عنوان پروژه :
حفاظت کاتدی خطوط لوله مدفون
مقدمه
امروزه علم "حفاظت کاتدی" به عنوان یک ابزار مفید جهت کنترل خوردگی الکتروشیمیایی در صنایع محسوب می گردد. ذیلاً توضیح اجمالی پیرامون مفهوم حفاظت کاتدی و چگونگی کاربرد آن ارائه شده است. بخشهای بعدی نیز طوری تدوین شده اند تا شامل صور عملی کاربرد حفاظت کاتدی و نیز عوامل مختلف و موثر در طراحی حفاظت کادی باشند.
در مرحه اول نیاز به ارائه یک تعریف جامع برای حفاظت کاتدی می باشد. در فرهنگ معانی فنی برای حفاظت کاتدی چنین تعریف شده است: کاهش یا حذف خوردگی در یک سازه توسط کاتد نمودن آن، که از طریق اعمال جریان مستقیم و یا اتصال آن به یک آند فدا شونده (عموماً منیزیم، آلومینیوم یا روی) به وجود می آ ید. با رجوع دوباره به فرهنگ لغات می توان دریافت که آند التردی است که در آن خوردگی رخ می دهد و کاتد الکترودی است که آن عمل احیاء رخ داده و اصلاً خورده نمی شود. پیش از اعمال حفاظت کاتدی، سازه های تحت خوردگی هم دارای نواحی کاتدی و هم نواحی آندی می باشند. حال اگر تمام نواحی آندی سازه به نواحی کاتدی تبدیل شود کل سازه به عنوان کاتد عمل خواهد کرد و بدین ترتیب خوردگی کاملاً حذف خواهد گردید.
اطلاعات مورد نیاز قبل از برقراری سیستم حفاظت کاتدی
قبل از برقراری سیستم حفاظت کاتدی بر روی خطوط لوله زیرزمینی اطلاعات دقیقی از موقعیت لوله و عواملی که باعث خوردگی آن می شوند ضروری بود تا بتوان با برقراری سیستم کنترل خوردگی عمر لوله را به چندین برابر عمر طبیعی خود افزایش داد. اهم اطلاعات مورد نیاز به شرح زیر خواهند بود:
1- در صورتیکه جنس فولادی می باشد، نوع و مشخصات آن چیست؟
2- آیا لوله پوشش دارد یا خیر؟ اگر پوشش دار شده، نوع و مشخصات پوشش بکار رفته در آن چیست؟
3- آیا این طراحی برای لوله ایست که در آتیه ساخته می شود و یا اینکه در حال حاضر لوله در زیر زمین مدفون است؟
4- تعیین مدت زمانی که از لوله بهره برداری شده است.
5- آیا تا کنون ترکیدگی و یا نشتی روی لوله ملاحظه گردیده است؟ در صورت مثبت بودن جواب، محل نشتی و تاریخ آن.
6- قطر، ضخامت و وزن هر فوت لوله و تغییرات آن در طول مسیر لوله کشی.
7- تعیین محلهائی از لوله که غلاف فلزی و یا بتونی (CASING) دارد. مشخصات غلافها و عایق های داخلی بایستی کاملاً معلوم و مشخص شوند.
8- تعیین محلهائی از خط که از آنها انشعاب گرفته شده و تحقیق در مورد نصب فلنج های عایق در این نقاط.
9- تعیین اینکه در قسمت یا محلهائی از خط، فلنج عایق نصب شده و آزمایش فلنجها از نقطه نظر نشتی بودن آنها.
10- آیا این خط لوله به طریق جوش دادن لوله ها به یکدیگر و یا بوسیله Couplings نصب شده است و در صورت دوم لوله از نظر هدایت جریان برق CONTINUITY دارد یا خیر؟
11- نقشه کامل مسیر خط و دانستن کلیه اطلاعات در مورد مسیر لوله در تقاطع با لوله ها- جاده ها- راه آهن و نقاط صنعتی و غیره.
12- تحقیق کامل درباره خطوط لوله و یا تاسیسات فلزی زیرزمینی و یا روی زمینی که در مجاور خطوط لوله مورد نظر واقع شده اند و در صورت وجود لوله های دیگر آیا این لوله ها تحت حفاظت کاتدی قرار دارند یا خیر و آیا اگر روی زمینی هستند بوسیله پایه های بتونی و یا فولادی مهار شده اند.
13- آیا خطوط لوله مورد نظر به موازات کابلهای فشار قوی کشیده شده اند؟ نزدیکی آنها به یکدیگر چقدر است و طولیکه به موازات یکدیگر هستند چه مقدار می باشد و همچنین کابلها دارای چه ولتاژی هستند.
14- اطلاعات فوق الذکر را در جریان آزمایشاتی که برای طراحی خط یکبار برده خواهد شد راهنمایی نموده و قادر می سازد که اشکالات زیادی را پیش بینی نمائیم و قبل از بروز آن نسبت به رفع آن اقدام کنیم.
چگونه عملکرد حفاظت کاتدی
گام بعدی آنست که ببینیم چگونه با اعمال جریان الکتریسیته مستقیم به یک سازه تحت خوردگی می توان موجب کاتد شدن آن سازه گردید. در ابتدا باید متذکر گردید که در حین خوردگی یک سازه فلزی مدفون در خاک و یا غوطه ور در آب، یک جریان مستقیم بین نقاط آندی و کاتدی برقرار است. این مطلب در شکل (1) برای نواحی آندی و کاتدی موجود بر سطوح یک خطوط لوله مدفون در خاک نشان داده شده است.
شکل 1- جریان مستقیم روی یک سازه تحت خوردگی.
c نواحی کاتدی: سطح لوله خورده نمی شود B- جریان در داخل لوله فولادی از نواحی کاتدی به نواحی آندی جهت کامل نمودن مدار A- نواحی آندی : محلی که جریان لوله فولادی را ترک کرده و وارد زمین می شود. D- عبور جریان در داخل زمین از نواحی آندی به نواحی کاتدی.
همانگونه که در شکل (1) نشان داده شده، جریان مستقیمی از نواحی آندی به سمت خاک جریان یافته و سپس از طریق خاک به نواحی کاتدی وارد شده و در ادامه از طریق لوله به محل اولش به صورت یک چرخه کامل باز می گردد. برای یک ولتاژ محرکه مشخص (پتانسیل الکتروشیمیایی بین اند و کاتد) مقدار جریان عبوری توسط عواملی از قبیل مقاومت مخصوص محیط (که عموماً به صورت اهم- سانتیمتر بیان می شود) و میزان پولاریزاسیون در نواحی آندی و کاتدی محدود می شود. خوردگی در نقاط آندی رخ می دهد. در این نقاط جریان فلز را ترک کرده و به داخل خاک وارد می شود. در نقاطی که جریان از خاک به درون لوله وارد می شود (نواحی کاتدی) خوردگی وجود نخواهد داشت. با بکارگیری حفاظت کاتدی در یک سازه، از طریق دریافت جریان از محیط سطحی از سازه که مستقیماً در معرض آن محیط قرار دارد کاتد شده و حفاظت می شود در صورتیکه این شرایط به طور موثر و مناسب ایجاد گردد خوردگی سازه به طور موفقیت آمیزی کاهش خواهد یافت. اصول حفاظت کاتدی در شکل (2) نشان داده شده است. این شکل نشان می دهد که چگونه لوله تحت خوردگی شکل (1) را از طریق حذف تمام نقاط آندی موجود در سطح آن مجبور به کاتد شدن نمود.
شکل 2- استفاده از اعمال جریان مستقیم برای کنترل خوردگی.
A- سطوح آندی که جریان از این نواحی تخلیه شده و تحت خوردگی قرار می گیرد. B- خطوط نقاط چین خطوط جریان عبوری است که قبل از اعمال حفاظت کاتدی از قطعه موجود می باشند و توسط جریان حفاظت کاتدی خنثی می گردد.C – سازه تحت حفاظت. D- جریان عبوری از بستر آندی به سطح سازه حفاظت شده.
از بررسی شکل (2) می توان نتیجه گرفت که جریان حفاظت کاتدی باید از طریق یک بستر زمین موسوم به بستر آند (ground bed) به داخل محیط جریان یابد.
با توجه به این تعریف، در واقع مواد بکار رفته در این بستر زمین آند می باشند و در نتیجه باید مصرف شوند (خورده شوند) لذا می توان نتیجه گرفت که توسط حفاظت کاتدی خوردگی حذف نخواهد شد بلکه از سازه تحت حفاظت به نقاط مشخصی (بستر آند) که برای ارائه جریان حفاظت کاتدی برای مدت طولانی طراحی شده اند منتقل می گردد. در ضمن وقتی آندها کاملاً مصرف شدند می توان انها را بدون ایجاد وقفه در کار عادی سازه تحت حفاظت تعویض نمود.
از آنچه که تا به حال گفته شد نتیجه می گردد که اصول اعمال حفاظت کاتدی بسیار ساده است اما در مبادرت به اجزاء عملی این روش کنترل خوردگی، پاسخ به تعدادی از سئوالات ضروری به نظر می رسد. این سئوالات عبارتند از : کمترین مقدار جریانی که برای حفاظت باید به سازه اعمال گردد از چه نوع منابع جریان مستقیم باید استفاده شود، چگونه باید سیستم حفاظت کاتدی طراحی شود و چگونه می توان آن را بر روی یک سازه مدفون در خاک اجرا نمود. در نتیجه آیا تمام سطح سازه تبدیل به یک کاتد شده و خوردگی کاملاً متوقف خواهد شد؟ در قسمتهای بعدی این بخش اطلاعاتی برای پاسخ به سئوالات فوق ارائه می گردد.
محدودیتهایی برای انجام حفاظت کاتدی وجود دارد. جریان حفاظت کاتدی باید بتواند از داخل محیط هادی عبور کرده و بر سطح فلز تحت حفاظت جاری گردد. به عنوان مثال با حفاظت کاتدی خط لوله ای مطابق آنچه در شکل (2) مشاهده شد، تنها می توان سطح خارجی لوله که در تماس مستقیم با یک محیط هادی می باشد را حفاظت نمود. سطوح داخلی لوله به هیچ وجه حفاظت نخواهد شد. این مطلب حتی برای مواردیکه لوله حامل مواد هادی باشد نیز صادق است. زیرا خط لوله مانند مانعی از ورود و نشت جریان به مواد داخل خط لوله جلوگیری می کند. هیچ قسمت از سطح خط لوله که در تماس با هوا قرار دارد (مانند شیرها و کلیه قسمتهایی که در بیرون از زمین قرار دارند) تحت اعمال جریان حفاظت کاتدی قرار نخواهند داشت زیرا هوا قادر نیست تا جریان حفاظت کاتدی را به نقاط غیر مدفون سازه هدایت نماید. به عنوان مثال دیگر می توان به حفاظت کاتدی سازه ای که از مجموعه فشرده ای از کابلهای مخابراتی با پوش سربی تشکیل شده است اشاره نمود. در این صورت جریان حفاظت کاتدی عمدتاً به سطوح خارجی کابلها جریان خواهد یافت و طبق شکل (3) جریان بسیار کمی به سطوح داخلی و یا کابلهای داخل مجموعه وارد خواهد شد.
شکل 3- محدودیت در حفاظت کاتدی سازه های متراکم.
A- منبع تامین جریان برق مستقیم. B- بستر آند. C- مجموعه کابهای تحت حفاظت. D- کابل منفی متصل به تمام شانزده کابل موجود در مجموعه کابلها (تمام اتصالات نشان داده نشده اند) E- کابلهای داخلی که توسط کابلهای خارجی پوشانده شده اند، لذا به درستی تحت حفاظت کاتدی قرار نمی گیرند.
از آنجا که در عبور جریان به قسمتهای میانی سازه در یک سیستم رو به انباشه شده محدودیت وجود دارد بنابراین میزان جریان اعمالی به قسمتهای میانی این سیستم برای حفاظت کافی نخواهد بود. این مطلب حتی در شرایطی که قسمتهای بیرونی سیستم تحت حفاظت کاتدی کامل قرار داشته باشند نیز صادق است. به این پدیده سپر الکتریکی (electrical shielding) می گویند. زیرا قسمتهای بیرونی سیستم از رسیدن جریان حفاظتی به قسمتهای میانی جلوگیری به عمل می آورند.
زمانیکه مسائل و مشکلات خاص وجود داشته باشد (مانند حالت سیستم هایی که از انباشته شدن و تجمع فشرده تعداد زیادی سازه فلزی تشکیل شده باشد) از انواع خاص روشهای حفاظت کاتدی استفاده خواهد شد. در قسمتهای بعد این روشها نیز مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
منابع جریان حفاظت کاتدی
این قسمت به بررسی انواع مختلف منابع انرژی الکتریکی که برای غلبه بر جریانهای خوردگی یک سازه و بنابراین کاتد ساختن آن مورد نیاز می باشد می پردازد.
آندهای گالوانیک
در فرهنگ لغات فنی عنوان گالوانیک به یک اتصال فلزی نامتشابه اطلاق می گردد که منجر به یک پتانسیل الکترولیتی می گردد. آند عضو خورده شونده سیستم دو فلزی نامتشابه می باشد. یک آند گالوانیک (که با عنوان "فدا شونده" نیز معروف می باشد) را می توان به عنوان فلزی توصیف نمود که دارای اختلاف پتانسیل نسبت به سازه تحت خوردگی می باشد. این آند قادر به تخلیه جریان است. این جریان از داخل محیط عبور کرده و به سازه مورد نظر می رسد. آند گالوانیک (فدا شونده) باید به صورت الکتریکی به سازه متصل شود تا بتواند به صورت کاتدی سازه را حفاظت نماید و همچنین باید در ارتباط الکتریکی با محیطی که در بردارنده آن سازه می باشد نیز قرار داشته باشد. شکل (4) شامل اجزاء ضروری این سیستم می باشد. چنانچه در این شکل مشاهده می شود یک ولتاژ را می توان بین سازه تحت خوردگی و آند اندازه گیری نمود. سازه باید پیش از آنکه به آن جریان اعمال کند نسبت به آند مثبت باشد.
شکل 4- روش بکارگیری آندها گالوانیک در حفاظت کاتدی سازه های زیرزمینی
1. پیش از آنکه آند به سازه اتصال یابد. A- آند گالوانیک منیزیمی به سازه متصل نشده است بنابراین هیچگونه حفاظت کاتدی اعمال نمی شود. B- این تصاویر نشان می دهد که آند از سازه ای که قرار است حفاظت شود منفی تر است. اگر این دو از طریق سیم به یکدیگر متصل شوند جریان از آن تخلیه می شود. C- سازه تحت حفاظت. D- الکترود مس- سولفات مس. E- اختلاف ولتاژ V 8/0- بین سازه و آند.
2. پس از اتصال آند به سازه: A- آند منیزیمی که به صورت الکتریکی جهت تامین حفاظت کاتدی به سازه متصل شده است. B- سازه که به طور کاتدی حفاظت شده است. C- ولتمتر که پتانسیل حفاظتی سازه را نشان می دهد.
شرایط مورد نیاز برای آنکه یک فلز بتواند به عنوان آند گالوانیک مورد استفاده قرار گیرد:
1- پتانسیل بین آند و سازه تحت خوردگی باید به اندازه کافی زیاد باشد تا بتواند از تشکیل پیلهای آند- کاتد بر سطح سازه تحت خوردگی جلوگیری کند.
2- ماده آند باید دارای انرژی الکتریکی کافی باشد تا بتواند یک زمان طولانی منطقی را با یک مقدار مشخص از ماده آند برای سازه تحت حفاظت ارائه نماید.
3- آن باید دارای راندمان خوب باشد به این معنی که درصد بالایی از انرژی الکتریکی آندها صرف حفاظت کاتدی سازه شده و مابقی آن صرف خوردگیهای موضعی بر سطح آند می شود باید بسیار کم باشد.
مقدار انرژی الکتریکی در مواد آندها از خواص مهم آنها محسوب می شود. مقدار انرژی الکتریکی به صورت آمپر ساعت بر پوند بیان می شود. برای مثال، روی خالص انرژی الکتریکی تئوری ماکزیممی به اندازه 372 آمپر ساعت بر پوند دارد، این بدان معنی است که اگر آند روی به مدت 372 ساعت به طور مداوم یک آمپر جریان تخلیه نماید به میزان یک پوند مصرف خواهد شد. یا اگر 1/0 آمپر تخلیه نماید در مدت 3720 ساعت (حدود 22 هفته) به میزان یک پوند مصرف می شود. در حقیقت آندهای روی در حدود 95% بازدهی موثر دارند. این بدان معنی است که مقدار انرژی قابل دسترسی از آند روی برای بازدهی مفید جریان 95/0×372 یا 353 آمپر ساعت بر پوند خواهد بود.
روش دیگر برای بیان مقدار انرژی الکتریکی بر اساس پوند در هر آمپر سال می باشد که مقدار 353 آمپر ساعت بر پوند مصرفی مفید از روی، طبق این واحد به صورت زیر تغییر می کند:
آمپر سال/ پوند
آمپر ساعت بر پوند
ساعت بر سال
248
=
353
+
8760
یعنی اگر آند روی به مدت یک سال به طور پیوسته یک آمپر جریان تخلیه نماید 248 پوند از وزن آند خورده خواهد شد. واحد "پوند بر آمپر سال" معیار مناسبی در محاسبه عمر مورد انتظار از یک آند گالوانیک است.
اطلاعات بیشتری در رابطه با آندهای گالوانیک (شامل آنهای منیزیم و آلومینیوم) در قسمتهای بعدی آورده شده است.
سیستم های اعمال
شکل (2) همچنین بیانگر یک سیستم حفاظت کاتدی از نوع اعمال جریان است. در این نوع سیستم حفاظت کاتدی از بستر آ ند به عنوان منبع تولید انرژی الکتریکی استفاده نمی شود. در این سیستم از منابع تولید جریان الکتریکی خارجی استفاده می شود. قطب مثبت منبع تولید جریان الکتریکی باید به بستر آند و قطب منفی آن به سازه تحت حفاظت به منبع جریان الکتریکی حتماً باید دقت شود تا آنها به ترتیب به قطب مثبت و قطب منفی آن وصل شود. در صورتیکه در این امر اشتباه صورت گیرد سازه مورد نظر به جای حفاظت شدن تحت خوردگی قرار خواهد گرفت.
همانطور که قبلاً ذکر شدن آندهای بستر آند در این سیستم مجبور به تخلیه جریان بوده و بنابراین خورده خواهد شد. در قسمتهای بعد راجع به مواد آندهای سیستم اعمال جریان توضیح داده می شود. این مواد با سرعتهای بسیار پایین مصرف می شوند. و اصولاً در این نوع سیستم هدف آن است که آندهایی طراحی شود تا قادر به تخلیه مقدار زیادی جریان بوده و در ضمن دارای طول عمر زیاد باشند.
یک نکته بسیار مهم که لازم به یادآوری می باشد آن است که تمام قسمتهای مدفون بستر آند که به قطب مثبت منبع تولید جریان وصل می باشند ممکن است که بر اثر تخلیه جریان در نواحی از سطوح خود که در تماس با محیط اطراف قرار دارند دچار خوردگی شوند. این شامل کابلهایی که یکسو کننده را به بستر آند متصل کرده اند وهمچنین کابلهای بین آندهای بستر آند نیز می شود برای جلوگیری از خوردگی این کابلها باید بر روی آنها از پوش های عایق با کیفیت مناسب استفاده شود. در ضمن تمام نقاط محل اتصال کابلها نیز باید به طور دقیق عایق بندی شوند.
در محل عیوب در صورت وجود هر گونه نقص و عیب در سیستم عایق بندی کابل، تخلیه جریان رخ داده و منجر به خوردگی سیسم رابط می شود، در نتیجه ارتباط الکتریکی بین یکسو کننده و تمام یا قسمتی از تاسیسات بستر آند قطع می شود.
از سوی دیگر تمام سیم های رابط مدفون آندهای گالوانیک در معرض دریافت جریان از محیط قرار داشته و دچار خوردگی نمی شود. عایق بندی این سیستم ها به منظور جلوگیری از دریافت جریانهای غیر ضروری انجام می شود. این مطلب همچنین شامل کابلهای رابط بین قطب منفی منبع سیستم اعمال جریان و سازه تحت حفاظت نیز می شود.
عادی ترین منبع تغذیه مورد استفاده اعمال جریان، دستگاه یکسو کننده می باشد. این منابع وسایلی هستند که قدرت خود را از خطوط انتقال نیرو تامین کرده و جریان متناوب را توسط یک مبدل کاهنده به جریان کم ولتاژ و توسط عناصر یکسو کننده از نوع سیلیکون یا سیلینیم به جریان مستقیم تبدیل می کنند. این عناصر مقاومت الکتریکی کمی در برابر جریان از یک سمت و مقاومت الکتریکی زیاد در سمت مخالف دارند. شکل (5) مدار ساده شده یک یکسو کننده با اتصال های پل (اصطلاحاً پل دایود) که اغلب در حفاظت کاتدی استفاده می شود را نشان می دهد.
شکل 5- مدار ساده و اولیه یکسو کننده حفاظت کاتدی
A- سیم پیچ اولیه B- ترانسفورمر کاهنده. C- خروجی 1 و 2 سیم پیچ ثانویه. D- عناسر پل یکسو کننده (A.B.C.D) E- آمپرمتر DC . F- ولت متر DC . G- بستر آند. H- سازه تحت حفاظت کاتدی
نشان نوک پیکان (فلش) بر روی عناصر یکسو کننده بیانگر جهتی است که جریان می تواند به آسانی عبور کند. در منابع جریان برق متناوب 60 سیکل جهت جریان در هر ثانیه 120 مرتبه تغییر می کند. با مراجعه به شکل (5) در نقطه شروع فرض کرده که جهت جریان در اتمسفورمر کاهنده ثانویه در موقعیت (1) باشد. تنها مسیری که این جریان می تواند عبور کند گذشتن از پایه C در پل یکسو کننده (پل دایود) عبور از مدار خارجی (بستر آند به سازه تحت حفاظت)، عبور از پایه B یکسو کننده و بازگشت به سیم پیچ ثانویه در موقعیت (2) است. در ثانیه بعدی جهت جریان متناوب عوض شده و در وضعیت (2) قرار می گیرد. در این شرایط تنها مسیری که می تواند به نقطه (1) برسد عبور از پایه D، مدار خارجی و پایه یکسو کننده A است. برای هر جهت از جهتهای عبوری جریان متناوب، جریان مستقیم در مدار خارجی فقط در یک جهت عبور می کند.
یک اقدام احتیاطی و ایمنی که مجدداً لازم به یادآوری می باشد آنست که هرگز قطب مثبت (1) منبع جریان خارجی به سازه تحت حفاظت متصل نگردد. در صورت انجام این عمل، سازه شدیداً دچار خوردگی خواهد گردید.
سایر منابع انرژی
در برخی موارد که نیاز به نصب سیستم حفاظت کاتدی با اعمال جریان خارجی می باشد. ممکن است خطوط جریان برق متناوب در دسترس نباشد. در این موارد می توان به جای استفاده از یکسو کننده از سایر منابع جریان برق مستقیم موجود، استفاده کرد. این منابع عبارتند از:
1- باتریها (محدود به استفاده در مواقعی که جریان مورد نیاز کم باشد)
2- دستگاه مولدهای موتوری- در مواقعی که جریان مورد نیاز زیاد باشد از این موتورها استفاده می شود. این موتورها با سوخت کار کرده و می توانند یک ژنراتور برق مستقیم و یا ژنراتور برق متناوب به همراه یک یکسو کننده را به حرکت در آورند.
3- مولدهای ترموالکتریک- این مولدها با سوخت کار کرده و با استفاده از انرژی گرمایی می توانند ترموکوپلها را فعال کرده و در نتیجه جریان مستقیم تولید نمایند.
در ضمن در روزهای آفتابی می توان از انرژی خورشیدی نیز استفاده نمود.
4- پیلهای سوختی- (وسیله ای که از واکنش دو گاز مثلاً هیدروژن و اکسیژن یا گاز طبیعی و هوا، جریان مستقیم تولید می کند).
معیارهای حفاظت کاتدی
هر معیاری که در ارتباط با حفاظت کاتدی استفاده شود در واقع وسیله ای است تا مشخص کند آیا سازه تحت حفاظت کاتدی واقعاً در برابر خوردگی به طور کامل حفاظت شده یا نشده است.
پتانسیل نسبت به محیط
اغلب اندازه گیری پتانسیل به عنوان معیار حفاظت استفاده می شود. این معیار دارای این مبنا است که با جاری شدن جریان در سازه تحت حفاظت در پتانسیل سازه نسبت به محیط اطراف آن تغییر ایجاد می گردد. تغییرات پتانسیل حاصله در واقع ترکیبی از افت ولتاژ در اثر مقاومت بین سازه حفاظت شده و محیط و پتانسیل پولاریزه شده در سطح سازه می باشد. مقاومت بین سازه تحت حفاظت و محیط شامل مقاومت نوع رنگ، یا پوشش روی سازه است. نتیجه نهایی اینکه سازه زمانی حفاظت می شود که پتانسیل آن نسبت به محیط اطرافش منفی تر شده باشد. این امر در شکل (6) نشان داده شده ا ست.
بر اساس مفهوم پلاریزاسیون اگر جریان کافی توسط سطوح کاتدی جذب شده بطوریکه آن سطوح دقیقاً به پتانسیل مدار باز سطوح آندی پولاریزه شود، خوردگی متوقف خواهد شد. زیرا دیگر پتانسیل محرکه لازم برای عبور جریان وجود نخواهد داشت.
در کاربردهای عملی حفاظت کاتدی، انجام شرایط فوق به ندرت امکان پذیر بوده و معمولاً حفاظت کاتدی با عبور مقدار جریان خالص به نقاط آندی حاصل می گردد. بر اساس آنچه که گفته شد مشخص می گردد که روش اندازه گیری پتانسیل پولاریزاسیون برای بیان اینکه چه موقع حداقل مقدار جریان لازم برای حفاظت کامل بر سطح فلز به وجود آمده است روش مناسبی باشد. بر این اساس نقاط مناسب برای اندازه گیری پتانسیل فصل مشترک بین لوله و محیط است که در شکل (6) با عنوان پتانسیل پولاریزاسیون در شکل مشخص شده اند. در حقیقت در عمل این امر در بسیاری از موارد امکان پذیر نیست (خصوصاً در سازه های مدفون) و کافی است تا پتانسیل سازه نسبت به محیط را بر سطح محیط و درست در بالای سطح سازه (با سایر نقاط نزدیک به سازه) اندازه گیری نمود. حال پتانسیل اندازه گیری شده شامل پتانسیل پولاریزاسیون بعلاوه قسمتی از افت ولتاژ در طول سازه تا نقاط دور از سازه است. پس از مشخص شدن محل اندازه گیری پتانسیل باید چگونگی اندازه گیری پتانسیل و همچنین حد اپتیمم آن برای ایجاد حفاظت کافی و مناسب نیز مورد بررسی قرار گیرد. اگرچه اندازه گیری پتانسیل سازه نسبت به زمین، شاید در ابتدا با تصور آنکه از طریق اتصال سیمهای هادی بین ولت متر و سازه و همچنین بین ولت متر و زمین قابل اندازه گیری است کاری آسان به حساب آید.
شکل 6- پتانسیل سازه نسبت به محیط با عبور جریان حفاظت کاتدی تغییر می کند.
شمای کلی A- منبع تغذیه حفاظت کاتدی. B- بستر آند. C- لوله. D- پوشش روی لوله. E- تماس با خط لوله. F- ولت متر هنگام اتصال همانگونه که نشان داده شده زمانی که سیستم حفاظتی انرژی آزاد کرده و جریان اعمالی در خط لوله جاری می شود عقربه دستگاه به سمت بالا حرکت می کند. G- تماس با زمین نزدیک. H- تماس به زمین دور از قطب مثبت (0) ولت متر .
ولی باید در نظر داشت که اتصال سیم از ولت متر به زمین یک موضوع خاص بوده و این اتصال از طریق الکترود مرجع انجام می شود. الکترود مرجع وسیله ای پایدار و مناسب برای اندازه گیری پتانسیل بوده و نتایج حاصل از اندازه گیری با آن قابل تجدید شدن می باشد. شکل (7) چگونگی اندازه گیری پتانسیل با الکترود مرجع را نشان می دهد.
الکترود مرجع و اندازه گیری پتانسیل سازه
یک الکترود مرجع معمولی (برخی اوقات موسوم به نیم پیل) با جزئیات در شکل (7) نشان داده شده است. این الکترود، الکترود مرجع مس- سولفات مس است که استفاده وسیعی در کارهای حفاظت کاتدی دارد. ولتاژ خوانده شده بین این الکترود و سازه در واقع از دو جزء (پتانسیل های نیم پیل) تشکیل شده است. یکی از انها پتانسیل نیم پیل بین الکترود و زمین است که مقدار آن تحت اکثر شرایط عملی مقداری ثابت است دیگری پتانسیل نیم پیل بین سازه و زمین بوده که مقدار آن متغیر می باشد. در واقع هدف اندازه گیری این پتانسیل است. در عمل نیازی به جداسازی پتانسیل این دو نیم پیل نیست. زیرا هدف اندازه گیری تغییرات پتانسیل سازه نسبت به زمین است و مقدار پتانسیل نشان داده شده توسط ولت متر به خوبی بیانگر این تغییرات می باشد.
درباره سازه های فولادی مقدار پتانسیل 85%- ولت یا منفی تر که از ولت متر شکل (7) خوانده می شود، بیانگر حفاظت کاتدی کامل می باشد. این در واقع بدین معناست که پتانسیل سازه در مقایسه با الکترود مرجع مس- سولفات مس به اندازه 85/0 ولت منفی تر است. این عدد بر این اساس تعیین شده است که پتانسیل مدار باز نقاط آندی در شرایط عملی 82/0- ولت می باشد. حال از آنجا که در اکثر موارد قرار دادن الکترود مرجع در نزدیکی سازه به دلایل مختلف امکان پذیر نمی باشد بنابراین در عمل باید این پتانسیل را کمی منفی تر گرفت تا بتوان از وجود حفاظت کافی در سازه ها اطمینان بیشتری حاصل نمود. بدین ترتیب مقدار پتانسیل 85/0- ولت یک معیار تجربی و عملی می باشد.
شکل 7- اندازه گیری پتانسیل سازه نسبت به محیط
a) جزئیات الکترود مرجع سولفات مس. A- میله مسی متصل به ولتمر. B- توپی با درپوش آندی. C- محفظه از جنس مواد عایق. D- محلول اشباع سولفات مس با کریستال های اضافی جهت اطمینان از اشباع بودن. E- درپوش متخلخل که به محلول سولفات مس اجازه تراوش و تراوایی آرام داده که سبب اتصال الکتریکی با خاک با آب می شود.
b) A- ولت متر با مقاومت داخلی زیاد. B- الکترود مرجع پایدار نظیر الکترود سولفات مس. C- مخزن فلزی مدفون جهت حفاظت کاتدی. D- اتصال الکتریکی خوب با سازه.
زمانی که سایر فلزات به غیر از فولاد حفاظت کاتدی می شود، به عنوان معیار حفاظت پتانسیل های متفاوتی نسبت به الکترود مرجع سولفات مس استفاده می شود. برای کابلهای سرب اندود مقدار عادی 70/0- ولت است. برای آلومینیوم باید پتانسیل را در محدوده 00/1- ولت تا 20/1 ولت ثابت نگه داشت. توجه شود که همواره حد بالایی برای آلومینیوم انتخاب شود. این امر به سبب آن است که ایجاد شرایط قلیایی در سطح آلومینیوم توسط فرآیند حفاظت کاتدی باعث خوردگی شدید آلومینیوم می شود. این فلز اگر در معرض حفاظت کاتدی بیش از حد قرار گیرد ممکن است خیلی سریعتر از حالتی که اصلاً تحت حفاظت نبوده است خورده شود. فولاد دچار این مشکل نمی شود. سرب نیز تا حدودی تحت تاثیر می باشد. مخصوصاً زمانی که اعمال جریان حفاظت کاتدی برای مدت طولانی قطع شود. در این صورت با افزایش میزان قلیائی در سطح سرب خوردگی آن افزایش می یابد.
میزان حفاظت کاتدی اعمال شده را با استفاده از سایز الکترودهای مرجع پایدار نیز می توان ارزیابی کرد، در این صورت پتانسیل های مشخص کننده حفاظت به دلیل تغییر پتانسیل های نیم پیل آنها نسبت به الکترود مس/ سولفات مس، تغییر خواهند کرد. برخی افراد از الکترود کالومل برای زمینه های عملی و کاربردی استفاده می کند. ولی باید توجه نمود که این الکترود مرجع بیشتر مناسب برای مطالعات و بررسی های آزمایشگاهی می باشد. الکترود Ag/AgCl در عملیات داخل آب دریا که نیاز به غوطه ور شدن الکترود می باشد، مورد استفاده قرار می گیرد. زیرا این الکترود به اندازه الکتورد Cu/CuSO4 ، توسط آب دریا آلوده نمی شود (فشار در اعماق متوسط باعث ورود و تزریق آب دریا به داخل پیل می شود و در نتیجه آنرا ناخالص و آلوده می کند.
روی خالص به همراه پشت بند یک الکترود مرجع دائمی خوب می باشد که از آن می توان برای اندازه گیری های ادواری پتانسیل در نقاط کلیدی استفاده کرد. در آب دریا از روی خالص بدون پشت بند استفاده می شود، ولی قبل از هر بار استفاده باید آن را توسط یک الکترود مرجع کنترل نمود. استفاده از میله های فولادی به عنوان الکترود مرجع کار درستی نبوده زیرا پتانسیل نیم پیل زمین- فولاد پایدار نمی باشد.
یک راهنمای عملی در مورد اختلاف پتانسیل های موجود بین الکترودهای مرجع مختلف در جدول (1) آورده شده است.
جدول 1- مقایسه پتانسیل های الکترودهای مرجع دیگر نسبت به الکترود مرجع Cu/CuSO4 در C ْ25
پتانسیل خوانده شده سازه نسبت به الکترود مرجع که معادل با 85/0- ولت نسبت به الکترود Cu/CuSO4می باشد
نوع الکترود مرجع مورد مقایسه
ولت 77/0-
کالومل (اشباع)
ولت 822/0-
g/AgCl (محلول 1/0 نرمال KCL)
ولت 78/0-
Ag/ACl (با توری نقره ای شامل رسب کنرور نقره)
ولت 25/0-
Zn خالص (به ویژه با خلوص بالا)
کوپن های آزمایشی
معیار دیگر برای اطلاع و اطمینان از وجود حفاظت کافی و مناسب بر سطح سازه تحت حفاظت استفاده از کوپن هایی از جنس فلز سازه می باشد. این کوپن ها قبل از استفاده به دقت توزین و سپس به صورت الکتریکی به سازه تحت حفاظت متصل می شوند. کوپن ها باید طوری قرار داده شوند که بتوانند جریان یکسانی به اندازه جریان کاتدی سازه مورد نظر دریافت نمایند. سپس بعد از گذشت یک مدت زمان معین نمونه ها مجدداً خارج و وزن می شوند. هر مقدار کاهش وزن موجود بیانگر کامل نبودن حفاظت کاتدی خواهد بود. کوپن ها را می توان در محلهایی که دارای کمترین مقدار پتانسیل حفاظت و یا محلهایی که به صورتی از لحاظ داشتن میزان حفاظت کافی مورد تردید هستند، نصب نمود.
معیار تغییر پتانسیل
برخی افراد در حفاظت کاتدی سازه های بدون پوشش، از تغییر یافتن پتانسیل سازه به میزان 3/0 تا 2/0 ولت به عنوان یک معیار مناسب برای حفاظت استفاده می کند. این مورد شامل اندازه گیری پتانسیل سازه نسبت به الکترود مرجع در هنگام قطع جریان و وصل مجدد جریان می شود. یک تغییر پتانسیل در جهت منفی و به میزان 3/0-2/0 ولت نشان دهنده آن است که سازه جریان را دریافت می کند. البته این بدان معنا نیست که حداقل مقدار پتانسیل حفاظتی (85/0- ولت)، نسبت به الکترود سولفات مس (برای فولاد) حاصل شده است. یعنی خوردگی کاملاً متوقف نشده است. اما در بسیاری از موارد، سرعت خوردگی را می توان تا حد زیادی کاهش داد. البته اکثر مهندسین خوردگی ترجیحاً از مقدار 85/0- ولت برای فولاد استفاده می کنند.
ممیزی و بررسی حفاظت کاتدی
در بسیاری موارد، قبل از طراحی یک سیستم حفاظت کاتدی، انجام یک بازرسی مناسب میدانی ضروری است. پس از انجام بررسی و ممیزی، اطلاعات لازم برای شروع طراحی مناسب فراهم می گردد.
آزمایش های تعیین جریان مورد نیاز
جریان لازم برای حفاظت یک سازه فلزی مدفون مشخص بر روی یک محدوده بسیار گسترده تغییر می کنند. این تغییرات البته به طبیعت محیط و پوش دار یا بدون پوشش بودن سازه بستگی دارد و نیز در صورت پوشش دار بوددن سازه به کیفیت و میزان موثر بودن پوشش مورد استفاده نیز مرتبط می باشد. به عنوان مثال، اگر فرض شود که یک سازه فولادی که قرار است حفاظت شود در یک خاک خوردنده قرار داشته باشد و سطحی از آن که در معرض محیط قرار می گیرد برابر 1000 فوت مربع باشد، جریان مورد نیاز می تواند از مقدار 3 آمپر سازه بدون پوشش تا مقدار بسیار کم 30 میکرو آمپر یا کمتر برای سازه دارای پوشش مناسب تغییر کند. یعنی اینکه یک سازه لخت و بدون پوش به اندازه 000/100 برابر مقدار جریان مورد نیاز برای حفاظت یک سازه مشابه دارای پوشش به جریان نیاز دارد.
نباید تصور شود که صرف داشتن پوشش برای یک سازه برای کاهش مقدار جریان مورد نیاز جهت حفاظت کفایت می کند. چنانچه یک پوشش ضعیف و یا حتی یک پوشش مقاوم مناسب که به صورت ناقص و ضعیف اعمال شده باشد، بسیار بیشتر از مقادیر فوق الذکر نیاز به جریان دارد. برای مثال وجمد یک پوشش نسبتاً ضعیف بر سازه ای مشابه با سطح 1000 فوت مربع می تواند سبب شود تا جریان مورد نیاز برای حفاظت کاتدی تقریباً 15 میلی آمپر یا بیشتر از آن گردد. البته جریان 15 میلی آ مپری ممکن است مقدار نسبتاً زیادی به حساب نیاید ولی در مقایسه با جریان 30 میکروآمپری فوق الذکر 500 برابر بیشتر است. در ضمن چنین اختلافی در هنگام کار با سازه های بسیار بزرگ (مثل خطوط لوله طولانی با قطر بزرگ) در مجموع مقادیر بسیار بزرگی را تشکیل خواهد داد.
آزمایش های مربوط به خط لوله پوشش دار
یکی از آزمایشهای ضروری، در مرحله طراحی حفاظت کاتدی، آزمایش تعیین مقدار جریان مورد نیاز جهت تامین حفاظت کافی در سازه می باشد. این آزمایش را می توان با استفاده از یک سیستم آزمایشی موقتی انجام داد و جریان را در حلال این آزمایش تا حصول پتانسیل حفاظتی مناسب تغییر داده و تنظیم نمود. این آزمایش را می توان مانند شکل (8) برای قسمتی از یک خط لوله به طول 500 فوت و قطر 36 اینچ که از زیر رودخانه عبور کرده است، انجام داد.
در سیستم آزمایشی نشان داده شده در شکل (8) می توان از باتریها به عنوان منابع اعمال جریان استفاده کرد. باتریها ممکن است باتریهای اتومبیل یا باتریهای خشک پرقدرت باشند. شار جریان را می توان با استفاده از مقاومت های قابل تنظیم، تنظیم کرد. با بسته شدن کلید، جریان تدریجاً افزایش می یابد تا زمانیکه ولت متر نسبت به الکترود مرجع سولفات مس که مستقیماً در بالای لوله تحت آزمایش در آن نقطه قرار داد به مقدار 85/0- ولت برسد. وجود یک ناظر در نقطه B برای بررسی تغییرات پتانسیل بسیار مفید خواهد بود. بخصوص اگر بتوان از طریق رادیو یا مانند آن بین ا فراد در دو نقطه A و B ارتباط برقرار نمود.
در این مثال، هنگامیکه 85/0- ولت در نقطه B حاصل شود، ناظر در این محل می تواند الکترود سولفات مس را در بالای خط لوله و در طرف مقابل محل تماس که به صورت الکتریکی عایق شده است (نقطه D)، انتقال داده و تغییرات ولت متر را در هر دو حالت باز یا بسته بودن کلید منبع جریان، مشاهده و ثبت کند. شخص در نقطه A باید آزمایش مشابه با آزمایش در نقطه B را انجام دهد. علت انجام این کار آن است که میزان تاثیر اتصالات عایقی مورد استفاده مورد بررسی قرار گیرد. مثالهایی از نتایج حاصله به شرح زیر می باشد:
مثال 1- اگر در نقطه B ولتاژ 85/0- ولت بوده و در نقطه D نیز عدد حاصله در حالت اعمال جریان 85/0- ولت در حالت قطع جریان 68/0- ولت باشد، این نتیجه نشان دهنده آن خواهد بود که عایق کاری محل اتصال موثر نبوده است. زیرا مقدار پتانسیل در نقطه D در حالت اعمال جریان با مقدار آن در نقطه B یکسان است. حال مقدار خوانده شده در نقطه B در حالت قطع جریان را می توان بررسی کرد و اگر دیده شد که این مقدار با مقدار آن در نقطه D برابر است (65/0- ولت) احتمال وجود اتصال کوتاه در محل اتصال عایق کاری شده وجود دارد.
مثال 2- اگر در نقطه B مقدار پتانسیل برابر 85/0- ولت باشد مشاهده مقدار 65/0- ولت (برای مثال) در نقطه D در حالت قطع و وصل جریان (بدون تغییر) بیانگر آ ن خواهد بود که عایق کاری محل اتصال موثر و مناسب می باشد و نیز بیانگر آن است که جریان حفاظت کاتدی به خارج از ناحیه مورد نظر خط لوله منتقل نمی شود.
مثال 3- اگر در نقطه B مقدار پتانسیل 85/0- ولت باشد و مقدار در نقطه D در حالت وصل جریان در حدود 63/0- ولت، و در حالت قطع جریان مقدار برابر 65/0- ولت باشد، نشان دهنده تمایل جریان برای خارج شدن از انتهای قسمت حفاظت نشده لوله (خوردگی در این نقطه) و شار جریان از زمین اطراف محل اتصال عایق شده به قسمت حفاظت شده لوله می باشد. این مسئله بیانگر آن است که محل اتصال عایق شده معیوب است و همچنین حاکی از آن است که ممکن است خوردگی موضعی در انتهای قسمت حفاظت نشده سازه (در نقطه D) وجود داشته باشد.
شکل 8- اندازه گیری جریان لازم برای حفاظت یک لوله پوشش دار
D,C,B,A – ولت متر. E- کلید. F- آمپرمتر DC . G- منبع تغذیه DC قابل تنظیم. H- بستر موقت تشکیل شده از تعدادی آند در خاک با مقاومت پایین در فاصله 100 یا بیشتر از خط لوله. I- الکترود مرجع سولفات مس نزدیک به لوله (دقیقاً بالای لوله) هستند.
اگر آزمایش ها برای وضعیت نشان داده شده توسط شکل (8) نشان دهند که اتصالات عایق موثر هستند و نیز پتانسیل 85/0- ولت در نقطه H با سیستم حفاظت کاتدی موقت توسط جریان 25 میلی آمپری ایجاد شود، انتظار می رود که سیستم حفاظت کاتدی دائمی نیز تقریباً به همین میزان جریان نیاز داشته باشد.
طول 500 فوت از خط لوله به قطر 36 اینچ که در شکل فوق نشان داده شده است دارای سطح خارجی در حدود ft2 4712 می باشد. در نتیجه میانگین جریان مورد نیاز در هر فوت مربع برای حفاظت کاتدی برابر Ma/ft20053/0=ft2 4712÷mA 25 می گردد.
آزمایشهای بررسی مقاومت پوشش
در بخش قبل ضمن بررسی آزمایش جریان لازم برای حفاظت سازه های دارای پوشش، اهمیت پوشش در رابطه با مقاومت بین سازه و زمین مشخص گردید. پوششها با گذشت زمان دستخوش زوال تدریجی می شوند. زوال پوشش بستگی به کیفیت و شرایط محیطی دارد. آزمایشهای تعیین مقاومت پوشش برای بررسی کیفیت پوشش های نو و همچنین در خلال عمر پوششها برای ارزیابی عملکرد آنها ضروری می باشد. جمع آوری اطلاعات مربوط به عملکرد پوششها می تواند برای استفاده در پروژه های بعدی نیز مفید باشد. بنابر آنچه ذکر شد، افزایش مقاومت پوشش باعث کاهش جریان لازم حفاظت کاتدی به مقادیر خیلی کم می گردد. آزمایشهای اولیه پوشش می تواند در تعیین جریان لازم اولیه برای حفاظت کاتدی مفید واقع شود. پس از آن آزمایشهای ادواری مربوط به پوشش، چگونگی کاهش مقاومت پوشش با زمان را نشان خواهد داد. (در نتیجه زوال پوشش)، بنابراین با کاهش مقاومت پوشش، جریان لازم برای حفاظت کاتدی جهت نگهداری همان میزان از حفاظت افزایش می یابد.
جهت روشن نمودن موضوع؛ نمونه ای از روش اندازه گیری مقاومت پوشش ارائه می گردد. در این مثال قرار است مقاومت قسمتی از یک خط لوله فولادی دارای پوشش و قطر 24 اینچ که به طور الکتریکی از بقیه قسمتها ایزوله شده است اندازه گیری شود، مطابق با آنچه در شکل (9) نشان داده شده، مقاومت کل پوشش بین لوله را می توان با عبور جریان مستقیم از میان پوشش و تعیین افت عبوری از پوشش با استفاده از قانون اهم اندازه گیری نمود.
با استفاده از بستر آندی و منبع جریان موقت مطابق با شکل (9) جریان اعمالی به سازه اندازه گیری می شود (در این مورد 86/0 آمپر است) و پتانسیل نسبت به نقطه دور زمین در دو حالت کلید روشن و کلی خاموش در فواصلی در طول لوله محاسبه می شود. در این مثال از سه مکان اندازه گیری استفاده شده است. برای سازه های کوچکتر (نظیر مخازن زیرزمینی دارای پوشش) یک مکان کافی خواهد بود.
در هر مکان اندازه گیری پتانسیل، اختلاف بین دو پتانسیل خوانده شده، در واقع عبارت از تغییر ولتاژ حاصل از اعمال جریان آ زمایش می باشد. این اختلاف ولتاژ با در شکل نشان داده شده است. در مواردیکه بیش از یک نقطه پتانسیل اندازه گیری شده است باید میانگین اعداد مربوطه به در مکانهای اندازه گیری مختلف محاسبه گردد. مثلاً در شکل (9)، این مقدار متوسط برابر با ولت 47/0=3 ÷ (47/0- 49/0 -45/0) خواهد بود. اکنون با استفاده از قانون اهم مقاومت موثر کل پوشش در طول 3 مایل لوله به دست می آ ید:
مقاومت کل به دست آمده جواب نهایی نیست زیرا برای مقاصد مقایسه نیاز به محاسبه مقاومت پوشش در واحد سطح می باشد. واحد سطح مورد استفاده بیشتر فوت مربع می باشد، ابتدا باید مساحت سطح سازه محاسبه شود. در مثال شکل (9)، مساحت سطح لوله ای با طول 3 مایل و قطر خارجی 24 اینچ، عبارت از محیط مقطع لوله ضربدر طول کل لوله می باشد.
این مقدار برابر با فوت مربع 99526 = 5280 × 3 × می شود. مقاومت میانگین یک فوت مربع عبارت از مقاومت موثر کل پوشش ضربدر تعداد کل فوت مربع های پوشش می باشد. در مورد مثال فوق مقاومت واحد سطح عبارت است از :
اهم بر فوت مربع 524000 = فوت مربع 99526 × اهم 47/5 خواهد بود.
شکل 9- اندازه گیری مقاومت پوشش مقطع لوله دفن شده
A- لوله دارای پوشش با قطر 24 اینچ و طول 3 مایل
ولت (در حالت خاموش)
ولت (در حالت روشن)
ولت متر
45/0
88/0-
33/1-
E
49/0
98/0-
47/1-
D
47/0
89/0-
36/1-
B
C- الکترودهای سولفات در نقاط دور زمین. F- آمپرمتر، 086/0 آمپر در حالت کلید بسته. G- باتری. H- کلید. I- بستر آند موقت.
مقاومت مخصوص محیط
اندازه گیریهای مقاومت الکتریکی محیط خاک با آب باید به عنوان بخشی از کار ممیزی بررسی خوردگی، پیش از طراحی سیستم حفاظت کاتدی انجام شود. همچنین تهیه اطلاعاتی در مورد مقاومت محیطهایی که بستر آندها (یا الکترودهای منفرد) در آن نواحی نصب خواهند گردید ضروری است. چنین اطلاعاتی به طراح برای تعیین نوع، اندازه و تعداد آندهای قربانی شونده و یا در انتخاب مناسب ـرین ترکیب در اندازه بستر آند و میزان خروجی منبع تغذیه dc در سیست اعمال جریان کمک می نماید.
شکل 10- تعیین مقاومت خاک
A- آمپرمتر. B- میله های فرورفته در خاک به فواصل مساوی (d) در طول خط مستقیم. C- سطح زمین. D- ولتمتر. E- کلید. F- باتری با ولتاژ کافی برای فراهم کردن مقدار مفید جریان برای دستگاه.
در روش استاندارد برای اندازه گیری مقاومت مخصوص خاک، چهار میله با فواصل مساوی در یک راستا و در عمق 1 فوت در زمین کوبیده می شود. در این حالت مقاومت مخصوص متوسط در عمقی معادل با فاصله بین میله ها اندازه گیری خواهد شد. جریان به میله های بیرونی اعمال می شود این جریان سبب به وجود آمدن تغییرات پتانسیل () به جریان آزمایش که سبب این تغییرات می گردد تعیین می شود. اگر بر حسب ولت بیان شود، I باید بر حسب آمپر و اگر بر حسب میلی ولت بیان شود، I باید بر حسب میلی آمپر باشد. برای تبدیل مقدار مقاومت اندازه گیری شده به مقاومت مخصوص خاک این مقدار باید در یک فاکتور ضرب شود. برای هر فاصله میله ای که مورد استفاده قرار گرفته است، این فاکتور عبارت است از حاصلضرب مقدار فاصله میله ها بر حسب فوت و عدد ثابت 2/191 می باشد. به عنوان مثال، فرض کنید که برای آزمایش مقاومت مخصوص خاک، میله ها در فواصل 5 فوت قرار دارند. حال اگر جریان مستقیمی به اندازه mA 500 بین میله های بیرونی اعمال گردد و این جریان باعث تغییر ولتاژ از 50 میلی ولت در حالت قطع تا 460 میلی ولت در حالت برقراری جریان شود (میلی ولت 410 = 50 – 460 =)، در این صورت مقدار مقاومت برابر است با :
اهم 82/0 = میلی آمپر 500 ÷ میلی ولت 410
اگرچه برای اندازه گیری مقاومت خاک ممکن است به طور جداگانه ولتاژ جریان مطابق با آنچه که توضیح داده شد اندازه گیری شود ولی دستگاههایی نیز در دسترس هستند که می توانند مقاومت را مستقیماً بر حسب اهم نشان دهند.
برای ارزیابی شرایط خاک بر اساس مقاومت مخصوص آن نیاز به وجود جداول استاندارد می باشد. جدول (2) نمونه ای از یک جدول استاندارد برای ارزیای مقاومت مخصوص خاکها می باشد. محدوده تغییرات مقاومت مخصوص محیطهای مختلف بین 20 اهم- سانتیمتر برای آب دریا تا میلیون اهم- سانتیمتر برای بعضی از خاکهای صخره ای می باشد. قابل ذکر است که در اثر انجماد خاکها، مقاومت مخصوص آنها افزایش می یابد.
جدول 2- خورندگی خاک بر حسب مقاومت مخصوص آن
خورندگی
مقاومت مخصوص (اهم- سانتیمتر)
خیلی خورنده
کمتر از 500
خورنده
1000-500
به طور متوسط خورنده
2000-1000
خیلی کم خورنده
10000-2000
غیر خورنده
بالای 10000
تاثیر شرایط محلی در طراحی
در حین ممیزی و بررسی حفاظت کاتدی، باید عوامل و شرایط محلی که در طراحی و تعیین نوع سیستم حفاظت کاتدی دارای تاثیر عمده می باشند مورد بررسی قرار گیرند. این شرایط عبارتند از:
1- دسترسی به نیروی الکتریکی برای سیستم های حفاظت کاتدی از نوع اعمال جریان.
2- محل های مناسب برای تاسیسات حفاظت کاتدی (بسته به مقاومت مخصوص مطلوب خاک) از جهت آنکه برای بازرسی قابل دسترسی بوده و در ضمن دستخوش ساخت و سازها و دیگر فعالیت هایی که به مرور تاسیسات را غیر قابل دسترس می نماید نباشند.
3- حضور سازه های فلزی دیگری که بوسیله سیستم حفاظت کاتدی طراحی شده تحت تاثیر خواهند بود.
4- وجود سیستم های حفاظت کاتدی برای سازه های دیگر که می تواند بر سازه تحت حفاظت مورد نظر تاثیر داشته باشد.
5- حضور منابع جریانهای مستقیم سرگردان مانند سیستم های راه آهن برقی با جریان مستقیم.
6- شرایط محیطی غیر متداول مانند تخلیه فاضلابهای اسیدی از کارخانجات تولیدی برای وسایل مورد نیاز ممیزی و ارزیابی خوردگی قبل از اعمال حفاظت کاتدی و همچنین انجام آزمایشهای ادواری بر سازه های تحت حفاظت به تجهیزات ویژه و روشهای کاربرد آنها نیاز می باشد. بحث کاملی درباره این موضوع فضای بیشتری را نسبت به این فصل می طلبد.
توضیحات کاملی در این زمینه در کتاب "کنترل خوردگی خط لوله" که توسط NACE در دسترس قرار گرفته آورده شده است. به طور کلی تجهیرات پایه ای و ضروری شامل موارد ذیل است:
1- ولت متر و آمپرمتر حساس dc برای اندازه گیری پتانسیل های حفاظت انجام آزمایش های مقاومت مخصوص خاک و آب، اندازه گیری شار جریان و غیره، اگرچه این دستگاهها به طور جداگانه تهیه و مورد استفاده قرار می گیرد. این وسایل از مدارهای ولت متر و آمپرمتر تشکیل شده اند که دارای خصوصیات طراحی شده ویژه برای کارهای آزمایشی حفاظت کاتدی هستند و چنین وسیله ای یک ابزار اساسی در مجموعه وسایل مورد نیاز می باشد.
2- الکترودهای مرجع مناسب مانند الکترودهای مرجع مس- سولفات مس که از طریق تهیه کنندگان تجهیزات در دسترس هستند.
3- نشانه گرهای محل لوله و کابل، غالباً برای نگهداری سیستم های حفاظت کاتدی اطلاع از محل دفن لوله ها و سیم های ارتباطی لازم می بشاد.
4- یک ولت- اهم- آمپرمتر ac-dc برای آزمونهای نگهداری دستگاههای حفاظت کاتدی از نوع اعمال جریان و برای اهداف آزمایشی عمومی مفید است.
5- یک ولت متر dc دارای ثبت کننده، برای ثبت پتانسیل های متغیر سازه- به- محیط که در نتیجه جریانهای مستقیم سرگردان در زمین جاری هستند نیاز می باشد.
6- در محل هایی که به دفعات نیاز به اندازه گیریهای مقاومت مخصوص خاک می باشد تهیه یک دستگاه آزمایش مقاومت مخصوص خاک ضروری خواهد بود.
7- کابلهایی از سیم های هادی عایق شده برای ارتباط دادن بین دستگاهها و غیره، حداقل به طول 500 فوت.
وسایل و ابزار آزمایشی فوق بسیار حساس هستند تا بتوانند مقادیر کوچک جریان مستقیم ولتاژ ایجاد شده در آزمایشات مربوط به حفاظت کاتدی را مشخص نمایند. بنابراین باید با احتیاط حمل شوند در ضمن هر گونه بی توجهی در این زمینه می تواند منجر به از کار افتادن و یا کاهش میزان دقت آنها شود.
مطلبی که باید درباره تفسیر نتایج خوانده شده دانست تا بتوان به مقادیر حاصل از نتایج آزمایشات اعتماد کرد، تصحیح نمودن عملی نتایج است. برای مثال ممکن است شگفت آنگیز باشد که مثلاً عدد خوانده شده برای پتانسیل سازه با استفاده از الکترود مرجع علیرغم آنکه از دستگاه ولت متر دقیق استفاده شده است، دقیق نباشد. این اشکال در اثر وجود نسبت مقاومت درونی دستگاه مورد استفاده به مقاومت مدار خارجی که دستگاه به آن متصل است پدید می آید. (شکل 11) برای تصحیح این نتایج می توان از فرمول زیر استفاده نمود:
مقاومت مدار خارجی + مقاومت داخلی ولت متر
×
ولتاژ خوانده شده توسط ولتمتر = ولتاژ تصحیح شده
مقاومت داخلی ولت متر
بنابراین اگرچه ولت متر با مقاومت پایین، علیرغم آنکه یک ابزار بسیار دقیق می بشاد ولی بدون تصحیح نتایج حاصل از آن برای اندازه گیریهای مربوط به حفاظت کاتدی کارآیی مفید ندارد. جهت استفاده های عملی در حفاظت کاتدی باید از ولت مترهای مقاومت داخلی بسیار بالا استفاده شود.
شکل 11- مقاومت های مورد بررسی در اندازه گیری پتانسیل خط لوله
A- مقاومت سیم های ارتباطی. B- مقاومت اتصال بین لوله و زمین. C- مقاومت اتصال بین الکترود مرجع و زمین. D- الکترود مرجع. E- مقاومت مدار خارجی شامل A و B و C. F- مقاومت داخلی ولتمتر
عوامل موثر در طراحی حفاظت کاتدی
جریان کل مورد نیاز
مقدار جریان کل مورد نیاز برای حفاظت کاتدی پروژه باید معلوم باشد. این جریان را می توان توسط آزمایش تعیین جریان لازم با استفاده از یک سیستم حفاظت کاتدی موقت مشخص نمود. اگر جریان کل مورد نیاز برای حفاظت کاتدی کم باشد (در حدود 5/1 تا 2 آمپر) در این صورت استفاده از سیستم آندهای قربانی شونده بهترین انتخاب می باشد. در صورتیکه مقدار جریان کل مقدار بزرگی باشد استفاده از سیستم اعمال جریان اقتصادی تر است. البته یک استثناء قابل ملاحظه در این مورد در کارهای دریایی است که در آن سازه هایی چون سکوهای حفاری و بدنه های شناورها علیرغم آنکه نیاز به جریان کل بزرگی دارند ولی با استفاده از آندهای قربانی شونده تحت حفاظت قرار می گیرند.
هر چند برای تعیین مقدار جریانی که جهت کاربردهای خاص باید فراهم گردد، نیاز به انجام آزمایش جریان واقعی لازم می باشد، از جدول (3) نیز می توان برای دستیابی به مقدار سرانگشتی جریان آزمایشی لازم، استفاده نمود. دقت شود که این جداول را نمی تون برای اهداف طراحی به کار برد. زیرا تمام مقادیر جریان اشاره شده در این جدول بسته به شرایط محیطی تحت تغییر می باشند.
جدول 3- مقدار سرانگشتی جریان مورد نیاز جهت حفاظت کاتدی فولاد (این مقادیر تقریبی بوده و نباید برای طراحی مورد استفاده قرار گیرد)
شرایط
جریان مورد نیاز mA/ft2
فولاد لخت در آب دریای مواج
15-10
فولاد لخت در آب دریای آرام
8-5
فولاد لخت در زمین
3-1
فولاد با پوشش ضعیف در زمین با آب
1/0
فولاد با پوشش خوب در زمین با آب
003/0
فولاد با پوشش بسیار خوب در زمین با آب
0003/0 یا کمتر
تغییرات محیطی
در مورد خاک، این تغییرات شامل تغییراتی از خاکهای سفت و کم هوادهی شده (مقدار اکسیژن کم برای حفاظت سطح) تا آن خاکهایی که خشک و ماسه ای بوده و به خوبی هوادهی شده اند می باشد. فلزی که در خاک کم هوادهی شده قرار می گیرد، تمایل دارد که نسبتاً آسان پلاریزه شود. برای پلاریزه کردن یک سازه در خاک که اکسیژن کافی در دسترس سطحش قرار دارد، مقدار جریان بیشتری نیاز می باشد. شرایط اسیدی خاک نیز ممکن است پلاریزاسیون را بسیار مشکل تر نماید. هم اکسیژن و هم شرایط اسیدی تمایل به دی پلاریزه کردن داشته و این کار را با گرفتن هیدروژن از لایه پلاریزاسیون (که در نتیجه فرآیند حفاظت کاتدی تشکیل شده) انجام می دهند.
در آب، میزان حرکت آب می تواند تاثیر قطعی بر این مسئله بگذارد. سازه های درون آبهای آرام، کمترین جریان را جهت حفاظت نیاز دارند. آبهای بسیار متلاطم اثر دی پلاریزاسیون مکانیکی قوی بر سازه ها دارند. این اثر از طریق پاک کردن لایه های سطحی توسط حرکت آب به وجود می آید. علاوه بر این، آب متلاطم مستعد هوادهی بالایی است و بنابراین اثر دی پلاریزاسیون مضاعفی دارد.
لازم است که تغییرات مقاومت الکتریکی محیط معلوم گردد. در صورتیکه عوامل دیگر اجازه دهند، خاکی که کمترین مقاومت مخصوص را داشته باشد، معمولاً مناسبترین محل برای نصب آندها، چه در روش آندهای گالوانیکی (فدا شونده) و چه در سیستمهای اعمال جریان می باشد.
پوششهای محافظ
اگر سازه تحت حفاظت دارای پوشش باشد لازم است که نوع پوشش و شرایط قرار گرفتن آن در محیط معلوم گردد. این نکته که پوشش پایداری خوبی دارد یا نه، بسیار مهم است و این امر به معنای توانایی آن جهت تامین مقاومت الکتریکی بالا و در کنار آن، حداقل زوال آن با زمان است.
اندازه گیری مقاومت نسبت به زمین یک سازه پوشش دار، بلافاصله پس از نصب می تواند گمراه کننده باشد بخصوص در خاکها، اندازه گیریهای پیش از قرار دادن پشت بند در اطراف سازه و در شرایط کاملاً اشباع از آب، می تواند مقاومت بسیار بالاتری را نسبت به حالت پس از تثبیت شرایط، نشان دهد.
ملاحظات اقتصادی
اولین ملاحظه این است که آیا هزینه سیستم حفاظت کاتدی موجه می باشد یا نمی باشد، در بعضی موارد تعویض سازه بهترین انتخاب است. در سایر حالتها ممکن است زمان سرویس دهی سازه آنقدر طولانی نباشد که هزینه حفاظت کاتدی را توجیه کند، مگر اینکه شرایط خطرناکی حضور داشته باشند.
در صورتیکه حفاظت کاتدی راه حلی اقتصای برای مشکل خوردگی باشد، نوع سیستم حفاظت کاتدی انتخاب شده باید کمترین هزینه را در بر داشته باشد. علاوه بر هزینه اولیه طراحی و نصب سیستم، هزینه انرژی (در صورت لزوم) و هزینه نگهدای سیستم (بازرسیها، تعمیرات و تعویضها) نیز باید در نظر گرفته شوند.
فلز تحت حفاظت
هر چند که فولاد تا درجه قابل قبولی از حفاظت اضافی تحت تاثیر معکوس قرار نمی گیرد، اما فلزات دیگری هستند که در اثر این پدیده آسیب پذیر می باشند. به عنوان مثال، آلومینیوم نسبت به تهاجم قلیایی حساس است. فرآیند حفاظت کاتدی یک محیط قلیایی روی سطح سازه تحت حفاظت به وجود می آورد. اگر پتانسیل بسیار زیادی روی آلومینیوم نگهداشته شود، محیط می تواند بسیار قلیایی شود به طوریکه آلومینیوم خیلی سریعتر از زمانی که اصلاً حفاظت کاتدی نشده است خورده شود. این نوع تهاجم را "خوردگی کاتدی" می نامند. در صورتیکه بر روی آلومینیوم حفاظت کاتدی انجام می گیرد، پیشنهاد می شود که پتانسیل حفاظت در محدوده 1- تا 1/1- ولت نسبت به الکترود مرجع سولفات مس می باشد اما در هیچ حالتی پتانسیل بیش از 2/1- ولت مجاز نیست.
سرب نیز نسبت به تهاجم قلیایی حساس است. تجربه نشان می دهد که تا زمانی که حفاظت کاتدی ادامه دارد، احتمال هیچ تهاجم جدی وجود ندارد، اما در صورتیکه جریان حفاظتی برای یک مدت طولانی قطع شود، محیط قلیایی ایجاد شده روی سطح سرب ممکن است منجر به مشکلاتی شود.
طول عمر طراحی شده سیستم
لازم است که عمر مفید مورد انتظار سازه مشخص شده باشد. از نظر کاربردی عمر طراحی سیستم حفاظت کاتدی باید با عمر مفید مورد انتظار از سازه متناسب باشد خصوصاً آن که در طراحی سیستم حفاظت کاتدی اصلاً بنابر آن نیست که این سیستم برای مدت زمانی بیش از عمر مفید مورد انتظار سازه کار کند. هزینه اضافی جهت حفاظت طولانی تر به منزله هدر دادن پول است.
قابلیت و سهولت نگاهداری سیستم
انتخاب سیستم های حفاظت کاتدی توسط در دسترس بودن و قابل اطمینان بودن امکانات و پرسنل کنترل و نگاهداری تحت تاثیر می باشد، برای مثال در صورت در دسترس نبودن این امکان انتخاب ساده ترین سیستم حفاظت کاتدی که محفوظ از هر گونه اشکال باشد حتی با هزینه اولیه نصب بالا بهترین انتخاب خواهد بود. بر این اساس تحت بعضی شرایط، استفاده از آندهای قربانی شونده در مقایسه با سیستم اعمال جریان که نیاز به توجه و نگهداری بیشتری دارد ارجح خواهد بود. در جایی که لوازم نگهداری مناسب در دسترس نیست، استفاده از سیستم اعمال جریان حفاظتی آن ممکن است بنا به دلایلی (مانند سوختن فیوزها، شکستن بستر آندی، قطع تصادفی یک کابل و غیره) قطع شده و شاید برای مدت زمانهای طولانی همچنان قطع باقی بماند، کار درستی نباشد. در طول این مدت هیچ سودی از نصب این سیستم به دست نیامده و در ضمن آسیبهای خوردگی نیز بر سازه ظاهراً تحت حفاظت ایجاد خواهد گردید.
البته سیستمهای آند قربانی شونده نیز به همین ترتیب ممکن است آسیب ببیند. با این وجود، اگر طراحی بر اساس این سیستم صورت گرفته است، می توان آن را طوری ترتیب داد که زبان این خرابیها روی بخش کوچکی از سیستم تحت تاثیر بگذارد بدون اینکه ضرورتاً در جای دیگر پتانسیل حفاظت کاهش یابد. در صورتیکه خرابی در سیستم اعمال جریان معمولاً منجر به از کار افتادن کل سیستم حفاظت کاتدی می گردد.
اثرات جریانهای سرگردان
پیش از شروع طراحی سیستم های حفاظت کاتدی باید از حضور جریانهای سرگردان در محیط اطراف سازه اطلاع حاصل نمود. جریانهای سرگردانی که شدیداً سازه را تحت تاثیر قرار می دهند جریانهایی هستند که دارای شدت زیاد بوده و همچنین مرتباً در حال تغییر می باشند. از انواع این جریانها می توان جریان حاصل از قطارهای برقی، وسایل عملیات حفاری و وسایل جوشکاری با برق dc را نام برد.
بسته به شدت اثر جریان سرگردان، مقدار پتانسیل آندی (در نواحی که جریان سرگردان از سازه تحت تاثیر خارج شده و سبب خوردگی می گردد) ممکن است چنان باشد که نتوان آنها را به آسانی با سیستمهای متداول حفاظت کاتدی خنثی نمود. خصوصاً این حقیقت وجود دارد که در نواحی خروج جریان؛ سازه ممکن است نسبت به محیط خود چندین ولت مثبت تر باشد. چنین شرایطی مستلزم روشهای خاص کنترل جریان سرگردان است که شامل ایجاد اتصالهای فلزی بین سازه تحت تاثیر و منبع تولید جریان سرگردان، یا سایر وسایل زدودن جریان سرگردان بدون هیچ آسیبی به سازه تحت تاثیر، می باشد.
علاوه بر انواع متغیر جریانهای سرگردان که توصیف شد، ممکن است جریانهای سرگردان حالت پایدار نیز بروز کنند. این جریانها ممکن است ناشی از سیستم حفاظت کاتدی از نوع اعمال جریان باشد که در مجاورت سازه حفاظت نشده قرار داشته باشد. در صورتیکه سازه حفاظت نشده از میان میدان گرادیان پتانسیل اطراف بستر آند که خاک آن نسبت به خط لوله مثبت تر است بگذرد. وجود اختلاف پتانسیل مثبت منجر به جاری شدن جریان به درون آن می گردد از آنجا که هیچ مسیر فلزی دیگری وجود ندارد تا این جریان بتواند به بستر آندی مولد جریان سرگردان برگردد، بنابراین این جریان از قسمتهای دیگر سازه که خارج از میدان گرادیان پتانسیل بستر آندی است، به زمین تخلیه می شود. در چنین وضعیتی ممکن است اتصالات فلزی بین سازه تحت تاثیر و سازه تحت حفاظت با سیستم اعمال جریان، نصب گردد. در موارد شدید، ممکن است نیاز به تغییر محل بستر آندی ایجاد کننده جریان سرگردان باشد.
هنگام طراحی یک سیستم حفاظت کاتدی، لازم است که بسترهای آن طوری نصب شوند که جریان سرگردان حاصل از آنها بوسیله سازه های دیگر دریافت نشود. این نکته بخصوص در مواردی که از سیستمهای اعمال جریان استفاده می شود اهمیت می یابد.
شکل (12) طرح کلی از شرایط بروز جریان سرگردان را نشان می دهد. در این شکل از خطوط لوله به عنوان یک وسیله متداول نمونه استفاده شده است.
اثر دما
اثر دما بر طراحی حفاظت کاتدی در وهله اول به تغییر مقاومت مخصوص محیط می انجامد. معمولاً در اثر افزایش دما، مقاومت مخصوص خاک و آب کاهش می یابد. بیشترین تغییر در نتیجه انجماد روی می دهد. مقاومت مخصوص خاک یا آب منجمد می تواند بسیار بالاتر از مقاومت مخصوص آنها در شرایط غیر منجمد باشد. به همین دلیل، انجماد اندازه گیریهای مقاومت مخصوص مواد منجمد، جهت اهداف طراحی بستر آند غیر اصولی خواهد بود. در کارهای دریایی مقاومت مخصوص آب دریا در مناطق گرمسیری می تواند به مقدار قابل توجهی کمتر از مقاومت همان آب در نواحی سردتر باشد.
شکل 12- خوردگیهای ناشی از جریانهای سرگردان
الف) جریانهای سرگردان ناشی از سیستم قطار برقی. A- قطاری که با موتور الکتریکی کار می کند. B- اتصالات بالاسری. C- ریل راه آهن. D- جریان عبوری. E- ایستگاه تامین کننده جریان DC برای راه آهن. F- بخشی از جریان که از خط آهن به زمین جاری می گردد. سازه های فلزی درون خاک که در مسیر حرکت قطار به ایستگاه قرار دارند، جریان را مطابق شکل دریافت کردن و در این نقاط حفاظت کاتدی می شوند. G- جریان خارج شونده از خطوط لوله به زمین (که موجب خوردگی لوله می شود) در مجاورت ایستگاه به ترمینال منفی (زمین) برگشته و مدار را کامل می کند.
ب) جریان حالت پایدار حاصل از سیستم حفاظت کاتدی مجاور. A- یکسو کننده سیستم حفاظت کاتدی از نوع اعمال جریان. B- بستر آندی. C- خط لوله ای که از نظر الکتریکی از خط لوله حفاظت شده جدا است. D- خط لوله دریافت کننده جریان از بستر آندی در این ناحیه که تحت حفاظت قرار دارد. E- جریان خارج شونده از لوله در این ناحیه که به سمت سازه تحت حفاظت جاری می شود تا مدار را کامل کند. لوله در محل خروج جریان، خورده می شود.
هر گاه چنین مشکلی وجود داشته باشد، بسترهای آندی را باید پایینتر از عمق منجمد شده در درون خاک یا آب نصب نمود.
در صورتی که به منظور حفاظت کاتدی وسیله ای همچون مبدل حرارتی، نیاز به اندازه گیری مقاومت مخصوص آبهای نمونه گیری شده از محفظه آب باشد، لازم است که این اندازه گیری در دمای کاری عادی محظه آب انجام گیرد.
مواد آندهای قربانی شونده (گالوانیک)
مواد مناسب برای استفاده به عنوان آندهای قربانی شونده، شامل آلومینیوم، منیزیم و روی می شود. مقدار انرژی الکتریکی که می توان از یک آند قربانی شونده به دست آورد، به اکی والان الکتروشیمیایی فلز (بر حسب آمپر ساخت بر پوند) و راندمان آند بستگی دارد. یک آمپر ساعت، جریان یک آمپر است که در مدت یک ساعت جاری می شود و یا برابر است با هر ترکیبی از آنها که این مقدار را بدهد مثلاً جریان 5/0 آمپر که به مدت 2 ساعت و یا جریان 2 آمپر که بر مدت 5/0 ساعت جاری شود.
راندمان یک آند قربانی شونده بر حسب آمپر ساعت بر پوند، در واقع از تقسیم مقدار جریان مفیدی که صرف حفاظت کاتدی می شود به جمع کل مقدار تئوری آمپر ساعت بر پوند ماده فلزی به دست می آید. آندهای قربانی شونده در معرض یک نوع خوردگی موسوم به خود خوردگی (Self-corrosion) هستند که در اثر آن، انرژی مصرف می شود و همین نکته بیان کننده علت کمتر از صد بودن راندمان این نوع آندها است.
همانطور که قبلاً بیان شد، آندهای روی (Zn) دارای محتوای انرژی تئوری 372 آمپر ساعت بر پوند هستند اما در عمل حدود 95 درصد راندمان دارند که در نتیجه خروجی مفید آنها 353 آمپر ساعت بر پوند می شود پتانسیل کاری آند روی در مقایسه با الکترود سولفات مس 1/1- ولت می باشد.
آندهای آلومینیومی دارای محتوای انرژی تئوری 1345 آمپر ساعت بر پوند هستند. در سالهای اخیر، استفاده از آندهای آلومینیومی برای آب دریا افزایش یافته و این آندها در عمل راندمان 95 درصد را نشان می دهند که در نتیجه خروجی مفید آن حدود 1278 آمپر ساعت بر پوند است پتانسیل کاری آن مشابه روی است. اگرچه بسته به نوع آلیاژ تغییراتی در آن دیده می شود.
آندهای منیزیمی دارای انرژی تئوری 1000 آمپر ساعت بر پوند هستند. راندمان آنها بسته به دانسیته جریان خروجی بر حسب میلی آمپر بر فوت مربع از سطح آند، متغیر است و به طور نمونه برای دانسیته جریان خروجی 30 میلی آمپر بر فوت مربع حدود 50 درصد می باشد (خروجی مفید 500 آمپر ساعت بر پوند). پتانسیل کاری آند در مقایسه با الکترود سولفات مس می تواند در گسترده تقریباً 45/1- ولت برای آلیاژ استاندارد منیزیم تا حدود 70/1- ولت برای آندهای دارای پتانسیل بالا تغییر کند.
نوعی از آندهای روی با خلوص بالا (99/99 درصد خلوص یا بیشتر) برای استفاده در خاک ساخته شده است. برای کاربردهای دریایی، ممکن است مقادیر کمی آلومینیوم و کادمیوم به آن اضافه شود تا از حداکثر شدن راندمان آن اطمینان حاصل شود. اگر روی با خلوص پائین تر استفاده شود، ممکن است راندمان آن کاهش یافته و سریعاً پاسیو شود. در این صورت حاوی درصد کمی از عناصر آلیاژی باشند و در بعضی موارد به منظور به دست آوردن خواص مورد نظر، عملیات حرارتی نیز شده باشند.
آندهای استاندارد منیزیم حاوی مقادیر قابل ملاحظه ای از عناصر آلیاژی می باشند. به عنوان نمونه این مقادیر ممکن است شامل 6 درصد آلومینیوم، 3 درصد روی و 2/0 درصد منگنز باشد. علاوه بر این آند از آند دیگر منیزیم که به آلیاژ پتانسیل بالا موسوم است نیز به عنوان یک آلیاژ اختصاصی استفاده می شود.
مواد اولیه آندها در وزن ها و اشکال گوناگون ریخته گری می شوند تا نیازهای لازم در طراحی حفاظت کاتدی را برآورده نمایند. اطلاعات مربوط به آندهای قربانی شونده را می توان از تامین کنندگان مواد اولیه حفاظت کاتدی به دست آورد.
آندهای سیستم اعمال جریان
آندهایی که برای سیستم اعمال جریان استفاده می شوند، ترجیحاً باید هنگام تخلیه جریان در کمترین سرعت ممکن خورده شوند.
در صورتی که از میله ها، ریلها، یا لوله های آهنی قراضه یا سایر مواد فولادی یا آهنی مشابه استفاده شود، سرعت مصرف خواهد بود (با عبور 1 آمپر جریان برای مدت یکسال) این بدان معناست که برای حفاظت کامل نیاز به مقدار زیادی آند می باشد. بنابراین استفاده از این آندها هنگامی مقرون به صرفه است که قراضه های آهن با قیمت پایین در دسترس باشند.
یک نوع مخصوص آند که از آهن ریخته گری تهیه می شود، شامل ترکیبی از 5/14% سیلیسیم و دیگر عناصر آلیاژی است که با سرعت خیلی پایینی مصرف می شود (نوعاً چند دهم پوند در آمپر- سال) این جنس آند در اندازه های متنوع به منظور رفع احتیاجات مربوط به طراحی تهیه می شوند.
نوع دیگری از آندها که موارد استفاده وسیعی دارد کربن یا گرافیت می باشد. آندهای از این جنس نیز با سرعت پایینی مصرف می شوند (کمتر از یک پوند در آمپر- سال) از طرف دیگر این آندها در شکلها و اندازه های مختلف در دسترس می باشند.
همچنین برای کارهای دریایی، یا آلیاژهای سرب- نقره به موفقیتهای قابل ملاحظه ای دست یافته اند. اگرچه مصرف سرب در حدود می باشد، با وجود این آلیاژهای مناسبی از سرب- نقره می توانند تشکیل یک لایه پراکسید سرب بر روی سطح خارجی آند نمایند، با تشکیل این لایه سرعت مصرف آند در اثر تخلیه جریان از آن کاهش می یابد.
آند پلاتین با سرعت بسیار پایین مصرف می شود. به دلیل قیمت بالای پلاتین، آن را معمولاً بر روی یک فلز ارزانتر پوشش می دهند و برای این منظو رتیتانیم با موفقیت جواب داده است.
تیتانیم پلاتینه شده برای کارهای دریایی بر روی کشتی ها به کار می رود و نیز برای کاربردهایی که شامل قسمتهای داخلی سازه ها می شود از قبیل محفظه آب کندانسورها و قطعات داخلی پمپها و قسمتهای داخلی خطوط لوله بکار می رود.
پشت بند آند (Back Fill)
در اکثر موارد آندهای قربانی شونده که در خاک دفن می شوند توسط پشت بندهای شیمیایی احاطه می شوند و مزیت این عمل از چند جنبه می باشد: اولاً پشت بند مخصوص در اطراف آند محیطی یکنواخت به وجود می آورد که منجر به مصرف یکنواخت آند شده و راندمان را به بالاترین مقدار ممکن می رساند. ثانیاً پشت بند از تماس مستقیم آند با خاک و در نتیجه از انجام فعل و انفعالات شیمیایی با آن جلوگیری می کند. در غیر اینصورت بر روی سطح آند فیلمهای پاسیو با مقاومت بالا تشکیل می گردد که باعث عدم تخلیه جریانهای مفید می شود. ثالثاً پشت بند مثاومت الکتریکی پایینی دارد، بنابراین در جایی که خاک اطراف پشت بند دارای مقاومت بالاتری است، با استفاده از پشت بند می توان مقاومت آند به زمین را کاهش و در نتیجه خروجی جریان آن را افزایش داد.
ترکیب پشت بندی که به عنوان نمونه برای آندهای منیزیمی به کار می رود عبارت از 75 درصد گچ آبدار، 20 درصد خاک رس بنتونیتی و 5 درصد سولفات سدیم است.
برای آندهای سیستم اعمال جریان معمولاً از پشت بند کک یا گرافیت استفاده می شود. این عمل دو مزیت دارد: یکی اینکه گرافیت یا کک مناسب، مقاومت الکتریکی خیلی پایین (کمتر از اکثر خاکها) داشته و این امر موجب کاهش مقاومت آند نسبت به زمین می گردد. دوم اینکه اگر کک یا گرافیت به صورت جامد در اطراف آند فشرده شده باشند، قسمت بیشتری از جریان تخلیه شده بوسیله آند از آند به پشت بند عبور می کند (در اثر تماس مستقیم آند با ذرات پشت بند) این عمل موجب کاهش سرعت مصرف آن می شود. در نتیجه عمر آندها و زمان تعویض آنها نسبت به حالتی که از پشت بند استفاده نمی شود، بیشتر می گردد.
پشت بندهای گرافیتی و ککی مناسب در بازار موجود می باشد. کک یا باید کک زغال سنگ و یا کک نفت عملیات حرارتی شده باشد. اگر از انواع دیگر استفاده شود به علت بالا بودن مقاومت الکتریکی آنها برای پشت بند مناسب نخواهند بود.
برای آندها در تمام سیستم های حفاظت کاتدی در محیط های آبی از پشت بند استفاده نمی شود.
طراحی بستر آند
اطلاعات و دانش در مورد اصول طراحی بستر آند به دو دلیل زیر ضروری می باشد:
1- طراحی سیستم آندهای گالوانیک باید طوری انجام شود که برای تولید جریان لازم، دارای مقاومت کم باشد.
2- طرای بستر آند سیستم اعمال جریان باید طوری طراحی شود که دارای مقاومتی باشد که بتواند خروجی جریان مورد نیاز را مطابق با ولتاژ اعمالی از سوی منبع جریان dc بپذیرد.
فرمولهای مختلفی برای بدست آوردن و تعیین مقاومت آند موجود می باشند. نمودارهای طراحی که بر اساس این فرمولها تهیه شده اند، نیز برای تامین نیازهای طراحی در دسترس می باشند.
فرمولی که برای به دست آوردن مقاومت یک آند عمودی منفرد، نسبت به زمین به طور گسترده استفاده می شود به صورت زیر می باشد:
در جائیکه :
R= مقاومت آند نسبت به زمین بر حسب اهم
P= مقاومت مخصوص موثر زمین بر حسب اهم- سانتیمتر
L= طول آند بر حسب فوت
d= قطر آند بر حسب فوت
این فرمول توسط H.B Dwight پایه ریزی شده است. و حالا خواهیم دید که چگونه از آن استفاده می شود. برای مثال اگر ما با آندی به قطر 3 اینچ و به طول 60 اینچ کاری کنیم، می توانیم مقاومت نسبت به زمین آن را در خاکی با مقاومت مخصوص 1000 اهم- سانتیمتر به دست آوریم:
برای استفاده در فرمول 1000 = P ، 5 = L و 25/0 = d در نتیجه :
اکنون مقاومت آندهایی با همین اندازه در خاکهایی با مقاومتهای متفاوت را می توان با تناسب بین آنها بدست آورد. برای مثال اگر مقاومت مخصوص موثر خاک برابر با 2220 اهم- سانتیمتر باشد، مقاومت آند منفرد عمودی با اندازه متشابه فوق الذکر برابر با اهم خواهد شد. حال اگر مقاومت مخصوص خاک 675 اهم- سانتیمتر باشد مقاومت آند فوق برابر با اهم خواهد شد.
فرمول فوق همچنین نشان می دهد که برای یک وزن مشخص از ماده آند، آند با طول بلند مقاومت کمتری نسبت به آند با طول کوتاه دارد. در بالا نشان داده شد که مقاومت نسبت به زمین یک آند با ابعاد اینچ 60× اینچ 3 در خاکی با مقاومت مخصوص 1000 اهم سانتیمتر برابر با 24/4 اهم است. حال اگر آندی با ابعاد اینچ 15× اینچ 6 که دارای وزن مساوی با وزن آند فوق الذکر است بکار بریم، مقاومت نسبت به زمین آن برابر خواهد بود با:
که این در واقع دو برابر مقاومت آند اولی می باشد. بنابراین نشان می دهد که با ثابت نگاهداشتن وزن آند و افزایش طول آن می توان به مقاومت کمتری دست یافت. این نوع آندها به ویژه برای محیطهای دارای مقاومت مخصوص بالا بسیار مفید می باشند. از طرف دیگر در محیطهایی با مقاومت مخصوص پایین همچون آب دریا، آندهایی با طول کوتاه دارای مقاومت کمتری بوده و ایده آل می باشند.
فرمول فوق برای یک آند منفرد عمودی کاربرد دارد. حال اگر مقاومت یک آند منفرد با اندازه کافی پایین نباشد تا بتواند جریان مورد نیاز را تخلیه نماید، در این صورت باید آندهای بیشتری به کابل اصلی آندها اضافه شوند.
در مدار الکتریکی معمولی، 3 مقاومت 6 اهمی که به طور موازی به یکدیگر متصل شوند دارای مقاومت معادل اهم 2 = 3 ÷ 6 خواهند بود. اما این تحلیل برای آندهای بستر آند صدق نمی کند و مقاومت معادل در مدار آندها بیشتر خواهد بود زیرا جریانهای حاصل از آندهای مجاور وارد یک محیط شده و باعث به وجود آمدن اثرات تداخلی بینابینی می شود.
فرمول زیر توسط Sunde ابداع شده است. بر اساس این فرمول مقاومت هر تعداد آند عمودی که در فواصل مشخص و یکسانی از یکدیگر و در راستای یک خط مستقیم قرار گرفته اند قابل محاسبه می باشد:
در فرمول فوق:
N= تعداد آندهای موازی
S= فاصله بین آندها بر حسب فوت
D= قطر آند بر حسب فوت
L= طول آند بر حسب فوت
p = مقاومت خاک بر حسب اهم- متر
برای آشنایی بیشتر با این فرمول، مقاومت به زمین 10 آند با ابعاد اینچ 60× اینچ 3 که به طور موازی در راستای یک خط مستقیم به فواصل مساوی 15 فوت از یکدیگر قرار گرفته اند را محاسبه می نماییم در بالا مقاومت یک آند منفرد با هیم ابعاد از طریق محاسبه با فرمول dwight برابر 24/4 اهم گردید. حال بر اساس فرمول مقاومت معادل مقاومت های موازی باید مقاومت مجموعه آندهای فوق را برابر با اهم گردد ولی بر اساس محاسبه مقاومت این مجموعه توسط فرمول Sunde خواهیم دید که چنین نمی باشد:
که این مواقع 31 درصد بیشتر از مقاومت حاصل از فرمول مقاومت معادل مقاومت های موازی می گردد.
در ضمن باید مقاومت سیم ها یا کابلها نیز به عدد فوق اضافه شود. برای انجام این کار باید مقاومت کابل بین خط لوله و نقطه اتصال به کابل اصلی آند به اضافه مقاومت نصف طول کابل اصلی محاسبه و به مقدار فوق افزوده شود. علت آنکه برای این محاسبات از نصف طول کابل اصلی استفاده می شود آنست که در واقع جریان در کابل اصلی منشعب شده و توسط آندها دریافت می شود.
بررسی اثر فاصله بین آندها و تعداد آنها بر روی مقاومت بسترهای سیستم های حافظت کاتدی به روش اعمال جریان
یکی از راهکارهای طراحی بهینه، داشتن یک مدار سیستم حفاظت کاتدی با حداقل مقاومت می باشد. چرا که اگر مقاومت کل مدار کم باشد امکان استفاده از یک ترانسفورمر- رکتیفایر با توان کمتر (و فمیت کمتر) وجود خواهد داشت. همانطور که در بخشهای بعد توضیح داده شده است، تنها عاملی که می تواند در مقاومت کل سیستم موثر واقع شود، مقاومت خود بستر است. بدین صورت که مقاومت خط لوله (سازه) و مقاومت پوشش خط لوله را نمی توان تغییر داد در مورد مقاومت کابل نیز (با توجه به اینکه بستگی به طول بستر دارد)، در عمل امکان تغییر وجود ندارد. با توجه به روابط مربوط به محاسبه مقاومت کل سیستم و مقاومت بسترهای آندی (عمودی و افقی) آندها و فاصله بین آنها را می توان به صورت یکسری مقاومت موازی در نظر گرفت، هر چه تعداد مقاومتهای موازی در یک مدار کاهش یابد مقاومت کل مدار افزایش خواهد یافت و بالعکس. جهت کاهش مقاومت کل سیستم حفاظت کاتدی نیز از همین حربه استفاده کرده و تعداد آندها و فاصله ها بین آنها (افزون طول بستر) را افزایش می دهند(1). همانطور که بیان شد، افزون طول کل بستر باعث کاهش مقاومت کل و کاهش هزینه های مربوطه خواهد شد و لیکن مشکلاتی از قبیل: افزایش هزینه های مربوط به حفاری، غیر ممکن بودن حفاری های طولانی در محیط های بسته صنعتی، افزایش احتمال ایجاد جریانهای سرگردان بر روی سازه های مجاو رو جریانهای تداخلی و …. نیز افزایش خواهد یافت.
بنابراین امکان افزودن طول بستر دارای محدودیتهایی بوده که طراح بستر دارای محدودیتهایی بوده که طراحی باید با در نظر گرفتن تمامی موارد مذکور، تعداد آند و فاصله ای را انتخاب کند که دو شرط زیر را دارا باشد (1و 2) :
* مقاومت بستر و مقاومت کل مدار کمتر از مقاومت قابل تحمل توسط ترانسفورمر رکتیفایر باشد.
* مشکلات مربوط به مسائل اقتصادی به حداقل ممکن رسیده و امکان اجرای طرح نیز وجود داشته باشد.
در مبحث فوق، علاوه بر بررسی چگونگی محاسبه مقاومتهای موجود در بسترهای عمودی و افقی، در نهایت اثر توام تعداد آندها و فاصله بین آنها بر روی مقاومت بستر آندی به صورت یکسری منحنی ارائه خواهد شد.
محاسبه مقاومت کل سیستم حفاظت کاتدی
مقاومت کل مدار سیستم حفاظت کاتدی از رابطه (1) محاسبه می شود (1-4) :
در رابطه (1)، Rtotal مقاومت کل مدار، RgroundBed مقاومت بستری آندی (هر نوع بستر) Rstructure مقاومت سازه (از قبیل خط لوله، مخزن و …) Rcable مقاومت کابل مورد استفاده در مدار Rcoat مقاومت پوشش مربوط به سازه تحت حفاظت (در صورت وجود) و Rground مقاومت مربوط به زمین می باشند. تمامی مقاومتها بر حسب اهم می باشند.
هر یک از مقاومتهای مربوط به زمین، پوش سازه و کابل به روش خاص محاسبه می شوند. معمولاً از مقاومت زمین (به علت ناچیز بودن) چشم پوشی می شود با توجه به اینکه در سیستمهای حفاظت کاتدی بیشتر از بسترهای عمودی و افقی استفاده می شود (2 و 3). بنابراین چگونگی محاسبه مقاومتهای مربوط به این بسترها بیان می شود.
مقاومت پوشش هم بستگی به نوع پوشش و سطح آن دارد به صورتیکه هر چه جنس پوشش بهتر بوده و سطح آن نیز بیشتر باشد، مقاومت کل پوشش بیشتر می شود. مقاومت پوشش از رابطه (2) محاسبه می شود:
در رابطه فوق منظور از Value مقدار ثابتی است که به جنس پوشش بستگی دارد و می توان از یکسری جداول جهت محاسبه آن استفاده کرد.
مقاومت سازه نیز بستگی به شکل آن دارد، برای مثال برای مقاومت خطوط لوله از رابطه (3) محاسبه می شود:
در رابطه (3) نیز منظور از ، مقاومت مخصوص فولاد (جنس لوله بر حسب اهم متر)، با طول خط لوله (متر) و S سطح جانبی کل خط لوله (متر مربع) می باشد. جهت محاسبه مقاومت کابل نیز از رابطه (4) استفاده می شود.
در این رابطه نیز مقاومت مخصوص مس (مغزی کابل بر حسب اهم متر) و تا طول کابل (متر) و سطح مقطع کابل (متر مربع) می باشد. با توجه به اینکه در سیستمهای حفاظت کاتدی معمولاً از کابلهایی با سطح مقطع 16، 25، 25 میلیمتر مربعی استفاده می شود، بنابراین می توان با در نظر گرفتن مقاومت مخصوص مس و ضرایب مربوط به همگن کردن واحدها، از رابطه (5) به جای رابطه (4) استفاده کرد: در رابطه (5) تنها کافی است که طول کابل را بر حسب متر در صورت و شماره تجاری کابل در مخرج کسر گذاشته و مقاومت کابل را بر حسب اهم محاسبه نمود.
محاسبه مقاومت بسترهای عمودی :
روابط فراوانی جهت محاسبه مقاومت بسترهای عمودی وجود دارد. از رابطه :
(6) برای محاسبه مقاومت مربوط به یک آند عمودی و از رابطه (7) جهت محاسبه بیش از یک آند عمودی مورد استفاده قرار می گیرد (4-1) :
در روابط فوق مقاومت بستر عمودی (اهم)، P مقاومت مخصوص خاک (اهم سانتیمتر)، N تعداد آندها، L طول هر چاله مربوط به یک آ ند همراه با کک (سانتیمتر)، D قطر بستر (سانتیمتر و S فاصله بین آ ندها (سانتیمتر) می باشند. قطر بستر برابر قطر آند باضافه 30 سانتیمتر و طول هر چاله همراه با کک برابر طول آند به اضافه 50 سانتیمتر در نظر گرفته می شود (30 و 50 سانتیمتر مربوط به میزان کک اضافه شده در اطراف هر آند می باشد). همانطور که از روابط فوق مشخص است، افزایش N و S باعث کاهش می شوند.
اشکال (1) الی (6) مقاومت مربوط به بسترهای عمودی را در مقاومت مخصوصهای مختلف خاک نشان می دهند. در این بسترها از آندهای فروسیلیکون با ابعاد 60×30 اینچی استفاده شده است. عوامل تعیین کننده مقاومت بستر عمودی در این اشکال تعداد آندها و فاصله بین آنها می باشد، برای مثال بستر عمودی در خاکی با مقاومت مخصوص 1500 اهم- سانتیمتر، در صورتیکه دارای 5 آند بوده و فاصله این آندها برابر 200 سانتیمتر باشد مقاومتی برابر 213/1 اهم خواهد داشت. همین بستر با مشخصات فوق در خاکی با مقاومت مخصوص 7500 اهم سانتیمتر دارای مقاومتی برابر 064/6 اهم خواهد بود. این اشکال (و روابط 6 و 7) نشان می دهد که مقاومت مخصوص خاک تاثیر شدیدی بر روی مقاومت بستر خواهد داشت (5).
محاسبه مقاومت بسترهای افقی
جهت محاسبه مقاومت مربوط به بسترهای افقی از رابطه (8) استفاده می شود. در این رابطه مقاومت مربوط به بستر افقی (اهم)، p مقاومت مخصوص خاک (اهم- سانتیمتر)، N تعداد آندها، L طول کل بستر همراه با کک (سانتیمتر)، D قطر بستر (سانتیمتر)، H عمق دفن آندها (سانتیمتر) و S فاصله بین آندها (سانتیمتر) می باشند.
اشکال (7) الی (12) مقاومت مربوط به بسترهای افقی را در خ اکهایی با مقاومت مخصوصهای مختلف نشان می دهند. در این بسترها نیز از آندهای فروسیلیکون با ابعاد 60×30 اینچی استفاده شده است. تعداد آندها، فاصله بین آنها و مقاومت مخصوص خاک از عوامل تعیین کننده مقاومت بستر افقی می باشند. برای مثال بستر افقی در خاکی با مقاومت مخصوص 3500 اهم- سانتیمتر در صورتیکه دارای 7 آند بوده و فاصله بین آندها برابر 400، سانتیمتر باشد مقاومتی برابر 93/0 اهم خواهد داشت. همین بستر با مشخصات فوق در خاکی با مقاومت مخصوص 7500 اهم- سانتیمتر، دارای مقاومتی برابر 993/1 اهم خواهد بود. این اشکال و رابطه 8 نشان می دهند که مقاومت مخصوص خاک تاثیر شدیدی بر روی مقاومت بستر افقی دارد.
محاسبه مقاومت قابل تحمل توسط ترانسفورمر- رکتیفایر
معمولاً ترانسفورمر- رکتیفایر را بر اساس حداکثر ولتاژ و حداکثر جریان خروجی آنها طبقه بندی می کنند. البته یک طبقه بندی هم بر اساس تک فاز یا سه فاز بودن و یک دسته بندی بر اساس سیستم خنک کنندگی ترانس (روغن خنک و هوا خنک) می باشند. بدین صورت که منظور از ترانسفورمر- رکتیفایر مدل 25/75 این است که حداکثر جریان خروجی این ترانس 25 آمپر و حداکثر ولتاژ خروجی آن 75 آمپر می باشد. حداکثر مقاومت قابل تحمل ترانس، مقاومتی است که بر اساس آن مقاومت و جریان خروجی از ترانس (جریان عملی)، توان ترانس تعیین می شود. مقاومت قابل تحمل توسط ترانس از رابطه (9) محاسبه می شود.
(1-4-6) : در رابطه (9)، منظور از همان حداکثر مقاومت قابل تحمل (اهم) توسط ترانسفورمر- رکتیفایری می باشد که حداکثر ولتاژ خروجی آن (ولت) و حداکثر جریان خروجی آن بیشتر از 1t (جریان لازم جهت حفاظت کاتدی سازه مورد نظر طبق معیار انتخابی و بر حسب آمپر) می باشد. برابر ولتاژ برگشتی به ترانس (معدل 2 ولت) می باشد (4-6).
تست طراحی انجام شده و مقایسه مقاومت کل و مقاومت قابل تحمل توسط ترانسفورمر- رکتیفایر
با توجه به روابط (1) و (9) شرط اینکه یک طراحی صحیح بوده و بتوان بر اساس آن طراحی، سیستم حفاظت کاتدی را نصب و اجرا نمود این است که : باشد. در صورتیکه شرط فوق برقرار باشد، طراحی تمام شده و در غیر اینصورت باید تغییراتی را در طراحی ایجاد نمود. تغییرات می توانند به چند روش باشند از جمله (2 و 3) :
* افزایش قدرت ترانسفورمر- رکتیفایر (استفاده از ترانسفورمر- رکتیفایرهای قوی تر با خروجی بیشتر)
* تقسیم کردن بسترها به دو عدد و یا بیشتر
* کاهش مقاومت کل مدار تا زمان برقراری شرط فوق
از هر سه روش بالا می توان استفاده کرد و لیکن دو روش اول باعث افزایش شدید هزینه ها شده و ممکن است طرح (در نهایت مقرون) به صرفه نباشد. بنابراین در ابتدا سعی بر آن است که با کمک گرفتن از روش سوم شرط را برقرار ساخت در غیر این صورت به سراغ دو روش دیگر (ابتدا روش اول و سپس روش دوم) رفت. همانطور که گفته شد جهت کاهش دو روش دیگر (ابتدا روش اول و سپس روش دوم) رفت. همانطور که گفته شد جهت کاهش مقاومت کل مدار باید طول بستر را افزایش داد. با توجه به روابط (1) الی (8) و منحنی های (1) الی (12) در مورد بسترهای افقی و عمودی می توان با توجه به شرایط محیطی، شرایط سازه ای و تعداد آند مورد نیاز، فاصله بین آندها را طوری تعیین نمود که مقاومت بستر به اندازه ای باشد که در پایان شرط مورد نظر برقرار شود.
نتایج بررسی اثر فاصله بین آندها و تعداد آنها بر روی مقاومت بستر
با توجه به موارد مذکور و تکیه بر روابط و منحنی های حاصله، می توان نتایج زیرا را به عنوان بررسی اثر فاصله بین آندها و تعداد آنها بیان داشت:
– در شرایط یکسان مقاومت بسترهای افقی کمتر از بسترهای عمودی است.
– هر چه مقاومت مخصوص خاک بیشتر می شود، مقاومت مربوط به بسترهای آندی و در نهایت مقاومت کل نیز افزایش می یابد.
– افزایش تعداد آندها باعث کاهش مقاومت بسترها (و در نتیجه مقاومت کل) می شود.
– هر چه فاصله بین آندها در بسترهای آندی بیشتر شود، مقاومت کل مدار کاهش می یابد.
– پس از تعیین تعداد آندها، می توان فاصله بین آندها را افزایش داد تا مقاومت بستر کاهش یافته و مقاومت کل مدار نیز از مقاومت قابل تحمل توسط ترانسفورمر- رکتیفایر کمتر شود.
– در صورتیکه با ثابت نگهداشتن تعداد آندها و افزایش فاصله بین آنها، شرط مورد نظر برقرار نشد، می توان تعداد آندها را افزایش داده و مجدداً شرط را تست کرد.
– افزایش تعداد آندها نباید تا حدی باشد که در نهایت هزینه این روش بیشتر از هزینه های روش دیگر شود.
– در افزایش تعداد و فاصله آندها، همواره باید شرایط فیزیکی، امکان حفاری و … را مد نظر داشت.
P=100(Ohm-Cm)
Distance Between Anodes(Cm)
شکل (1) رابطه بین مقاومت بستر عمودی، تعداد آندها و فاصله بین آندها در خاکی با مقاومتی مخصوص 100 اهم- سانتیمتر
P= 500(Ohm-Cm)
Distance Between Anodes(Cm)
شکل (2) رابطه بین مقاومت بستر عمودی، تعداد آندها و فاصله بین آندها در خاکی با مقاومت مخصوص 500 اهم- سانتیمتر
P=1500 (Ohm-Cm)
Distance Between Anodes(Cm)
شکل (3) رابطه بین مقاومت بستر عمودی، تعداد آندها و فاصله بین آندها در خاکی با مقاومت مخصوص 1500 اهم- سانتیمتر
P= 5500 (Ohm-Cm)
Distance Between Anodes(Cm)
شکل (4) رابطه بین مقاومت بستر عمودی، تعداد آندها و فاصله بین آندها در خاکی با مقاومت مخصوص 5500 اهم- سانتیمتر
P= 3500 (Ohm-Cm)
Distance Between Anodes(Cm)
شکل (5) رابطه بین مقاومت بستر عمودی، تعداد آندها و فاصله بین آندها در خاکی با مقاومت مخصوص 3500 اهم- سانتیمتر
P= 500 (Ohm-Cm)
Distance Between Anodes(Cm)
شکل (6) رابطه بین مقاومت بستر عمودی، تعداد آندها و فاصله بین آندها در خاکی با مقاومت مخصوص 500 اهم- سانتیمتر
P= 100 (Ohm-Cm)
Distance Between Anodes(Cm)
شکل (7) رابطه بین مقاومت بستر افقی، تعداد آندها و فاصله بین آندها در خاکی با مقاومت مخصوص 100 اهم- سانتیمتر
P= 500 (Ohm-Cm)
Distance Between Anodes(Cm)
شکل (8) رابطه بین مقاومت بستر افقی، تعداد آندها و فاصله بین آندها در خاکی با مقاومت مخصوص 500 اهم- سانتیمتر
P= 1500 (Ohm-Cm)
Distance Between Anodes(Cm)
شکل (9) رابطه بین مقاومت بستر افقی، تعداد آندها و فاصله بین آندها در خاکی با مقاومت مخصوص 1500 اهم- سانتیمتر
P= 3500 (Ohm-Cm)
Distance Between Anodes(Cm)
شکل (10) رابطه بین مقاومت بستر افقی، تعداد آندها و فاصله بین آندها در خاکی با مقاومت مخصوص 3500 اهم- سانتیمتر
P= 5500 (Ohm-Cm)
Distance Between Anodes(Cm)
شکل (11) رابطه بین مقاومت بستر افقی، تعداد آندها و فاصله بین آندها در خاکی با مقاومت مخصوص 5500 اهم- سانتیمتر
P= 7500 (Ohm-Cm)
Distance Between Anodes(Cm)
شکل (12) رابطه بین مقاومت بستر افقی، تعداد آندها و فاصله بین آندها در خاکی با مقاومت مخصوص 7500 اهم- سانتیمتر
اندازه گیری پتانسیل در فواصل نزدیک
انداز ه گیری پتانسیل در فواصل دور
منحنی اندازه گیری جریانهای الکتریسیته خوردگی لوله
منحنی اندازه گیری مقاومت خاک
منحنی های اندازه گیری محل های خوردگی
منحنی تغییرات پتانسیل حفاظتی بر حسب طول لوله
فهرست مطالب
عنوان صفحه
مقدمه 1
اطلاعات مورد نیاز قبل از برقراری سیستم حفاظت کاتدی 2
چگونگی عملکرد حفاظت کاتدی 3
منابع جریان حفاظت کاتدی 8
آندهای گالوانیک 8
سیستم های اعمال جریان 11
سایر منابع انرژی 14
معیارهای حفاظت کاتدی 15
پتانسیل نسبت به محیط 15
الکترود مرجع و اندازه گیری پتانسیل سازه 17
کوپن های آزمایشی 20
معیار تغییر پتانسیل 21
ممیزی و بررسی حفاظت کاتدی 21
آزمایشهای تعیین جریان مورد نیاز 21
آزمایشهای مربوط به خط لوله پوشش دار 22
آزمایشهای بررسی مقاومت پوشش 26
مقاومت مخصوص محیط 28
تاثیر شرایط محلی در طراحی 30
عوامل موثر در طراحی حفاظت کاتدی 34
جریان کل مورد نیاز 34
تغییرات محیطی 35
پوشش های محافظ 36
ملاحظات اقتصادی 36
فلز تحت حفاظت 37
طول عمر طراحی شده سیستم 37
قابلیت و سهولت نگهداری سیستم 38
اثرات جریانهای سرگردان 39
اثر دما 40
مواد آندهای قربانی شونده (گالوانیک) 42
آندهای سیستم اعمال جریان 44
پشت بند آند 45
طراحی بستر آند 47
بررسی اثر فاصله بین آندها و تعداد آنها بر روی مقاومت بسترها 50
محاسبه مقاومت کل سیستم حفاظت کاتدی 52
محاسبه مقاومت بسترهای عمودی 53
محاسبه مقاومت بسترهای افقی 54
محاسبه مقاومت قابل تحمل توسط ترانسفورمر- رکتیفایر 55
تست طراحی انجام شده و مقایسه مقاومت کل و مقاومت قابل تحمل توسط ترانسفورمر- رکتیفایر 56
نتایج بررسی اثر فاصله بین آندها و تعداد آنها بر روی مقاومت بستر 57
نمودارها 64-59
منحنی نمایش اندازه گیری پتانسیل در فواصل نزدیک 65
منحنی نمایش اندازه گیری پتانسیل در فواصل دور 65
منحنی اندازه گیری جریانهای الکتریسیته خوردگی لوله 66
منحنی اندازه گیری مقاومت خاک 66
منحنی اندازه گیری های محل های خوردگی 67
منحنی تغییرات پتانسیل حفاظتی بر حسب طول لوله 67
2