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. ?) = ?
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.
جدول 1- جريان مورد نياز براي محافظت لوله پوشش شده

جريان لازم برحسب A	مقاومت پوشش به ازاي يك ft2برحسب ?
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

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 آيا 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)
? = مقاومت خاک
D= قطر آند
شكل 8 - افزايش شدت جريان در نزديك ترين نقاط به آند

حفاظت كاتدي خطوط لوله - 2

اندازه گيري مقاومت زمين :

خاک هايي که داراي ضريب مقاومت الکتريکي بالايي هستند از شدت جريان خوردگي پاييني برخوردار هستند . و اما نقاطي که داراي پتانسيل بالايي هستند داراي مقاومت الکتريکي پاييني هستند . چرا که در آنها شدت جريان خوردگي بالاست . بررسي ضريب مقاومت الکتريکي خاک مي تواند راهنماي خوبي جهت تعيين مکان کار گذاردن بستر آندي و عمق آند از سطح زمين باشد . جهت اندازه گيري مقاومت خاک از روش چهار ميله ونر استفاده مي شود ، شکل 9 نشان مي دهد که 4 ميله به صورت عمودي در خاک قرار مي گيرند . دو ميله 1و2 با استفاده از يک منبع تغذيه ، جرياني را به درون خاک مي فرستند و دو ميله ديگر 3و 4 ولتاژ اندازه گيري مي کنند.
شكل9- دستگاه اندازه گيري مقاومت الكتريكي خاك موسوم به 4 ميله ونر

 

فاصله ميله ها از يکديگر معادل عمق آنها از سطح خاک است و برابر مقدار a مي باشد. نهايتا مقاومت خاک با استفاده از فرمول زير محاسبه مي شود:

که اگر مقدار A برابر 2½" و 5ft فرض شود :

که براي مثال اگر جهت حفاظت از خوردگي يک لوله زير زميني از0.22 A i = استفاده شود خواهيم داشت:

در امتداد طول لوله و با استفاده از روش 4 ميله ونر مقاومت اندازه گيري گرفته شده يکنواخت نخواهد بود . کيفيت شيميايي خاک با تغيير دادن مقاومت الکتريکي آن نيز بر خوردگي تاثير مي گذارد . ( شكل 10)
شكل10 - تغيير مقاومت خاك در طول مسير يك خط لوله

در يک سيستم حفاظت کاتدي و زماني که قطعه مهندسي به قطب منفي تبديل شده است . نقش خاک ارائه دادن انتقال آسان کاتيون ها است که هر قدر که شدت انتقال اين يونها بيشتر باشد . جريان الکتروني بيشتري به سمت لوله کشيده مي شود ( از طريق منبع تغذيه و سيم رابط ) با کاهش PH خاک ، شدت جريان بيشتري براي رسيدن به پلاريزاسيون کاتدي و حفاظت از خوردگي نياز دارد . جهت اندازه گيري PH خاک و يا ديگر الکتروليت ها از PH متر و يا کاغذ معرف استفاده مي شود.

طراحي بستر آندي و نصب ايستگاه حفاظت:

جهت طراحي يک بستر آندي مناسب مي بايستي فاکتورهاي ذيل را مد نظر قرار داد.
1- مقدار ضريب مقاومت خاک( برحسب ?.cm)
2- وجود شبکه هاي فلزي که در حيطه موثر بستر آندي واقع گرديده اند.
3- فاصله بستر آندي تا لوله و ديگر قطعاتي که جداگانه حفاظت مي گردند.
4- موجوديت برق مستقيم جهت اعمال جريان حفاظتي
5-بررسي لجستيکي به لحاظ موقعيت قطعات ودستگاه هايي که مي بايست حفاظت گردند.
همچنين در مورد پياده سازي يک ايستگاه نکات زير بايد تعيين شود:
1- انتخاب دانستيه جريان لازم
2- محاسبه سطح فولادي که مي خواهيم حفاظت کاتدي گردد.
3- محاسبه جريان مورد نياز
4- محاسبه مجموع آند هاي مورد نياز براي ضمانت يک عمر مورد نياز مثلا 20 سال
5- محاسبه مقاومت کل مدار شامل مقاومت آند ها نسبت به الکتروليت ، مقاومت کابل هاي استفاده شده و مقاومت سازه به الکتروليت و مقاومت الکتروليت
6-محاسبه سايز رکتيفاير مورد نياز
بعد از محاسبات لازم بر طبق اصول بالا ، مکان دقيق حفره مشخص مي شود ، اولين مرحله در ايجاد حفره عمليات حفاري است ، هر چه مکان حفره دورتر از خط لوله باشد طول بيشتري از لوله مورد حفاظت قرار ميگيردبه طور معمول بين حفره تا خط لوله 100تا 200متر فاصله است . ( شكل 11 )
شكل 11- مشكلات بوجود آمده در صورتي كه آند به حفره نزديك باشد

بستر آندي مي تواند به سه صورت طراحي شود . که هر کدام مزايا و معايبي دارند . درحالت اول بستر موازي با خط لوله است و در حالت دوم بستر عمود بر لوله مي باشد حالت سوم نيز ترکيبي از دو حالت بالا است . که مزاياي حالت سوم بيشتر است و معمولا حفره را به صورت زاويه دار طراحي مي کنند . درحقيقت در حالت اول مصرف آندها زياد است و همان طور که در شکل 12 آمده است گراديان هاي جريان تمرکز بيشتري در ناحيه آند دارند .
شكل 12 - گراديان جريان در يك بستر موازي

با توجه به تعداد آند مورد نياز براي هر حفره طول حفره محاسبه شده و عمليات حفاري آغاز مي شود ، عمق حفره نيز با توجه به عمق لوله دفن شده محاسبه مي شودکه اين عمق به ارتفاع ميانگين 2 متر مي باشد .درانتهاي حفاري در حقيقت حفره مورد نظر داراي طول 20 و عرض 1 و ارتفاع 2 متر مي باشد . که در اين حفره مي توان حدود 20 آند قرار داد . بعد از اتمام عمليات حفاري در کف بستر مخلوطي از کک ، نمک ، کچ، و آهک اضافه مي کنند تاحفره خصوصيات لازم را براي هدايت بهتر جريان پيدا کند. درحقيقت نمک باعث پيدا شدن خاصيت اسيدي ، آهک باعث خاصيت قليايي و وجود گچ نيز باعث جذب رطوبت مي شود . سپس بر روي اين بستر کک با دانه بندي خاص اضافه شده و آنرا به خوبي مي کوبند تا هيچ حفره اي در آن باقي نماند.
کابل برق را به حالت حلقه در آورده و آندها را به طور يکي در ميان به دو طرف حلقه متصل مي کنند ، اتصال کابل آندها به کابل اصلي توسط سل پک (Cell Pack )انجام مي شود . درون سل پک با يک ماده آلي پر شده تا هيچ گونه نشست جريان نداشته باشيم .( شكل 13 ) اگر جريان از اتصالات نشت پيدا كند باعث سولفاته شدن و بعد قطع جريان مي شود .
شكل 13 - Cell Pack

آندها را به طور عمودي در حفره طوري قرار مي دهند که فاصله بين هر دو آند برابر طول خود آند باشد . سپس روي آندها را دوباره کک ريخته و يک لوله با چند منفذ ورودي را روي آنها قرار داده تا گازهاي توليدي حفره به راحتي خارج شوند. سپس روي حفره را با خاک مي پوشانند. لازم به ذکر است که در پالايشگاهها که يک مجموعه بايد حفاظت شود و فضاي لازم را نداريم از چاهک آندي استفاده مي شود يعني با شرايط گفته شده يک چاه احداث مي شود و آندها به طور زنجير وار و عمودي درون آن قرار مي گيرند .
ديگر تجهيزات لازم براي يک ايستگاه حفاظت کاتدي عبارت از يک ترانسفورماتور Dc است. درحقيقت کابل خروجي از حفره به رکتيفاير متصل مي شود .ولتاژ و جريان مورد نياز بستر توسط رکتيفاير تنظيم مي شود.
شكل14 - نمايي شماتيك از يك سيستم حفاظت كاتدي

مطابق جدول2 از آندهاي بسياري مي توان استفاده کرد ؛ در حفاظت کاتدي فاکتورهاي عمر مفيد و هزينه تعيين کننده است . در حفاظت خطوط لوله از آند هاي گرافيتي استفاده مي شود، اما در سال هاي اخير نيز استفاده از آهن قراضه به عنوان آند متداول شده است.
جدول2- انواع آند با جريان خارجي براي حفاظت كاتدي

كاهش وزن lb/amp-yr	مواد
20 10-12 0.25-5 0.25-1	قراضه فولاد آلومينيم گرافيت چدن پرسيليسيم

نظارت بر سيستم حفاظت کاتدي:

برخلاف ديگر روش هاي جلوگيري از خوردگي که نياز به نظارت نداشتند و يک بار اعمال مي شدند . حفاظت کاتدي نياز به نظارت دائمي دارد که اين نظارت در دو حوزه اساسي دنبال مي شود . حوزه اول شامل بررسي و چک کردن و مراقبت از سخت افزار سيستم است و حوزه دوم عبارت است از اندازه گيري و بررسي پتانسيل خط لوله نسبت به زمين
طبق دياگرام ايوانز خطوط لوله که در تماس با خاک قرار دارند چنانچه به پتانسيل 0.85- نسبت به الکترود مقايسه مس- سولفات مس پلاريزه گردند ، محافظت خواهند شد. براي اينکه بتوان در تمامي قسمت هاي خط لوله اين پتانسيل را اندازه گرفت و از صحت آن مطلع شده بر روي خط لوله در هر km 2 يک تست پوينت قرار گرفته است. در حقيقت هر تست پوينت به منزله يک ترمينال براي اندازه گيري پتانسيل خط لوله نسبت به زمين است . ( شكل 15)
شكل 15- تست پوينت هاي طراحي شده

در حقيقت يک سر کابل فولادي به لوله جوش داده شده و سر ديگر آن بر روي مارکر نصب مي شود. به دليل پديده افت ولتاژ روي خطوط لوله معمولا ولتاژ اعمالي روي لوله در هر ايستگاه بيشتر از مقدار v 0.85-است . اين ولتاژ بايد طوري انتخاب شود تا دور ترين نقاط لوله نسبت به ايستگاه حفاظت کاتدي از ناحيه حفاظت خارج نشوند و ولتاژ آنها بالاتر از v 0.85-قرار گيرد.
مقدار ولتاژ اعمالي در هر ايستگاه با توجه به شرايطي که در بخش گذشته ذکر شد متغير است . ولي معمولا سعي بر اين است که ولتاژ اعمالي v2/1 باشد . تا با توجه به پديده افت ولتاژ دورترين نقاط داراي پتانسيل بالاتر از v 0.85- باشند. درصورتي که ولتاژ اعمالي به خط لوله بالاتر از v 8/1 شود . پديده حفاظت پيش از حد ( Over Protection) اتفاق خواهد افتاد.

محافظت بيش از حد باعث:

1-مصرف بيش از حد آندها
2- متصاعد شدن هيدروژن از خط لوله که باعث تاول زدن و تورم وجدايش پوشش هاي آلي و شکنندگي فولاد مي شود.
3- کاهش قابليت انعطاف پذيري
4- ترک خوردن هيدروژني
ايستگاه هاي حفاظت کاتدي در سال 2تا 3 بار چک مي شوند و صحت آنها از نظر کارکرد مورد بررسي قرار مي گيرد .در هر بازديد مقدار ولتاژ و جريان اعمالي اندازه گيري و ثبت مي شود. در صورت هرگونه اخلال ، عمليات عيب يابي و تعمير صورت مي پذيرد. ( شكل 16 )
مقدار پتانسيل خط لوله نسبت به زمين هم به طور ماهانه اندازه گيري مي شود . سپس نمودارپتانسيل نسبت به فاصله از بستر آندي رسم خواهد شد. اين نمودار به صورت لگاريتمي بوده و هر چه شيب آن کمتر باشد نمايانگر محافظت بهتر خواهد بود. بديهي است که فاصله نقاط اندازه گيري شده km 2 است . نمودار رسم شده با نمودار هاي قبلي مقايسه شده و هر گونه تغيير بيانگر اخلال در سيستم حفاظت کاتدي است . هر گونه افت در پتانسيل بدين معني است که پوشش از بين رفته و بايد اقدامات لازم صورت پذيرد . به همين منظور جداولي طراحي شده که با توجه به شواهد و داده ها مي توان نوع عيب در سيستم حفاظت کاتدي را تعيين و رفع نمود.
درهنگام بازرسي ايستگاه ها در مناطقي که خاک مقاومت بسيار بالايي دارد و امکان حفاظت به طور کامل وجود ندارد در فصول خشک سال معمولا بر روي حفره آندي آب اضافه مي کنند تا مقاومت خاک کاهش يافته و انتقال جريان صورت پذيرد.
شكل 16 - ثبت اطلاعات ركتيفاير

آندهاي فدا شونده :

در بخش هايي كه امكان ايجاد ايستگاه حفاظت كاتدي وجود ندارد از اين روش براي حفاظت استفاده مي شود . به طور مثال در بخش هايي كه شبكه برق وجود ندارد و يا مسير هاي كوتاه و يا تجهيزات موقت . در اين روش به شيوه يك پيل گالوانيك و با استفاده از جدول استاندارد الكترو شيميايي (e.m.f ) و با اتصال فلزات منفي تر در جدول باعث تبديل شدن خط لوله به قطب كاتد و فلز متصل شده به عنوان قطب آند ، فلز منفي تر خود را فداي قطعه مهندسي مي نمايد در واقعي پيل گالوانيك ايجاد شده است .(شكل 17)
شكل 17- تصويري از يك مدار آند فدا شونده

مقدار مورد نياز آند فدا شونده و سطح مقطع آند به طول مدت زمان حفاظت و جريان لازم طبق قانون V=IR دارد. فولاد گالوانيزه كه روكشي ازروي را برخوردار دارد يك مدار آند فدا شونده است .
در جدول (3) چند نوع آند قرباني شونده به همراه مشخصات آنها وجود دارد.
جدول 3- مقايسه انواع آندهاي فدا شونده

آلومينيم و قلع	روي	منيزيم
6.5 16-20 -1.3	23 25 -1.15	9 18 -1.7	مصرف تئوريك lb/amp-yr مصرف واقعي lb/amp-yr پتانسيل نسبت به Cu / CuSO4

بين آندهاي قرباني شونده ، منيزيم متداول ترين است . اگر چه راندامان آن پايين است ( حدود 50 درصد) ليكن اين كمبود با پتانسيل بسيار منفي آن جبران شده و در نتيجه جريان بالايي بدست ميدهد.
طريقه ايجاد حفره براي قرار دادن آند فدا شونده همانند حفره براي ايستگاه هاي اعمال جريان خارجي است. با اين تفاوت كه مواد پشت بند براي اين نوع حفره كاملا مخصوص بوده و با فرمول تجاري توليد مي شود. همچنين كابل خروجي از آندهاي فدا شونده بايد به طور مستقيم به سازه فلزي متصل گردد.
ادامه دارد ....
/خ