تُعَد الحماية الكاثودية تقنية فعالة تُستخدم للحد من آثار التآكل التي تلحق بالأسطح المعدنية التي تتفاعل مع البيئة.
ما المقصود بالحماية الكاثودية (CP)؟
الحماية الكاثودية هي أسلوب مُتبع لحماية الهياكل المعدنية التي تكون مغمورة أو مدفونة تحت الأرض من التآكل.
هذه الطريقة تعتبر واحدة من أكثر الوسائل فعالية في صد التآكل عن الأسطح المعدنية.
تُستخدم الحماية الكاثودية بشكل شائع لحماية مجموعة متنوعة من الهياكل، بما في ذلك السفن والعوامات البحرية والموانئ وخطوط الأنابيب والخزانات، بجميع أنحاءها المعدنية المدفونة أو المغمورة.
ما هي المبادئ الأساسية للحماية الكاثودية؟
تستند هذه التقنية إلى تحويل المناطق النشطة على السطح المعدني إلى مناطق سالبة، بمعنى آخر، تحويلها إلى كاثود ضمن خلية كهروكيميائية.
من خلال توفير تيار كهربائي، يتم تقليل الجهد الكهربائي للمعدن مما يوقف هجوم التآكل، وبالتالي يتحقق مبدأ الحماية الكاثودية.
يمكن تحقيق الحماية الكاثودية من خلال طريقتين رئيسيتين:
- الحماية الكاثودية عن طريق الأنود القرباني.
- الحماية الكاثودية باستخدام التيار الكهربائي المُغَصِص، والذي يعرف غالبًا باسم (ICCP).
الحماية الكاثودية بواسطة الأنود القرباني
تعتبر أبسط طرق تطبيق الحماية الكاثودية هي من خلال ربط المعدن المراد حمايته مع معدن آخر يتآكل بسهولة أكثر ليعمل كأنود.
غالبًا ما تُستخدم المعادن مثل الزنك والألمنيوم والمغنيسيوم كأنودات.
المعدن الأكثر نشاطًا والذي يُعرف بأنه الأقل نبلًا، يصبح الأنود للمعادن الأخرى ويتعرض للتآكل لحماية الكاثود، مما يُعرّف الأنود القرباني.
نظرًا لأن الجهد الناتج عن الأنودات القربانية يكون منخفضًا مقارنة بالتيار الكهربائي القسري، فمن الضروري توزيع الأنودات بشكل مناسب بالقرب من المنطقة المحمية، ويفضل استخدام الألمنيوم أو الزنك في البيئات البحرية.
نتيجة للاختلاف المحتمل بين الأنود (الأقل نبلًا) والمنطقة الكاثودية (المعادن غير الكاثودية)، يتم إطلاق أيونات معدنية مشحونة بشكل إيجابي من سطح الأنود.
بينما تترك الإلكترونات السطح عند الكاثود؛ فبالنسبة لأنودات سبائك الألمنيوم، يمكن تلخيص التفاعل عند سطح الأنود كما يلي:
–4Al → 4Al+++ + 12e
الحماية الكاثودية باستخدام التيار الكهربائي المُغَصِص (ICCP)
تستخدم أنظمة ICCP مصدر طاقة كهربائية خارجي يتم تأمينه من خلال مصدر طاقة DC منظم.
عادةً ما يُشار إليه بلوحة التحكم، والتي توفّر التيار اللازم لاستقطاب السطح المحمي.
يتم توزيع التيار الواقي بواسطة أنودات خاملة مُصممة بشكل خاص، تكون عادةً مصنوعة من مواد موصلة لا تذوب بسهولة في الأيونات المعدنية، مما يضمن تفاعلات أنودية بديلة.
في بيئات مياه البحر الجيدة، يحدث تفاعل الأكسدة لأيونات الكلوريد، والذي يُعتبر التفاعل الأنودي السائد الناتج عن غاز الكلور المُنطلق على سطح الأنود:
–2Cl– → Cl2 + 2e.
بينما في المياه ذات الملوحة المنخفضة، يكون التفاعل الأنودي السائد هو تحليل الماء:
–2H2O → O2 + 4H+ + 4e.
يُعد MMO/Ti أحد أشهر أنواع أنودات ICCP لاستخدام مياه البحر، والذي يُصنع من ركيزة تيتانيوم (Ti) مغطاة بمحفز نبيل أو أكسيد معدني (MMO).
كيف تعمل الحماية الكاثودية؟
تعمل الحماية الكاثودية عن طريق وضع الأنودات (الأجهزة الخارجية) في محلول قلوي، مما ينشئ دائرة كهربائية. يتدفق التيار من الأنود عبر المحلول إلى سطح الهيكل.
في هذه العملية، ينتقل التآكل نحو الأنود مما يساهم في وقف التآكل على الهيكل.
مثال على الحماية الكاثودية لخط الأنابيب
في خط أنابيب غير محمي، تحدث تغيرات في الجهد بشكل طبيعي، حيث تتبدل بين إيجابية طفيفة وسلبية ثانوية، مما يؤدي إلى تدفقات التيار والتآكل الجلفاني في خط الأنابيب.
عند تطبيق نظام الحماية الكاثودية هذا على خط الأنابيب، مثل أنود MATCOR الخطي المرتبط مع خط الأنابيب، يتم نقل التيار من الأنود إلى خط الأنابيب مما يمنع التآكل.
تطبيق خط الأنابيب بدون CP
تابع أيضًا:
تطبيق CP على خط الأنابيب
ما هي أنظمة الحماية الكاثودية؟
يُعتبر التآكل أحد الأسباب الرئيسية لفشل الهياكل المعدنية في مرحلة مبكرة. يمكن للمشغلين إطالة عمر الخدمة للمرافق والمعدات الخاصة بهم.
من خلال تركيب أنظمة الحماية الكاثودية واختبارها بصورة دورية، يمكن لمهندسي الحماية الكاثودية تصميم أنظمة تضمن أطول فترة استخدام وأسهل في الاستبدال.
تُستخدم مجموعة واسعة من التطبيقات المدنية والصناعية هذه الأنظمة، لمنع التآكل لسنوات عديدة.
غالباً ما يتم تركيبها خلال الإنشاءات الأولية أو التوسعات أو التحديثات الكبرى، وعادةً ما تُصمم MATCO الأنظمة لتعمل لمدة 30 عامًا أو أكثر.
تعمل أنظمة الحماية الكاثودية على حماية أصول البنية التحتية من التآكل، وتشمل هذه الهياكل:
- خزانات التخزين الأرضية فوق السطح.
- خطوط الأنابيب المدفونة.
- حديد التسليح في الهياكل الخرسانية.
- المبادلات الحرارية.
- الأكوام البحرية.
- الجدران المصنوعة من الصفائح.
- الهياكل المعدنية الأخرى.
ما هي أنواع أنظمة الحماية الكاثودية؟
تُعتبر الحماية الكاثودية وسيلة فعّالة لمنع تفاعل الهياكل المعدنية مثل خطوط الأنابيب والخزانات مع البيئة والتآكل.
عند تعرضها للبيئة، يتعرض الفولاذ الكربوني والمعادن الأخرى للتآكل الكهربائي الكيميائي ويفشل في النهاية.
تعمل أنظمة الحماية الكاثودية على منع الأكسدة من الحدوث من خلال إنشاء تدفق للتيار من النظام إلى الهيكل.
يوجد نوعان أساسيان من أنظمة الحماية الكاثودية:
- الجلفانية.
- التيار القسري.
الحماية الكاثودية الجلفانية
التآكل الجلفاني هو عملية كيميائية كهربائية، حيث يكون أحد المعادن أكثر عرضة للتآكل من الآخر عندما يرتبط كلا المعدنين كهربائيًا.
تمثل الأنودات الجلفانية (المعروفة أيضًا بـ الأنودات القربانية) المستخدمة لحماية الهياكل الفولاذية مثالاً على التآكل الحلقي، حيث يتآكل الأنود الجلفاني لحماية الهيكل.
الأنود القرباني هو أنود معدني مرتبط كهربائيًا بالمعدن المراد حمايته، ويكون أكثر تفاعلاً مع البيئة المسببة للتآكل، مما يسمح له بالتآكل لحماية الهيكل.
في النظام الجلفاني، تمتلك الأنودات المتصلة بالهيكل المحمي إمكانات سلبية طبيعية أكبر من البنية.
عند تدفق الجهد من الأنود (الذي يمتلك إمكانات سلبية أكبر) إلى الهيكل (الذي يمتلك إمكانات سلبية أقل) ضمن دائرة تيار مستمر.
يمكن أن تحمي الأنودات الجلفانية بشكل سليم الهياكل الفولاذية تحت الأرض أو البحرية أو الصناعية من التآكل، دون الحاجة إلى مصدر طاقة خارجي للعمل.
لكن استخدامها يظل محدودًا، وعند تطبيقها بطريقة صحيحة، يستطيع تصميمها لتقديم عمر طويل وسهولة في التشغيل. تتوفر الأنودات الجلفانية بتكوينات متنوعة منها:
- الأنودات المعدنية العارية مثل المغنيسيوم والزنك والألمنيوم وسبائك أخرى.
- معبأة في الردم للاستخدام تحت الأرض.
- مصنوعة من الأشرطة الفولاذية الخارجية للاستخدام في الهياكل.
- أنواع الشريط.
- الأنودات المصنوعة على شكل قضبان أو أشكال خاصة.
التيار القسري
في تطبيقات عديدة، قد لا يكون الفرق في الجهد بين الأنود الجلفاني / القرباني والهيكل الفولاذي كافيًا لتوليد تيار كهربائي كافٍ للحماية.
في مثل هذه الحالات، يمكن لمصدر الطاقة (المعدل) توليد فروقات جهد أكبر، مما يوفر تدفق تيار أعظم للهيكل المحمي، ويُعرف هذا النظام باسم الحماية الكاثودية بواسطة التيار الكهربائي (ICCP).
متى نحصل على الحماية الكاثودية؟
سيتسبب تدفق تيار الحماية الكاثودية في تغيير الإمكانيات الطبيعية لأي معدن نحو القيم السلبية.
ويتم تحقيق الحماية الكاثودية الكاملة للصلب من خلال استخدام جهد عند مستوى معين.
