تجهیزات حفاظت کاتدی

آندهای چدن پرسیلسیوم (High Silicon Cast Iron Anodes): آندهای چدن پرسیلیسیوم از متداول ترین آندهای مورد استفاده در سامانه های حفاظت کاتدی به روش تزریق جریان است. در تولید این آندها مطابق استاندارد ASTM-A518 از عناصر سیلیسوم و کروم استفاده می شود که تشکیل اکسید این عناصر روی سطح آند، سبب افزایش مقاومت به خوردگی و در نتیجه افزایش طول عمر آن ها می شود.

آندهای تیتانیومی با پوشش چند اکسیدی Mixed Metal Oxide (MMO) :استفاده از آندهای MMO به علت نرخ خوردگی بسیار پایین (کمتر از 1mg/A.Year ) و جریان دهی بالاتر در مقایسه با آندهای چدنی پرسیلیس، در سامانه های حفاظت کاتدی تزریق جریان افزایش داشته است. این آند شامل پوششی بسیار نازک از جنس اکسیدهای فلزی مانند تیتانیوم، ایریدیوم، روتنیوم و تانتالوم است که بر روی زیر لایه ای از جنس تیتانیوم اعمال می گردد. شکل پذیری آسان و وزن پایین تیتانیوم امکان تولید آندهای MMO در اشکال مختلف را ممکن می سازد. یکی از مهمترین نکات در بازرسی ها این آند انجام آزمون عملکرد آن ها مطابق با استاندارد NACE TM 0108 است.

از آندهای MMO لوله ای به منظور حفاظت کاتدی سازه های فلزی مدفون در خاک یا غوطه ور در آب استفاده می شود. امکان استفاده از این آندها در بسترهای چاهی، توزیعی، سطحی افقی، سطحی عمودی و ... برای حفاظت سازه های مختلف وجود دارد. ابعاد متداول در تولید این آندها 25 در 1000 میلی متر و 25 در 500 میلی متر است،

به منظور حفاظت کاتدی خطوط لوله مدفون در خاک و با هدف توزیع یکنواخت جریان می توان از آندهای MMO سیمی شکل در طول خط لوله و به موازات آن استفاده نمود.

به منظور حفاظت کاتدی تجهیزات فولادی مدفون در خاک یا غوطه ور در آب می توان از فلزی فعال تر استفاده نمود که به آن آند فدا شونده گفته می شود. یکی از رایج ترین این فلزات برای تولید آند فدا شونده، منیزیم است. آندهای منیزیم در دو دسته کلی آندهای استاندارد (AZ63) و آندهای پتانسیل بالا (M1C) تولید می گردند، ترکیب شیمیایی آن ها مطابق استاندارد IPS-M-TP-750 تولید و ارائه می گردد. آندهای منیزیم به منظور حفاظت کاتدی سازه های مدفون در خاک، لزوماً به همراه مواد پشت بند (بکفیل) قابل استفاده خواهند بود. عمده ترین کاربرد آندهای منیزیم به منظور حفاظت کاتدی سازه های مدفون در خاک است، اما از این آند برای حفاظت کاتدی داخلی آبگرمکن‌ها و مخازن، مبدل‌های حرارتی، کندانسورها و دیگر سازه‌هایی که در تماس با آب بوده و در دماهای بالا عمل می‌کنند نیز بهره گرفته می شود. تفاوت پتانسیل بین آلیاژ منیزیوم و فولاد بزرگتر از سایر آندهای فدا شونده بوده و این اختلاف پتانسیل باعث می شود که در خاک هایی با مقاومت نسبتاً بالا نیز مورد استفاده قرار گیرد.

از دیگر آلیاژها که در ساخت آندهای فدا شونده کاربرد دارند می توان به فلز روی اشاره نمود. آندهای فدا شونده ای که از آلیاژهای روی ساخته می شوند کاربرد وسیعی در حفاظت کاتدی سازه های مدفون در خاک و در تماس با آب دارند که از آن جمله می توان به مخازن ذخیره، خطوط لوله مدفون در خاک، خطوط لوله کف دریا، بدنه شناورها و کشتی ها و ... اشاره نمود. بر اساس استاندارد IPS-M-TP-750 آندهای روی برحسب ترکیب شیمیایی آن ها به دو دسته کلی تقسیم می شوند. معمولا امکان استفاده از آندهای روی در مقاومت های بالاتر از 30 اهم متر وجود ندارد. در دماهای بالاتر از 50 درجه سانتی گراد و به ویژه در محیط هایی با حضور کربنات ها، به علت تشکیل لایه پسیو روی سطح آند، پلاریته بین آهن و روی تغییر می یاید. این امر سبب افزایش نرخ خوردگی آهن خواهد شد. بنابراین در دماهای بالاتر از 50 درجه از آند روی استفاده نمی شود.

آندهای آلومینیوم به دلیل نرخ مصرف پایین تر نسبت به روی و منیزیوم، متداول ترین آند فدا شونده برای حفاظت کاتدی سازه های در تماس با آب دریا و یا گل بستر دریا هستند. فلز آلومینیوم هنگامی که در تماس با محیط خورنده قرار می گیرد با تشکل لایه ی اکسیدی محافظ، نرخ خوردگی آن به شدت کاهش می یابد. از این رو لازم است با اضافه نمودن عناصر آلیاژی پایداری (مانند عنصر ایندیوم) لایه محافظ آلومینیوم را کاهش داد و بهبود عملکرد آن را تضمین نمود.

در سامانه های حفاظت کاتدی کابل های متصل به سازه ها و آندها پیش از اتصال به ترانسفورمر رکتیفایر ها لازم است در باند باکس ها تجمیع و از آن جا به ترانسفورمر رکتیفایر منتقل گردد. با این وجود با توجه به درخواست کارفرمایان محترم امکان تولید باند باکس از جنس های متنوع مانند کربن استیل و یا فولاد زنگ نزن با ابعاد و نقشه های مختلف وجود دارد. همچنین می توان به جای پایه لوله ای از پایه براکتی از جنس فولاد گالوانیزه گرم نیز استفاده نمود. در این صورت لازم است برای ورود کابل ها به باکس از گلند مناسب استفاده شود. درجه حفاظتی برای باند باکس های ایمن متناسب با نقشه ساخت، IP54 و IP55 است. به منظور اندازه گیری جریان در باند باکس ها ممکن است علاوه بر شینه و لینک مسی و یا ترمینال، شنت نیز در نظر گرفته شود. در صورتی که جریان خروجی از ترانسفورمر رکتیفایر به سمت بسترهای آندی یا توزیع جریان به سمت سازه ها نیاز به کنترل داشته باشد، می توان در این باکس ها از مقاومت های متغیر نیز استفاده نمود.

به منظور اندازه گیری پتانسیل سازه نسبت به خاک در طول خطوط لوله از تجهیزی به نام تست پوینت مارکر استفاده می گردد. این تجهیز علاوه بر ایجاد امکان قرائت پتانسیل، بعنوان نشانگر مسیر خط لوله نیز می باشد.

جریان هایی ناشی از اتصال کوتاه ،‌صاعقه یا القا الکترو مغناطیس می تواند در ون سایز های فلزی به وجودد آید که بایستی از طریق سیستم اتصال به زمین از سازه خارج شود.در عین حال جریان DC حفاظت کاتدی باید در سازه حفظ و از اتلاف آن جلوگیری گردد. پلاریزیشن سل تجهیزی است که جریان DC مربوط به حفاظت کاتدی را در سازه حفظ کرده و جریان های دیگر مربوط به ارتینگ و غیره را از خود عبور می دهد. پلاریزیشن سل جامد، یک تجهیز الکترونیکی است که از نیمه هادی ها، خازن و اسپارک گپ تشکیل شده و به منظور اتصال غیر مستقیم سازه های تحت حفاظت کاتدی به سیستم ارت، استفاده می شود. این تجهیز با مسدود کردن جریان های حفاظت کاتدی، جریان های دیگر را به سیستم ارت انتقال می دهد. این تجهیز برای رفع القای جریان AC بر روی خطوط لوله انتقال نیز کاربرد دارد.

اندازه گیری پتانسیل سازه نسبت به خاک/آب به عنوان اصلی ترین معیار صحت عملکرد سامانه حفاظت کاتدی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. برای ارزیابی پتانسیل باید از یک مرجع مشخص استفاده نمود. به منظور اندازه گیری پتانسیل سازه نسبت به خاک/آب از الکترود مرجع به همراه تست باکس و یا تست پوینت مارکر استفاده می گردد.

به منظور بهره برداری و پایش مستمر سامانه حفلظت کاتدی لازم است پتانسیل سازه نسبت به الکترولیت به صورت دوره ای انجام پذیرد و نتایج ثبت گردد. با این هدف در کناره سازه های فلزی که تحت حفاظت سامانه کاتدی هستند باکس هایی در نظر گرفته می شود. این باکس محل تجمیع کابل های تست و کابل رفرنس های مرجع ثابت هستند. در صورتی که رفرنس مرجع ثابت در نظر گرفته نشده باشد، از رفرنس مرجع پرتابل استفاده می شود.

اندازه گیری پتانسیل سازه به عنوان اصلی ترین معیار صحت عملکرد سامانه حفاظت کاتدی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. برای ارزیابی پتانسیل باید از یک مرجع مشخص استفاده نمود. الکترود مرجع مس/ سولفات مس (Cu/CuSO4) پرکاربردترین الکترود مرجع در ارزیابی سامانه های حفاظت کاتدی در سازه های مدفون در خاک است که در دو نوع ثابت و پرتابل تولید و عرضه می گردد. اجزای اصلی آن شامل الکترودی از جنس مس با خلوص بسیار بالاست که در محلول سولفات مس اشباع غوطه ور می گردد. به منظور جلوگیری از پلاریزاسیون در طول آزمون‌ها، ناحیه سطحی الکترود مس در تماس با محلول سولفات مس باید به اندازه کافی بزرگ باشد. الکترود مرجع ثابت در بکفیل حاوی %۷۵ گچ، %۲۰ بنتونیت و %۵ سولفات سدیم قرار می گیرد. الکترودهای مرجع دائمی در کنار خطوط لوله یا زیر مخازن مدفون می گردند.

در محیط های حاوی یون کلر که امکان استفاده از الکترود مرجع مس/ سولفات مس وجود ندارد، می توان به عنوان جایگزین از الکترود مرجع نقره/کلرید نقره (Ag/AgCl) استفاده کرد. در این نوع الکترود فلز نقره با محلول کلریدی خود به تعادل می رسد. این الکترودها نیز در هر دو نوع ثابت و قابل حمل تولید و عرضه می گردند. این الکترودها پیش از استفاده باید به مدت چند ساعت در آب دریا غوطه‌ور شده تا پایدار گردند. از این الکترودها علاوه بر محیط های دریایی در حفاظت کاتدی داخلی مخازن نیز استفاده می گردد.

الکترود مرجع روی به جهت استحکام مکانیکی بالا می تواند برای اندازه گیری پتانسیل در زیر ورق کف مخازن ذخیره مورد استفاده قرار گیرد. متداول ترین اشکال تولیدی آن به صورت میله های و دیسکی است.

با هدف کاهش خطای اندازه گیری در زمان قرائت پتانسیل سازه، لازم است الکترود مرجع تا جایی که ممکن است به محل عیوب پوشش سازه نزدیک گردد. با توجه به اینکه امکان شناسایی محل عیب و انتقال تست پوینت و تجهیزات اندازه گیری به آن مکان وجود ندارد از کوپن پلاریزاسیون به عنوان نمونه شاهد استفاده می گردد. کوپن پلاریزاسیون شامل جعبه ای از جنس PVC است که قطعه ای از جنس سازه و بدون پوشش درون آن قرار می گیرد و اطراف آن با رزین پر می شود. از آنجایی که کوپن به سامانه کاتدی متصل است، در صورتی که پتانسیل آن به حد حفاظتی برسد، می توان نتیجه گرفت که سازه تحت حفاظت است. کاربرد دیگر کوپن های پلاریزاسیون در مواقعی است که با وجود چند ترانسفورمر رکتیفایر، امکان قطع همزمان آن ها با تجهیزاتی نظیر GPS Interrupter وجود ندارد. با توجه به اینکه در بسیاری موارد معیار پذیرش، قرائت پتانسیل در زمان قطع لحظه ای سامانه حفاظت کاتدی است، به جای قطع و وصل ترانسفورمر رکتیفایرهای مجموعه، کابل ارتباطی کوپن پلاریزاسیون از سامانه قطع شده و پتانسیل قطعه فولادی اندازه‌گیری می‌شود.

اتصال کابل به سازه (کاتد) می تواند از راه های مختلفی صورت پذیرد. یکی از روش های متداول، استفاده از جوش احتراقی است. سیستم جوش احتراقی شامل تجهیزات زیر می باشد: 1. قالب جوش 2. پودر جوش 3. تجهیزات تمیزکاری (شامل کاردک فلزی، برس سیمی، فندک و ...) قالب جوش از گرافیت با کیفیت بالا که دارای کمترین تخلخل باشد ساخته می شود. در صورت رعایت اصول فنی از قبیل پیش گرم کردن قالب، تمیز نمودن قالب پس از هر اتصال و ... قالب جوش ها توانایی ایجاد حداقل پنجاه اتصال را خواهند داشت.

یکی دیگر از روش ها برای اتصال کابل به سازه، استفاده از روش پین بریزینگ است. پین بریزینگ یک روش آسان و ایمن بر پایه اصول اتصال متالورژیکی است. فرآیند اتصال پین بریزینگ با فشار دادن ماشه تفنگ دستگاه آغاز می گردد. با این عمل، یک مدار برای عبور جریان DC ایجاد می گردد. در نوک پین که دارای بالاترین مقاومت است یک قوس الکتریکی بین پین و سازه ایجاد می گردد. ایجاد این قوس و حرارت ناشی از آن سبب ذوب شدن آلیاژ نقره سطح پین و در نتیجه ایجاد اتصال می گردد. فرآیند پین بریزینگ برای اتصالات بین مقاطع لوله عایق بندی شده، اتصال کابل های تست و منفی به سازه، نصب آندهای فداشونده به دلیل سهولت و سرعت نصب و استحکام مکانیکی بالا مناسب است. سیستم اتصال پین بریزینگ شامل تجهیزات زیر است: ۱- منبع تولید قوس الکتریکی به همراه باتری مربوطه ۲- تفنگ پین بریزینگ ۳- تجهیزات اتصال شامل: کابلشو، پین و واشر سرامیکی

در نقاطی که کابل به لوله متصل می شود لازم است قسمتی از پوشش لوله های مدفون در خاک، جهت اتصال کابل به آن برداشته شودُ هندی کپ یک ترکیب پیش ساخته برای ایجاد دوباره پوشش در محل اتصال است که به راحتی و با سرعت بالا قابل اجرا خواهد بود.

به منظور عایق کاری بهتر نقاطی از خط لوله که از هندی کپ جهت ترمیم پوشش استفاده شده است از نوار عایقی استفاده می گردد.