انجمن برق ایران
حفاظت کاتدیک cathodic protection

حفاظت کاتدیک cathodic protection

چکیده :

حفاظت کاتدیک به منظور پیشگیری از خوردگی در تجهیزلت  مدفون در خاک  و  آب استفاده می شود که در این موارد توضیحاتی داده شده است.

حفاظت کاتدیک

در سیستم انتقال توسط لوله های فلزی، پوشش های محافظ، مانع خوبی در برابر خوردگی نیستند که در انتقال های مهم نظیر انتقال خطوط نفتی و اسکله های نفتی علاوه بر پوشش های محافظ روش دومی را برای حفاظت از لوله های انتقال استفاده میکنند که با  وارد کردن یک پتانسیل کاتدی به لوله ها، آنها را به قطب منفی کاتدی تبدیل میکنند که با رسیدن جریان محیط اطراف به لوله، آنها را در برابر خوردگی حفظ می کنند. در اعمال مقدار پتانسیل کاتدی به لوله ها باید اعواملی همچون مقاومت اهمی بستر خاک و تغییرات آن در طول زمان حفاظت توجه داشت، اعمال پتانسیل باید متناسب با این تغییرات قابل تنظیم باشند که برای دقت در انجام این تنظیم، منبع تغذیه هایی در این سیستم وجود دارد که سطوح ولتاژ و جریان کنترل شده ای به سیستم اعمال کند که به این روش حفاظت کاتدیک می گویند.

روش های حفاظت کاتدیک:

1. روش آند های فدا شونده

2. روش استفاده از ترانس های تزریق جریان کاتدیک

سیستم حفاظت به روش آند های فدا شونده:

آند های فدا شونده به آلیاژ هایی از روی، منیزیوم و آلومینیوم گفته می شود که در خاک و یا آب به صورت ساده و یا  به همراه یک پشت بند(back fill) مخصوص  نصب می شوند. این آند ها در روش آند های فدا شونده تحت حفاظت کاتدیک،   به صورت  انفرادی و یا گروهی اعمال می شوند. این روش عموماٌ در برای حفاظت از اجزایی که به پتانسیل کمی جهت حفاظت و یا در خاک با مقاومت الکتریکی پایین قرار داشته باشند کارایی دارند که به صورت نواری شکل در کل خطوط مسیر جهت جلوگیری از خوردگی نصب می شوند.

آند منیزیم.jpg

این آند ها طبق استاندارد  IPS-E-TP-820, IPS-D-TP-711  در موارد زیر کارایی دارند:

الف - خطوط لوله با پوشش خوب که نیاز به جریان حفاظتی خیلی کمی دارند.

ب - رفع مشکلات مربوط به تداخل و جریان های سرگردان

ج -خطوط لوله کوتاه با پوشش خوب

د - در نقاط مشخصی بر روی خطوط لوله (نقاط بحرانی) که ممکن است تنها چند فوت از خط لوله نیاز به حفاظت داشته باشد.

هـ - فراهم نمودن حفاظت موقتی قسمتی از خط لوله مدفون که در شرایط خوردگی موضعی قرار دارد. مانند منطقه عبور خط لوله از عرض رودخانه .

و - جهت حفاظت کف مخازن رو زمینی که دارای سطح وسیعی نباشند.

در اتنخاب یک آند خاص برای یک منطقه باید به عوامل الکترولیت تاثیر گذاری همچون  مقاومت ویژه، Ph، رطوبت، خاصیت و قابلیت هر یک از آند ها توجه داشت که دسته بندی این آند ها در شکل زیر مشخص استحفاظت کاتدیک.jpg

 

عموما از آند های فدا شونده  آلومینیومی در حفاظت از تاسیسات دریایی استفاده می شود که به منظور از جلوگیری از تشکیل لایه اکسید و روئین شدن فلز، از فلزاتی نظیر جیوه، روی، ایندیوم و سیلسیوم برای چلوگیری از اکسید شدن لایه ها استفاده می شود.

منیزیم رایج ترین آند فداشونده مورد استفاده برای حفاظت سازه های مدفون در خاک می باشد. همچنین آندهای منیزیم برای حفاظت داخلی آبگرمکن ها و مخازن آبی، مبدل های حرارتی، کندانسورها و دیگر سازه هایی که در تماس با آب هستند بکار می روند.

استاندارهای متداول آندهای منیزیم شامل ASTM-B 843،ASTM-G 97 ، BS 7361، IPS-M-TP-750 و NACE-RP0387 می باشند.

 

آندهای منزیم از لحاظ ترکیب شیمیایی و نوع کاربرد به دو دسته زیر تقسیم می شوند:

آند منیزیم استاندارد (AZ63)

آندمنیزیم پتانسیل بالا (M1C)

برای حفاظت کاتدی سازه های مدفون در خاک، استفاده از پشت بند (BackFill) اطراف آند بسیار مطلوب است. وظیفه مواد پشت بند عبارتند از:

  1. پایداری پتانسیل آند
  2. جلوگیری از پلاریزاسیون آند
  3. کاهش مقاومت بین آند و خاک و افزایش جریان خروجی آند
  4. با ایجاد خوردگی یکنواخت در آند موجب کاهش خودخوری آند و افزایش بازدهی آن می شود.

معمولاً مواد پشت بند مخلوطی از سنگ گچ (Gypsum) بنتونیت (Bentonite) و سولفات سدیم (sodium sulfate) است.

 

حفاظت کاتدی با روش تزریق جریان:

در این روش با اعمال جریان الکتریکی به عوامل حفاظت شونده از آنها حفاظت می کنند که این تزریق جریان توسط ترانسفورمر رکتیفایر انجام می شود. این ترانسفورمر ها با یکسو کردن جریان ورودی و اعمال آن به حفاظت شونده ها از آنها حفاظت می کنند.

این ترانسفورمر ها حفاظت کاتدی مناسبی در مناطق مرطوب، غبار آلود، نمک زار، داخل اتاق برق و ... دارند که در شرایط حداکثر دما با سایه بان 50 درجه، حداکثر  درجه حرارت برای فلز هایی که به مستقیم تحت تابش آفتاب هستند 80 درجه، رطوبت 95%، سطح ایزوکزونیک 60 و با غلظت غبار 70 الی 1400 میلی گرم  در متر مکعب  دائم کار بوده اند.

 انواع روش های حفاظت کاتدیک به روش تزریق جریان:

1.ترانسفورمر دریایی

2.ترانسفورمر  ضد خزه

3.ترانسفورمر سوئیچینگ

4.ترنسفورمر ضد انفجار

5.ترانسفورمر چند مداره

6.ترانسفورمر کشویی

7. سیستم حفاظت خورشیدی

8.سیستم حفاظت کافویی

 

ترانسفورمر رکتیفایر از نظر سیستم های خنک کنندگی به دو نوع :

خنک کنند با روغن (ONAN) که به منظور اطمینان دستگاه در شرایط سخت ساخته می شوند. در این نوع از ترانسفورمر پل یکسو ساز و فیلتر های مورد نظر در روغن قوطه ور بوده اند.

خنک کنندگی با هوای خشک( AN)  در رنج های 10 تا 50 ولت و 5تا 30 آمپر ساخته می شوند، ولی در بعضی از موارد نیز با مقادیر بالا ساخته می شود که ترانسفورمر Rackmount جزو این دسته است.

 انواع ترانسفورمر رکتیفایر از نظر روش های کنترل:

الف) کنترل اتوترانسفورمری (REGAVOLT)

در این نوع ترانسفورمر رکتیفایر که با ورودی تکفاز و سه فاز تولید می شوند یک اتو ترانسفورمر متغیر (واریابل) در مدار اولیه ترانسفورماتور دستگاه نصب می گردد.توسط این اتوترانسفورمر، ولتاژ اولیه ترانسفورماتور اصلی بین صفر تا حداکثر قابل تنظیم بوده، بنابراین ولتاژ ثانویه ترانسفورماتورنیز بین صفر تا حداکثر رنج نامی تغییر می یابد، در نتیجه در صورت استفاده از پل یکسوساز دیودی ولتاژ خروجی یکسو شده نیز به همین ترتیب قابل تنظیم خواهد بود.

مزیت این نوع از ترانسفورمر رکتیفایرها تنظیم پیوسته ولتاژ خروجی از صفر تا حداکثر نامی آن می باشد. با توجه به شرح عملکرد ترانسفورمر رکتیفایر اتو ترانسفورمری این دستگاه ها از نوع ولتاژ ثابت محسوب شده که جریان مورد نیاز با تنظیم ولتاژ تامین خواهد گردید. ضعف عمده این ترانسفورمر رکتیفایرها این است که با تغییر مقاومت الکتریکی معادل سیستم حفاظت کاتدی (به هر دلیل مانند: بارندگی، خشکی الکترولیت خاک و ...) به دلیل تثبیت ولتاژ در رنج تنظیمی میزان جریان تغییر یافته که در نتیجه نیاز به تنظیم مجدد ترانسفورمر رکتیفایر می باشد.

 

ب)  کنترل الکترونیکی با یکسو ساز تریستوری

در این نوع از ترانسفورمر رکتیفایرها از پل یکسوساز تریستور استفاده می شود و به طور معمول یکسوساز از نوع تمام موج و نیمه کنترل یا تمام کنترل شونده بوده که در ثانویه ترانسفورماتور کاهنده نصب می گردد و با تغییر زاویه آتش تریستورها توسط مدار کنترل الکترونیک ، توان خروجی دستگاه تغییر خواهد یافت.

در رکتیفایرهای تریستوری بسته به نیاز و شرایط بهره برداری می توان کنترل را بر مبنای جریان (Current Source) یا تثبیت ولتاژ (Voltage Source) در نظر گرفت.

 ترانسفورمر رکتیفایر (2).jpg

1)  ولتاژ ثابت (Constant Voltage)

در ترانسفورمر رکتیفایرهای ولتاژ ثابت، واحد کنترل الکترونیک از ولتاژ خروجی بازخورد (فیدبک) گرفته و با تغییر در ولتاژ ورودی و جریان خروجی، ولتاژ خروجی را در مقدار تنظیم شده قبلی تثبیت می نماید. ضعف ترانسفورمر رکتیفایرهای ولتاژ ثابت مانند ترانسفورمر رکتیفایرهای اتو ترانسفورمری می باشد. بدین صورت که کاهش جریان تزریقی (در اثر افزایش مقاومت زمین) مشکل عدم حفاظت کاتدی و در صورت افزایش جریان تزریقی (در اثر کاهش مقاومت معادل سیستم تحت حفاظت) موجب صدمه دیدن پوشش سازه تحت حفاظت کاتدی خواهد شد.

 

2)  کنترل جریان (Constant Current)

به منظور برطرف نمودن مشکل بازدید و تنظیم ترانسفورمر رکتیفایرهای ولتاژ ثابت، ترانسفورمر رکتیفایرهای با جریان ثابت و کنترل الکترونیکی (AMP - O - MATIC) ساخته و به بازار عرضه گردیده است. در ترانسفورمر رکتیفایرهای جریان ثابت، با تغییر مقاومت معادل سیستم تحت حفاظت، میزان جریان خروجی تغییر نیافته و ثابت مانده و این امر باعث تغییر ولتاژ خروجی ترانسفورمر رکتیفایر خواهد شد. بدین صورت اگر بنا به دلایلی مقاومت معادل سیستم تحت حفاظت افزایش یابد برای تثبیت جریان تزریقی، ولتاژ خروجی متناسب با مقاومت معادل مدار افزایش می یابد.تثبیت جریان خروجی بوسیله واحد کنترل الکترونیک و با تغییر زاویه آتش تریستورها انجام می پذیرد. واحد کنترل الکترونیک با نمونه گیری از جریان خروجی دستگاه (بوسیله یک شنت نمونه گیر) هر گونه تغییر در مقدار جریان تنظیم شده را تشخیص داده و با تغییر زاویه آتش تریستورها، جریان خروجی را در مقدار تنظیم شده تثبیت می نماید. در صورتیکه به دلیل تغییر شرایط محیطی (به طور مثال تغییر فصل) مقاومت معادل سیستم تحت حفاظت افزایش یابد ، ولتاژ خروجی تا 10 درصد بیشتر از ولتاژ نامی دستگاه در جهت تثبیت جریان ترانسفورمر رکتیفایر افزایش یافته و از تغییر جریان تزریقی تنظیم شده جلوگیری می نماید.

 

انواع آند های تزریق جریان حفاظت کاتدیک:

آند میکس متال اکسادیس (mmo)

هسته مرکزی این آند ها عموماٌ از جنس تیتانیوم گرید 1 یا 2 انتخاب می شوند که توسط یک پوشش اکسید فلز مختلط فعال شده و در جهت استفاده در خاک با پشت بند های کربنی، آب شیرین، آب دریا و بتن استفاده می شوند و در تعمیرات و باز سازی پل ها،  خطوط لوله های فولادی، سازه های دریایی، پالایشکاه ها و کارخانه جات و کف مخازن ذخیره سازی کاربرد دارند.

این آند ها  با طراحی خاصی که دارند در فضایی که یون های کلر و اکسیژن در آن وجود دارد مقاوم بوده و صدمه نمی بیند و به علت پوشش کاتالیستی این آند ها مقاومت خیلی کمی در هر آند دارند. و به علت پایین بودن مقاومت، میزان مصرفی هر آند نسبت به طول عمرش بسیار کم خواهد شد بنابراین هسته تیتانیومی این دسته از آند ها در طول مدت بهره برداری از آند ثابت باقی می ماند.

آند های چدنی پرسیلیس:

به گونه ای می توان گفت که این آند ها پر کاربرد ترین آند های تزریقق جریان در تاسیسات هستند که در خاک مدفون شده اند که به علت  داشتن سیلیسیم و کروم بالا، مقاومت خوردگی بسیار بالایی دارند و موجب افزایش عمر دستگاه های حفاظت شده می شود. این آلیاژ با نام " تانتریون " معروف است و مطابق استاندارد حفاظت کاتدیک(ASTM-A 518 و IPS-M-TP-750 ) تولید می گردد. این آند ها از نظر ترکیبات  شیمیایی به دو دسته N و C  تقسیم بندی می  شود که تانتیرون C معمولا برای کار در محیط های خاک های اسیدی و قلیایی و یا آب شیرین پیشنهاد می شود.

اند سرب نفره.jpg

آند سرب _ نقره:

این آند ها که از مواد با  درجه خلوص بالا بای  سیستم تزریق جریان حفاظت کاتدیک  ساحته شده اند کاربرد فراوانی در صنایع دریایی به خصوص در حفاظت از کشتی دارند. این تجهیزات به علت  به علت وزنشان در آب غوطه ور  می شوند که موجب تشکیل و حفظ لایه سرب بر سطح آند می شود.این لایه با توجه به این که اکسید سرب در آب دریا غیر قابل حل است به عنوان انتشار دهنده جریان عمل می کند و وظیفه یک هادی و منبع ایجاد سرب را دارد.

  • ۱۳۹۶/۰۵/۱۰
  • 0
این مطلب را به اشتراک بگذارید
avatars
نویسنده : محمد ابراهیم زاده

نظرات خود را با ما درمیان بگذارید

مطالب مرتبط