نقش حفاظت کاتدی خطوط لوله در صنعت نفت و گاز

یکی از مشکلات اساسی و بسیار هزینه ساز در صنایع بزرگی مانند صنعت گاز، نفت، پتروشیمی، کشتیرانی و …، خوردگی سازه های فلزی می باشد. در صنعت نفت و گاز از خط لوله های فولادی کربن برای انتقال هیدروکربن از جکتها به سکوهای تولیدی و مخازن ذخیره سازی استفاده می شود و از طریق خطوط لوله وارد پالایشگاه  ها می شود. خط لوله های فولادی کربن، ایمن ترین و کم هزینه ترین وسیله جهت انتقال هیدروکربنها در حجم زیاد و مسیرهای طولانی هستند. خطوط لوله انتقال سوخت و آب و دیگر سازه های مدفون در خاک و یا غوطه ور در آب، با توجه به شرایط متالوژیکی خود در شرایط خوردگی قرار گرفته و پس از مدتی عملکرد سازه را دچار اختلال می کند.  خوردگی در صنعت نفت و گاز به دلیل تعویض تجهیزات فرسایش یافته و صدمه دیدن به تجهیزات مجاور، هزینه های سربار عملیات لوله کشی را به طرز چشمگیری افزایش می دهد. بنابراین استفاده از یک سیستم حفاظتی مناسب جهت پیشگیری از خوردگی امری ضروری است.

مکانیزم کنترل خوردگی

مکانیزم کنترل خوردگی در خطوط لوله نفت و گاز، راهکارهای کاهش دهنده ای برای از بین بردن یا کاهش خوردگی برای جلوگیری از خرابی خطوط لوله و پیامدهای مرتبط با آن مانند از بین رفتن محصول ، آلودگی محیط زیست و حوادث احتمالی است. پنج مکانیزم کنترلی برای به حداقل رساندن خوردگی خطوط لوله که در طول طراحی و ساخت خطوط لوله باید در نظر گرفته شود شامل طراحی ، انتخاب مواد ، پوشش ، حافظت کاتدی و محافظت شیمیایی است.

طراحی

یکی از فاکتورهای مهم در کنترل خوردگی، طراحی است. طراحی مناسب یک لوله فولادی، طول عمر سازه را افزایش می دهد. شکافها، هندسه فولادی ، لبه های تیز، اتصالات جوش داده شده و اتصالات خط لوله مانند فلنج ها ، دریچه ها و تکیه گاه های لوله اغلب به دلیل نفوذ و حل شدن سیال در معرض خوردگی موضعی می باشند. علاوه بر این ، این محیط ها به دلیل غیرقابل دسترسی بودن یا حساسیت به عدم موفقیت در پوشش ، دارای پوشش ضعیفی هستند. این موارد در ایجاد خوردگی نقش دارند و جهت محدود نمودن خوردگی، در فاز طراحی باید به دقت مورد بررسی قرار گیرند.

انتخاب مواد

انتخاب مواد از نظر طراحی مهندسی برای کاهش خوردگی بسیار اساسی است. انتخاب مواد به شرایط محیطی از قبیل مایع مورد انتقال، دما، فشار و الکترولیتی که لوله در ان قرار میگیرد (آب یا خاک) بستگی دارد. همچنین در اتصالات فلنجی، لوله کشی و اتصالات کلی که امکان جفت شدن فلزات از جنس متفاوت وجود دارد، جهت جلوگیری از خوردگی گالوانیک باید در تعیین جنس مواد دقت شود. فولاد کربن به دلیل خاصیت مکانیکی مناسب ، در دسترس بودن و کم هزینه بودن، علی رغم مقاومت پایین در برابر خوردگی در مقایسه با سایر آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی، ماده اصلی را برای انتقال خط لوله تشکیل داده است.

پوشش

یکی از اصلی ترین و ساده ترین روشهای محفاظت خطوط لوله، پوشش می باشد. یک پوشش مناسب، مانع از تماس مستقیم سطح خارجی لوله با محیط اطراف می شود و در نتیجه مانع جریان یون ها از طریق الکترولیت می شود ، و در نتیجه خوردگی را محدود می کند.

روشها و انواع مختلفی از پوشش وجود دارد و انتخاب نوع آن به نوع مواد انتخاب شده بستگی دارد:

• Painting

از رنگ آمیزی در محیط هایی که تجهیز فقط در معرض هوا قرار دارد و الکترولیتی موجود نیست، استفاده می شود.

• Coating

عمده ترین نوع پوشش جهت پوشش سازه هایی که در معرض الکترولیت قرار دارند، پوشش های مقاوم و محکمی مانند پلی اتیلن ها، قیرو پلی پروپیلین هستند.

• Lining

آستر کردن سطح سازه با ورقه های لاستیکی که رابر گفته میشود.

• Cladding

پوشش یک فلز با فلزی دیگر.

حافظت کاتدی

استفاده از سیستم حفاظت کاتدی در کنار پوشش یک راه موثر جهت پیشگیری از خوردگی خطوط لوله می باشد.

دو روش کلی برای حفاظت کاتدی خطوط لوله وجود دارد:

• سیستم آندهای فداشونده
• سیستم اندهای تزریق جریان

در مواردی که طول خط لوله بسیار زیاد باشد و در صورت وجود جریانهای سرگردان از سیستم تزریق جریان جهت حفاظت از خط لوله استفاده می شود.

محافظت شیمیایی

محافظت شیمیایی شامل مهارکننده های خوردگی، سیستم پاک کننده اکسیژن و بیوکسید (biocide)  است که در یک فرایند شیمیایی انجام میشود. در فرایند شیمیایی بیوکسید به سیستم، مایع یا آب تزریق می شوند تا میکروارگانیسم هایی مانند باکتری های کاهش یافته که باعث افزایش خوردگی تحت تأثیر میکروبیولوژیکی می شوند با سولفید از بین بروند. مواد شیمیایی پاک کننده اکسیژن برای دفع اکسیژن رسانی به آب تزریق می شوند تا شدت خوردگی را کاهش دهند.

خوردگی مخازن ذخیره سازی زیرزمینی

مخازن ذخیره سازی زیرزمینی (Underground Storage Tank) به طور کلی در تماس با موادی چون خاک، شن و ماسه قرار دارند. واکنش الکتروشیمیایی بین مخزن و خاک اطراف آن (الکترولیت) منجر به خوردگی مخزن می شود. اختلاف ولتاژ کمی که در سطح فولاد وجود دارد منجر به ایجاد جریان از یک قسمت مخزن به قسمت دیگر آن می شود. جایی که جریان از آن به درون خاک (الکترولیت) می رود خوردگی رخ می دهد. این قسمت در پیل گالوانیک، آند نامیده می شود. جایی که جریان از خاک به مخزن وارد می شود کاتد می باشد و خوردگی رخ نمی دهد.

جلوگیری از خوردگی مخزن

جهت محافظت از مخازن زیرزمینی از خوردگی، از یک پوشش خارجی و همچنین یک سیستم حافظت کاتدی استفاده می شود. یک پوشش خارجی مناسب می تواند بیش از ۹۹٪ از سطح مخزن را محافظت کند. اما از آنجا که ، هیچ پوششی کامل نیست علاوه بر پوشش خارجی باید از یک سیستم حافظت کاتدی جهت محافظت از خوردگی مخزن استفاده کرد. سیستم حفاظت کاتدی با اعمال جریان خارجی، مخزن را به کاتد تبدیل کرده و از خوردگی آن محافظت می کند. در مواردی که مقدار جریان مورد نیاز برای حفاظت سازه اندک باشد، از آندهای فداشونده استفاده می شود. برای سازه های بزرگ مانند خطوط لوله با قطر زیاد از سیستم تزریق جریان استفاده می شود.

آند فداشونده منیزیم جهت حفاظت کاتدی مخازن زیرزمینی

آند فداشونده منیزیم متداولترین آند فداشونده ای است که در حفاظت کاتدی مخازن زیرزمینی به کار گرفته می شود. آند منیزیم از مخازن زیرزمینی در هر خاکی می تواند محافظت کند. به منظور کاهش مقاومت الکتریکی آند نسبت به خاک، آند منیزیم معمولا به همراه یک پشت بند که ترکیبی از گچ گیپسوم، بنتونیت و سدیم سولفات است، در داخل کیسه کتانی به کار گرفته می شود. آند منیزیم در دو نوع استاندارد و پتانسیل بالا تولید می شود. در خاکهایی با مقاومت حدود ۱۰۰۰۰اهم – سانتی متر از آند منیزیم پتانسیل بالا استفاده می شود. براساس ابعاد مخزن و مقاومت خاکی که مخزن در آن قرار دارد، تعداد و ابعاد آند های مورد نیاز مشخص می شود. دو اندازه رایج آندهای منیزیم برای محافظت مخازن زیرزمینی،آندهای ۱۷ پوندی و ۳۲ پوندی می باشد. آندها در فاصله و عمق مناسب نسبت به مخزن نصب می شوند. سیم آند به قسمت بالایی مخزن با یک اتصال الکتریکی با مقاومت پایین، متصل می شود. کلیه اتصالات با عایق رطوبتی پوشیده می شود.

انواع بکفیل(Backfill)  و کاربردهای آن:

در سیستم های حفاظت کاتدی خطوط لوله و یا سازه های زیرزمینی مدفون در خاک، آند مورد استفاده در تماس مستقیم با خاک قرار ندارد. زیرا مواد معدنی و شیمیایی موجود در خاک ممکن است با ایجاد یک لایه با مقاومت بالا هدایت جریان را مختل کند. جهت افزایش بازدهی آند، گاهی اوقات آندهای فداشونده منیزیم و روی همراه یک بکفیل (پشت بند) در کیسه های کتانی ارائه می شوند. مواد بکفیل به سرعت رطوبت خاک را جذب کرده و باعث کاهش مقاومت الکترولیت می شود بنابراین اجرای عملی حفاظت، بهبود می یابد. مواد بکفیل عموما شامل گچ گیپسوم، بنتونیت و سدیم سولفات می باشد. با توجه به محیطی که آند در آن قرار می گیرد یکی از انواع بکفیل که در جدول زیر ملاحظه می شود، مورد استفاده قرار می گیرد.

جدول ترکیب انواع بکفیل بر اساس استاندارد IPS-M-TP-750:

بکفیل نوع A، با توجه به خاصیت نگهدارندگی رطوبت بنتونیت، در مناطقی که رطوبت خاک پایین است مورد استفاده قرار می گیرد.

بکفیل نوع B، معمولا برای آندهای فداشونده روی مورد استفاده قرار می گیرد.

بکفیل نوع C، برای آند فداشونده منیزیم یا روی در خاکهای بسیار مرطوب یا باتلاقی مفید است تا از خروج سریع بکفیل از سطح آند جلوگیری شود.

بکفیل نوع D، این نوع بکفیل مقاومت پایینی دارد ودر نواحی که مقاومت خاک زیاد است جهت کاهش مقاومت آند نسبت به زمین به کار گرفته می شود.

ابعاد کیسه بکفیل

مطابق با استاندارد  IPS-M-TP-750 قطر کیسه بکفیل باید حداقل ۵۰ میلی متر از قطر آند بزرگتر باشد. مواد پشت بند باید به گونه ای محکم در کیسه بسته بندی شود که از حرکت آند جلوگیری شود و پوشش کافی را در اطراف آند بدست آورد.

حفاظت کاتدی (cathodic protection) روشی برای کاهش خوردگی با به حداقل رساندن اختلاف پتانسیل بین آند و کاتد است. این امر با استفاده از ایجاد یک جریان از منبع خارجی بر روی سازه ای که باید از آن محافظت شود (مانند یک خط لوله) حاصل می شود. هنگامی که جریان کافی استفاده شود ، کل ساختار در یک پتانسیل قرار خواهد گرفت. بنابراین ، سایت های آند و کاتد وجود نخواهد داشت. حفاظت کاتدی معمولاً برای محافظت از سازه های بی شماری در برابر خوردگی ، مانند کشتی ها ، شناورهای دریایی ، تجهیزات زیر دریایی ، بندرها ، خطوط لوله و مخازن مورد استفاده قرار می گیرد.
انواع سیستم های حفاظت کاتدی
دو نوع اصلی از سیستم های حفاظت کاتدی وجود دارد: سیستم گالوانیک و سیستم تزریق جریان. توجه داشته باشید که هر دو نوع شامل یک آند (که از آن جریان به داخل الکترولیت هدایت می شود)، یک الکترولیت مداوم از آند به ساختار محافظت شده و یک اتصال فلزی خارجی می باشد.

• سیستم گالوانیک:

سیستم حفاظت کاتدی گالوانیک (galvanic cathodic protection system) از پتانسیل های خوردگی برای فلزات مختلف استفاده می کند. بدون حفاظت کاتدی ، یک ناحیه از ساختار با پتانسیل منفی بیشتری نسبت به نواحی دیگر وجود دارد و خوردگی به وجود می آید. در این حالت اگر یک جسم با پتانسیل منفی بیشتری (مانند آند منیزیم) در مجاورت ساختار تحت حفاظت (مانند خط لوله) قرار گیرد و یک اتصال فلزی ایجاد شود، جسم به آند تبدیل می شود و کل ساختار تبدیل به کاتد می شود.
بنابراین، سیستم حفاظت کاتدی گالوانیک یک سیستم حافظت کاتدی آند فداشونده (Sacrificial anode) نامیده می شود ، زیرا آند برای محافظت از ساختار به صورت قربانی خورده می شود. آندهای فداشونده معمولا از فلزاتی چون منیزیم، روی و آلومینیوم ساخته می شوند.

• سیستم تزریق جریان:

سیستم حفاظت کاتدی تزریق جریان (Impressed current cathodic protection) نوعی از سیستم است که معمولاً در مواردی که الزامات جریان بالا برای محافظت در برابر خوردگی وجود دارد، اعمال می شود. تفاوت اصلی بین سیستم های تزریق جریان و آندهای فداشونده این است که سیستم آندهای فداشونده به تفاوت پتانسیل بین آند و ساختار متکی است ، در حالی که سیستم تزریق جریان از منبع انرژی خارجی برای هدایت جریان استفاده می کند. آندهای تزریق جریان معمولا آندهای چدنی پر سیلیس (آندهای سیلیکونی) یا آندهای اکسید فلزی مختلط (Mixed Metal Oxide anode) هستند.

خوردگی چیست؟

خوردگی یک فرایند الکتروشیمیایی است که در آن جریان از ساختاری در محل آند خارج می شود ، از طریق یک الکترولیت عبور می کند و مجدداً در محل کاتد وارد ساختار می شود. به عنوان مثال ، یک بخش کوچک از یک خط لوله ممکن است به دلیل آنکه در خاک با مقاومت کم در مقایسه با بقیه خط لوله قرار دارد، آندی باشد. جریان می تواند خط لوله را در آن محل آند رها کند ، از داخل خاک عبور کند و مجدداً در محل کاتدی وارد خط لوله شود. جریان به دلیل اختلاف پتانسیل بین آند و کاتد جریان دارد. یعنی پتانسیل آند بسیار منفی تر از پتانسیل کاتد است و این تفاوت، نیروی محرکه جریان خوردگی است. به کل سیستم – آند ، کاتد ، الکترولیت و اتصال فلزی بین آند و کاتد، سلول خوردگی گفته می شود.

پیامدهای خوردگی

خوردگی یک مشکل خطرناک و بسیار پرهزینه است و پیامدهای جدی اقتصادی ، بهداشتی ، ایمنی ، تکنولوژیکی و فرهنگی برای جامعه ما به همراه دارد. یکی از مهمترین مشکلات، خوردگی سازه ها است که می تواند منجر به جراحات شدید یا حتی از بین رفتن زندگی شود. ایمنی با خوردگی و خرابی در پل ها ، هواپیماها ، شناورها ، خطوط لوله نفت و گاز، سازه های ساحلی و فراساحلی، کل مجموعه سازه های فلزی و دستگاه هایی که دنیای مدرن را تشکیل می دهند به خطر می افتد.

انواع خوردگی چیست؟

انواع مختلفی از خوردگی وجود دارد و تحقیقات گسترده ای در این زمینه به طور مداوم انجام میشود. در اینجا مختصراً برخی از انواع متداول خوردگی آورده شده است:
• خوردگی یکنواخت: رایج ترین نوع خوردگی ، خوردگی یکنواخت با رنگ مایل به قرمز است که به طور مساوی در تمام قسمتهای در معرض بستر توزیع می شود.
برای جلوگیری از خوردگی یکنواخت ، مهم است که در هنگام طراحی ، امکان آبگیری و تهویه مناسب فراهم شود. همچنین از ابتدا با تمیز کردن مداوم سطوح و محافظت از اتصال دهنده ها با استفاده از پوشش یا روکش، از ایجاد خوردگی یکنواخت جلوگیری کنید.
• خوردگی گالوانیک: رایج ترین و تأثیرگذارترین شکل خوردگی است. هنگامی رخ می دهد که دو فلز متفاوت در حضور یک الکترولیت در تماس باشند. در یک سلول گالوانیک، فلز فعال تر (آند) خورده شده و فلز نجیب تر (کاتد) محافظت می شود. عوامل متعددی از جمله انواع فلزات ، اندازه نسبی آند و شرایط محیطی (دما ، رطوبت ، شوری و …) خوردگی گالوانیک را تحت تاثیر قرار می دهند.

• خوردگی شکاف: از آنجا که شکاف های کوچک تمایل به رطوبت دارند و تهویه مطلوبی ندارند، خوردگی شکاف در این مناطق ایجاد می شود. خطر خوردگی در شکاف با وجود تعداد مفصلهای بیشتر چند برابر می شود. با به حداقل رساندن استفاده از واشر و ایجاد رابط های مشترک تا حد امکان از خوردگی شکاف جلوگیری می شود.