راهنمای جامع حفاظت کاتدیک

مقدمه: ضرورت حفاظت کاتدیک در دنیای مهندسی

خوردگی (Corrosion) یک پدیده طبیعی و اجتناب‌ناپذیر است که در آن فلزات در مواجهه با محیط اطراف خود دچار تخریب الکتروشیمیایی می‌شوند. این فرآیند نه تنها منجر به اتلاف منابع اقتصادی عظیم می‌شود، بلکه می‌تواند ایمنی زیرساخت‌های حیاتی مانند خطوط لوله نفت و گاز، مخازن ذخیره‌سازی، و سازه‌های دریایی را به خطر اندازد. در میان روش‌های متعدد کنترل خوردگی، حفاظت کاتدیک (Cathodic Protection – CP) به عنوان یک راهکار مهندسی پیشرفته و اثبات‌شده، نقش محوری ایفا می‌کند.

این سند جامع تمامی جوانب فنی، تئوری، عملی و اجرایی سیستم حفاظت کاتدیک را پوشش می‌دهد تا مرجعی کامل برای مهندسان، تکنسین‌ها و دانشجویان این حوزه باشد.

1.1. تعریف حفاظت کاتدیک

حفاظت کاتدیک یک تکنیک الکتروشیمیایی برای کنترل خوردگی فلزات رسانا (مانند فولاد، آلومینیوم و منیزیم) است. هدف اصلی این روش، تغییر پتانسیل الکتریکی سطح فلز مورد حفاظت به حدی است که از حالت آندی (محل رهاسازی الکترون و خوردگی) خارج شده و کاملاً در محدوده کاتدی (حفاظت‌شده) قرار گیرد. این کار با اعمال یک جریان الکتریکی خارجی یا اتصال آن به یک فلز فعال‌تر انجام می‌شود.

به بیان ساده‌تر، در یک سیستم حفاظت کاتدیک، ما با کنترل مسیر جریان خوردگی، فلز مورد نظر را تبدیل به کاتد یک سلول الکتروشیمیایی می‌کنیم، در نتیجه، فرآیند تخریب متوقف یا به شدت کند می‌شود.

1.2. تاریخچه مختصر: از کشف تا استانداردسازی

مفهوم اساسی حفاظت کاتدیک به اوایل قرن نوزدهم بازمی‌گردد.

1.2.1. سر همفری دیوی (Sir Humphry Davy)

تاریخ‌نگاری مدرن حفاظت کاتدیک معمولاً با آزمایش‌های سر همفری دیوی در دهه 1820 میلادی آغاز می‌شود. دیوی، که مشغول بررسی خوردگی کشتی‌های مجهز به سازه‌های مسی در دریا بود، دریافت که اگر یک قطعه فلز فعال‌تر (مانند روی یا آهن) را به بدنه مسی متصل کند، خوردگی مس متوقف می‌شود. او این پدیده را “حفاظت گالوانیک” نامید و اصول اولیه روش آند فداشونده را پایه‌گذاری کرد.

1.2.2. توسعه صنعتی

در قرن بیستم، با گسترش شبکه‌های توزیع آب و نفت و گاز، نیاز به محافظت از زیرساخت‌های مدفون (مانند لوله‌ها) افزایش یافت. توسعه سیستم‌های حفاظت کاتدیک تزریق جریان (ICCP) در دهه 1930، که نیازمند منابع برق خارجی بود، انقلابی در مقیاس‌پذیری این فناوری ایجاد کرد.

1.3. اهمیت حیاتی سیستم حفاظت کاتدیک

چرا حفاظت کاتدیک یک روش ضروری است؟

1. افزایش عمر سازه: محافظت مستمر از فولاد در برابر خوردگی خاک یا آب دریا، عمر مفید سازه‌ها را چندین برابر می‌کند.

2. ایمنی عمومی: توقف نشت در خطوط لوله نفت و گاز که ناشی از خوردگی داخلی یا خارجی است، از فجایع زیست‌محیطی و ایمنی جلوگیری می‌کند.

3. کاهش هزینه‌های نگهداری: هزینه پیشگیرانه اعمال سیستم حفاظت کاتدیک معمولاً بسیار کمتر از هزینه تعمیر یا تعویض سازه آسیب‌دیده است.

4. انطباق با استانداردها: در بسیاری از صنایع، به‌ویژه نفت و گاز، استفاده از سیستم حفاظت کاتدیک یک الزام قانونی و استاندارد (مانند استاندارد NACE SP0169) است.

بخش 2: مبانی خوردگی الکتروشیمیایی

برای درک کامل حفاظت کاتدیک، باید ابتدا مکانیسم الکتروشیمیایی خوردگی را بشناسیم. خوردگی فلزات در حضور رطوبت (الکترولیت) یک فرآیند الکتروشیمیایی است که نیازمند چهار جزء اصلی است.

2.1. سلول خوردگی (Corrosion Cell)

هر فرآیند خوردگی نیازمند تشکیل یک سلول الکتروشیمیایی است که از چهار جزء اصلی تشکیل شده است:

1. آند (Anode): ناحیه‌ای که فلز در آن اکسید می‌شود و یون‌های فلزی وارد الکترولیت می‌گردند (محل خوردگی):

   فرآیند اکسید شدن آهن به‌صورت زیر است:

   Fe → Fe2+ + 2e-

   (واکنش اکسیداسیون)

2. کاتد (Cathode): ناحیه‌ای که در آن واکنش احیا رخ می‌دهد (معمولاً احیای اکسیژن یا هیدروژن):

   واکنش احیای اکسیژن در محیط خنثی به صورت زیر است:

   O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-

   (واکنش احیا در محیط خنثی)

3. مسیر الکتریکی فلزی (Metallic Path): سیم‌کشی یا خود فلز که الکترون‌ها را از آند به کاتد هدایت می‌کند.

4. الکترولیت (Electrolyte): محیط رسانا (مانند خاک مرطوب، آب دریا یا محلول فرآیندی) که یون‌ها را منتقل می‌کند.

2.2. پتانسیل خوردگی و پتانسیل حفاظتی

وقتی یک فلز درون یک الکترولیت قرار می‌گیرد، به طور طبیعی یک پتانسیل الکتریکی نسبت به یک الکترود مرجع (مانند الکترود کالومل اشباع یا الکترود Hg/Hg2Cl2) ایجاد می‌کند. به این اختلاف پتانسیل، پتانسیل خوردگی یا Ecorr گفته می‌شود.

در حفاظت کاتدیک، هدف ما این است که با اعمال جریان خارجی، پتانسیل فلز مورد نظر را به سمت مقادیری منفی‌تر (کاتدی‌تر) حرکت دهیم تا از پتانسیل طبیعی خوردگی آن فاصله بگیرد. این پتانسیل هدف، پتانسیل حفاظتی (Protective Potential) نامیده می‌شود.

2.3. تئوری اصلی حفاظت کاتدیک

حفاظت کاتدی با اعمال پتانسیل کاتدی مناسب، فرآیند اکسیداسیون (یعنی خوردگی) را در سطح فلز متوقف می‌کند. این موضوع را می‌توان با استفاده از قانون اهم در یک مدار الکتروشیمیایی توضیح داد:

I = E_applied / R_total

در این رابطه:

• E_applied اختلاف پتانسیل اعمال‌شده است
• R_total مجموع مقاومت‌های مدار شامل مقاومت فلز، الکترولیت و آند است

با افزایش جریان حفاظتی (I)، مقدار پلاریزاسیون یا جابه‌جایی پتانسیل بیشتر می‌شود تا زمانی که پتانسیل فلز به محدوده‌ی حفاظت کاتدی برسد.

بخش 3: انواع سیستم‌های حفاظت کاتدیک

دو روش اصلی و کاملاً متفاوت برای دستیابی به پلاریزاسیون کاتدی مورد نیاز وجود دارد: حفاظت کاتدیک فداشونده (SACP) و حفاظت کاتدیک تزریق جریان (ICCP).

3.1. حفاظت کاتدیک فداشونده (Sacrificial Anode Cathodic Protection – SACP)

سیستم SACP، که قدیمی‌ترین و ساده‌ترین شکل سیستم حفاظت کاتدیک است، از یک پیل گالوانیک طبیعی استفاده می‌کند.

3.1.1. اصول عملکرد SACP

در این سیستم، یک فلز با پتانسیل آندی بسیار منفی‌تر (فعال‌تر) نسبت به فلز سازه (مثلاً فولاد) به سازه متصل می‌شود. به دلیل اختلاف پتانسیل بالا، فلز فعال‌تر (آند) به طور پیوسته در حال اکسیداسیون و مصرف شدن است و الکترون‌ها را به سازه هدایت می‌کند. سازه فولادی تبدیل به کاتد شده و حفاظت می‌شود.

واکنش مصرف آند در سیستم‌های حفاظت کاتدی به شکل زیر بیان می‌شود:

Anode Metal → Anode Ions + e-

(واکنش مصرف آند)

3.1.2. مواد آند فداشونده

انتخاب جنس آند فداشونده حیاتی است و عمدتاً بر اساس پتانسیل الکتروشیمیایی آن در الکترولیت محیط (خاک یا آب) انجام می‌شود.

• آند منیزیم (Magnesium Anodes):

  • کاربرد: ایده‌آل برای محیط‌هایی با مقاومت الکتریکی بالا (خاک‌های خشک‌تر، آب شیرین).

  • مزیت: این فلز دارای پتانسیل بسیار منفی، حدود منفی 1.55 ولت نسبت به الکترود Cu/CuSO4 است و به همین دلیل بیشترین نیروی محرکه الکتریکی را فراهم می‌کند.

  • محدودیت: در برابر آب دریا یا محیط‌های با هدایت بالا به سرعت مصرف می‌شود و خطر پوشش‌دهی (Passivation) وجود دارد.

• آند روی (Zinc Anodes):

  • کاربرد: عمدتاً در محیط‌های با هدایت بالا مانند آب دریا و آب شور.

  • مزیت: این فلز دارای پتانسیل نسبتاً منفی، حدود منفی 1.1 ولت نسبت به الکترود Cu/CuSO4 است و در محیط‌های بسیار رسانا مقاومت خوبی در برابر مصرف دارد.

  • محدودیت: در خاک‌های با مقاومت بالا عملکرد ضعیفی دارد.

• آند آلومینیوم (Aluminum Anodes):

  • کاربرد: سازه‌های دریایی بزرگ و لوله‌هایی که نیاز به طول عمر بسیار زیاد دارند.

  • مزیت: دارای ظرفیت (آمپر-ساعت بر کیلوگرم) بسیار بالا و طول عمر زیاد.

  • محدودیت: پتانسیل آن تحت تأثیر ترکیبات شیمیایی محیط (به ویژه pH و غلظت کلراید) قرار می‌گیرد و ممکن است دچار پوشش‌دهی شود.

3.1.3. اجزای سیستم SACP

یک سیستم حفاظت کاتدیک فداشونده شامل موارد زیر است:

1. آند فداشونده: بلوک‌های منیزیم، روی یا آلومینیوم.

2. کابل حفاظت کاتدیک: سیم‌های مسی عایق‌بندی شده برای اتصال آند به سازه.

3. اتصالات: اتصالات جوشی یا مکانیکی بین کابل و آند/سازه.

4. بستر آندی (در صورت نیاز): برای افزایش مقاومت اهمی و توزیع جریان، آندها اغلب در بستری از کک نفتی (Coke Breeze) دفن می‌شوند.

3.2. حفاظت کاتدیک تزریق جریان (Impressed Current Cathodic Protection – ICCP)

زمانی که نیاز به جریان حفاظتی بالا (برای سازه‌های بزرگ مانند خطوط لوله طولانی، اسکله‌ها، یا سازه‌های دریایی بزرگ) باشد یا زمانی که پتانسیل محیط برای استفاده از آندهای فداشونده مناسب نباشد، از سیستم حفاظت کاتدیک تزریق جریان استفاده می‌شود.

3.2.1. اصول عملکرد ICCP

در این روش، جریان مورد نیاز از طریق یک منبع تغذیه خارجی، معمولاً ترانس رکتیفایر (Transformer-Rectifier)، به آندها تزریق می‌شود. این دستگاه جریان متناوب (AC) ورودی را به جریان مستقیم (DC) مورد نیاز برای حفاظت تبدیل می‌کند و ولتاژ را برای غلبه بر مقاومت الکترولیت تنظیم می‌کند.

مسیر جریان در سیستم حفاظت کاتدی با جریان اعمالی (ICCP) به شکل زیر است:

DC Power Supply → Anode → Electrolyte → Structure (Cathode)

3.2.2. اجزای اصلی سیستم ICCP

1. ترانس رکتیفایر (Transformer-Rectifier Unit): قلب سیستم حفاظت کاتدیک تزریق جریان. این واحد وظیفه کنترل ولتاژ و جریان خروجی DC را دارد.

2. آندهای مورد استفاده: برخلاف SACP، در ICCP آندها مصرف نمی‌شوند (یا بسیار کند مصرف می‌شوند) و باید از موادی با مقاومت بالا در برابر خوردگی الکترولیتی در حضور جریان بالا ساخته شوند.

   • آندهای MMO (Mixed Metal Oxide): شامل هسته تیتانیومی با پوششی از اکسید فلزات نجیب. بسیار کارآمد و مقاوم.

   • آند سیلیکون کست آیرن (High Silicon Cast Iron – HSI): آندهای سنتی و مقاوم که در بستر کک استفاده می‌شوند.

   • آندهای گرافیتی یا کک: کمتر رایج هستند اما در برخی کاربردهای خاص استفاده می‌شوند.

3. بستر آندی (Anode Bed): آندها معمولاً در اعماق زمین یا در چاه‌های عمیق (Deep Well Anodes) نصب می‌شوند و با کک بتن (Coke Breeze) احاطه می‌گردند تا مقاومت الکتریکی زمین را کاهش دهند.

3.2.3. پیکربندی بستر آندی

• بسترهای کم عمق (Shallow Beds): آندها در عمق کم (معمولاً کمتر از 3 متر) در یک خط یا آرایه‌ای دایره‌ای دفن می‌شوند.

• بسترهای عمیق (Deep Well Systems): برای کاهش مقاومت زمین در مناطقی با مقاومت بالا، آندها به عمق‌های 50 تا 150 متر فرستاده شده و با دوغاب کک پر می‌شوند. این روش برای حفاظت کاتدیک لوله‌های طولانی بسیار کارآمد است.

 

 

4.1. مزایا و معایب تفصیلی

4.1.1. مزایای SACP

1. سادگی نصب و بهره‌برداری: نیازی به سیم‌کشی برق شهری یا تجهیزات پیچیده نیست.

2. ایمنی: عدم وجود برق DC فشار قوی در محیط نصب.

3. ایده‌آل برای نواحی دورافتاده: جایی که دسترسی به برق و نظارت مداوم دشوار است.

4.1.2. معایب SACP

1. محدودیت جریان: توانایی محدود در حفاظت از سازه‌های بسیار بزرگ.

2. خطر “بیش‌حفاظتی” (Over-protection): در محیط‌های با هدایت بالا، پتانسیل سازه ممکن است بیش از حد منفی شده و باعث آسیب به پوشش یا تردی هیدروژنی (Hydrogen Embrittlement) شود.

4.1.3. مزایای ICCP

1. انعطاف‌پذیری بالا: امکان تنظیم جریان برای جبران تغییرات فصلی مقاومت خاک و شرایط عملیاتی.

2. حفاظت از سازه‌های عظیم: توانایی تأمین جریان‌های بسیار زیاد مورد نیاز برای خطوط لوله طولانی.

3. مانیتورینگ آسان‌تر: امکان استفاده از تست ایستگاه‌ها و اتوماسیون برای نظارت بر عملکرد سیستم.

4.1.4. معایب ICCP

1. پیچیدگی و هزینه اولیه بالا.

2. وابستگی به برق: نیاز به دسترسی مطمئن به برق شهری یا ژنراتور.

3. خطر تداخل (Stray Current Interference): جریان تزریقی ممکن است بر سازه‌های فلزی مجاور که متصل نیستند، اثر تخریبی بگذارد.

 

 

بخش 5: تجهیزات و مواد حیاتی در سیستم حفاظت کاتدیک

اجزای تشکیل دهنده یک سیستم حفاظت کاتدیک باید با دقت بالا انتخاب و نصب شوند تا عملکرد بهینه تضمین شود.

5.1. ترانس رکتیفایر (Transformer-Rectifier Unit)

این دستگاه در سیستم‌های ICCP استفاده می‌شود و پارامترهای اصلی آن عبارتند از:

1. ولتاژ ورودی (Input Voltage): معمولاً برق سه فاز شهری.

2. خروجی ولتاژ (Output Voltage): معمولاً در محدوده 0 تا 50 ولت DC.

3. خروجی جریان (Output Current): حداکثر جریان خروجی بر حسب آمپر.

تنظیم صحیح ولتاژ و جریان برای دستیابی به پتانسیل حفاظتی مورد نیاز، حیاتی است. اغلب رکتیفایرها مجهز به تنظیم کننده‌های ولتاژ اتوماتیک (AVR) یا کنترل جریان ثابت هستند.

5.2. الکترودهای مرجع (Reference Electrodes)

برای اندازه‌گیری پتانسیل الکتروشیمیایی و تعیین وضعیت حفاظت، نیاز به یک الکترود مرجع پایدار داریم که پتانسیل آن در طول زمان و دما تغییر نکند.

1. الکترود مس/سولفات مس (Cu/CuSO4 – CSE): پرکاربردترین الکترود مرجع در محیط‌های خاکی و آب شیرین. پتانسیل استاندارد آن 0.00 ولت نسبت به پتانسیل استاندارد هیدروژن است، اما در اندازه‌گیری‌ها به عنوان مرجع 0.00 در نظر گرفته می‌شود.

2. الکترود نقره/کلرید نقره (Ag/AgCl): استاندارد اصلی برای محیط‌های آب شور و دریایی به دلیل پایداری در غلظت بالای یون کلرید.

3. الکترود کالومل اشباع (Saturated Calomel Electrode – SCE): کمتر در میدان استفاده می‌شود و بیشتر برای کالیبراسیون استفاده می‌گردد.

5.3. آندها و بستر آندی

همانطور که در بخش 3 اشاره شد، جنس آند باید با نوع سیستم (SACP یا ICCP) و محیط سازگار باشد. در سیستم‌های ICCP، ماده بستر آندی نیز اهمیت دارد:

• کک نفتی (Coke Breeze): به عنوان ماده پرکننده اطراف آندها استفاده می‌شود. ویژگی کلیدی آن، مقاومت الکتریکی بسیار پایین آن است که به کاهش مقاومت کل بستر آندی در برابر زمین کمک می‌کند.

5.4. ایستگاه‌های تست (Test Stations) و کابل‌کشی

برای نظارت دوره‌ای بر عملکرد سیستم حفاظت کاتدیک، ایستگاه‌های تست در فواصل مشخصی روی خطوط لوله یا سازه‌های مدفون نصب می‌شوند. این ایستگاه‌ها شامل اتصالات برای:

1. اتصال به سازه (Cathode Connection).

2. اتصال به آند (Anode Connection).

3. نصب موقت الکترود مرجع روی سطح (برای اندازه‌گیری پتانسیل سازه).

کابل حفاظت کاتدیک باید از مواد مقاوم در برابر رطوبت، مواد شیمیایی خاک، و دارای عایق مناسب (مانند پلی اتیلن یا PVC/PE دو لایه) باشد. اتصالات باید به روشی مطمئن (معمولاً جوش اگزوترمیک یا Cadweld) انجام شوند تا مقاومت تماس به حداقل برسد.

بخش 6: اصول طراحی حفاظت کاتدیک (مبانی محاسباتی)

طراحی موفق یک سیستم حفاظت کاتدیک بر اساس پیش‌بینی دقیق جریان مورد نیاز و عمر مفید آندها استوار است.

6.1. تعریف چگالی جریان مورد نیاز (I_density)

اولین مرحله در طراحی سیستم حفاظت کاتدی این است که مقدار جریان لازم برای پلاریزه کردن تمام سطح سازه تا رسیدن به پتانسیل حفاظتی محاسبه شود. مقدار این جریان به نوع سازه، کیفیت و درصد پوشش سطحی (Coating)، و همچنین شرایط محیط اطراف بستگی دارد.

فرمول محاسبه جریان مورد نیاز:

I_required = A_total × i_design

توضیح پارامترها:

• I_required: کل جریان لازم برای حفاظت سازه (آمپر)
• A_total: مساحت کل سطح فلزی که باید حفاظت شود (متر مربع)
• i_design: چگالی جریان طراحی مورد نیاز برای شرایط محیطی (آمپر بر متر مربع)

 

 

6.2. محاسبه مقاومت بستر آندی ($R_{\text{bed}}$)

مقاومت کل مدار (در ICCP) به شدت تحت تأثیر مقاومت زمین و مقاومت بستر آندی قرار دارد. مقاومت بستر آندی باید به حداقل برسد تا جریان بتواند به راحتی وارد الکترولیت شود.

6.2.1. مقاومت بستر آندی تک آند عمودی (Deep Well)

برای یک آند استوانه‌ای که در عمق زیاد نصب شده و اطراف آن با کک پر شده است، مقاومت آند نسبت به محیط بیرون کک به‌صورت زیر محاسبه می‌شود. در این حالت فرض می‌شود که مقاومت اصلی مربوط به خاک اطراف بستر کک است.

فرمول مقاومت آند:

R_anode = (ρ / (2πL)) × [ ln(4L / a) − 1 ]

توضیح پارامترها:

• ρ (Rho): مقاومت ویژه محیط (اهم‌متر)
• L: طول آند (متر)
• a: شعاع آند (متر)

6.2.2. مقاومت بستر آندی افقی (Shallow Bed)

برای یک خط آند افقی که در عمق مشخصی دفن شده باشد، می‌توان مقاومت آن را با استفاده از معادله تقریبی Dwight محاسبه کرد. این روش برای آندهای افقی طولانی که در خاک یا بستر کک نصب می‌شوند کاربرد زیادی دارد.

فرمول تقریبی Dwight برای مقاومت یک آند افقی:

R_anode = (ρ / (2πL)) × [ ln( (8L) / d ) − 1 ]

توضیح پارامترها:

• ρ (Rho): مقاومت ویژه محیط (اهم‌متر)
• L: طول آند افقی (متر)
• d: عمق دفن آند نسبت به سطح زمین (متر)

6.3. محاسبه عمر آند فداشونده (در SACP)

برای محاسبه عمر یک آند فداشونده، از ظرفیت الکتروشیمیایی ماده و مقدار جریانی که آند باید در طول زمان تأمین کند استفاده می‌شود. این روش یکی از رایج‌ترین معیارهای طراحی در سیستم‌های حفاظت کاتدی است.

فرمول محاسبه عمر آند:

Life (Years) = (W_anode × E_eff × 27.3) / (I_out × D)

توضیح پارامترها:

• W_anode: جرم اولیه آند (کیلوگرم)
• E_eff: بازده مصرفی آند (Efficiency).برای مثال:
  • آند منیزیمی: حدود 0.80 تا 0.95
  • آند آلومینیومی: حدود 0.85 تا 0.90
  • آند روی: حدود 0.90 تا 0.95
• I_out: جریان متوسطی که آند باید تأمین کند (آمپر)
• D: نرخ تخلیه آند (Discharge Rate) بر حسب آمپر-روز

نکته مهم طراحی

برای آندهای منیزیم، نرخ تخلیه نباید از حدود 0.5 آمپر بر متر مربع بیشتر شود، زیرا باعث انحلال سریع، خوردگی شدید و کاهش غیرمنتظره عمر آند می‌شود.

6.4. محاسبه ولتاژ مورد نیاز در ICCP

ولتاژ خروجی مورد نیاز از ترانس‌رکتیفایر باید آن‌قدر باشد که بتواند بر مقاومت کل مدار غلبه کرده و جریان لازم برای حفاظت کاتدی را تأمین کند. این ولتاژ هم اختلاف پتانسیل بین آند و سازه (کاتد) را پوشش می‌دهد و هم افت اهمی کل مدار را جبران می‌کند.

فرمول محاسبه ولتاژ مورد نیاز:

V_rect = (E_cathode − E_anode) + (I_out × R_total)

توضیح پارامترها:

• E_cathode: پتانسیل حفاظتی مورد نیاز سازه

  مثل: حدود منفی 0.85 ولت در محیط خاک (نسبت به Cu/CuSO4)

• E_anode: پتانسیل آند سیستم ICCP

  آندهای MMO یا SiFe پتانسیل بسیار مثبت و پایدار دارند

• I_out: جریان مورد نیاز برای حفاظت سازه (آمپر)

• R_total: مقاومت کل مدار شامل:

  • مقاومت آند بستر
  • مقاومت الکترولیت (خاک/آب)
  • مقاومت کابل‌ها و اتصالات
  • مقاومت سطحی پوشش آسیب‌دیده

بخش 7: نصب و اجرای سیستم‌های حفاظت کاتدیک

نصب صحیح اجزای فیزیکی، به ویژه آندها و اتصالات، تضمین‌کننده موفقیت بلندمدت سیستم حفاظت کاتدیک است.

7.1. نصب سیستم حفاظت کاتدیک فداشونده (SACP)

در SACP، موقعیت آند نسبت به سازه بسیار مهم است تا پوشش‌دهی مناسب ایجاد شود.

1. موقعیت آند: آندها باید در نزدیکی سازه (برای لوله‌های کوتاه یا اتصالات) یا در نقاط استراتژیک (مانند نقاط اتصال به اسکله) قرار گیرند.

2. اتصال مستقیم: در تانک‌ها و سازه‌های دریایی، آندها معمولاً به صورت مستقیم به بدنه جوش داده یا متصل می‌شوند.

3. استفاده از بستر کک: برای کاهش مقاومت تماس در خاک‌های خشک، آندهای منیزیم یا روی را در گودال‌هایی پر از کک نفتی (Coke Breeze) دفن می‌کنند.

7.2. نصب سیستم حفاظت کاتدیک تزریق جریان (ICCP)

نصب ICCP پیچیده‌تر است و نیازمند مدیریت فاصله آندها و تجهیزات برق است.

7.2.1. چیدمان بستر آندی

• آندهای خطی (Line Anodes): برای حفاظت کاتدیک لوله، آندها در امتداد خط لوله در فواصل مشخص نصب می‌شوند.

• آندهای منطقه‌ای (Area Anodes): برای محافظت از کف مخازن یا سازه‌های بزرگ زیرزمینی، آرایه‌ای از آندها در زیر سازه یا در اطراف آن نصب می‌شود.

7.2.2. اجرای بسترهای عمیق (Deep Well Installation)

در مناطقی با مقاومت ویژه خاک بالا (بیش از 500 اهم.متر)، از چاه‌های عمیق استفاده می‌شود:

1. حفر چاه تا عمق مورد نظر (مثلاً 60 متر).

2. قرار دادن رشته آندهای استوانه‌ای در مرکز چاه.

3. پمپاژ دوغاب کک (Coke Slurry) در اطراف آندها برای پر کردن فضای حلقوی و کاهش مقاومت.

4. آب‌بندی لایه بالایی چاه برای جلوگیری از نفوذ آب سطحی و ایجاد مسیر جریان نامطلوب.

 

7.3. اتصالات کابل‌کشی (Cadweld)

در سیستم‌های حفاظت کاتدیک، کوچک‌ترین افت در اتصالات می‌تواند کل عملکرد سیستم را مختل کند. جوش اگزوترمیک (Cadweld) استاندارد طلایی برای اتصال کابل حفاظت کاتدیک به سازه فلزی (مانند لوله یا تکیه‌گاه) است، زیرا اتصال دائمی، با مقاومت صفر اهم ایجاد می‌کند.

بخش 8: پایش، بازرسی و نگهداری سیستم حفاظت کاتدیک

حتی بهترین سیستم حفاظت کاتدیک نیز بدون پایش منظم، کارایی خود را از دست می‌دهد. نظارت مداوم برای حفظ پتانسیل حفاظتی ضروری است.

8.1. اندازه‌گیری پتانسیل (Potential Measurement)

این روش اصلی و مهم‌ترین معیار برای ارزیابی عملکرد سیستم حفاظت کاتدی است. هدف این است که پتانسیل سازه به مقدار حفاظتی مورد تأیید استاندارد NACE برسد. برای فولاد در محیط خاک، معیار پایه به‌صورت زیر است:

E_structure vs E_reference ≤ -850 mV (CSE)

این یعنی پتانسیل سازه نسبت به الکترود مرجع مس/سولفات مس باید حداقل منفی 850 میلی‌ولت یا بیشتر منفی باشد.

اندازه‌گیری پتانسیل معمولاً از طریق ایستگاه‌های تست انجام می‌شود. در سیستم‌های ICCP برای اینکه پتانسیل واقعی پلاریزاسیون سازه اندازه‌گیری شود، رکتیفایر باید به‌صورت “ON/OFF” بررسی گردد تا افت اهمی محیط از مقدار واقعی پتانسیل جدا شود.

8.2. آزمون‌های پیشرفته پایش

برای ارزیابی دقیق‌تر پوشش و شناسایی نواحی محافظت نشده، از تکنیک‌های پیشرفته استفاده می‌شود:

1. پتانسیل متناوب (Instant Off Potential – I/O): خاموش کردن جریان DC برای مدت کوتاهی (معمولاً 10 تا 30 دقیقه) و اندازه‌گیری پتانسیل آزاد شده. این روش نشان‌دهنده سطح واقعی حفاظت پس از حذف پلاریزاسیون اعمال شده است.

2. تست خطیابی جریان متناوب (Close Interval Survey – CIS): استفاده از روش‌های پیشرفته اندازه‌گیری پتانسیل در فواصل بسیار نزدیک (هر 1 تا 3 متر) روی خطوط لوله برای ترسیم پروفایل دقیق پتانسیل در طول مسیر. این روش توانایی شناسایی خرابی‌های پوشش را دارد.

3. تست افت ولتاژ جریان مستقیم (Direct Current Voltage Gradient – DCVG): این روش برای شناسایی محل دقیق نشت جریان (خرابی پوشش) در خطوط لوله استفاده می‌شود. با تزریق جریان DC مشخص به خط لوله، تغییرات ولتاژ در اطراف خط اندازه‌گیری شده و محل نقص پوشش مشخص می‌شود.

8.3. نگهداری دوره‌ای

نگهداری شامل موارد زیر است:

• بررسی رکتیفایر: اندازه‌گیری ولتاژ و جریان خروجی و بررسی عملکرد مدارات محافظتی.

• بازرسی آندهای فداشونده: تخمین باقی‌مانده عمر آندها و برنامه‌ریزی برای تعویض.

• تمیز کردن اتصالات: اطمینان از عدم خوردگی یا شل شدن اتصالات در ایستگاه‌های تست.

بخش 9: کاربردهای صنعتی حفاظت کاتدیک

حفاظت کاتدیک تقریباً در تمام صنایعی که با فلزات مدفون یا غوطه‌ور سروکار دارند، ضروری است.

9.1. حفاظت کاتدیک خطوط لوله نفت و گاز

حفاظت کاتدیک لوله (چه مدفون در خاک و چه در مسیر آب) حیاتی‌ترین کاربرد CP است. لوله‌ها معمولاً با یک پوشش اپوکسی یا قیر پوشانده می‌شوند، اما نقص‌های ناشی از نصب یا حرکت زمین می‌تواند منجر به تماس مستقیم فلز با خاک شود.

• لوله‌های مدفون: معمولاً از سیستم ICCP با بستر آندی دور (Remote Groundbed) یا SACP در مناطق کوچک استفاده می‌شود.

• لوله‌های دریایی (Offshore Pipelines): اغلب از SACP با آند فداشونده (روی یا آلومینیوم) به دلیل دسترسی دشوار و هزینه بالای نصب ICCP در دریا استفاده می‌شود.

9.2. حفاظت کاتدیک مخازن ذخیره‌سازی

حفاظت کاتدیک مخازن به دو بخش تقسیم می‌شود:

1. مخازن زیرزمینی (USTs): مخازن سوخت یا آب که کاملاً در خاک مدفون هستند. معمولاً با SACP برای حفاظت از بدنه و کف استفاده می‌شود.

2. مخازن روی زمین (ASTs): حفاظت عمدتاً بر کف مخزن متمرکز است، جایی که تماس با خاک مرطوب یا بتن منجر به خوردگی می‌شود. استفاده از ICCP یا SACP در زیر کف مخازن رایج است.

9.3. سازه‌های دریایی و سازه‌های هیدرولیکی

سازه های فولادی در تماس با آب دریا (مانند شمع‌ها، داک‌ها، اسکله‌ها و دکل‌های نفتی) به سرعت دچار خوردگی می‌شوند.

• سکوی سکانژل (Jacket Structure): تقریباً همیشه از ICCP برای تأمین جریان مورد نیاز در محیط با هدایت بسیار بالا استفاده می‌شود.

• کشتیرانی: بدنه کشتی‌ها اغلب با SACP (آندهای روی یا آلومینیوم نصب شده در ناحیه آبگیر) محافظت می‌شوند.

9.4. محافظت از میلگردهای فولادی در بتن (Corrosion of Rebar in Concrete)

بتن در شرایط خاص (مانند نفوذ کلراید از آب دریا یا نمک‌های یخ‌زدا) می‌تواند به یک الکترولیت خورنده تبدیل شود و باعث زنگ‌زدگی و تورم میلگردها شود.

حفاظت کاتدیک (عمدتاً ICCP) می‌تواند برای توقف این فرآیند استفاده شود. در این حالت، میلگردها (آرماتور) به عنوان کاتد و آندهای خارجی (معمولاً از جنس تیتانیوم یا آندهای فلزی دیگر در ملات مخصوص) به عنوان آند عمل می‌کنند.

بخش 10: استانداردهای فنی و انطباق

عملکرد صحیح سیستم حفاظت کاتدیک نیازمند پیروی دقیق از استانداردهای بین‌المللی و محلی است.

10.1. استاندارد NACE SP0169

استاندارد NACE SP0169 که با عنوان «کنترل خوردگی توسط حفاظت کاتدی برای سازه‌های مدفون یا غوطه‌ور» شناخته می‌شود، معتبرترین مرجع جهانی برای ارزیابی وضعیت حفاظت کاتدی است. این استاندارد معیارهای مشخص و عددی برای تعیین حفاظت کافی سازه‌ها ارائه می‌کند.

معیارهای اصلی عبارت‌اند از:

• فولاد در محیط خاکپتانسیل سازه باید نسبت به الکترود مرجع مس/سولفات مس (CSE) برابر یا بیشتر منفی از مقدار زیر باشد:

E ≤ -850 mV (CSE)

-فولاد در آب شور (آب دریا)
پتانسیل سازه نسبت به الکترود نقره/نقره‌کلرید (Ag/AgCl) باید برابر یا بیشتر منفی از مقدار زیر باشد:

E ≤ -800 mV (Ag/AgCl)

– حداکثر پتانسیل مجاز جهت جلوگیری از آسیب پوشش و تردی هیدروژنی
پتانسیل سازه نباید از حدود زیر منفی‌تر شود:

E ≥ -1200 mV (CSE)

10.2. استاندارد ISO 15589 (بخش 1 و 2)

استانداردهای بین‌المللی ISO به طور گسترده در سطح جهانی پذیرفته شده‌اند:

• ISO 15589-1: اصول و طراحی حفاظت کاتدیک برای خطوط لوله زیرزمینی و زیردریایی.

• ISO 15589-2: اصول و طراحی حفاظت کاتدیک برای سازه‌های دریایی (سکوی فراساحلی).

10.3. DNV و API

مؤسسات رده‌بندی مانند DNV (Det Norske Veritas) و انجمن نفت آمریکا (API) نیز الزامات خاصی را برای طراحی و بازرسی سیستم حفاظت کاتدیک در محیط‌های دریایی و صنعتی تعیین می‌کنند که باید مورد توجه قرار گیرد.

بخش 11: تحلیل اقتصادی حفاظت کاتدیک

حفاظت کاتدیک یک سرمایه‌گذاری بلندمدت است. تحلیل اقتصادی باید هزینه‌های چرخه عمر (Life Cycle Cost) را در نظر بگیرد.

11.1. هزینه جلوگیری از خوردگی در مقابل هزینه جایگزینی

هزینه نصب یک سیستم حفاظت کاتدیک (چه SACP و چه ICCP) در مقایسه با هزینه تخریب، جایگزینی و زیان‌های ناشی از توقف تولید در اثر خوردگی، ناچیز است. برای مثال، خرابی یک خط لوله اصلی گاز می‌تواند میلیون‌ها دلار خسارت مستقیم و غیرمستقیم ایجاد کند.

LCC_CP = C_Installation + Σ (C_Maintenance + C_Energy) − Salvage_Value

توضیح پارامترها:

• C_Installation: هزینه نصب اولیه سیستم
• C_Maintenance: هزینه‌های نگه‌داری سالانه (بازرسی، تست، تعمیرات)
• C_Energy: هزینه انرژی مصرفی (در سیستم ICCP معمولاً بیشتر است)
• Salvage_Value: ارزش باقیمانده تجهیزات در پایان عمر سیستم (مثلاً کابل‌ها یا رکتیفایر قابل بازیافت)

11.2. بهینه‌سازی طراحی و مصرف انرژی

در سیستم‌های ICCP، هزینه انرژی مصرفی رکتیفایر به طور مستقیم بر هزینه‌های عملیاتی تأثیر می‌گذارد. طراحی دقیق بر اساس چگالی جریان واقعی مورد نیاز و استفاده از رکتیفایرهای با راندمان بالا (High Efficiency Rectifiers)، از هدر رفتن توان و هزینه‌های غیرضروری جلوگیری می‌کند. اگر طراحی اولیه جریان بیش از حدی را پیش‌بینی کند، هزینه‌های انرژی برای چندین دهه افزایش خواهد یافت.