Cathodic Protection

Cathodic Protection

الحماية الكاثودية هي طريقة لمنع التآكل والصدأ عن الأسطح الخارجية للمعدات المعدنية الحديدية المدفونة أو المغمورة بالماء بجعلها أقطاب سالبة من دائرة كهربائية.
تستعمل الحماية الكاثودية لحماية خطوط الأنابيب الفولاذية و الخزانات و الهياكل الفولاذية و السفن وأرصفة تحميل النفط البعيدة عن الشواطئ والبطانات المعدنية لأبار النفط. وذلك بجعل الجسم المعدني المطلوب حمايته من التآكل كاثود سالب بالنسبة للتربة المحيطة / الألكترولايت المحيط وبمرور التيار الكهربائي من القطب الموجب (الأنود) عبر التربة / الألكترولايت المحيط بالجسم الفولاذي المدفون ليكمل الدائرة الكهربائية وبذلك يحمي معدن الفولاذ من التآكل.

نظرة تأريخية :

أن أول أستخدام لهذه الطريقة كان من قبل السير همفري دافي عام 1820 م ، وتم أستعمال طريقته من قبل البحرية الملكية كوسيلة للسيطرة على التآكل في السفن البحرية البريطانية.من خلال التقصي عن تآكل الأغطية النحاسية المستعملة في تغطية الحاويات البحرية ، وقد وجد دافي أن بالأمكان حفظ النحاس في مياه البحر من خلال وضع كميات قليلة من الحديد أو الخارصين. أي أن النحاس سيصيح محمي كاثودياً. ولكن تم التخلي عن هذه الطريقة بسبب تآثر خواص النحاس مما أدى الى تغيير الشكل الأنسيابي للسفن بسبب جمعها للكائنات البحرية.

ولكن التطور السريع الذي حصل في مجال الحماية الكاثودية كان في عام 1945 في الولايات المتحدة الأمريكية ، وقد صممت هذه الطريقة لتتلائم مع متطلبات صناعة النفط والغاز الطبيعي التي كانت في تطور سريع في تلك الفترة ، وقد تم الأستفادة من مزايا أستخدام أنابيب فولاذية رقيقة في الأنابيب المدفونة. حيث أستعمل للسيطرة على تآكل خطوط الأنابيب التي تتعامل مع الهايدروكاربون من نفط خام وغاز ومنتجات نفطية, حيث طبقت الحماية الكاثودية للسيطرة على تآكل خطوط الأنابيب الفولاذية المدفونة.

وفي المملكة المتحدة كانت تستخدم أنابيب حديد الزهر السميكة لحين أستخدام الحماية الكاثودية في الخمسينات من القرن الماضي ، وقد زاد استخدام هذه الطريقة لما لاقته من نجاح باهر في عام 1952 لحماية حوالي 1000 ميل من شبكات أنابيب الوقود ، أما الآن فهي تستخدم على نطاق واسع للأنابيب المدفونة والمغمورة للسيطرة على التآكل.

عمليا فأن كلّ خطوط الأنابيب الحديثة مكسوة بمواد عازلة وطلاء وقائي عضوي, والذي يعتبر مكملا لأنظمة الحماية الكاثودية, والتي تقوم بالواقع في حماية الثقوب والخدوش والخلل الموجود أو الحاصل على الطلاء والعازل, فكلما كان العازل جديد وجيد وخالي من العيوب فان تيار الحماية الكاثودية يكون بأقل ما يمكن.

تحتاج حماية الأسطح غير المطلية أو المعزولة إلى كمية كبيرة للتيار كهربائي, من هنا ينصح بعدم جلخ المادة المترسبة والأشنات النامية على سطح المعدن في الخزانات المائية والمنشئات البحرية وقشطها لأنها تعمل كمادة عازلة وتساعد على خفض كمية تيار الحماية اللازم.

مباديء الحماية الكاثودية :

أن المعادن تستخلص من خاماتها الأصلية (أوكسيدات المعادن metal oxides أو الجذور الحرة) ، ولديها الميل الطبيعي للعودة الى حالتها الأصلية بفعل الأوكسجين والماء. ويسمى هذا الأمر بـ التآكل وأصدق مثال له هو تآكل الفولاذ.

أن التآكل هو عملية ألكترو – كيمياوية Electro-Chemical Process التي تضمن مرور الشحنات الكهربائية Electrical Currents، حيث أن التغير من الحالة المعدنية الى الحالة المركبة يحدث بواسطة تفاعل آنودي Anodic Reaction :

 M المعدن → M⁺ الملح الذائب   + e^– ألكترون

والمثال الشائع لهذا النوع هو :

Fe     →     Fe⁺⁺     +      2e^–

 أن هذا التفاعل يُنتج ألكترونات حرة free electrons التي تعبر خلال المعدن الى موقع آخر من سطح المعدن (الكاثود) والذي سيستهلك بالتفاعل الكاثودي ، أما في المحاليل الحامضية فأن التفاعل الكاثودي يكون كالآتي:

2H⁺ hydrogen ions in solution  + 2e^– →   H₂ (gas)

 وفي المحاليل المتعادلة neutral solutions فأن التفاعل الكاثودي يشمل أستهلاك الأوكسجين المُذاب في المحلول. وكالآتي:

O2     +    2H2O   +     4e-    →   4OH (alkali)

 وهكذا فأن التفاعل يحصل على الأنود وليس على الكاثود ( مالم يتم مهاجمة الكاثود من قبل المواد القلوية) :

 عند التآكل فأن الآنود والكاثود قد يكونان على معدنين مختلفين ، متصلين ببعضهما ليكونا مزدوجاً ثنائي الفلز ، أو قد يكونان قريبين جداً على سطح المعدن.

أن ما يسبب عملية التآكل هو:

 الفرق في فرق الجهد الكهربائي في المزدوجات ثنائية المعدن ، والتغيرات على حالة المعدن على نقاط مختلفة على السطح والتغيرات المحيطية مثل فرق تركيز الأوكسجين على السطح فالمناطق التي يزيد فيها تركيز الأوكسجين تصبح الكاثود ، أما المناطق التي يكون فيها تركيز الأوكسجين قليلاً سيصبح الأنود.

أن مبدأ الحماية الكاثودية هو ربط آنود خارجي الى المعدن لحمايته ومرور التيار الكهربائي لجعل مساحة المعدن كاثود بالكامل وبالتالي عدم تآكله.

أن الآنود الخارجي قد يكون Galvanic Anode حيث يكون التيار الكهربائي نتيجة لفرق الجهد الكهربائي بين المعدنين ، أو تأثر الآنود الحالي حيث يكون التيار متأثراً من مصدر تيار DC .

وبتعبير آخر ، وبمصطلحات الكيمياء الكهربائية فأن التيار الكهربائي بين المعدن ومحلول الألكترولايت والذي يكون سالباً من خلال تجهيز الألكترونات السالبة التي الحد الذي يقلل تفاعلات الأنود التي تسبب التآكل ويسمح بحدوث التفاعلات الكاثودية فقط. 

يحسب تيار الحماية الوقائي من قبل مهندس الحماية الكاثودية، مستندا بذلك على سلامة طلاء الهيكل المعدني ومقاومة عزله والمقاومة النوعية للتربة وكمية التيار وفرق الجهد الكهربائي المطلوبة توفيره من المحول الكهربائي طوال العمر التشغيلي للتركيب الفولاذي المراد حمايته.

نظام الحماية الكاثودية الجيد يحمي التركيب بدون التسبّب بتطور وتكون هيدروجين الذي قد يسبّب بتلف الترابط والتلاصق بين الهيكل المعدني والطلاء/ العازل نتيجة لضغط الهيدروجين المتكون, تلافيا لتجمع كميات كبيرة من الهيدروجين على سطح الأنبوب يتولد عنه ضغط مرتفع فيحدث شقوقا في غلاف الأنبوب ويجب أن لا يزيد فرق الجهد بين أي نقطة على سطح الأنبوب والتربة عن (2.5) فولت.

يمكن جعل الهيكل المعدني كاثود سالب باستخدام أقطاب أنودات التضحية الموجبة Sacrificial Anodes أو بالتيار المسلط من وحدات المحولات/المقومات الحماية الكاثودية CP Transformer Rectifier  

 الحماية الكاثودية باستخدام أقطاب آنودات التضحية  CP by Sacrificial Anode

عموما يلجئ لها في الحماية في المناطق التي بها العديد من الهياكل المعدنية المدفونة (المنفصلة عن بعضها) والمطلوب حمايتها, حيث تقوم كل مجموعة آنودات بحماية الهيكل / الهياكل المعدنية المتصلة بها فقط. 

عندما تكون أقطاب آنودات التضحية مصممة ومصنعة ومختبرة بصورة جيدة وتم ربطها بشكل جيد وصحيح فأنها سوف لن تحتاج لتعديل وتضبيط مستمر طوال العمر التشغيلي الافتراضي للأقطاب, بعدها وعند استهلاكها يتوجب استبدالها بأقطاب أخرى جديدة.

أقطاب آنودات التضحية المثالية لحماية الهياكل المعدنية المدفونة بالتربة هي المصنوعة عادة من المغنيسيوم Magnesium Anode  وتعرف بأقطاب المغنيسيوم للتضحية وبالنسبة للهياكل المعدنية المغمورة أو الغاطسة بمياه البحر فأن آنوداتها تكون عادة من سبائك ألمنيوم / خارصين / غالفالوم / إنديوم Aluminum / Zinc / Galvalum / Indium Alloys .

 الحماية باستخدام التيار الكهربائي المسلط  Impressed Current Cathodic Protection

تستخدم عادة للهياكل المعدنية الكبيرة ولكون توظيف الحماية الكاثودية باستخدام أقطاب آنودات التضحية CP by Sacrificial Anode  يصبح غير اقتصادي لحماية خطوط الأنابيب الطويلة.

لذلك فأنها غالبا ما يستخدم هذا الأسلوب في شبكات خطوط الأنابيب الطويلة والمنشئات الصناعية والنفطية التي تحوي على أعداد كثيرة من الخزانات الكبيرة والهياكل المعدنية المدفونة.

الأنودات المستخدمة في هذا الأسلوب من الحماية قد يكون أسطواني الشكل وعلى شكل قضيب أو سلك أو أنبوب أو على شكل شريط, وموادها يمكن أن تكون مصنوعة من حديد السيليكون المصبوب Silicon-Cast Iron أو خليط أكاسيد معدنية Mixed Metal Oxide أو الكرافايت Graphite أو سبائك المكسية بالبلاتين أو التيتانيوم Platinum or Titanium coated alloys أو حديد الصلب السليكوني Silicon-Cast Iron الأكثر اقتصادا ولكن يتشقق ويتفطر بسهولة مما يستدعي العناية أتناء نصبه ودفنه وأن ينفذ العمل من قبل عمال مهرة ومحترفين ويحسنون استخدام المعدات المناسبة كون هذه الأقطاب ثقيلة الوزن, مع أهمية مراعاتهم بعدم انفصال وكسر وتلف وصلة أسلاك الربط بالأقطاب. وكذلك يمكن استخدام أقطاب أنوديفليكس الأنبوبية المرنة Flexible “Anodeflex” tubular anodes  .

فمنظومة حماية مثالية من هذا النوع لغرض حماية خط أنابيب طويل ستتضمن وحدات محولة / مقومة (10-50) أمبير Transformer Rectifier Units  .

 وجهد 50 – 100 فولط كما يكمن توظيف منظومة طاقة شمسية لهذا الغرض.

تكون المسافة المثالية بين الأحواض الأرضية أو محطة وأخرى (25 -50 ) كم.

في حالة استخدام وحدات محولة / مقومة Transformer Rectifier Units ذات قدرات خرج مرتفعة فيجب أن يكون الحوض الأرضي لدفن الأنودات أكثر بعدا عن خط الأنابيب وذلك للحد ولتخفيض الارتفاع الجهد المحتمل قرب خط الأنابيب وأن لا يقل عن 80- 150 متر, وبالنسبة لحماية الخزانات تكون المسافة من 10 – 100 متر, وتحسب المسافة الأقل على أساس واعتبار قيمة مقاومة التربة النوعية.

في أغلب الأحيان لا يكون هناك مسافة كافية من الأرض ضمن المحرمات Right-of-Way (ROW) لتحقيق مثل هذا الشرط فيلجأ عندها إلى استخدام الأحواض الأرضية العميقة Deep Well Ground Beds حيث تكون بعمق 60 متر أو أكثر تدلى بها الأقطاب بأغلفة معدنية 20 -25 سم تحوي Conductive Coke Breeze تدلى داخل غلاف البئر المعدني.

يستخدم الغلاف الفولاذي للبئر المحفورة في التربة لسلامة البئر و عند سكب الفحم Coke Breeze حول الأقطاب لملئ فجوة البئر والتي تنفذ ببطء لتجنب تكون فراغات هوائية, وعند تشغيل المنظومة سيصدأ الغلاف ويتلاشى في النهاية ويصبح جزء من التربة المحيطة.

يعدل خرج وحدة محولة / مقومة Transformer Rectifier Unit من قبل الفني المختص لحده الأمثل المطلوب مستندا على قياسات الكهروكيمياوية و سرعة تجاوب واستكمال استقطاب التربة المحيطة بخط الأنابيب لتأمين جهد الحماية المطلوب.

وحدة محولة / مقومة  Transformer Rectifier Unit

تربط وحدة محولة / مقومة الطاقة الكهربائية ذات التيار المتناوب والتي تعطي كخرج Out Put لها جهد الحماية ذو التيار مستمر اللازم لمنظومة الحماية ذات التيار المسلط.

تصنع وحدات محولة / مقومة حسب الطلب المناسب لحالة منظومة الحماية اللازمة حيث تكون بأحد الأشكال التالية:

. المحولات المقومة ذات التبريد الهوائي Air – Cooled T/R 

. المحولات المقومة ذات التبريد الزيتي Oil – Cooled T/R 

. المحولات المقومة المنيعة على اللهب Explosion Proof T/R 

أو يمكن أن تكون ذات مصادر للطاقة الكهربائية غير تقليدية Special DC – Power Sources 

. وحدات الخلايا الضوئية Solar Power Unit 

. مولدات الكهرباء الحرارية Thermo Electric Generators 

. مولدات الكهرباء الهوائية Wind Generators 

حيث تعتمد فيها فكرة DC / DC للتوليد وكخرج مسيطر عليه بالنسبة لوحدات مولدات الكهرباء الحرارية و مولدات الكهرباء الهوائية وتضاف بطاريات بسعة مناسبة للمنظومات التي تستخدم وحدات الخلايا الضوئية لتغطية الفترة الليلية أو عندما يكون الجو غائم.

تجهز الوحدات عادة بأجهزة القياس رقمية أو تناظرية لتبيان الجهد والتيار.

  نقاط الفحص والعزل للحماية الكاثودية  CP Test Posts and CP Isolation

هي هياكل Structures و أشكال Posts قياسية تحوي على نقاط الفحص ولتوصيل أجهزة الفحص وأسلاك الفحص ولإجراء قياسات الجهد بين الهياكل المعدنية المحمية والتربة المحيطة Structure-To-Soil Potential Measurements , وكذلك لربط أنودات التضحية بالهياكل المعدنية والأنابيب المراد حمايتها كاثوديا.

قد تؤثر كابلات الاختبار و الفحص وتعمل كمسار لتيار الحماية لأجزاء أخرى من شبكات خطوط الأنابيب و الأجسام المعدنية وخصوصا عند Block Valve or Metering Stations حيث يتم عزل المنشئات السطحية عن المنظومة المحمية. 

في خطوط الأنابيب التي تنقل مواد هايدروكاربونة يجب استخدام مانعات للتمور Surge Arrestors تركب عند وصلات العزل Insulating Joints لضمان وتأمين العزل من الانهيار والتلف بسب ضربات الصواعق أو التوصيلات الكهربائية الخاطئة والتيارات العابرة, حيث يؤرض كلا جهتي العزل و الجزء المحمي كاثوديا, ويكون تأريض الجزء المحمي كاثوديا من خلال خلايا استقطاب Polarization Cells  لمنع تيار الحماية المستمر The CP – DC Current من التسرب للأرض.

كذلك تحتاج الخزانات المحمية كاثوديا خلايا استقطاب Polarization Cells تربط بين نقطة التأريض وشبكة الأرضي لضمان عدم تسرب تيار الحماية الكاثودية للخزان من التسرب لشبكة الأرضي.

اعتبارات تصميمية أخرى Other Design Considerations

على المصمم حساب حجم ونوعية و فترة عمر استخدام أقطاب الأنودات وعلى أساس نموذجي 15 -30 سنة من الاستخدام والتشغيل بالنسبة لأسلوب الحماية باستخدام التيار الكهربائي المسلط by Impressed Current Cathodic Protection و 10 – 15 عام بالنسبة لأسلوب الحماية الكاثودية باستخدام أقطاب آنودات التضحية CP Sacrificial Anode .

حساب المسافات بين الأقطاب لضمان منع تآكل طرف توصيل الأقطاب غير الناضج Premature Anode-End Corrosion والذي يؤدي إلى تلف مجموعة الأنودات وإيقاف عملها ووجوب استبدالها لتقطعها وفقدان التوصيل فيها.

تدقيق وتقدير تيار كتلة الفحم Coke Breeze Current Rating ومساحة الاتصال السطحية مع الأقطاب الأنودات لمرور التيار الكافي وضمان مستوى واطئ وثابت لمقاومة حلقة الحماية الكاثودية.

معايير القبول والمقاييس  Measurements and Acceptance Criteria

تقاس الإمكانية الكهروكيمياوية للحماية الكاثودية CP Electrochemical Potential is Measured بواسطة أقطاب مرجعية قياسية Reference Electrodes:مثل:

1.  

   Copper-copper(II) sulfate electrodes are used for structures in contact with soil or fresh water.

   2. Silver chloride electrodes are suitable for seawater applications (compatible electrolyte).

المصادر:

1. مبادئ الحماية الكاثودية/ د. مهند الشيخلي.
2. Cathodic Protection – R.L.Kean, K.G. Davies