حفاظت کاتدی یک روشی است برای کنترل خوردگی در فلزات مختلف که می تواند به روش جریان اعمالی یا آند فدا شونده انجام شود. در ادامه به شرح کامل این روش ها پرداخته شده است. در جهان امروز، برای انتقال هیدروکربن‌ها و مواد آلی به تأسیسات تولید، مخازن ذخیره‌سازی و پخش محصول تصفیه‌شده از خطوط لوله استفاده می‌شود. خط لوله از جنس فولاد به‌طور گسترده به کار می‌رود، زیرا این مؤثرترین و امن‌ترین وسیله برای انتقال هیدروکربن‌ها و سایر مشتقات است.
بااین‌وجود، یکی از چالش‌هایی که صنعت نفت و گاز با آن مواجه است، خوردگی در تأسیسات است. در تحقیقاتی که توسط دانشمندان آمریکایی انجام شد آنها نشان دادند که هزینه خوردگی خطوط لوله نفت و گاز تنها در کشور ایالات‌متحده آمریکا رقمی حدود 7 میلیارد دلار به هزینه‌های این بخش اضافه کرده است. اثرات نامطلوب خوردگی خطوط لوله عبارت‌اند از هزینه بالای نگهداری سیستم‌های حفاظت کاتدی، متوقف شدن فعالیت کارخانه‌ها، آلودگی محیط زیست، خسارات تولید، خسارات و صدمه هایی که در اثر نشت مواد هیدروکربنی به طبیعت مانند آتش سوزی ایجاد می کند.
خوردگی فلزات
بر ای درک مفهوم خوردگی باید سه شرط وجود داشته باشد:
- دو فلز متفاوت
- الکترولیت (آب با هر نوع نمک محلول در آن یا خاک)
- مسیر مرتبط فلزی بین دو جنس متفاوت فلز
دو فلز متفاوت ممکن است کاملاً با یکدیگر فرق داشته باشند و از آلیاژهای مختلف مانند فولاد و آلومینیوم باشند، اما این احتمال که تفاوت‌های مواد سازنده میکروسکوپی یا مایکروسکوپی در سطح یک قطعه فولاد باشد بیشتر است.
حفاظت کاتدیCathodic Protection (CP) چیست؟
یکی از کارآمدترین روش‌ها برای پیشگیری از بیشتر انواع خوردگی بر روی سطح فلز است. البته از خوردگی حفره‌ای با استفاده از این روش نمی‌توان جلوگیری کرد. فلزات به ویژه آهن در حضور اکسیژن، آب و سایر ناخالصی‌ها مانند گوگرد و کربن بسیار آسیب‌پذیر هستند. بدون CP، فلزات به‌عنوان آند عمل می‌کنند و به راحتی الکترون‌های خود را از دست می‌دهند بنابراین فلز دچار اکسید شدن و خوردگی می‌گردد. در این روش الکترون‌ها از یک منبع خارجی تأمین می‌شود و فلز موردنظر را تبدیل به کاتد می‌نماید.
حفاظت کاتدی لوله‌های گاز و نفت
تکنیک های حفاظت کاتدیک به‌طور گسترده‌ای در حفاظت از تأسیسات تولید نفت در سکوهای دریایی و یا در خشکی مانند خطوط لوله گاز و نفت دفن شده در زمین و یا زیر آب، لوله‌های چندمنظوره در زیرزمین، پوشش‌های بزرگ، تانک‌ها و بندرهای بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرد.
طراحی سیستم حفاظت کاتدی
در ادامه به شرح دو روش مهم برای جلوگیری از خوردگی خطوط لوله گاز و نفت می پردازیم:
الف) حفاظت کاتدی با استفاده از آند قربانی شونده یا گالوانیک
این روش که (Sacrificial Anodes) یا (Galvanic Cathodic Protection) نامیده می‌شود شامل حفاظت از یک سطح فلز از یک قطعه تجهیزات با استفاده از یک فلز دیگر که بسیار واکنش‌پذیرتر است. فلز دوم که معمولاً آند گالوانیزه و یا فدا شونده نامیده می‌شود، پتانسیل الکتروشیمیایی منفی کمتر را نسبت به جزء فلز محافظت‌کننده و بار منفی بالاتری نسبت به آن دارد. بنابراين، آند فدا شونده به‌جای فلز اصلی که ممکن است بدنه کشتی یا خط لوله یا تانک باشد، اکسيد می‌شود.
جنس این فلز قربانی ممکن است آلومینیوم، منیزیم و روی باشد که منیزیم برای استفاده در آب دریا مناسب است؛ آلومینیوم در آب شیرین، اما فلز روی هم در آب دریا و هم زمین استفاده می‌شود.
اساس این روش بر پایه اختلاف الکترو شیمیایی بین آند قربانی شونده و فلز محافظت شده است و احتیاجی به منبع خارجی نیست. الکترون‌ها و بار منفی از فلز محافظت‌شده به سمت فلز قربانی حرکت می‌کند و بعد به الکترولیت طبیعی که آب دریا یا خاک است وارد می‌شود. این آندها به علت مصرف شدن در طی این محافظت بعد از مدتی باید تعویض گردند.
ب) حفاظت کاتدی به روش جریان اعمالی
این روش (Impressed Current Cathodic Protection) که به‌اختصار ICCP نامیده می‌شود یک روش بسیار اقتصادی‌تر از حفاظت کاتدی روش گالوانیزه است، زمانی که خطوط لوله زیر زمینی بسیار طولانی باشند یا تجهیزات دریایی برای استفاده از روش‌های دیگر بسیار بزرگ باشند از این روش استفاده می‌شود. در این روش برعکس سیستم قبلی از فلزات و مواد بی‌اثر مانند سیلیکون چدن، گرافیت، پلاتین پوشیده استفاده می‌گردد. در ICCP، الکترون‌ها به ساختار کاتدیک با استفاده از یک منبع تغذیه DC خارجی (منبع برق) وارد می‌شوند.
در این روش فلز محافظت شده به قسمت منفی جریان و آند کمکی به قسمت مثبت متصل می‌شود. درنتیجه یون‌های مثبت از آند کمکی به فلز مورد نظر و محافظت شده حرکت می‌کنند و آن را به یک کاتد تبدیل می‌کنند که اکسایش و اکسید شدگی در آن اتفاق نمی‌افتد. ولتاژی که به این سیستم وارد می‌شود باید بر اساس گستردگی و طول خط لوله‌ها معین گردد و در محیط‌هایی که آتش‌سوزی اتفاق می‌افتد تا حد ممکن از این روش استفاده نشود.
