اصول خوردگي براساس خواص فعل و انفعالات الكتروشيميايي است كه در آند توليد الكترون و در كاتد مصرف الكترون صورت مي پذيرد. واكنش هاي الكترو شيميايي انحلال فلز و آزاد شدن گاز هيدروژن ، بر طبق معادلات زير است :


M → Mn+ + ne
2H+ + 2e → H2


در پروسه خوردگي لوله مدفون درخاك ، نقاط آندي و كاتدي در هر حال موجود هستند و با انتقال جريان الكتريسيته از نواحي آندي از فلز به محيط اطراف خوردگي رخ مي دهد و در نقاط كاتدي كه جريان از محل اطراف به فلز مي رسد خوردگي صورت نمي گيرد. به همين دليل فلز را مي توان به طور جزئي بوسيله استفاده از پوشش ها حفاظت نمود. اگر پوشش ها دائمي بودند و هنگام نصب و يا كار آسيب نمي ديدند لوله هاي فلزي هرگز خورده نمي شدند. پيدايش عيوب در لايه هاي محافظ يا وجود سوراخ ها، حتي اگر اتفاقي باشد ما را ملزم مي كند كه حفاظت نوع دومي را هم براي فلزات مدفون در خاك بكار بريم. روش عمومي استفاده از حفاظت كاتدي است.
در اين روش با وارد شدن يك پتانسيل كاتدي ، قطعه مهندسي به يك كاتد ( قطب منفي) تبديل مي گردد؛ در حقيقت جريان از طرف محيط به تمام سطح لوله مي رسد پس در حقيقت ديگر خوردگي نخواهيم داشت و لوله محافظت مي گردد.
حفاظت كاتدي را ميتوان به تنهايي هم بكار برد ولي به مقدار جريان زيادي نياز است. بنابراين بهترين روش آن است كه از يك لايه محافظ مناسب استفاده كرد و بعدا بوسيله حفاظت كاتدي آنرا تقويت نمود.
همانگونه كه در ابتدا مطرح شد اصول خوردگي براساس خواص فعل و انفعالات الكتروشيميايي است كه در آند توليد الكترون و در كاتد مصرف الكترون صورت مي پذيرد. واكنش هاي الكترو شيميايي انحلال فلز و آزاد شدن گاز هيدروژن ، بر طبق معادلات زير است :

 

M Mn+ + ne

 

2H+ + 2e H2

 

در پروسه خوردگي لوله مدفون درخاك ، نقاط آندي و كاتدي در هر حال موجود هستند و با انتقال جريان الكتريسيته از نواحي آندي از فلز به محيط اطراف خوردگي رخ مي دهد و در نقاط كاتدي كه جريان از محل اطراف به فلز مي رسد خوردگي صورت نمي گيرد. به همين دليل فلز را مي توان به طور جزئي بوسيله استفاده از پوشش ها حفاظت نمود. اگر پوشش ها دائمي بودند و هنگام نصب و يا كار آسيب نمي ديدند لوله هاي فلزي هرگز خورده نمي شدند. پيدايش عيوب در لايه هاي محافظ يا وجود سوراخ ها، حتي اگر اتفاقي باشد ما را ملزم مي كند كه حفاظت نوع دومي را هم براي فلزات مدفون در خاك بكار بريم. روش عمومي استفاده از حفاظت كاتدي است.

در اين روش با وارد شدن يك پتانسيل كاتدي ، قطعه مهندسي به يك كاتد ( قطب منفي) تبديل مي گردد؛ در حقيقت جريان از طرف محيط به تمام سطح لوله مي رسد پس در حقيقت ديگر خوردگي نخواهيم داشت و لوله محافظت مي گردد.

حفاظت كاتدي را ميتوان به تنهايي هم بكار برد ولي به مقدار جريان زيادي نياز است. بنابراين بهترين روش آن است كه از يك لايه محافظ مناسب استفاده كرد و بعدا بوسيله حفاظت كاتدي آنرا تقويت نمود.

 

 حفاظت كاتدي به دو شيوه اعمال مي گردد:

 

1- جريان اعمالي Impressed current

 

2- آند فدا شونده  sacrificial anode

 

 حفاظت کاتدي بوسيله جريان اعمالي:

حفاظت از اين طريق در حقيقت ساخت و کنترل يک سلول خوردگي بزرگ است. در اين سلول پايانه منفي جريان مستقيم به خط لوله و پايانه مثبت به يک رساناي مصرف شدني دفن شده وصل مي شود و اين رسانا آند ناميده مي شود. جريان مستقيم  معمولا از طريق يک يکسو کننده به لوله وارد مي گردد و در حقيقت يک  مدار  الکتريکي بوسيله عبور جريان  توسط  خاک از آند به خط لوله  به  وجود  مي ايد. ( شكل 1)

در حقيقت سرمايه گذاري براي تاسيسات حفاظت کاتدي ، بخش کوچکي از هزينه کل تجهيزات است برخلاف حفاظت بوسيله پوشش ها ، تداوم هزينه ها براي تجهزات و کنترل وجود دارد ؛ در حقيقت اين بحث شامل اندازه گيري و برآورد تجهيزات ، طراحي و نصب آنها ، اندازه گيري و تفسير نتايج بدست آمده و سپس تعمير  و نگه داري است.

 

 

 

 شكل 1 - نمايي شماتيك از سيستم حفاظت كاتدي

 

 فاکتو رهاي مورد نظر جهت طراحي سيستم حفاظت کاتدي:

عواملي که بايد مد  نظر قرار گيرند عبارت اند از:

 

1- اندازه پتانسيل : که با توجه و با استفاده از دياگرام ايوانز آن چنان اختيار مي شود که فلزات متفاوت در ناحيه کاتدي حفاظت مي گردند. ( شكل 2)

 

2- جريان مدار: شدت جريان ( آمپر) مورد نياز جهت رسيدن به پتانسيل حفاظت کننده مي بايستي محاسبه شود.

 

3- فاصله بسترهاي آندي : هر قدر که فاصله آندها از قطعه بيشتر باشد جريان بيشتري در مدار مي بايست تزريق گردد تا حفاظت کامل تري صورت پذيرد.

 

نزديکي بيش از حد آند به قطعه از رسيدن جريان به تمامي سطح ( بخصوص طرف پشت قطعه ) جلوگيري خواهد نمود.

 

4-احتمال بکار گرفته شدن پوشش هاي حفاظتي و تاثير آنها بر طراحي سيستم حفاظت کاتدي

 

5- اندازه هاي قطعه مهندسي ، طول قطر، طول يا عرض جهت محاسبه سطح و در نتيجه اندازه مقاومت الکتريکي آن

 

6- نوع و جنس خاک ، به لحاظ خواص شيميايي و تعيين مقاومت آن اهميت خاص دارند.

 

7- احتمال وجود جريان هاي ناخواسته ( سرگردان) جريان هاي القائي که بنا بر عبور برق فشار قوي از نزديکي قطعه مهندسي و يا وجود ترانس ها و ديگر دستگاه ها ايجاد مي گردد.

 

 

 

شكل 2- دياگرام ايوانز

 

 رابطه مقاومت ، جريان و پتانسيل با يکديگر:

با فرض اينکه قطعه مهندسي ، خاک و يا سيال هر يک داراي مقاومت الکتريکي خاص خود هستند ، هر گاه جريان حفاظتي با استفاده از يک منبع تغذيه و يا آند فدا شونده برقرار گردد ، در نزديکي آند مقاومت كمتري بوجود آمده ، شدت جريان بيشترين خواهد بود. لذا هر قدر که از منبع آندي دورتر شويم مقاومت الکتريکي افزايش يافته جريان کمتر خواهد شد ، در نتيجه حفاظت کامل نخواهد بود اين پديده را اصطلاحا ( افت ولتاژ) مي نامند ، اگر ولتاژ به اندازه اي افت نمايد که از ناحيه حفاظت کاتدي ( ايوانز) خارج شود ديگر حفاظتي صورت نمي گيرد. همين پديده را مي توان با استفاده از يک مدار مقاومتي نشان داد که جريان در مقاومت هاي نزديک به بستر آندي بيشترين خواهد بود ( شکل 3). شدت جرياني که از واحد سطح زمين و در نزديکي بستر آندي خارج مي شود ؛ به مراتب از شدت جريان عبوري در فواصل دورتر از آند بيشتر است. در نتيجه به ازاي بعد مسافت، جريان کاهش خواهد يافت ، اين پديده باعث افت پتانسيل مي شود ( با فرض مقاومت ثابت ). شكل4

 

شكل 3 - افت ولتاژ و عدم حفاظت كاتدي بعد از 15 متر فاصله از آند ( لوله بدون پوشش )

 

 

 

شكل 4- رابطه افت پتانسيل نسبت به فاصله از بستر آندي

 

مقدار افت پتانسيل نسبت به فاصله قابل اندازه گيري است :

 

 

 

پتانيسل (v)              = v

 

جريان( A)              = I

 

 مقاومت خاک (   Cm. Ω)   = ρ

 

طول آند ( ft )        = y

 

فاصله از آند ( ft )     = X

 

  هر گاه      X>10Y   گردد فرمول فوق به ذيل تبديل مي شود:

 

 

در سيستم حفاظت کاتدي به روش آند فدا شونده اين افت پتانسيل نيز مي بايستي در نظر گرفته شود هر چند که آند معمولا از قدرت کمتري برخوردار است.

مقدار جريان لازم از فرمول V = IR محاسبه مي شود. مقدار جريان مورد نياز براي حفاظت واحد سطح از يک لوله فولادي بدون پوشش متغير است. که وابسته به نوع خاکي که در آن لوله قرار گرفته است و همچنين  تجربه مي توان يک مقدار متوسط و معين را بکار برد. مقادير جدول 1 نشان مي دهد که پوشش ها ، حتي پوشش هاي ضعيف ، تفاوت چشمگيري در ميزان جريان ايجاد مي کنند.

 

جريان لازم برحسب A

مقاومت پوشش به ازاي يك ft2 برحسب Ω

500

14.91

5.964

2.982

1.491

0.2982

0.1491

0.0298

0.000058

لوله بدون پوشش

10000

25000

50000

100000

500000

1000000

5000000

پوشش ايده آل

 

جدول 1- جريان مورد نياز براي محافظت لوله پوشش شده

 

 اندازه گيري پتانسيل و شدت جريان:

صحت حفاظت کاتدي و مقدار پتانسيل قطعه مهندسي با استفاده از ولت متر نسبت به الکترود مرجع (Cu/Cu SO4) سنجيده مي شود. شکل ( 5 و 6)

شكل 5 - الکترود مرجع (Cu/Cu SO4)

 

 

شكل6 - اندازه گيري پتانسيل خط لوله

 

 براي اين کار ابتدا بر روي زمين مقداري آب ريخته تا سطح زمين كاملا خيس شود، سپس نيم سلول Cu/Cu SO4 را بر روي آن قرار مي دهيم. يک سر ولت متر را به نيم سلول و سر ديگر آنرا به خط لوله وصل مي کنيم. پتانسيل اندازه گرفته شده بايد بيشتر از mv850- باشد ؛ چون نقاطي که پتانسيل کمتر mv 850- دارند ديگر حفاظت نمي شوند. جهت حفاظت از خوردگي لوله هاي فولادي نو مدفون شده درخاک بوسيله اندازه گيري به شيوه فوق بعضي اعمال جريان مستقيم تا رسيدن به پتانسيل مورد نظر جهت حفاظت يعني بالاتر از mv 850- صورت مي پذيرد. که جريان مورد نياز در اين خصوص فقط حدود A/ft2 100 است.

 

در بسياري از موارد مدار الکتريکي محافظت کننده به شکل يک مدار باز با صرف جريان بيش از حد معمول عمل مي نمايند (Current Drainage) اين بنابر دلايل عديده اي همانند ايجاد لايه هاي اکسيدي ناخواسته ، اتصال پيش بيني نشده ، القاي جريان هاي سرگردان و غيره صورت مي گيرد. جهت کشف اين موضوع که ايا حفاظت به روش کاتدي موثر افتاده است و يا خير طبق شکل 7 از دو الکترود مرجع Cu/Cu SO4 به همراه دو ولت متر استفاده مي شود که در يک نقطه به لوله متصل مي گردند. اگر اختلاف پتانسيل اندازه گيري شده توسط دو دستگاه ولت متر بيشتر از 5 باشد. حفاظت به طورکامل انجام نمي پذيرداما برعکس اگر کمتر باشد حفاظت از خوردگي کامل خواهد بود.

 

 

شكل 7 - شيوه اندازه گيري براي حصول اطمينان از حفاظت كامل كاتدي

 

جريان خروجي از آند را مي توان بوسيله معادله دوايت بدست آورد.

 

 

I = جريان خروجي (A)

E = ولتاژ آند (v)

L = طول آند (cm)

ρ = مقاومت خاک

D= قطر آند

 

شكل 8 - افزايش شدت جريان در نزديك ترين نقاط به آند