در علم شیمی حفاظت کاتدی (Cathodic Protection) یا حفاظت کاتدیک به روش الکتروشيميايی گفته می شود که برای جلوگيری و يا کنترل خوردگی سازه های فلزی مدفون يا شناور مورد استفاده قرار می گیرد. این روش یکی از موثرترین روش های کنترل خوردگی می باشد، زیرا با اعمال آن در واقع می توان طول عمر یک سازه و یا تجهیزات فلزی را افزایش داد. این روش به طور گسترده در حفاظت از خوردگی لوله های توزیع و انتقال آب، گاز و مواد نفتی استفاده می شود. در ادامه این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک و با توجه به جایگاه مهم حفاظت کاتدی در مهندسی خوردگی، به بررسی اصول این روش و انواع آن پرداخته می شود. لطفا با ما همراه باشید.
فهرست مطالب این مقاله
۱- خوردگی فلزات
۲- تعریف حفاظت كاتدی شیمی یازدهم
۳- اصول حفاظت کاتدی
۴- حفاظت کاتدی گالوانیک
۵- حفاظت کاتدی به روش جریان اعمالی
۶- کاربرد سیستم حفاظت کاتدی
خوردگی فلزات
فلزات را می توان به سه دسته مختلف تقسیم کرد. یک دسته از آنها در مجاورت هوا اکسید نمی شوند، پس به محافظت نیازی ندارند (مانند طلا و پلاتین). دسته دوم، فلزاتی هستند که در مجاورت هوا اکسید می شوند. اما اکسید آنها مقاوم بوده و چسبیده به سطح فلز باقی می ماند. در واقع این لایه به عنوان لایه محافظی برای فلز می باشد و نیازی به محافظت بیشتر ندارند (مانند فلزات آلومینیوم، روی، کبالت، نیکل، کروم و … ). دسته سوم شامل فلزاتی می شود که در مجاورت هوا اکسید می شوند. از آنجاییکه اکسید آنها متخلخل بوده و به سطح فلز نمی چسبد، پس از بدنه فلز جدا می شود و به این ترتیب فلز به تدریج فاسد شده و از بین می رود (مانند آهن).
اینگونه فلزات را بایستی به روش های مختلف همانند رنگ کردن، ضد زنگ زدن، چرب نمودن سطح فلز به وسیله یک ماده روغنی مثل گریس، لعاب کاری، آب فلز کاری و همچنین حفاظت کاتدی از زنگ زدن محافظت کرد. توجه داشته باشید که از بین رفتن فلزات به دلیل واکنش شیمیایی آنها با محیط اطرافشان اتفاق می افتد. در واقع خوردگی یک پدیده طبیعی است که نیازمند سه شرط رطوبت، وجود یک سطح فلزی و یک عامل اکسید کننده است.
نکته
توجه داشته باشید که خوردگی فلزات، سازه های فلزی و تجهیزات در صنعت به ویژه صنایع پتروشيمی، نفت، گاز، آب و فاضلاب سبب تخریب قطعات می شود. در نتیجه باعث تحمیل هزینه های سنگین به صاحبان آن صنایع می گردد. به عنوان نمونه خوردگی لوله های انتقال و توزيع سوخت و یا آب در اسكله ها، كندانسور ها، مخازن ذخيره سوخت، كشتی ها، دكل های انتقال نيرو و ديگر سازه های مدفون و يا شناور می تواند كار يك پروسه فعال را مختل نموده و باعث ضرر و زيان های غير قابل جبران شوند. همچنین اگر ساختار های فلزی خورده شوند، تبدیل به ساختارهایی غیر ایمن می شوند که ممکنست منجر به فروپاشی و فروریختگی بنا ها گردند.
کنترل و یا جلوگیری از خوردگی تجهیزات و سازه های فلزی از لحاظ فنی، مالی و ایمنی اهمیت بالایی دارد. نتيجه تحقيقات و آزمايشات انجام شده نشان داده است که برای جلوگیری از خوردگی لوله های مدفون و یا شناور، دو روش استفاده از انواع پوشش ها و همچنین استفاده از سيستم حفاظت كاتدی وجود دارد. لازم به ذکر است که از تکنیک حفاظت كاتديک در اکثر محیط های آبی و یا خاکی برای محافظت انواع آلیاژ های آهنی و همچنین آلیاژهای غیر آهنی مثل فولاد، برنج و مس استفاده می شود.
تعریف حفاظت كاتدی شیمی یازدهم
همانطور که بیان شد، خوردگی یک فرآیند الکتروشیمیایی می باشد، بنابراین حفاظت کاتدیک نیز یک فرآیند الکتروشیمیایی است که در واقع با اعمال جریان الکتریسیته از خوردگی جلوگیری می کند. این تکنیک به وسیله کاتد قرار دادن سطح فلز مورد نظر در یک سلول الکتروشیمیایی عمل می کند. به بیان دیگر، حفاظت کاتدی با اعمال یک جریان الکتریکی خارجی یا تماس فلز مورد نظر با یک آند از بین رونده، سبب جلوگیری یا کاهش سرعت خوردگی فلزات می شود. در حقیقت با اجرای این تکنیک می توان فلزات را بدون آنکه خورده شوند به مدت طولانی در محیط های مرطوب و خورنده نگهداری کرد. ميزان جريانی که برای حفاظت کاتديک نياز است، قطعا به فلز حفاظت شده و محيط بستگی دارد. محافظت کاتدی دو نوع اساسی دارد که عبارتند از :
- حفاظت کاتدی با جریان مستقیم برق
- حفاظت کاتدی با استفاده از آند فدا شونده (حفاظت کاتدی گالوانيک)
لازم به ذکر است که در هر دوی این تکنیک ها، بر مبنای ایجاد یک مدار الکتریکی می باشند که جهت جریان الکتریکی در آنها، به سمت فلز مورد نظر (تحت حفاظت) قرار دارد. در هنگام استفاده از محافظت کاتدی، شرایطی باید رعایت شود که عبارتند از :
۱- یک قطعه فلزی رسانا با نسبت طول و نقطه کم بایستی در سازه ای که قرار است محافظت کاتدی شود وجود داشته باشد.
۲- هیچ اتصال رسانایی فلزی با اهم پایین با دستگاه های زمینی نباید داشته باشد.
۳- هر دو خط لوله و کانتینر بایستی حتما یک لایه ضد خوردگی با مقاومت مناسب داشته باشند.
توجه
همانطور که بیان شد، كاتد كردن سازه فلزی با جايگزينی يك منبع تامين كننده الكترون امکان پذير است. اين منبع تامين كننده الکترون می تواند يك منبع جریان الكتريكی و يا يك فلز فعال تر (آندتر) از سازه مدفون شده مورد نظر ما باشد. بنابراین استفاده از هر يك از دو روش بیان شده مستلزم صرف هزينه اقتصادی دارد. اما با يك بررسی كارشناسی به راحتی می توان نتيجه گرفت كه صرف هزينه های اقتصادی اوليه که برای پوشش دادن سازه فلزی مورد نظر و نصب سيستم حفاظت كاتدیک صرف می شود، نه تنها از خطرات جانبی در آينده می تواند جلوگيری كند بلكه هزينه های اقتصادی مربوط به تعميرات، تعويض قطعات، جبران خسارات و زيان های وارده را نیز كاهش می دهد. از این رو، هزينه های اولیه لازم جهت نصب چنين سيستم هايی از لحاظ اقتصادی توجيه پذيرتر می باشد.
توجه داشته باشید که عوامل مختلفی از جمله شرايط الكتروليت، شرايط سازه های مجاور، امكان دسترسی به جریان برق، امكان وجود بازرسی های آتی، وجود جريان های سرگردان، نوع و كيفيت پوشش ها، مدت زمان طراحی سيستم، شرايط اقتصادی و غیره در تعيين و انتخاب روش حفاظت كاتديک موثر می باشند. از مهمترین آنها در انتخاب سيستم حفاظتی، شرايط اقتصادي است که در نهايت بايد به يك حالت بهينه فنی- اقتصادی رسید. به عبارت دیگر، طراحی يك سيستم حفاظت كاتديک زمانی می تواند موفقيت آميز باشد كه تمامی شرايط ذکر شده در آن مد نظر قرار بگیرد.
اصول حفاظت کاتدی
در طی فرآیند حفاظت کاتدی، فلزی که قرار است تحت حفاظت قرار بگیرد را در مجاورت فلز دیگری که پتانسیل احیاء (E) کمتری دارد قرار می دهند. در این حالت، اگر بین این دو فلز سلول الکتروشیمیایی تشکیل شود (اگر دو فلز در معرض هوا و رطوبت و در حقیقت در یک محیط الکترولیت قرار بگیرند)، فلز اصلی که پتانسیل احیا بزرگتری دارد در نقش کاتد سالم باقی می ماند. در حالیکه فلز محافظ در نقش آند اکسید شده و خورده می شود. به عنوان مثال، برای حفاظت کاتدیک آهن، آنرا در مجاورت یک فلز فعال تر مانند منیزیم یا روی قرار می دهند.
لازم به ذکر است که کاتد همیشه خودش کاهش نمی یابد و می تواند تنها پایگاهی جهت عمل احیا باشد. در حفاظت کاتدیک آهن به کمک فلز منیزیم، آهن نقش کاتد را دارد اما احیا نمی شود. نیم واکنش آندی در حفاظت کاتدی آهن به صورت فوق انجام می گیرد.
Mg (s) → Mg ۲+ (aq) + ۲e –
الکترون های حاصل از این نیم واکنش به سطح آهن منتقل می شوند و در آنجا (کاتد) نیم واکنش کاتدی با حضور اکسیژن و آب به صورت زیر انجام می شود.
O۲ (g) + ۲H۲O (L) + ۴e– → ۴OH– (aq)
حفاظت کاتدی گالوانیک
در این تکنیک، از سری گالوانيک جهت انتخاب يک فلز فعالتر از فلز مورد نظر، نصب آن در الکتروليت و تامین يک مسير فلزی بهره می برند. در حقیقت فلزی که فعالتر است، خودش را برای حفاظت از سازه فدا می کند. در این سيستم ها، جريان مورد نياز براي حفاظت کاتديک را از طريق خورده شدن فلز فعال تامين می کنند. در این تکنیک، جهت حفاظت از سازه های زير خاک مانند خطوط لوله، آند ها اغلب به طور مستقیم به سازه متصل نمی شوند. بلکه آنها در خاک قرار می گيرند و به طور يکنواخت در فاصله اندکی از خط لوله پخش شده و به وسیله يک سيم و ازطريق يک ايستگاه تست به خط لوله متصل اند.
از جمله مزايای حفاظت کاتدی گالوانیک می توان به موارد فوق اشاره کرد؛ اگر همزمان با سازه مورد نظر نصب شوند، از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه هستند. دستور العمل های استفاده و نگهداری بسيار کمی دارند. احتمال اينکه یک جريان سرگردان سبب تخريب تداخلی دیگر سازه های فلزی شود بسیار پایین است. همچنین احتمال خرابی يا شکستگی پيش از موعد نیز بسیار کم می باشد. در حالیکه از معايب این روش می توان به ولتاژ محرکه موجود کم (اختلاف پتانسيل اندک و محدود)، جريان بسيار پایین قابل دسترسی در الکتروليت هايی با مقاومت ويژه بالاتر و مقرون به صرفه نبودن بر روی سازه های بزرگ يا گسترده اشاره کرد. بنابراین کاربرد آند های فدا شونده فقط در سازه های کوچک و يا سازه هایی که بخوبی عايق شده اند و داخل الکتروليت با مقاومت ويژه کم قرار دارند، مقرون به صرفه خواهد بود.
جالب است بدانید که
در انواع آند گالوانيکی از سه ماده مختلف منيزيم، آلياژ آلومينيوم و روی به عنوان آند بهره می برند. این سه ماده، پتانسيل هايی به اندازه کافی منفی تر از پتانسيل آهن يا فولاد دارند که می توانند براي حفاظت از آنها در بسياری از محيط ها مورد استفاده قرار بگيرند. از این جهت انواع مختلفی از آنها با اندازه ها و شکل هاي متنوع وجود دارد.
منيزيم پرکاربرد ترين آنها و به عنوان آند فدا شونده در حفاظت از سازه های مدفون، قسمت های داخلی مخازن آب، گرمکن ها، مبادله گرمای حرارتی، کندانسورها و سازه های اسکله نيز استفاده می شود. از آند های روی در سيستم های شناور در آب شيرين يا آب شور استفاده می کنند. آند های آلومينيومی به نسبت آلياژ های روی يا منيزيم جديدتر هستند. بیشترین کاربرد اين آند ها در حفاظت از سازه های غرق شده در آب شور می باشد. اما گاهی در آب شيرين يا خاک نيز کاربرد دارد.
حفاظت کاتدی به روش جریان اعمالی
بر خلاف روش قبلی، در تکنیک جریان اعمالی به یک منبع خارجی (DC) برای تامین جریان برق مستقیم نیاز دارید. توجه داشته باشید که به دلیل عدم تجزیه آند های استفاده شده، جنس آنها در این تکنیک مهم نیست. به بیان دیگر، در روش جريان اعمالی، جريان حفاظت کننده به جای اختلاف پتانسيل طبيعی آند نسبت به کاتد (سازه) به وسیله يک يکسو کننده يا منبع برق DC تامين مي گردد. در واقع منبع برق جهت افزايش پتانسيل الکترون های آند بکار می رود تا جريان محافظ مطلوب تامين شود. این منبع جریان ممکن است يک باتری، سلول خورشيدی، ژنراتور جريان مستقيم و يا ژنراتور ترموالکتريکی باشد.
در این تکنیک، قطب مثبت منبع جریان برق به الکترود کمکی آند و قطب منفی به سازه ای که قصد محافظت از آن را دارید، متصل می گردد. بنابراین جریان از الکترود آند به داخل الکترولیت وارد شده و سپس به سطح فلزی که باید حفاظت گردد، می رسد. در نهایت، این جریان دوباره از طریق مسیر فلزی به آند باز می گردد. لازم به ذکر است که آند فقط به عنوان يک منبع الکترون و محلی برای انجام واکنش هاي الکتروشيميايی آندی (اکسيداسيون) می باشد. از جمله جنس الکترود های آندی در تکنیک اعمال جريان می توان به موارد زیر اشاره کرد.
- آند های چدنی با درصد سيليکون بالا
- آند های گرافيتی
- آند های آلومينيومی
- آند های سربی- نقره ای
- آند های پلاتينی
- آند های سراميکی و اکسيد مخلوط فلزی
- آند های رسانای پليمری
کاربرد سیستم حفاظت کاتدی
از جمله تجهيزاتی که جهت کنترل خوردگی آنها از حفاظت کاتدی می توان استفاده کرد عبارتند از:
- مخزن های زيرزمينی ذخيره سوخت و همچنین مخازن هم سطح زمين
- مخزن های ذخيره آب هم سطح زمين و يا واقع در بلندی
- شبکه های توزيع سوخت، توزيع آب آشاميدنی، توزيع گاز طبيعی و توزيع هوای فشرده
- لوله هاي آب آتش نشاني
- تجهیزات پمپ فاضلاب
- شبکه های فولادی در سازه های بتنی
- موج شکن های فولادی، پایه های نگهدارنده، محافظ اسکله و سایر سازه های فولادی مستغرق در آب
