خوردگی کشتی – حفاظت کاتدی و سیستم تزریق جریان

ساختار فولادی کشتی که در معرض آب دریا است به طور طبیعی مستعد خوردگی است. استفاده از یک سیستم پوشش مناسب، یک روش استاندارد برای کنترل خوردگی است. با این وجود ، سایش مکانیکی ، حمله بیولوژیکی و فرسایش در تمام مدت سرویس کشتی اتفاق می افتد. بنابراین با گذشت زمان، سیستم پوشش از بین رفته و توانایی خود جهت کنترل خوردگی را از دست می‌دهد. ترکیبی از سیستمهای پوشش و سیستمهای تزریق جریان اطمینانی از حفاظت در برابر خوردگی در طول عمر مفید کشتی حاصل می‌نماید.

نحوه عملکرد سیستم حفاظت کاتدی تزریق جریان

سیستم های حفاظت کاتدی تزریق جریان (ICCP) متشکل از یک یا چند الکترود مرجع و چندین آند تزریق جریان است که همگی به یک منبع تغذیه متصل هستند. الکترودهای مرجع پتانسیل حفاظت الکتریکی زیر آب را اندازه گیری می کنند و بر اساس این داده ها ، واحد جریان مورد نیاز آندها را تنظیم می کند. جریان تزریق شده مانع از ایجاد فرایند خوردگی می شود. این سیستم های پیشرفته امکان نظارت در زمان واقعی را فراهم می کنند و سطح حفاظت مورد نیاز را در همه زمان ها تضمین می کنند. یک سیستم ICCP نصب شده ، راه اندازی شده و سرویس شده می تواند به مدت ۲۵ سال یا بیشتر کار کند.

با اتصال یک نقطه از بدنه کشتی به یک الکترود مرجع، جریان خوردگی که همان اختلاف پتانسیل بین بدنه و الکترود مرجع است، اندازه گیری می‌شود. سپس یک جریان DC که برابر یا کمی بیشتر از آن است (در جهت مخالف) به آند تزریق جریان اعمال می‌کنیم. این عمل، یک جریان حفاظتی را به بدنه کشتی می دهد و بدنه را در برابر خوردگی محافظت می کند.

اجزای سیستم تزریق جریان

• واحد منبع تغذیه خروجی DC 24V و کنترل پنل:

منبع تغذیه شامل یک رکتیفایر است که جریان متناوب AC را به جریان مستقیم که همان جریان مورد نیاز سیستم تزریق جریان است، تبدیل می‌کند.

• آندهای تزریق جریان:

در بدنه کشتی عموما از آندهای MMO به صورت دیسکی یا نواری شکل استفاده می‌شود.

• الکترود مرجع روی:

این الکترودها در بین آندها، جایی که کمترین پتانسیل ممکن است وجود داشته باشد، نصب می‌شود تا پتانسیل الکتریکی کنترل شود و کمترین جریان خوردگی بین بدنه و آب دریا شناسایی گردد. این میزان جریان به کنترل پنل باز می گردد که به طور خودکار خروجی آند تزریق جریان را تنظیم می کند.

• صفحه‌ی کنترل از راه دور: جهت کنترل عملکرد سیستم تزریق جریان.
• کابل اتصال دهنده سکان:

به منظور حفاظت سکان در برابر خوردگی، از یک کابل اتصال دهنده انعطاف پذیر که یک انتهای آن به سکان و انتهای دیگر آن به بدنه متصل می‌گردد، استفاده می‌شود.

• مونتاژ زمینی شافت پروانه

گذرگاه آب شیرین

آانتقال کشتی از آب دریا به آبهای شیرین منجر به کاهش رسانایی الکتریکی می‌گردد. به دلیل کاهش رسانایی ، الکترود مرجع قادر به تشخیص اختلاف پتانسیل نخواهد بود. در این زمان، نیاز است که جریان خروجی آندهای تزریق جریان را محدود نماییم.

در هنگام عبور از آب شیرین ، کنترل اتوماتیک در واحد منبع تغذیه، ولتاژ تصحیح شده خود را به حداکثر می رساند تا جریان تزریقی را محدود کرده و از محافظت بیش از حد جلوگیری کند و بدنه کشتی را در برابر خوردگی محافظت کند.

در بنادر، سیستم تزریق جریان در صورت فعال بودن ، با افزایش جریان سعی در محافظت از اسکله دارد که می تواند منجر به ایجاد جریان اضافی شود. از این رو منبع تغذیه سیستم تزریق جریان همیشه در بندر خاموش است.

بکارگیری سیستم تزریق جریان در کشتی به کاهش مصرف سوخت، افزایش سرعت کشتی به دلیل کاهش مقاومت بدنه و حفظ کیفیت فلز بدنه برای بازه های زمانی طولانی تر و در نتیجه افزایش فواصل نگهداری و مقرون به صرفه بودن کمک می کند. بنابراین اکثر صاحبان کشتی از این سیستم جهت حفاظت کشتی از خوردگی استفاده می‌کنند.

آند اکسید فلزی مختلط چیست؟

آندهای اکسید فلزی مختلط (Mixed Metal Oxide anodes) از زیرسطحی از جنس تیتانیوم ساخته می‌شود که توسط اکسیدهای فلزی مختلط پوشش داده می‌شود. پوشش توسط چندین فرایند حرارتی روی پایه تیتانیومی اعمال می‌شود تا یک لایه مقاوم در برابر مواد شیمیایی را ایجاد نماید. با توجه به پایداری ذاتی تیتانیوم این پوشش با تقویت رسانایی آند، بهترین عملکرد آند را به دنبال دارد.

آندهای MMO دارای مزیت هایی چون نرخ خوردگی بسیار پایین و ظرفیت جریان بالا می‌باشد.پایین بودن نرخ خوردگی آند باعث می‌شود که ابعاد آند در مدت زمان طول عمر آند، تقریبا ثابت باقی بماند. لذا این آندها مصرف بسیار گسترده‌ای در سیستم های تزریق جریان برای سازه‌های زمینی و دریایی دارد.

کاربردهای آند MMO

آند MMO در سیستم حفاظت کاتدی در انواع مختلف لوله‌ای، ریبونی، مش، وایری و صفحه‌ای استفاده می‌شود. این آندها در همه محیط‌ها مانند خاک، آب شیرین و آب شور به طور مؤثر قابل استفاده هستند. با توجه به محیطی که آند در آن قرار می‌گیرد، دو نوع پوشش برای آند در نظر گرفته می‌شود. در محیط خاک و آب شیرین از پوشش ایریدیوم-تانتالیوم و در آب شور از پوشش ایریدیوم-تانتالیوم-روتینیوم استفاده می‌شود. ظرفیت جریان آند در خاک، ذغال کک و یا آب شیرین 100Amps\m2 و در آب شور 600Amps\m2 می‌باشد.

 انواع آندهای MMO

• آند لوله‌ای (Tubular Anode)

آند لوله‌ای متداولترین نوع آند MMO است که در سیستم های حفاظت کاتدی به کار برده می‌شود. تیتانیوم این آند بر اساس استاندارد ASTM B338 Grade1 تولید می‌شود. آندهای لوله‌ای معمولا به صورت استرینگ در چاه‌های عمیق استفاده می‌شوند.

• آند ریبونی (Ribbon Anode)

پایه تیتانیوم این آندها بر اساس استاندارد ASTM B265 Grade1 تولید می‌شود و از پوشش اکسید فلزی مختلط ایریدیوم/تانتالیوم استفاده می‌شود. از این نوع آند جهت حفاظت پایه‌های خارجی مخازن ذخیره‌سازی روزمینی استفاده می‌شود. آندهای ریبونی برای اتصال به کنداکتورهای تیتانیومی از طریق جوشکاری نقطه‌ای برای ایجاد یک شبکه در زیر مخزن مناسب هستند که توزیع یکنواخت جریان را نیز فراهم می‌کنند.

• آند مش (Mesh Anode)

آندهای MMO از نوع Mesh در سیستم های حفاظت کاتدی سازه‌های بتن مسلح به کار برده می‌شود. پایه تیتانیوم آند مش همانند آند ریبونی بر اساس استاندارد ASTM B265 Grade1 تولید می‌شود و کیفیت آند مطابق با استاندارد NACE TM0294 مورد بررسی قرار می‌گیرد.

• آند وایری (Wire Anode)

آند وایری تیتانیومی یک محصول حفاظت کاتدی ایده‌آل برای محافظت کف مخازن، شناورهای زیرزمینی و خطوط لوله می‌باشد. این نوع آند از تیتانیوم گرید بالا با پوشش اکسید فلزی مختلط ساخته می‌شود و دارای طول عمر بیش از ۵۰ سال می‌باشد.

• آند صفحه‌ای/دیسکی (Plate Anode)

این نوع آندها به صورت صفحه‌ های مستطیلی یا دایره‌ای برای کاربرد در کشتی‌ها و شناورها طراحی می‌شوند.

 

سیستم حفاظت کاتدی تزریق جریان چیست و چگونه عمل می کند؟

جهت حفاظت کاتدی در سازه های بزرگ ممکن است استفاده از سیستم حفاظت کاتدی آندهای فداشونده مناسب نباشد. تعداد آندهای فداشونده مورد نیاز برای تأمین جریان کافی برای حفاظت از سازه در برابر خوردگی، ممکن است بسیار زیاد یا غیر عملی باشد. برای کنترل این مسئله، از منبع انرژی خارجی برای کمک به هدایت واکنشهای الکتروشیمیایی استفاده می شود. 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 و یا نیاز به افزایش کنترل است، اعمال می شود. در سیستم های حفاظت کاتدی تزریق جریان (ICCP)، جریان لازم برای محافظت، از منبع خارجی انرژی الکتریکی تأمین شده توسط منبع تغذیه تنظیم شده DC که به آن ترانس رکتیفایر گفته می شود، تامین میشود. سیستم های ICCP برای محافظت در برابر خوردگی برای بسیاری از سازه ها مانند خطوط لوله زیرزمینی، مخازن ذخیره سازی، کشتی های بزرگ و سازه های ساحلی و فراساحلی ایده آل هستند.

سیستم حفاظت کاتدی تزریق جریان چگونه عمل می کند؟

سیستم حفاظت کاتدی تزریق جریان از یک یا چند الکترود مرجع و چندین آند ICCP که همه به یک منبع تغذیه متصل هستند تشکیل شده است. الکترودهای مرجع با اندازه گیری پتانسیل حفاظت الکتریکی محیطی که سازه در آن قرار دارد، واحد جریان خروجی مورد نیاز را روی آندها تنظیم می کند. جریان تنظیم شده مانع از وقوع فرآیند خوردگی می شود. در این روش بر خلاف روش آندهای فداشونده که آندها منفی بودند، آندها از سازه مثبت تر هستند. قطب مثبت منبع تغذیه به آند و قطب منفی آن  به سازه مورد نظر متصل می شود. لذا یون‌های مثبت در داخل الکترولیت از آند به سمت فلز مورد نظر برمی‌گردد .با توجه به الکترولیتی که سازه در آن قرار دارد، ولتاژ اعمال شده باید به گونه ای باشد که بتواند شدت جریان کافی برای تمام نقاط دستگاهی که تحت حفاظت کاتدی قرار گرفته‌است را تأمین نماید. یک سیستم ICCP که به طور صحیح نصب، راه اندازی و سرویس دهی شده، می تواند به مدت ۲۵ سال یا بیشتر کار کند.

آندهای تزریق جریان

سیستم حفاظت کاتدی شامل دو نوع آند است: آند فداشونده و آند تزریق جریان.

یک آند تزریق جریان از یک منبع قدرت خارجی معروف به “یکسو کننده” استفاده می کند تا اختلاف پتانسیل بالایی بین سطح مورد محافظت و آند ایجاد کند. آندهای به کار رفته عموما از گرافیت ، چدن ، آلیاژ تیتانیوم و آهن سیلیکون ساخته شده اند. امروزه متداول ترین نوع آندهای تزریق جریان آندهای MMO می باشند که در اندازه ها و شکل های مختلفی مانند سیم ، میله ، لوله ، صفحه و نوار یافت می شوند. انتخاب نوع آندهای تزریق جریان برای محافظت سازه از خوردگی، منوط به درنظرگرفتن محیطی است که سازه در آن قرار دارد. به عنوان مثال از آندهای MMO ریبونی جهت محافظت کف مخازن استفاده می شود.

آندهای تزریق جریان دارای مزایایی نسبت به آندهای فداشونده هستند، از جمله:

• بازده جریان بالاتری دارند.
• به آندهای کمتری جهت حفاظت سازه نیاز است.
• هزینه اولیه را کاهش میدهند.