حفاظت کاتدی چیست؟ (معرفی انواع آن)

خورده شدن فلزات در فضای آزاد یا خاک سبب فرو ریختن بناهای بسیاری شده است که با حفاظت کاتدی به سادگی قابل پیشگیری بوده.

به عنوان یک مهندس مجری طرح هایی که با سیستم ها، لوله ها، مخازن و… فلزی سر و کار دارند، باید با این روش حفاظت از سیستم آشنا باشید.

در این مقاله با ما همراه شوید تا هرآنچه لازم است درباره حفاظت کاتدی، تاریخچه آن، مزایا، کاربرد و… بدانید را به سادگی بیاموزید.

1# آشنایی با فناوری حفاظت کاتدی

بیشتر فلزات در اثر تماس با هوا و آب دچار خوردگی می شوند یعنی
توسط اثرات شیمیایی دیگر اکسید یا خورده می شوند.

به عنوان مثال خوردگی آهن، اکسیداسیون آلومینیوم و خطر خوردگی به خصوص برای لوله های فلزی زیر زمین از طریق آب بسیار خطرناک است.

روش های مختلف حفاظتی برای جلوگیری از خوردگی فلزی که این لوله ها از آن تولید می شوند ایجاد شده است.

یکی از این روش ها، قرار دادن فلز فعال تر در نزدیکی لوله در تماس با این لوله است که
به این روش حفاظت کاتدی گفته می شود.

به بیان ساده محافظت کاتدی نوعی روش محافظت از فلز است.

2# تعریف حفاظت کاتدی (Cathodic Protection)

برای درک بهتر حفاظت کاتدی، ابتدا لازم است نحوه ایجاد خوردگی را بشناسید.
سه عامل باعث ایجاد خوردگی می شود:

1. دو فلز غیر مشابه
2. یک الکترولیت (آب با هر نوع نمک یا نمک محلول در آن)
3. یک مسیر فلزی (رسانا) بین فلزات غیر مشابه

این دو فلز غیر مشابه ممکن است کاملاً آلیاژهای متفاوتی باشند، مانند فولاد و آلومینیوم اما
به احتمال زیاد تفاوت های متالورژی میکروسکوپی یا ماکروسکوپی در سطح یک قطعه فولاد وجود دارد.

اگر شرایط فوق وجود داشته باشد، واکنش (دو یون آهن به علاوه چهار الکترون آزاد) در مکان های فعال تر اتفاق می افتد.

آن گاه الکترون های آزاد از طریق مسیر فلزی به مکان های کمتر فعال می روند، جایی که واکنش زیر اتفاق می افتد:

گاز اکسیژن به علاوه چهار الکترون آزاد که با آب ترکیب شده به یون اکسیژن تبدیل می شود و یون های هیدروکسیل تشکیل می شود.

ترکیب آهن با اکسیژن و آب و تشکیل هیدروکسید آهن می شود که
باعث تولید محصول خوردگی آهن هیدروکسید آهن می شود.

حفاظت کاتدی با تبدیل کلیه مکان های آندی (فعال) موجود در سطح فلز به مکان های کاتدی (منفعل) با تأمین جریان الکتریکی (یا الکترون های آزاد) از منبع جایگزین، از خوردگی جلوگیری می کند.

معمولاً این حالت به صورت آندهای گالوانیک در می آید که از فولاد فعال ترند.

این روش همچنین به عنوان یک سیستم قربانی شناخته می شود زیرا
آندهای گالوانیک برای محافظت از فولاد سازه یا خط لوله در برابر خوردگی، خود را فدا می کنند.

1-2# واکنش های حفاظتی

در مورد آندهای آلومینیوم، واکنش در سطح آلومینیوم عبارت است از: (چهار یون آلومینیوم به علاوه دوازده الکترون آزاد)

^–4Al => 4AL⁺⁺⁺ + 12e

و در سطح فولاد: (گاز اکسیژن به یون های اکسیژن تبدیل می شود که با آب ترکیب می شوند و یون های هیدروکسیل تشکیل می دهند).

^–3O₂ + 12e^– + 6H₂0 => 12OH

تا زمانی که جریان (الکترون های آزاد) سریعتر از رسیدن اکسیژن به کاتد (فولاد) برسد، هیچگونه خوردگی رخ نخواهد داد.

خوردگی یک فرآیند الکتروشیمیایی است و حفاظت کاتدی یک فرآیند الکتروشیمیایی است که
با اعمال برق از خوردگی جلوگیری می کند.

سیستم محافظت کاتدیک در محیط مناسب، یک سیستم الکتریکی خارجی است که
با ایجاد کم جریان تولید شده توسط باتری خوردگی را خنثی می کند.

سیستم محافظت کاتدی بخشی از باتری خورده شده را برای جلوگیری از خوردگی از بین می برد.

سیستم محافظت کاتدی می تواند شرایط کلی خوردگی را کنترل کند.

حفاظت کاتدیک نه مرموز است و نه پیچیده، فقط یک کاربرد مستقیم اصول الکتروشیمیایی برای جلوگیری از خوردگی است که قبلاً رخ داده است.

اصل آن اعمال یک جریان خارجی بر روی سطح سازه فلزی خورده است و
ساختار محافظت شده به کاتد تبدیل می شود.

به این ترتیب مهاجرت الکترون ناشی از خوردگی فلز مهار می شود و از خوردگی جلوگیری شده یا کاهش می یابد.

3# تاریخچه و کاربرد حفاظت کاتدی

فناوری محافظت کاتدی که اکنون به بلوغ رسیده است و
به طور گسترده ای در موارد زیر استفاده می شود:

کنترل خوردگی سازه های فلزی در خاک، آب دریا، آب شیرین

محیط های شیمیایی مانند لوله های فولادی، کابل ها، پایه های فولادی، کشتی ها، ته مخازن، کولرها و غیره استفاده می شود،

و در طی سالیان تغییرات فراوانی را پشت سر گذاشته است.

در این قسمت به طور خلاصه و تیتروار به مرور آنچه بر تاریخچه توسعه و کاربرد حفاظت کاتدیک گذشته است می پردازیم:

• از اوایل سال 1823 برای حفاظت از فلزات در الکترولیت اعمال شد.
• در سال 1834 مایکل فارادی پایه و اساس اصل محافظت کاتدی را بنا نهاد.
• در سال 1890 ادیسون پیشنهاد عبور جریان برای محافظت از کشتی ها را داد.
• درسال 1902 کوهن به چشم انداز ادیسون پی برد و آن را عملی کرد.
• در سال 1905 ایالات متحده آمریکا از اصل حفاظت کاتدیک برای محافظت از دیگ بخار استفاده نمود.
• در سال 1906 آلمان اولین کارخانه حفاظت کاتدیک را تأسیس کرد.
• در سال 1913 حفاظت کاتدیک به نام حفاظت الکتروشیمیایی شناخته شد.
• در سال 1924 حفاظت کاتدیک از شبکه های لوله های زیرزمینی امکان پذیر شد.
• سیستم حفاظت کاتدیک در سال 1973 با موفقیت در حفاظت از بتن اعمال شد.

4# مراحل فرآیند حفاظت کاتدیک

سیستم حفاظت کاتدی شامل یک منبع تغذیه خارجی است که
می تواند جریان کافی برای جبران جریان تولید شده توسط باتری خورده شده تولید کند.

طبقه بندی سیستم های محافظت کاتدیک بر اساس منابع مختلف برق خارجی است.

سیستم حفاظت کاتدیک فعلی تحمیل کننده نام می گیرد.

جریان توسط یک منبع تغذیه معمولی (شرکت برق محلی) تأمین می شود.

جریان از طریق مواد نسبتاً بی اثر به سازه های خورده تحمیل می شود.

منبع جریان سیستم حفاظت کاتدی که در واقع همان جریان قربانی است، توسط فلزات مختلف در الکترولیت تولید می شود.

این همان اصل کار باتری است.

وقتی فلز دیگری درون الکترولیت قرار می گیرد (این دو با سیم فلزی به هم متصل می شوند)، جریان با پتانسیل بالاتر از انتها جریان می یابد و
از طریق الکترولیت به انتهای فلز با پتانسیل پایین هدایت می شود.

به عنوان مثال، پتانسیل الکتریکی روی بالاتر از آهن است بنابراین
وقتی این دو در الکترولیت غوطه ور شوند، جریان از روی به آهن جریان می یابد.

در این زمان انتهای روی را آند و انتهای آهن را کاتد می نامند.

خوردگی معمولاً در آند رخ می دهد.

وقتی سیستم خوردگی انحلال فلز-الکترولیت در معرض قطبش کاتدی قرار می گیرد، پتانسیل منفی جابجا می شود و
واکنش آنادیزاسیون فلز ηa پتانسیل کاهش می یابد و
سرعت واکنش کاهش می یابد، بنابراین سرعت خوردگی فلز کاهش می یابد که
به آن اثر محافظت کاتدیک می گویند.

به روش حفاظتی که از محافظت کاتدی برای کاهش خوردگی تجهیزات فلزی استفاده می کند، حفاظت کاتدی گفته می شود.

الکترون ها از مدار خارجی برای واکنش کاهش دپولایزر به فلز وارد می شوند.

بنابراین واکنش اکسیداسیون فلز (واکنش از دست دادن الکترون) مهار می شود.

هنگامی که سرعت واکنش اکسیداسیون فلز به صفر می رسد، فقط واکنش کاتدی انبارکننده بر روی سطح فلز اتفاق می افتد.

5# انواع محافظت کاتدیک

محافظت کاتدی دو نوع اساسی دارد:

حفاظت کاتدی گالوانیک و جریان تحت تأثیر.

1-5# حفاظت گالوانیک

حفاظت گالوانیک شامل استفاده از یک پوشش محافظ روی (Zn) بر فولاد برای جلوگیری از زنگ زدگی است.

روی به جای فولاد خورده می شود.

طول عمر این سیستم ها محدود است، زیرا آند قربانی محافظت کننده از فلز با گذشت زمان تخریب می شود تا زمانی که
آند قربانی دیگر قادر به تأمین حفاظت نباشد.

2-5# محافظت کاتدی تحت تاثیر

سیستم های حفاظت کاتدی جریان تحت تأثیر از آندهایی تشکیل شده اند که
به یک منبع تغذیه متصل هستند که منبع دائمی جریان الکتریکی را فراهم می کند.

در روش حفاظت آند قربانی، از فلز فعال تر از فلز پایه برای “قربانی کردن” یون ها استفاده می شود.

این “آندهای قربانی” (معمولاً آلیاژهایی مانند منیزیم، آلومینیوم یا روی) دارای پتانسیل الکتروشیمیایی قوی تری هستند.

این روش اغلب می تواند محافظت بسیار طولانی تری نسبت به آند فداکار داشته باشد زیرا
آند از طریق منبع تغذیه نامحدود تأمین می شود.

6# شرایط استفاده از سیستم Cathodic Protection

هنگام استفاده از محافظت کاتدی، شرایط زیر باید رعایت شود:

1. سازه ای که قرار است محافظت شود باید یک قطعه فلزی رسانا با نسبت طول و نقطه به اندازه کافی کم باشد.
2. نباید هیچ اتصال رسانایی فلزی با دستگاه های زمینی با اهم پایین داشته باشید.
3. هر دو کانتینر و خط لوله باید دارای یک لایه ضد خوردگی با مقاومت کافی باشند.

توجه: با افزایش مقاومت لایه ضدخوردگی، چگالی جریان محافظتی به ترتیب کاهش می یابد که
برای توزیع جریان یکنواخت مناسب تر است و دامنه محافظت را گسترش می دهد.

وقتی چگالی جریان محافظتی افزایش می یابد، اثر تداخل روی دستگاه های خارجی نیز افزایش می یابد.

اگر خطوط لوله در مجاورت تاسیسات الکتریکی فشار قوی ساخته یا اجرا شوند،
حفاظت از انفجار و ولتاژ تماس تخلیه در نظر گرفته شود، اتصال برق با تجهیزات خارجی با زمین مورد نیاز است یا این نوع اتصال نباید لغو شود.