حفاظت کاتدی و اصول آن

[corrosion]

حفاظت کاتدي (کاتوديک) چيست؟

امروزه خوردگي شيميايي فلزات از جمله مشكلات اساسي و هزينه ساز صنايع بزرگ به خصوص صنعت نفت، گاز، پتروشيمي، نيروگاهي، آب و فاضلاب و … ميباشد. لوله هاي انتقال و توزيع سوخت و آب، اسكله ها، كشتي ها، كندانسورها، دكلهاي انتقال نيرو، مخازن ذخيره سوخت و ديگر سازه هاي مدفون (و يا غوطه ور) در يك الكتروليت متناسب با شرايط موجود و با توجه به ساختار متالورژيكي خود ، خورده شده و بعد از مدتي كار يك سيستم و پروسه فعال را مختل كرده و منجر به ضرر و زيانهاي غير قابل پيش بيني مي شوند.
اين مبحث باعث انگيزه انجام تحقيقات وسيعي در اين زمينه شده است تا روشهاي عملي مقابله با خوردگي شيميايي فلزات به عرصه ظهور برسد. در خصوص پيشگيري از خوردگي لوله هاي مدفون، كف مخازن روزميني و مخازن زير زميني نتيجه تحقيقات و آزمايشات انجام شده دو روش عمده زير ميباشد:

1) استفاده از انواع پوشش
2) استفاده از سيستم حفاظت كاتديك

از آنجائيكه پوششهاي موجود هيچ يك داراي راندمان 100% نمي باشند لذا داشتن يك سيستم مكمل جهت حفاظت از خوردگي سازه هاي مدفون الزامي به نظر ميرسد. روش تكميلي ياد شده سيستم حفاظت كاتديك ميباشد كه در اين روش با كاتد كردن سازه در حال خورده شدن (كه قبلاً آند بوده است) ميتوان از خوردگي آن جلوگيري نمود.
كاتد كردن سازه با جايگزيني يك منبع تامين كننده الكترون انجام پذير است كه اين منبع تامين كننده يك منبع الكتريكي و يا يك فلز فعال تر (آندتر) از سازه مدفون ما ميباشد. بديهي است استفاده از هريك از روشهاي ياد شده مستلزم صرف هزينه هاي اقتصادي ميباشد ولي با يك بررسي كارشناسي ميتوان نتيجه گرفت كه صرف هزينه هاي اوليه جهت پوشش دادن سازه و نصب سيستم حفاظت كاتدي نه تنها از خطرات جانبي در آينده جلوگيري ميكند بلكه هزينه هاي مربوط به تعويض قطعات، تعميرات و جبران خسارات و زيانهاي وارده را كاهش داده و هزينه هاي لازم جهت نصب چنين سيستم هايي را از نظر اقتصادي توجيه پذيرتر ميسازد.
عوامل بسياري در تعيين و انتخاب روش حفاظت كاتدي موثر ميباشند كه از آن جمله ميتوان به : شرايط الكتروليت، امكان دسترسي به برق، امكان وجود بازرسي هاي آتي، شرايط سازه هاي مجاور، جريانهاي سرگردان، نوع و كيفيت پوشش، مدت زمان طراحي سيستم، شرايط اقتصادي و . . . اشاره نمود.
شرايط اقتصادي يكي از مهمترين عوامل موثر در انتخاب سيستم مي باشد كه در نهايت بايد يك حالت بهينه فني ـ اقتصادي ايجاد شود. در اصل، طراحي يك سيستم حفاظت كاتدي زماني موفقيت آميز خواهد بود كه تمامي شرايط فوق درآن مد نظر قرار گرفته باشد.



1-1-رفتار فلزات مدفون و غوطه ور در زمان استفاده از سيستم حفاظت كاتديك

هرگاه يك فلز در تماس با يك الكتروليت خورده شود، در اين صورت با آزاد شدن الكترون، يون هاي مثبت به داخل الكتروليت منتقل ميشوند. در اين حالت الكترون هاي اضافي در فلز باقي مي مانند. اين فرايند در مورد آهن به صورت زير بيان مي شود:

Fe––› Fe2+ + 2 e

خوردگي توسط انتقال جريان الكترون از فلز به الكتروليت صورت مي گيرد كه به دنبال آن يونهاي مثبت به سمت الكتروليت و الكترون ها به سمت فلز حركت ميكنند. نواحي كه اين جريان از آنها عبور ميكند را مناطق آندي و واكنش مربوطه را واكنش آندي مي نامند (در بخشهاي بعدي به آن اشاره كامل خواهد شد). اكثر اوقات يونهاي فلزي با يونهاي منفي داخل الكتروليت واكنش داده و محصولات خوردگي تشكيل شوند (براي مثال زنگ آهن در فولاد). بطور عمده اين واكنش ها اثري بر روي واكنش خوردگي نمي گذارند مگر در زمانيكه محصولات ناشي از خوردگي، مقاوم در برابر تهاجمات خوردگي باشند. در نهايت بايستي از نظر بار الكتريكي يك تعادل برقرار شود. جهت متعادل شدن واكنش از نظر بار الكتريكي، بايد يك جريان از محلول (الكتروليت) به سمت فلز حركت كند و الكترون ها در محيط ديگري كه منطقه كاتدي ناميده ميشود، مصرف ميشوند. ميزان انتقال جريان در اين واكنشها سرعت خوردگي را تعيين مينمايد. براي مثال در مورد فولاد به ازا هر اتمي كه وارد الكتروليت ميشود دو اتم در سطح فلز آزاد ميشود.
ميزان اختلاف پتانسيل بين سطح فلزات و الكتروليت آنها با توجه به دانسيته جريان و جهت انتقال جريان تغيير ميكند. اين تغييرات را پلاريزاسيون مي نامند. اختلاف پتانسيل فوق بستگي به نوع واكنش هاي شيميايي در سطح فلز دارد. پتانسيل فصل مشترك فلز ـ الكتروليت را ميتوان با استفاده ار الكترود مرجع اندازه گيري نمود. ميزان اختلاف پتانسيل اندازه گيري شده نه تنها بستگي به نوع فلز و الكتروليت دارد بلكه نوع الكترود مرجع نيز در آن تاثير گذار ميباشد. لذا در اندازه گيريهاي اختلاف پتانسيل بين خاك و سازه مدفون فولادي عموماً از الكترود مرجع مس ـ سولفات مس استفاده ميشود.

1-2- اصول كلي حفاظت كاتدي

لازمه انجام واكنشهاي مربوط به خوردگي وجود مناطق آندي و كاتدي ميباشد. اگر الكترون هاي سازه از يك منبع خارجي تامين شوند، ميزان حركت يونهاي مثبت از سطح فلز كاهش و سرعت واكنش كاتدي افزايش مي يابد. اگر پتانسيل فلز با اعمال الكترونهاي خارجي از مقدار Ecorr (پتانسيل خوردگي فلز در حالت طبيعي ) به مقدار Ep (پتانسيل حفاظتي فلز پس از اعمال حفاظت كاتدي) كاهش يابد (اين مقادير در نمودارهاي مربوط به پلاريزاسيون فولاد موجود است)، در نتيجه جريان آندي و يورش خوردگي متوقف شده و حفاظت كاتدي حاصل مي گردد. جريان كاتدي (IP) توسط يك منبع خارجي تامين ميگردد، كه اين منبع خارجي يا يك آند فلزي (روش آندهاي فدا شونده) و يا يك منبع ولتاژ برق DC (روش اعمال جريان) ميباشد.
1-2-1- معيارهاي حفاظت كاتدي

اكثر فلزات در برابر خوردگي با اعمال جريان حفاظت مي شوند، بطوريكه پتانسيل آنها در پتانسيل منفي تر از پتانسيل سازه نسبت به محيط قرار گيرد. جريان مستقيم از طريق آندهاي فداشونده (SACRIFICIALANODES) و يا سيستم اعمال جريان(IMPRESSED CURRENT) فراهم ميشود. تعيين و اندازه گيري پتانسيل تحت حفاظت نسبت به محيط اطرافش ميتواند نمايانگر درجه و ميزان حفاظت آن سازه باشد. از استاندارد NACE - RPO169-83 به عنوان معيار سيستم حفاظت كاتدي سازه هاي غوطه ور يا مدفون استفاده مي شود. در خيلي از شرايط ميتوان خوردگي را در مقادير كمتر نيز حفاظت كاتدي نمود. اين معيار در استانداردNACE-RPO169-83 تحت عنوان ” كنترل خوردگي خارجي سيستم هاي خطوط لوله فلزي غوطه ور يا مدفون” بيان شده است. پتانسيل mv 850- براي اولين بار توسط R.J.Kuhn در سال 1933 بيان شده و جهت حفاظت كاتدي سازه هاي فولادي غوطه ور و يا مدفون پذيرفته شد.
كاربردي ترين معيار، معيار mv 850- ميباشد. معيار پتانسيل حفاظت كاتدي عبارتست از اندازه گيري پتانسيل خط لوله – خاك كه اين اختلاف پتانسيل توسط الكترود مرجع مس ـ سولفات مس اندازه گيري ميشود. در انتخاب معيار حفاظت كاتدي بايد مسائل مربوط به هزينه هاي بالاي تعميرات و حفظ سرمايه هاي ملي در نظر گرفته شود كه در نهايت به شرايط محيطي، پوشش سازه و در دسترس بودن نيروي برق بستگي دارد. يك محيط خورنده كه سازه موجود در آن داراي پوشش ضعيفي باشد و يا نيروي برق در دسترس نباشد، دلالت بر استفاده از يك معيار با ضريب احتياط بالا ميكند. عدم تغيير در اصل طراحي نيز اشاره بر اين امر دارد كه حفاظت كاتدي براي سازه هاي حفاظت شده، به راحتي انجام شده است. به هر حال تكنيك هاي مراقبت و مونيتورينگ قادر به حل و فصل مطلوب هزينه هاي كنترل خوردگي بدون كاهش اثرات جلوگيري از خوردگي آنها مي باشد.

1-2-2- مدار يك سيستم حفاظت كاتدي

بديهي است براي داشتن يك سيستم حفاظت كاتدي بايستي مدار الكتريكي آن كامل باشد براي اين منظور لازمست تا اجزا تشكيل دهنده اين مدار شناخته و مورد ارزيابي قرار گيرند. بطور كلي اين اجزا عبارتند از:

الف)كاتد: سازه و تاسيسات فلزي مدفون و يا غوطه ور در يك الكتروليت كه بايستي با استفاده از روش حفاظت كاتدي از خوردگي شيميايي آنها جلوگيري به عمل آيد، كاتد ناميده ميشود. در واقع اين سازه فلزي قبل از نصب چنين سيستمي آند بوده و در حال از دست دادن الكترون و خورده شدن بوده است، كه با اعمال سيستم حفاظت كاتدي و قرار گرفتن در مدار اين سيستم از آند به كاتد تبديل شده و در نتيجه خوردگي آن متوقف مي شود.

ب) آند: عنصر و يا آلياژي كه در آن واكنش آندي رخ داده و به مرور زمان و بر اساس مقدار جريان اعمالي از وزن و حجم آن كاسته ميگردد آند ناميده ميشود. جنس و آلياژ اين آندها، بسته به نوع روش سيستم حفاظت كاتدي و محيط اطراف متغير است.

ج) الكتروليت: محيطي كه در آن تبادل الكترون و واكنش يوني اتفاق ميافتد و معمولاً از جنس خاك و يا آب ميباشد الكتروليت ناميده ميشود.

د) اتصالات الكتريكي: جهت تكميل مدار الكتريكي يك سيستم حفاظت كاتدي و انتقال الكترونها، از كابلهاي مسي استفاده ميشود كه ايجاد اتصال آنها در باند باكسهاي مربوطه انجام مي پذيرد.

هـ) منبع تغذيه: جهت تامين الكترون مورد نياز و اعمال اختلاف پتانسيل لازم بين كاتد و الكتروليت (در روش اعمال جريان) از يك منبع تغذيه DC استفاده مي شود. اين منبع تغذيه، جريان مستقيم مورد نياز جهت حفاظت سازه را تأمين مي كند.

1-3- انواع روشهاي سيستم حفاظت كاتدي (کاتوديک يا کاتديک)

با توجه به نوع آند بكار رفته و نحوه عملكرد، سيستم به دو روش عمده تقسيم بندي ميشود:
- روش آند فداشونده(SacrificialAnodes)
- روش اعمال جريان (Impressed Current)

حال به تشريح هريك از روشهاي فوق مي پردازيم.

1-3-1- سيستم حفاظت كاتدي به روش آندهاي فدا شونده

آندهاي فدا شونده شامل آلياژهايي از منيزيم، روي و آلومينيوم ميباشند. اين آندها در خاك يا در آب به صورت ساده و يا همراه با يك پشت بند (BackFill) مخصوص نصب ميشوند.
اين نوع آندها در سيستمهاي حفاظت كاتديک مربوط به خطوط لوله بصورت انفرادي و يا گروهي به خط لوله تحت حفاظت كاتدي نصب ميگردند. محدوديتهايي در استفاده از اين نوع آندها وجود دارد كه مربوط به اختلاف پتانسيل فصل مشترك سازه ـ آند و ميزان مقاومت الكتريكي خاك (ρ) ميباشد. از اين روش جهت حفاظت كاتدي سازه هاي كه به جريان كمي نياز داشته و يا در خاكي با مقاومت الكتريكي پائين مستقر ميباشد، استفاده ميگردد. ميتوان از اين نوع آندها به صورت نواري شكل كه در تمام طول مسير خط لوله نصب ميشوند نيز جهت جلوگيري از خوردگي استفاده كرد. طبق استانداردهاي IPS-E-TP-820, IPS-D-TP-711. از آندهاي فداشونده در موارد زير ميتوان استفاده نمود:
الف - خطوط لوله با پوشش خوب كه نياز به جريان حفاظتي خيلي كمي دارند.
ب - رفع مشكلات مربوط به تداخل و جريان هاي سرگردان
ج -خطوط لوله كوتاه با پوشش خوب
د - در نقاط مشخصي بر روي خطوط لوله (نقاط بحراني) كه ممكن است تنها چند فوت از خط لوله نياز به حفاظت داشته باشد.
هـ - فراهم نمودن حفاظت موقتي قسمتي از خط لوله مدفون كه در شرايط خوردگي موضعي قرار دارد. مانند منطقه عبور خط لوله از عرض رودخانه .
و - جهت حفاظت كف مخازن رو زميني كه داراي سطح وسيعي نباشند.

- آندهاي مورد مصرف روش آند فداشونده:

انواع آندهاي مورد مصرف در روش فدا شونده عبارتند از:
1) آندهاي روي 2) آندهاي منيزيم 3) آندهاي آلومينيوم
با توجه به الكتروليت موجود در يك منطقه نوع آند مصرفي براي محيط متفاوت است و اين تفاوت ناشي از شرايط ويژه الكتروليت از جمله مقاومت ويژه، PH، رطوبت و همچنين خواص و قابليتهاي هر يك از آندهاي ياد شده ميباشد. به عنوان نمونه آندهاي فداشونده با توجه به الكتروليت و مقدار مقاومت آن به صورت زير دسته بندي ميشوند:
الف) آندهاي مصرفي در آب:

مقاومت الكتريكي آب(Ohm-Cm)

نوع آند مصرفي

كمتر از 150

آلومينيوم

كمتر از ۵۰۰

روي

بيشتر از ۵۰۰

منيزيم

ب) آندهاي مصرفي در خاك:

مقاومت الكتريكي خاک(Ohm-Cm)

نوع آند مصرفي

كمتر از 150۰

روي

كمتر از ۵۰۰۰

منيزيم (استاندارد)

کمتر از ۶۰۰۰

منيزيم (پتانسيل بالا)

۱-3-2- سيستم حفاظت كاتدي به روش اعمال جريان

يك سيستم اعمال جريان بايد شامل يك يا چند ايستگاه به عنوان منبع جريان DC، بستر آندي و كابل هادي جريان باشد. موقعيت اين ايستگاه ها در طول خط لوله بستگي به امكان دسترسي به نيروي برق متناوب و ميزان كاهش پتانسيل دارد. كاهش ميزان حفاظت يك خط لوله از محل نصب سيستم حفاظت كاتدي نيز بستگي به مقاومت طولي خط لوله و هدايت پوشش لوله دارد.
معيار احداث بسترهاي آندي عمودي و افقي بايستي بر اساس استاندارد IPS-C-TP-820 بوده و انتخاب محل بسترهاي مذكور بايستي پس از بررسي نتايج مربوط به بازرسي و كنترل محيطي صورت پذيرد. حداقل فاصله بستر آندي از خط لوله مدفون يا سازه هاي مجاور بستگي به مقدار جريان مورد نياز سيستم داشته و با افزايش مقدار جريان اين فاصله نيز افزايش خواهد يافت.
معيار اين فاصله عبارتست از : 50 متر براي 30 آمپر، 100متر براي 50 آمپر، 200 متر براي 100 آمپر و 300 متر براي 150 آمپر ميباشد. ابعاد كابلهاي مورد مصرف در اين سيستمها بايد به گونه اي انتخاب شوند كه در زمانيكه حداكثر جريان طراحي از مدار عبور مي كند، ميزان افت ولتاژ كمتر از 5 درصد باشد. اطلاعات مربوط به كابلها و سيمهاي مورد مصرف در اين نوع سيستمها در استاندارد IPS-M-TP-750 و DIN VDE 027 موجود ميباشد. تمامي كابلهاي مربوط به خروجي از قطب مثبت ركتيفاير به بسترهاي آندي بايد پيوسته بوده و حداكثر 150 متر طول داشته باشند.
سيستم حفاظت كاتدي به روش اعمال جريان بهتر است در خارج از محلي كه خطر انفجار و آتش سوزي دارد طراحي و نصب گردد، مگر در حالات استثنا كه بايستي بر اساس استانداردهايDIN-VDE-0165 و ياEN50014 , AFK-EmpfehlungNo.5 صورت پذيرد. به عبارت ديگر استفاده از ترانسفورمر ـ ركتيفاير، جعبه هاي اتصال (BOND BOX)، جعبه هاي اندازه گيري اختلاف پتانسيل(TEST POINT OR TEST BOX) بايستي از نوع ضد انفجار طراحي و مورد استفاده قرارگيرد.

- آندهاي مورد مصرف در روش اعمال جريان:

- آند چدن پر سيليس (سيليكون)
- آند آلياژ دور يكلر
- آند چدن پر سيليس كروم دار
- آند پلاتينيوم
- آند چدن پرسيليس موليبدن دار
- آند گرافيتي

عمده ترين آندي كه در روش اعمال جريان مورد استفاده دارد آند چدن پرسيليس ميباشد، اين نوع آندها در پشت بندهاي كربني كارآيي آندهاي گرافيتي را داشته و در خاكهايي با مقاومت ويژه كم نسبت به آندهاي گرافيتي ارجحيت دارند. همچنين امكان استفاده از اين آندها در دانسيته جريان هاي بالا وجود دارد. عناصر تشكيل دهنده اين نوع آلياژ عبارتند از : 95/0% منگنز, 7/0%سيليسيم, 4/14%کربن و مابقي آهن.
كارآيي يك آند با نحوه نصب آن داراي رابطه مستقيم مي باشد، به قسمي كه يك عايق بندي ضعيف در محل اتصال به واسطه خوردگي حفره اي به مقدار قابل توجهي از كار آيي آند مي كاهد. عمر مفيد آندهاي مذكور معمولاً تا زماني در نظر گرفته ميشوند كه قطر آنها در حدود 33% كاهش يابد كه البته اين مقدار بستگي به قطر اوليه و ميزان خوردگي حفره اي و همچنين تنشهاي مكانيكي دارد. بنابراين دو برابر كردن سطح مقطع آند عمر مفيد را بيش از دو برابر افزايش خواهد داد.اين نوع آلياژ داراي مقاومت بسيار بالايي در بسياري از محيطهاي خورنده ميباشد. استثنا قابل توجه در اين مورد اسيد فلوريدريك است، در حقيقت اين چدنها مقاومترين فلزات و آلياژهاي تجارتي (غير گرانبها) ميباشند.
مشخصات برخي از آندهاي مورد مصرف در سيستمهاي حفاظت كاتدي به روش اعمال جريان در جدول 1-1 آورده شده است.

1-4- انواع بسترهاي آندي

معمولاُ با توجه به اطلاعات بدست آمده از منطقه و اطلاعات حاصل از اندازه گيري مقاومت خاك و همچنين تجمع و محل استقرار ديگر تاسيسات، ساختمانها و سازه ها ، نوع و تعداد بستر انتخاب و در بخش طراحي با توجه به آن اقدامات لازم جهت انجام محاسبات صورت ميگيرد.
با توجه به شكل فيزيكي و نوع پشت بند مصرفي، بستر هاي آندي به دو دسته عمده بسترهاي آندي سطحي و بسترهاي آندي عميق تقسيم ميشوند:

1-4-1- بستـرهاي آندي سطحـي

اين نوع بسترها كه عمق بستر بندرت به بيش از 5 متر ميرسد، خود به دو دسته عمده زير تقسيم ميشوند:

الف ـ بستـر آندي افقـي

در اين نوع بسترها، آندهاي مورد مصرف به شكل افقي و در كانالي به عرض 60 سانتي متر و به عمق 2 الي 3 متر و به فاصله مركز به مركز 3 الي 8 متر از يكديگر قرار ميگيرند.
پشت بند اين نوع بسترها كك ميباشد كه بايستي به ضخامت 15 سانتي متر زير و روي آندها را بپوشاند به عبارت ديگر استوانه اي به قطر 30 سانتي متر (يك فوت) و به طول بستر آندي از كك كوبيده شده داشته باشيم كه آندها در مركز آن قرار گرفته اند. در اين نوع بسترها جهت انتقال گازهاي حاصل از واكنشهاي شيميايي به سطح زمين از لوله هاي ونت به قطر 4 الي 8 اينچ و از جنس آزبست استفاده ميشود.
اين نوع بستر بدليل صرفه اقتصادي در حفاري و آماده سازي بستر و استقرار آندها بيشتر از بسترهاي ديگر مورد استفاده قرار ميگيرند. ولي بدليل آنكه در اين بسترها با تعداد آند زياد به حفاري در طول زيادتري نيازمي باشد و لذا در اماكن و مناطقي كه از بابت تملك زمين و تجمع سازه ها و تاسيسات ديگر محدوديت دارد استفاده از چنين بسترهايي محدوديت خواهد داشت.

ب - بستـر آندي عمـودي

در اين نوع بسترها كه بيشتر در شبكه هاي توزيع گاز طبيعي، نفت، آب، مخازن ذخيره سازي و … استفاده ميشود.آندها به صورت عمودي و در كانالهايي به قطر 30 الي 50 سانتي متر و به عمق حدود 3 متر و به فاصله مركز به مركز 3 الي 10 متر از يكديگر قرار مي گيرند كه پشت بند ككي آندها بايستي به قطر حداقل 30 سانتي متر دور تا دور آندها را پركند . در اين نوع بسترها نيز از لوله هاي ونت جهت تسهيل درخروج گازهاي حاصل از واكنشهاي شيميايي استفاده به عمل مي آيد .

1-4-2- بستـرهاي آندي عميـق

از بسترهاي آندي عميق در مناطقي كه طبقات بالايي خاك مقاومت مخصوص بالايي داشته و يا امكان ايجاد بسترهاي آندي افقي و عمودي غير ممكن باشد و همچنين در مواقعي كه تجمع سازه هاي مدفون را داشته باشيم، استفاده به عمل مي آيد. اين نوع بسترها عبارتند از:

الف - بستر آندي چاهي خشك

در اين نوع بسترها آندها به صورت عمودي و در يك راستا در كانالي به قطر 30 الي 50 سانتي متر و به عمقي كه بستگي به تعداد آندها دارد قرار ميگرند . در اين نوع بستر پشت بندآندها كك مي باشد و لوله ونت مصرفي از جنس فولاد گالوانيزه مي باشد. عمق اين نوع بستر بستگي به تعداد آندهاي مصرفي دارد ، به عبارت ديگر با توجه به اينكه فاصله مركز به مركز آندها عموما” 3 متر مي باشد و اولين آند تا سطح زمين بايستي حداقل 5/1 متر و آخرين آند تا انتهاي بستر حداقل 5/0 متر فاصله داشته باشد ، لذا مي توان در محاسبات عمق بستر را بدست آورد . ولي لازم به ذكر است كه بنا به نظر طراح فاصله ها و عمق مذكور قابل تغيير مي باشد.

ب - بستر آندي چاهيِ تر

اين نوع بستر مشابهت زيادي با بستر آندي چاهي خشك دارد با اين تفاوت كه در اين نوع بستر پشت بند مصرفي براي آندها آب مي باشد، به عبارت ديگر عمق اين نوع بسترها بستگي به عمق سفره هاي آب زيرزميني دارد، يعني بايستي حفاري تا عمقي انجام پذيرد كه آب كل عمق بستر را در برگرفته و حداقل 12 متر از سطح آند اول بالاتر قرارگيرد .
در اين نوع بستر آندها به وسيله طناب مخصوص و با استفاده از قرقره در مركز چاه قرار مي گيرند و فاصله مركز به مركز آنها كه بايستي حدود 3 متر باشد به وسيله طناب ها تنظيم ميگردد.
كابل آندها مانند بستر چاهي خشك بوسيله دو راهي اتصال كابل به كابل بستر متصل شده و از هر آند يك كابل به باند باكس مثبت كه معمولاً يك باند باكس هشت ترميناله مي باشد اتصال پيدا مي كند. در اين نوع بستر جهت جلوگيري از ريزش كانال معمولاً از يك لوله فولادي به قطر 12 اينج ( قطر بستر ) و به طول بستر استفاده ميگردد. از اين نوع بسترها بدليل هزينه بالاي حفاري و نصب آندها در مواقع خاصي استفاده مي گردد.

۱-5- نحوه حصول اطمينان از عملكرد يك سيستم حفاظت كاتدي

پس از نصب يك سيستم حفاظت كاتدي، جهت حصول اطمينان از عملكرد سيستم، بايد اختلاف پتانسيل بين خاك و سازه فلزي مدفون اندازه گيري شود. اساس اين اندازه گيري اعمال يك جريان (حاصل از اختلاف پتانسيل بين خاك و سازه تحت حفاظت) ميباشد. اختلاف پتانسيل مذكور در اثر افت ولتاژ سازه مدفون، مقاومت بين سازه و خاك و در نهايت پلاريزاسيون ميباشد. واضح است كه با توجه به شرايط خاك از نظر مقاومت الكتريكي و درجه عايقي پوشش مصرفي و سطح لوله، مقدار جريان مورد نياز جهت جلوگيري از خوردگي سطح سازه مدفون، متفاوت خواهد بود. لذا نميتوان مقدار جريان را به عنوان معياري جهت ارزيابي نحوه عملكرد سازه مدفون تحت حفاظت كاتدي استفاده نمود. بنابراين پتانسيل جديدي را كه لوله بعد از اعمال جريان حفاظتي اختيار خواهد كرد به عنوان معيار محسوب مينمايند. استانداردهايي جهت كمك به اندازه گيري نحوه عملكرد يك سيستم حفاظت كاتدي تهيه شده است كه در بخش معيار هاي حفاظت كاتدي به آن اشاره گرديد. معيار فوق براي سازه اي از جنس فولاد در الكتروليتي مانند خاك برابرmv850- ميباشد. مقدار منفي بيانگر اين واقعيت است كه سازه نسبت به خاك از پتانسيل منفي تري برخوردار بوده و جريان حفاظت كاتدي به سمت محيط هاي آندي جريان دارد.

اندازه گيري اين اختلاف پتانسيل بايستي در فواصل مكاني و زماني مشخص كه توسط طراح سيستم تعيين ميگردد انجام پذيرد. در فواصل مكاني مشخصي كه حداقل هر 500 متر و حداكثر هر 1000 متر ميباشد با نصب يك ايستگاه اندازه گيري پتانسيل سهل تر خواهد گرديد. اين ايستگاه كه تست پوينت (TEST POINT) ناميده ميشود شامل جعبه اي است كه كابل متصل شده به لوله (و يا هر سازه فلزي تحت پوشش سيستم حفاظت كاتدي) به روش جوش احتراقي (CADWELD) در آن مستقر گرديده است. تا اندازه گيري مذكور توسط يك ولتمتر و نيم پيل مرجع مس ـ سولفات مس انجام پذيرد. استفاده از نيم پيل مرجع دائمي در كف مخازن روزميني با قطر زياد از جمله مواردي است كه طراح جهت سهولت و امكان انجام اين اندازه گيري بايستي به آن توجه داشته باشد.
معيار اختلاف پتانسيل ياد شده بستگي به شرايط محيطي متفاوت خواهد بوده به عنوان نمونه در صورتيكه وجود خوردگي ميكروبيولوژي در خاك منطقه به اثبات رسد اين معيار يعني mv 850- حداقل mv 100- شيفت پيدا كرده و به mv 950- ميرسد به عبارت ديگر در مناطقي كه خوردگي ميكروبيولوژي در خاك منطقه وجود داشته باشد اين معيار حداقل mv 950- خواهد بود. همانطور كه اين معيار داراي حداقل ميباشد بديهي است كه داراي رنجي به عنوان حداكثر مقدار مجاز نيز باشد. حداكثر مقدار اين معيار بستگي به نوع پوشش لوله دارد. بدين ترتيب كه اگر پوشش لوله از نوع سرد باشد اين مقدار نبايستي از mv 1600- تجاوز نمايد و در صورتيكه پوشش لوله از نوع گرم باشد حداكثر مقدار مجاز اين معيار mv 2200- خواهد بود. در صورتيكه حداكثر معيار فوق رعايت نشود پوشش لوله آسيب ديده و عواقب بعدي را به دنبال خواهد داشت.

1-6- واكنش هاي آندي

يكي از واكنشهايي كه پس از نصب و راه اندازي سيستمهاي حفاظت كاتدي انجام پذير ميباشند واكنش آندي مي باشد. واكنشهاي اكسيداسيون زيادي وجود دارند كه ممكن است روي سطح يك آند رخ دهد. جنس آندهاي مورد مصرف و شرايط محيط باعث ميگردند تا يكي از واكنشهاي فوق بر ديگر واكنشها غلبه كرده و عموماً اتفاق افتد.
سه واكنش اوليه كه در سطح آند رخ ميدهند عبارتند از :
- اكسيد اسيون فلز
- متصاعد شدن اكسيژن
- متصاعد شدن كلر

در آندهاي فدا شونده واكنش آندي اوليه بطور نرمال اكسيداسيون فلز است يعني: M –› Mn+ + ne

با توجه به اينكه در خاك هاي خنثي يون فلز ناپايدار است و با آب براي تشكيل يك هيدروكسيد يا اكسيد هيدراته و يون هاي هيدروژن واكنش انجام مي دهد بنابراين داريم كه:M+ + H2O –› MOH + H+

اين واكنش ها تا زماني كه مصرف آندها ادامه دارد باعث بوجود آمدن جريان ميگردند. براي آندهاي مورد مصرف در روش اعمال جريان در مناطقي كه خاك و آب داراي ميزان خيلي كمي از كلريد هستند واكنش اوليه آندي متصاعد شدن اكسيژن است يعني در اين آندها واكنش زير رخ مي دهد: 2H2O –› O2 + 4H+ +4e

وقتي كه يون هاي سولفات در الكتروليت حضور داشته باشند واكنشهايي مشابه واكنشهاي زير اتفاق مي افتد:

SO42-+ 2H2O –› 2H2SO4 + O2 + 4e

2H2SO4 –› SO42- + O2 + 2H+

2Cl- –› Cl2 + 2e

اكسيژن مجدداً آزاد شده و هيدروژن بصورت يون تشكيل ميگردد. متصاعد شدن كلر واكنشي است كه روي سطح آندهاي روش اعمال جريان در حضور يون هاي كلريد اتفاق مي افتد، سپس گاز كلر با آب براي تشكيل اسيد هيپوكلرو و هيدروكلريك واكنش خواهد داد. اسيد هيپوكلرو تجزيه شده و يون هاي هيدروژن نيز متناسب با مقدار اسيد تشكيل مي شوند. بنابراين متصاعد شدن كلر pH در سطح آند را كمتر از متصاعد شدن اكسيژن كاهش مي دهد. در جائيكه ذغال كك بعنوان مواد پر كننده براي آندهاي روش اعمال جريان استفاده مي شود واكنش هاي آندي در سطح ذرات كك بصورت زير اتفاق مي افتند:

C + H2O + 2e –› CO + 2H+

C + 2H2O + 4e –› CO2 + 4H+

تمام واكنش هاي اصلي آندي باعث كاهش pH محلول در محدوده آند ميشوند. پتاسيل استاندارد400/0+ redox ولت براي يونهاي هيدروكسيل و 136/0 + ولت براي يونهاي كلر است . ازيك ديدگاه ترموديناميكي اگر يك آند درالكتروليتي حاوي هر دو يون پلاريزه شده باشد ابتدا اكسيژن متصاعد شده و بعد از آن كلر متصاعد مي شود. در عمل اين مسئله لزوماً واقعيت ندارد. بعنوان مثال در آندهاي گرافيتي افزايش ولتاژ براي متصاعد شدن اكسيژن خيلي بيشتر اززماني است كه براي متصاعد شدن كلر داريم. در يك آند گرافيتي هرگاه از طريق آند واكنش پلاريزه شدن انجام شود قبل از هر چيز گاز كلر متصاعد ميگردد.

منبع: جزوه مهندس جیریایی