کاربرد معیارهای اطمینان حفاظت کاتدیک در پروژه های صنایع نفت، گاز و پتروشیمی
رضا حاجیها – مهندس ارشد برق دانشگاه صنعتی شریف
مقدمه
همانطور که قبلا” عنوان گردیده است از حفاظت کاتدی عمدتا” برای حفاظت سازه های مدفون در خاک، سازه های غوطه ور در الکترولیت و سازه های حاوی الکترولیت استفاده میشود. در نیروگاهها انواع مختلف این سازه ها موجود میباشند بنابراین نیاز به استفاده از حفاظت کاتدی بعنوان روش مطمئن برای کنترل خوردگی حائز اهمیت است. قابل ذکر است که استفاده از حفاظت کاتدی، هم از دیدگاه اقتصادی و هم از دیدگاه پیشگیری از خطرات، بسیار مفید میباشد و در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی نیز از اهمیت خاصی برخودار میباشد لذا در این زمینه به پاره ایی از معیارهای اطمینان حفاظت کاتدیک می پردازیم و در این قسمت تعدادی از فوائد استفاده از حفاظت کاتدی ارائه میگردد.
معیارهای اطمینان از حفاظت کاتدی
انجمن ملی مهندسین خوردگی آمریکا، استاندارد شماره RP-01-09 را که شامل 5 معیار برای حفاظت کاتدی است پیشنهاد کرده اند این معیارها بصورت جداگانه و یا بصورت مجموعه نشان میدهند که آیا کنترل مناسبی برای خوردگی سازه های فولادی زیر زمینی انجام گرفته است یا خیر. این معیارها عبارتند از:
پتانسیل منفی ( کاتدی) حداقل برابر 0.85 ولت بین سازه و یک الکترود مرجع Cu/CuSo4 که با الکترولیت در تماس است، اندازه گیری شود.
تغییر پتانسیل منفی (کاتدی) حداقل برابر با 300 میلی ولت بین سازه و یک الکترود و یک مرجع Cu/CuSo4 که با الکترولیت در تماس است، اندازه گیری شده و این پتانسیل پس از اعمال جریان حفاظتی اندازه گیری میشود. این تغییر پتانسیل در واقع اختلاف بین پتانسیل سازه حفاظت نشده و پتانسیل سازه در حالتی که جریان حفاظتی بر آن اعمال گردیده است خواهد بود. معیار تغییر پتانسیل فقط برای سازه هایی بکار میرود که در تماس با فلزات غیر متشابه نمیباشد.
تغییر پلاریزاسیون منفی (کاتدی) حداقل 100 میلی ولت بین سازه و یک الکترود مرجع Cu/CuSo4 که با الکترولیت در تماس است، اندازه گیری میگردد. این مقدار تغییر پتانسیل با قطع جریان حفاظتی و اندازه گیری افت پلاریزاسیون مشخص میشود. به محض اینکه جریان قطع شود، یک تغییر پتانسیل ناگهانی ایجاد میشود.
حداقل پتانسیل منفی (کاتدی) که این پتانسیل باید بین سازه و الکترود مرجع مس – سولفات مس که در تماس با الکترولیت میباشد اندازه گیری گردد. اندازه گیری جریان خالص حفاظتی از الکترولیت بداخل سازه اعمال میگردد. این روش به معیار زمینی موسوم میباشد. در مورد خطوط لوله فولادی مدفون عمدتا” از 3 معیار از معیارهای مذکور استفاده میگردد.
معیار جریان زمینی برای تجزیه و تحلیل خوردگی در فواصل طولانی لوله غیر عملی است. چون برای آزمایش در هر نقطه نیاز است که حفاری صورت گیرد. لذا برای هر مایل از خط لوله نیاز به صدها آزمایش خواهد بود با وجود این روش در مشخص کردن نقاط با خوردگی موضعی شدید (نواحی آندی کوچک در تماس با نواحی کاتدی بزرگتر) کارآیی خوبی دارد.
همچنین استفاده از معیار تافل جهت تعیین دقیق پتانسیل روش خوبی در مشخص کردن حفاظت کاتدیک میباشد چرا که این معیار بیشتر در حفاظت کاتدی جداره لوله های چاههای نفت و گاز بکار برده میشود و در مورد خطوط لوله مدفون در زمین کمتر مورد استفاده قرار میگیرد. سه معیاری که عمدتا” در خطوط لوله فولادی مورد استفاده قرار میگیرد، همگی بر اساس اندازه گیری میزان پتانسیل سازه به الکترولیت بنا شده اند. ضمن اینکه در این موارد الکترود مرجع حتی الامکان باید نزدیک به سازه قرار گیرد.
هر کدام از معیارهای حفاظت کاتدی، مزایا و محدودیت های خاص خود را دارند که این مزایا و محدودیت ها برای انتخاب بهترین معیار حفاظت باید مد نظر قرار گیرد.
معیار پتانسیل سازه به الکترولیت حداقل برابر با 0.85 ولت عملی ترین و اقتصادی ترین معیار برای خطوط لوله فولادی با پوشش مناسب است. این معیار با توجه به اینکه پتانسیل نواحی آندی در سازه های حفاظت نشده نباید منفی تر از
8/0- ولت باشد معقول بنظر می رسد.
از دیدگاه تئوری نیز وقتی سازه تا حداقل 0.85 ولت پلاریزه میشود، خوردگی باید متوقف گردد ولی برای اطمینان از حفاظت کاتدی، برخی اوقات از پتانسیل 1– ولت نیز بجای 0.85 ولت استفاده میگردد. این معیار مخصوصا” در مورد لوله های با پوشش خوب، خطوط لوله جدید یا خطوط لوله هایی که در معرض خاکها ی حاوی باکتریهای غیر هوازی فعال هستند و همچنین نواحی که در آن جریانهای سرگردان وجود دارد و یا نواحی که کوپلهای گالوانیک ( فلزات یا آلیاژهای غیر مشابه ) وجود دارد مورد استفاده قرار میگیرد. از این رو معیار در لوله ها ی لخت بخصوص خطوط لوله قدیمی فولادی، بدلیل جریان زیادی که برای دستیابی به پتانسیل 0.85- ولت لازم است کمتر استفاده میگردد. مثلا” اگر پتانسیل سازه در حالتی که حفاظت نشده بین 0.2- ولت و 0.5- ولت باشد، مسلما” رساندن پتانسیل به میزان 0.85- ولت نیازمند مصرف انرژی زیاد خواهد بود. در ضمن در شرایطی همچون خاکها و آبهای حاوی اکسیژن زیاد نیز دستیابی به معیار 0.85- ولت به دلیل دپلاریزاسیون مشکل خواهد بود.
در حفاظت خطوط لوله بدون پوشش یا با پوشش ضعیف به خصوص خطوط لوله فولادی قدیمی، عمدتا” از معیار تغییر پتانسیل معادل با 300- میلی ولت استفاده میشود. این معیار بخصوص در مورد خاکها و آبهای حاوی اکسیژن زیاد که در آنها دپلاریزاسیون مشخصی اتفاق می افتد، مناسب است. معیار تغییر پتانسیل معادل با 300- میلی ولت مخصوصا” در محلهایی که در آنها نواحی آندی و کاتدی روی خط لوله چندان موضعی نیستند مفید میباشد. البته باید در نظر داشت که این معیار ممکن است یک خط لوله جدید با پوشش مناسب را بیش از حد حفاظت نموده و در نتیجه به پوشش آن آسیب وارد نماید. که مورد آخر بخصوص در خاکهای با مقاومت ویژه پائین که در آن امکان گذشتن از حد ولتاژ اضافی هیدروژن وجود دارد بیشتر مشکل آفرین خواهد بود. از معیار تغییر پتانسیل معادل با 300- میلی ولت در مناطقی که در آنها جریانهای سرگردان وجود داشته باشد نیز خطرناک است: حال اگر موضوع پیل گالوانیک مطرح گردد، این معیار نباید مورد استفاده قرار گیرد. چون تغییر پتانسیل 300 – میلی ولت گر چه خوردگی گالوانیک فولاد متصل به مس را کم میکند اما ضرورتا” حفاظت کاتدی مناسبی فراهم نمی کند.
نتیجه گیری
با توجه به مواردی که در خصوص معیارهای اطمینان حفاظت کاتدی مطرح گردید ذکر این نکته قابل توجه است که بایستی برخی از عوامل و شرایط را به لحاظ در نظر گرفتن معیار های اطمینان مد نظر قرار داد. خوشبختانه هنگامی که معیار مناسبی انتخاب گردد و اطلاعات مربوط به پتانسیل سازه – الکترولیت به دقت ارزیابی گردد میتوان با درجه بالایی از میزان حفاظت مناسب سازه، اطمینان حاصل نمود.
مراجع
UHLIG, H.H. the Corrosion Handbook. New York John Wiley & London: Chapman & Hall
GOLDE, R.H. Protection of structures against lighting. In: Proceeding of the Institution of electrical Engineers
MORGAN. J.H. Cathodic Protection. 2nd ed, National Association of Corrosion Engineers
APPLEGATE, L.M. Cathodic Protection. New York: McGraw Hill
رضا حاجیها- کارشناس ارشد برق – دانشگاه صنعتی شریف
