حفاظت کاتدی چیست؟

روشی الکتروشیمیایی که با آن می توان به حفاظت سازه هایی که در زیر زمین هستند پرداخت و مانع خوردگی آن ها شد، حفاظت کاتدی است. تجهیزات نفتی و گازی مانند دکل های نفتی، بندرگاه ها، خطوط لوله، زیر دریایی ها، کشتی ها و ... از جمله سازه هایی هستند که با حفاظت کاتدی نگهداری می شوند. اساس حفاظت از این سازه ها که می توانند در زیر دریا و یا زمین باشند، اصول الکتروشیمی است.

در این روش الکترون ها از آند خارج و در کاتد مصرف می شوند. کاهش خوردگی با افزایش سرعت واکنش کاتدی و کاهش سرعت واکنش آندی انجام می شود. این کار می تواند الکترون های اضافی بیشتری را از طریق جریان مستقیم به ساختار فلزی اضافه کند. با کافی بودن میزان این جریان، توقف خوردگی در نتیجه از بین رفتن اختلاف پتانسیل بین آند و کاتد اتفاق می افتد. چون وقتی جریان زیاد می شود، قطبیده شدن واکنش کاتدی در جهت پتانسل آند انجام شده و کاهش اختلاف پتانسل که ارتباطی مستقیم با کاهش خوردگی دارد، انجام می شود.

عوامل موثر در حفاظت کاتدی و جلوگیری از خوردگی

زمانی یک سازه از خوردگی محافظت می شود که اختلاف پتانسیل بین کاتد و آند خیلی کم شود تا حدی که با برابر بودن میزان پتانسیل کاتد و آند، در کل، خوردگی قطع می شود. پس برای این که این نتیجه حاصل شود به آند، کاتد، الکترولیت و همچنین مسیری نیاز داریم که جریان بین آن ها برقرار شود. برای تامین الکترون های مود نیاز به یک منبع تغذیه DC نیاز است. وقتی جریان مستقیم به طور کافی برقرار شد، اختلاف پتانسیل بین آند و کاتد کاهش می یابد.

چگونگی انجام فرایند حفاظت کاتدی

منبع تغذیه موجود در سیستم حفاظت کاتدی، جریانی را تولید می کند که جریانی که توسط باتری خورده شده ایجاد شده بود را جبران می کند. شرکت برق محلی به عنوان یک منبع تغذیه معمولی، جریان را برای این سیتم حفاظت کاتدی تحمیل کننده تامین می کند. تحمیل این جریان ها از طریق موادی که به طور تقریبی بی اثر هستند، به سازه های خورده وارد می شود. اما فلزاتی که به عنوان الکترولیت هستند، جریان سیستم حفاظت کاتدی را به وجود می آورند.

با وارد کردن فلز دیگر داخل الکترولیت، جریانی از طریق الکترولیت برقرار می شود که جهت آن از انتهای فلز با پتانسیل بیشتر به انتهای فلزی با پتانسیل کمتر خواهد بود. به عنوان نمونه وقتی روی و آهن دو فلز تشکیل دهنده یک سیستم حفاظت کاتدی باشند، چون روی بالاتر از آهن است، جریان از روی به سمت آهن حرکت می کند. در این سیستم، روی نقش آند و آهن نقش کاتد را دارد و خوردگی در قسمت آندی اتفاق می افتد.

با قطبش پذیری کاتدی و قرار گرفتن این سیستم مجاور آن، پتانسیل منفی جابجا شده و با کاهش سرعت واکنش، سرعت خوردگی کم می شود. الکترون های وارد شده از مدار خارجی به فلز، از دست دادن الکترون و واکنش اکسیداسیون فلز را کم کرده و تا به صفر می رساند. در این هنگام روی سطح فلز، واکنش کاتدی انبار کننده انجام می شود.

انواع حفاظت کاتدی

دو نوع حفاظت کاتدی به نام های حفاظت گالوانیک یا آند فدا شونده و حفاظت کاتدی جریان اعمال شده وجود دارد.

در حفاظت کاتدی گالوانیک، آند گالوانی منفی به تاسیسات فلزی به کمک سیم عایقی متصل شده و هر دو باهم به عنوان آند (قطب منفی) محسوب می شوند. همین اتصال سیمی، جریان را به سازه منتقل می کند. جریان در این سیستم توسط خوردگی فلزات فعال برقرار می شود. این فلزات می توانند روی، منیزیم و یا آلومینیوم باشند. در واقع مصرف آند، تولید جریان الکترون می کند. مدار خارجی نیز الکترون ها را از کاتد به آند منتقل و سیستم را تکمیل می کند.  

در حفاظت گالوانیک پوششی از روی به عنوان آند فداشونده، روی فولاد قرار گرفته و از زنگ زدگی آن جلوگیری می کند. پس در سیستم الکتروشیمی مربوط، روی خورده می شود و مانع خورده شدن فولاد می شود. چون با گذشت زمان آند قربانی فدا شونده، تخریب و از بین می رود، عمر این محافظ ها کم است.

در حفاظت کاتدی جریان اعمال شده، آندها به یک منبع تغذیه متصل بوده و جریان الکتریکی توسط آن ها به طور همیشگی تامین می شود. این جریان برخلاف نوع گالوانیک از آند به کاتد بوده و خوردگی الکترود در نتیجه هادی بودن آن، خیلی کم اتفاق می افتد.