امروزه خوردگي فلزات از جمله مشکلات اساسی و هزینه‌ساز صنایع بزرگ به خصوص صنعت نفت، گاز، پتروشيمي، نیروگاهی، آب و فاضلاب و غیره مي باشد. لولههاي انتقال و توزیع سوخت و آب، اسكله‌ها، كشتي‌ها، كندانسورها، دكل‌هاي انتقال نیرو، مخازن ذخیره سوخت و ديگر سازه‌هاي مدفون (و يا غوطه ور) در يك الكتروليت متناسب با شرايط موجود و با توجه به ساختار متالورژيكي خود، خورده شده و بعد از مدتی كار يك سيستم و پروسه فعال را مختل كرده و منجر به ضرر و زيانهاي غير قابل پیش بيني ميشوند.
اين مبحث باعث ایجاد انگیزه انجام تحقیقات وسیعی در اين زمینه شده است تا روشهای عملی مقابله با خوردگی شيميايي فلزات به عرصه ظهور برسد. در خصوص پيشگيري از خوردگی لولههاي مدفون، كف مخازن رو زميني و مخازن زير زميني نتیجه تحقیقات و آزمایشات انجام شده دو روش عمده زير مي باشد:
- استفاده از انواع پوشش
- استفاده از سيستم حفاظت كاتديك
از آنجائيكه پوشش‌هاي موجود هیچ يك دارای راندمان 100% نمی‌باشد لذا داشتن يك سيستم مکمل جهت حفاظت از خوردگی سازه‌هاي 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 قبلا آند بوده است) ميتوان از خوردگي آن جلوگيري نمود.
كاتد كردن سازه با جايگزيني يك منبع تأمین کننده الکترون انجام پذیر است كه اين منبع تأمین کننده يك منبع الكتريكي و يا يك فلز فعال تر (آندتر) از سازه مدفون مورد نظر ميباشد. بديهي است استفاده از هر يك از روشهای ياد شده مستلزم صرف هزينههاي اقتصادی ميباشد ولی با يك بررسي كارشناسي ميتوان نتيجه گرفت كه صرف هزينههاي اوليه جهت پوشش دادن سازه و نصب سيستم حفاظت كاتدي نه تنها از خطرات جانبی در آینده جلوگیری ميكند بلكه هزينههاي مربوط به تعویض قطعات، تعمیرات و جبران خسارات و زيانهاي وارده را كاهش داده و هزينههاي لازم جهت نصب چنین سيستم‌هايي را از نظر اقتصادی توجیه پذيرتر مي‌سازد.
عوامل بسیاری در تعيين و انتخاب روش حفاظت كاتدي موثر ميباشند كه از آن جمله ميتوان به شرایط الكتروليت، امكان دسترسي به برق، امكان وجود بازرسي‌هاي آتی، شرایط سازه‌هاي مجاور، جريانهاي سرگردان، نوع و كيفيت پوشش، مدت زمان طراحي سيستم، شرايط اقتصادي و غیره اشاره نمود.
شرايط اقتصادي يكي از مهمترين عوامل مؤثر در انتخاب سيستم ميباشد كه در نهايت باید يك حالت بهینه فني ـ اقتصادی ايجاد شود. در اصل، طراحي يك سيستم حفاظت كاتدي زمانی موفقیت آمیز خواهد بود كه تمامي شرايط فوق درآن مد نظر قرار گرفته باشد.
لازمه انجام واكنش‌های مربوط به خوردگی وجود مناطق آندي و كاتدي ميباشد. اگر الكترون‌های سازه از يك منبع خارجي تأمين شوند، ميزان حركت يونهاي مثبت از سطح فلز كاهش و سرعت واکنش كاتدي افزايش مي‌یابد. اگر پتانسیل فلز با اعمال الكترونهاي خارجی از مقدار Ecorr (پتانسیل خوردگی فلز در حالت طبيعي) به مقدار Ep (پتانسیل حفاظتی فلز پس از اعمال حفاظت كاتدي) كاهش يابد، در نتيجه جريان آندي و يورش خوردگي متوقف شده و حفاظت كاتدي حاصل میگردد. جريان كاتدي (IP) توسط يك منبع خارجي تأمين ميگردد، كه اين منبع خارجي يا يك آند فلزي (روش آندهاي فدا شونده) و يا يك منبع ولتاژ برق DC (روش اعمال جريان) ميباشد.
بديهي است براي داشتن يك سيستم حفاظت كاتدي بايستي مدار الكتريكي آن كامل باشد براي اين منظور لازم است تا اجزا تشكيل دهنده اين مدار شناخته و مورد ارزیابی قرار گیرند. بطور كلي اين اجزا عبارتند از:
الف)كاتد: سازه و تأسیسات فلزی مدفون و يا غوطهور در يك الكتروليت كه بايستي با استفاده از روش حفاظت كاتدي از خوردگي شيميايي آنها جلوگیری به عمل آید، كاتد نامیده ميشود. در واقع اين سازه فلزي قبل از نصب چنین سيستمي آند بوده و در حال از دست دادن الكترون و خورده شدن 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 ميشود.
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 ميپذيرد.
ه)منبع تغذيه: جهت تأمين الكترون مورد نياز و اعمال اختلاف پتانسيل لازم بين كاتد و الكتروليت (در روش اعمال جريان) از يك منبع تغذیه DC استفاده ميشود. اين منبع تغذیه، جريان مستقيم مورد نياز جهت حفاظت سازه را تأمين ميكند.
رفتار فلزات مدفون و غوطه ور در زمان استفاده از سيستم حفاظت كاتدي
هر گاه يك فلز در تماس با يك الكتروليت خورده شود، در اين صورت با آزاد شدن الكترون، يونهاي مثبت به داخل الكتروليت منتقل ميشوند. در اين حالت الكترونهاي اضافي در فلز باقي ميمانند. اين فرآيند در مورد آهن به صورت زير بيان ميشود:
خوردگي توسط انتقال جريان الكترون از فلز به الكتروليت صورت ميگيرد كه به دنبال آن يونهاي مثبت به سمت الكتروليت و الكترونها در درون فلز حركت ميكنند. نواحی كه اين واکنش در آنها انجام میشود را مناطق آندي و واكنش مربوطه را واكنش آندي مينامند (در بخشهاي بعدی به آن اشاره كامل خواهد شد). اكثر اوقات يونهاي فلزي با يونهاي منفي داخل الكتروليت واكنش داده و محصولات خوردگي تشكيل میشوند (براي مثال زنگ آهن در فولاد). بطور عمده اين واكنشها اثري بر روي واكنش خوردگي نميگذارند مگر در زمانيكه محصولات ناشی 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 الكترونها 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 ازاء هر اتمي كه وارد الكتروليت ميشود دو الکترون 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 مينامند. اختلاف پتانسيل فوق بستگي به نوع واكنش‌هاي شيميايي در سطح فلز دارد. پتانسيل فصل مشترك فلز ـ الكتروليت را ميتوان با استفاده از الكترود مرجع اندازه‌گيري نمود. ميزان اختلاف پتانسيل اندازه‌گيري شده نه تنها بستگي به نوع فلز و الكتروليت دارد بلكه نوع الكترود مرجع نيز در آن تأثير گذار ميباشد. لذا در اندازه‌گيري هاي اختلاف پتانسيل بين خاك و سازه مدفون فولادي عموماً از الكترود مرجع مس ـ سولفات مس استفاده ميشود.
واكنش‌هاي آنديك
يكي از واكنش‌هايي كه پس از نصب و راه اندازي سيستم‌هاي حفاظت كاتدي انجام پذير ميباشند واكنش آندي ميباشد. 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 آندی بر ديگر واكنشها غلبه كرده و عموماً اتفاق افتد.
سه واكنش اوليه كه در سطح آند رخ ميدهند عبارتند از:
- اكسيداسيون فلز
- متصاعد شدن اكسيژن
- متصاعد شدن كلر
در آندهاي فدا شونده واكنش آندي اوليه بطور نرمال اكسيداسيون فلز است يعني:
با توجه به اينكه در خاك هاي خنثی يون فلز ناپایدار است و با آب براي تشكيل يك هيدروكسيد يا اکسید هیدراته و يونهاي هیدروژن واکنش انجام ميدهد بنابراين داريم كه:
اين واكنشها تا زماني كه مصرف آندها ادامه دارد باعث بوجود آمدن جريان ميگردند. براي آندهاي مورد مصرف در روش اعمال جريان در مناطقی كه خاك و آب داراي ميزان خيلي كمي از كلريد هستند واكنش اوليه آندي متصاعد شدن اکسیژن است يعني در اين آندها واكنش زير رخ ميدهد:
تمام واکنش های اصلی آندي باعث كاهش pH محلول در محدوده آند ميشونـد. پتانسيل استاندارد400/0+ ولت براي يونهاي هيدروكسيل و 136/0+ ولت براي يونهاي كلر است . از يك ديدگاه ترموديناميكي اگر يك آند در الكتروليتي حاوي هر دو يون پلاريزه شده باشد ابتدا اكسيژن متصاعد شده و بعد از آن كلر متصاعد ميشود. در عمل اين مسئله لزوماً واقعیت ندارد. بعنوان مثال در آندهاي گرافيتي افزايش ولتاژ براي متصاعد شدن اكسيژن خيلي بيشتر از زماني است كه براي متصاعد شدن كلر داريم.
