردگی می شود؟

حفاظت کاتدی با تبدیل تمامی محل‌های آندی (فعال) در سطح فلز به محل‌های کاتدی (با فعالیت کمتر) مانع از خوردگی می‌شود. این کار در بیشتر موارد به کمک تامین جریان الکتریکی از محلی دیگر رخ می‌دهد. به طور معمول، این عمل نوعی آند گالوانی تشکیل می‌دهد که فعال‌تر از فولاد است. به این روش، سیستم فدا شونده نیز می‌گویند چراکه آند گالوانی خود را برای حفاظت از سازه فولادی یا خط لوله فدا می‌کند.

اگر آند آلومینیومی داشته باشیم، واکنش در سطح آلومینیوم به صورت زیر خواهد بود:‌

$$\begin{equation} 4 \mathrm{Al}\rightarrow4 \mathrm{AL}^{+++}+12 \mathrm{e} \end{equation}$$

در سطح فولادی نیز گاز اکسیژن به یون‌های اکسیژن تبدیل می‌شود که در ترکیب با آب، یون‌های هیدروکسیل تولید می‌کند.

$$\begin{equation} 3 \mathrm{O}_{2}+12 \mathrm{e}^{-}+6 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}\rightarrow12 \mathrm{OH}^{-} \end{equation}$$

تا زمانی که الکترون‌های آزاد، سریعتر از اکسیژن به کاتد برسند، خوردگی رخ نمی‌دهد. در تصویر زیر می‌توانید طرز کار این سیستم را مشاهده کنید.

معرفی فیلم آموزش الکتروشیمی کاربردی

همانطور که در ابتدای متن گفته شد، اساس حفاظت کاتدی بر مبنای علم الکتروشیمی است. به همین جهت،‌ «فرادرس» دوره‌ای ۱۲ ساعته را در قالب شانزده درس تدوین کرده است که در ادامه به توضیح این دروس می‌پردازیم.

دروس اول تا سوم به مفاهیم بنیادی الکتروشیمی از جمله پتانسیل الکترود و سری الکتروشیمیایی اختصاص دارد. درس‌های چهارم و پنجم، الکترولیز را بررسی می‌کنند. اصول تصفیه و استخراج فلزات در درس‌های ششم و هفتم بررسی می‌شوند و از مباحث مهم آن می‌توان به تولید مس و آلومینیوم اشاره کرد. سه درس هشتم تا دهم به طور کامل به باتری‌ها و اساس کار آن‌ها اختصاص دارد و پیل‌های سوختی نیز از مباحث مهم این دروس به شمار می‌آیند. از درس یازدم تا سیزدهم به طور کامل به خوردگی و انواع حفاظت از خوردگی اختصاص پیدا کرده است و روش‌های آبکاری فلزات و آلودگی در صنایع آبکاری، دروس انتهایی این آموزش را تشکیل می‌دهند.

فیلم آموزش الکتروشیمی کاربردی – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

سوالات متداول در رابطه با حفاظت کاتدی

در ادامه، به برخی از سوالات متداول پیرامون حفاظت کاتدی اشاره می‌کنیم.

چه سازه هایی به حفاظت کاتدی نیاز دارند؟

بسیاری از سازه‌های مدفون در زیر زمین یا دریاها می‌توانند از حفاظت کاتدی بهره ببرند که از میان آن‌ها باد به خطوط لوله فولادی نفت و گاز اشاره کرد. همچنین لوله‌های آهنی و فولادی آب نیز برای جلوگیری از خوردگی، به این سیستم‌ها نیاز دارند. همچنین مخازن بزرگ در سطح زمین و حتی دکل‌های برق نیز از جمله مواردی هستند که به حفاظت کاتدی نیاز دارند.

قطبیدگی یا پولاریزاسیون در حفاظت کاتدی چیست ؟

زمانی که جریان حفاظت کاتدی از آند به سمت سازه مورد نظر شارش می کند، پتانسیل سازه به طرف مقدار منفی‌تر جابجا می‌شود که به طور معمول با میلی‌ولت اندازه‌گیری می‌شود. به این جابجایی در پتانسیل، پولاریزاسیون یا قطبیدگی می‌گیوند. مقدار پولاریزاسیون، معیاری برای اثربخشی سیستم به شمار می‌آید.

چه زمانی سازه ما به طور کامل محافظت شده است؟

دو معیار کلی بر اساس استانداردهای بین‌المللی برای این کار در نظر گرفته شده است. معیار اول این است که قطبیدگی برابر با ۱۰۰ میلی‌ولت باشد. این روش بسیار ساده است به گونه‌ای که پتانسیل سازه را بدون هیچ حفاظتی اندازه‌گیری می‌کنند و سپس مقدار پتانسیل را بعد از اعمال محافظت می‌سنجند. اگر اختلاف بیش از ۱۰۰ میلی‌ولت بود، محافظت مناسبی صورت گرفته است. در روش دوم، به طور کلی باید پتانسیل سازه، منفی‌تر از 850- میلی‌ولت باشد.