خوردگی و محافظت: [موضوع هفتگی] (۲۰۱۱.۰۵.۱۶-۲۲)

۱. انتخاب لایه پوشش مناسب برای محافظت
۲. محافظت کاتدی با جریان القایی خارجی
۳. محافظت آندی فداکارانه
۴. محافظت با دفع جریان‌های ناخواسته
۵. استفاده از لوله‌های ساخته شده از مواد آلی مانند PE

از نظر طبقه‌بندی خوردگی، آن را می‌توان به خوردگی فیزیکی، خوردگی الکتروشیمیایی و خوردگی شیمیایی تقسیم کرد. بنابراین، بسته به نوع خوردگی، می‌توان از روش‌های مختلفی برای جلوگیری از خوردگی استفاده کرد. روش‌های جلوگیری از خوردگی عمدتاً عبارتند از: ۱. محافظت با لایه‌های پوششی، ۲. محافظت الکتروشیمیایی، ۳. محافظت با هدایت جریان‌های ناخواسته

عایق‌بندی با رنگ: پوشاندن یکنواخت و محکم سطح لوله‌های فلزی که از زنگ درآمده‌اند با رنگ، به منظور جداسازی آن‌ها از مواد خورنده مختلف، یکی از روش‌های اساسی عایق‌بندی لوله‌ها است. از دهه ۷۰، به دلیل کشیدن لوله‌ها در محیط‌های سخت مانند مناطق قطبی و اقیانوس‌ها، و همچنین گرم کردن نفت برای انتقال آن که منجر به افزایش دمای لوله‌ها می‌شود، الزامات بیشتری بر عملکرد پوشش‌های لوله‌ها وارد شده است. بنابراین، از لایه‌های ضدخوردگی در لوله‌ها، به طور فزاینده‌ای از مواد ترکیبی یا ساختارهای ترکیبی استفاده می‌شود. این مواد و ساختارها باید دارای خواص دی‌الکتریکی خوب، خواص فیزیکی مناسب، خواص شیمیایی پایدار و بازه گسترده‌ای از تحمل دما باشند. 　　۱. لایه عایق‌کننده در برابر خوردگی روی دیواره خارجی: انواع مواد لایه‌پوش روی دیواره خارجی لوله‌ها و شرایط استفاده از آن‌ها. 　　②لایه عایق ضدخوردگی دیواره داخلی: لایه نازکی که برای جلوگیری از خوردگی درون لوله، کاهش مقاومت اصطکاکی و افزایش حجم انتقال، روی دیواره داخلی لوله زده می‌شود. رزین‌های رایج برای پوشش‌دهی، رزین اپوکسی تثبیت‌شده با آمین و رزین اپوکسی پلی‌آمید هستند و ضخامت لایه پوشش بین ۰٫۰۳۸ تا ۰٫۲ میلی‌متر است. برای اطمینان از چسبندگی محکم پوشش به دیواره لوله، باید سطح داخلی لوله تصفیه شود. از دهه ۷۰، روندی وجود دارد که از مواد یکسانی برای پوشش دیواره‌های داخلی و خارجی لوله استفاده شود تا پوشش‌دهی دیواره‌های داخلی و خارجی به طور همزمان انجام شود. 　　③لایه عایق‌بندی و ضدخوردگی: بر روی لوله‌های حمل نفت خام یا سوخت با قطر متوسط و کوچک، برای کاهش اتلاف گرما از لوله به خاک، یک لایه ترکیبی عایق‌بندی و ضدخوردگی در بیرون از لوله اعمال می‌شود. ماده عایق رایج، پلاستیک حبابدار پلی‌اورتان سخت است که دامنه دمایی مناسب آن بین –۱۸۵ تا ۹۵ درجه سانتی‌گراد می‌باشد. این ماده دارای بافتی نرم است؛ برای افزایش استحکام آن، یک لایه پلی‌اتیلن با چگالی بالا در خارج از لایه عایق قرار می‌گیرد تا ساختاری ترکیبی ایجاد شود و از نفوذ آب‌های زیرزمینی به داخل لایه عایق جلوگیری گردد. روشی برای جلوگیری از خوردگی فلز، از طریق تغییر پتانسیل الکترودی فلز نسبت به محیط اطراف آن است. حفاظت لوله‌های بزرگ انتقال با روش الکتریکی فقط شامل حفاظت کاتدی و روش جلوگیری از خوردگی الکتریکی می‌شود. روش‌های آن عبارتند از: ۱. محافظت کاتدی ۲. روش جلوگیری از خوردگی الکتریکی

به نظر من، علاوه بر انتخاب مواد بهتر، اقداماتی مانند پوشاندن سطح با لایه ضدزنگ و محافظت کاتدی نیز برای تضمین ایمنی ضروری است

رایج‌ترین روش، استفاده از رنگ ضدزنگ است؛ همچنین می‌توان از لوله‌های ساخته شده از مواد غیرفلزی نیز استفاده کرد.

در نهایت، از لوله‌های غیرفلزی برای انتقال استفاده می‌شود.

اقدامات اصلی در برابر خوردگی عبارتند از: ۱. پوشاندن با لایه عایق ضدخوردگی؛ پوشش دادن، اساسی‌ترین و ضروری‌ترین روش برای محافظت از لوله‌ها در برابر خوردگی است. پس از پوشاندن لوله‌ها با مواد ضدخوردگی، این مواد در اثر خشک شدن، یک لایه رنگی تشکیل می‌دهند که می‌تواند به طور محکم به سطح فلز چسبیده و سطح فلز را از محیط بیرون جدا کند. این کار مانع از واکنش شیمیایی یا الکتروشیمیایی فلز با مواد موجود در محیط بیرون می‌شود و در نتیجه از خوردگی فلز جلوگیری می‌گردد. لایه پوشش باید معیارهای زیر را برآورده کند: چسبندگی خوب با فلز، عایق‌بندی الکتریکی مناسب، مقاومت در برابر آب، پایداری شیمیایی بالا، استحکام و انعطاف‌پذیری مکانیکی بالا، مقاومت خوب در برابر تنش‌های ناشی از خاک، مقاومت خوب در برابر جدا شدن لایه‌ها، مقاومت در برابر خوردگی ناشی از باکتری‌ها، قابلیت تعمیر آسان پس از آسیب، همچنین سهولت در نصب و قیمت پایین. اولین مواد مورد استفاده برای پوشش ضدخوردگی لوله‌های زیرزمینی، رزین نفتی و تار عطری زغال‌سنگ بودند. در حال حاضر، به دلیل محدودیت‌های مربوط به حفاظت از محیط زیست، لایه‌های ضدخوردگی ساخته شده از بیتومن نفتی در آمریکای شمالی و اروپا کنار گذاشته شده‌اند. ۲. محافظت کاتدی: محافظت کاتدی نوعی روش محافظت در برابر خوردگی از نوع الکتروشیمیایی است؛ معمولاً همراه با روش‌های عایق‌بندی با رنگ، استفاده می‌شود و اثربخشی قابل توجهی دارد. دو روش برای محافظت کاتدی وجود دارد: روش آند فداکارانه و روش جریان القایی. ۳ روش آند قربانی: یک فلز یا آلیاژ با پتانسیل پایین‌تر به لوله فلزی مورد نظر برای محافظت متصل می‌شود تا یک سلول خوردگی جدید ایجاد شود. برای ارائه محافظت کاتدی به بخش‌های در معرض دید لوله‌های برهنه یا لوله‌های پوشش‌دار که نیاز به جریان الکتریکی بسیار کمی دارند، مناسب است. مواد رایج آند قربانی شامل سه دسته اصلی هستند: آلیاژهای مبتنی بر منیزیم، آلیاژهای مبتنی بر آلومینیوم و آلیاژهای مبتنی بر روی. ۴ روش جریان خارجی: لوله‌ای که قرار است محافظت شود، به منفی منبع تغذیه مستقیم خارجی متصل می‌شود و آند الکترود کمکی دیگر به مثبت منبع تغذیه وصل می‌گردد؛ جریان خارجی، تفاوت پتانسیل بالایی بین لوله و آند الکترود کمکی ایجاد می‌کند. مزایای آن عبارتند از: توانایی تأمین جریان محافظتی بالاتر، فاصله محافظتی طولانی، سهولت در تنظیم جریان و ولتاژ، و کاربرد گسترده. عمدتاً برای لوله‌های انتقال طولانی مناسب است و هنگامی که تغییرات پتانسیل بین لوله و زمین ناشی از جریان‌های ناخواسته، از توانایی محافظتی آند استفاده‌شده فراتر رود، در بسیاری از موارد از ترکیب این دو روش استفاده می‌شود. برای آند با جریان خارجی، می‌توان از گرافیت، آهن ضدخوردگی پرسیلیسیم، آهن ضدخوردگی، فولاد کربنی، اکسید آهن مغناطیسی، آلیاژ سرب و نقره یا فلزات بازیافتی استفاده کرد. هنگام انتخاب بین روش آند قربانی و روش جریان خارجی، باید به مسائل مزاحمتی، وجود منابع تغذیه‌ای صنعتی در نزدیکی، مقاومت خاک، امکان اجرای پروژه و هزینه‌های مربوطه توجه کرد. پوشش و محافظت کاتدی، یکدیگر را تقویت می‌کنند. هرچه لایه پوششی بهتر باشد، نقاط نشت کمتری وجود دارد و هزینه محافظت کاتدیک کمتر می‌شود؛ اگر کیفیت لایه پوششی ضعیف باشد، نقاط نشت بیشتری وجود دارد و هزینه محافظت کاتدیک بالاتر می‌گردد. ۵ کابل‌های اتصال: کنترل جریان‌های ناخواسته از طریق کابل‌های اتصال، روش دیگری برای جلوگیری از خوردگی است. از آنجایی که لوله‌های انتقال نفت به تنهایی وجود ندارند، جریان‌های الکتریکی ناخواسته ناشی از تأسیسات عمومی، لوله‌های شهری و سیستم‌های محافظت کاتدی موجود در اطراف آن‌ها، می‌تواند باعث خوردگی لوله‌ها شود. بنابراین، باید از کابل‌های اتصال به درستی استفاده کرد تا مسیری با مقاومت کم برای جریان الکتریکی فراهم شود و از خوردگی الکترولیتی در سازه‌های کمکی و لوله‌های خارجی که از طریق لوله‌های تحت حفاظت کاتدی عبور می‌کنند، جلوگیری شود. بر اساس مقررات «استانداردهای فنی حفاظت از لوله‌های فولادی زیرزمینی با جریان مستقیم» در کشور ما، هنگامی که پتانسیل الکتریکی لوله در هر نقطه‌ای از آن (پتانسیل لوله نسبت به زمین، که بر اساس زمین اطراف اندازه‌گیری می‌شود) ۱۰۰ میلی‌ولت به سمت مثبت منحرف شود، یا شیب پتانسیل خاک در اطراف لوله بیشتر از ۲.۵ میلی‌ولت بر متر باشد، باید بلافاصله از روش‌های حفاظتی مانند جریان مستقیم برای حفاظت از لوله استفاده شود. آنچه که به عنوان حفاظت جریان مستقیم شناخته می‌شود، اتصال مستقیم لوله‌ها به الکترود منفی یا خط بازگشت (ریل‌ها) در ایستگاه‌های تغذیه برق راه‌آهن است؛ تا جریان‌های ناخواسته موجود در لوله‌ها مستقیماً به سمت خط بازگشت راه‌آهن (ریل‌ها و غیره) بازگردند (بدون عبور از زمین). در واقع، روش مناسب برای جلوگیری از فرسودگی که هم از نظر اقتصادی قابل اجراست و هم بسیار مؤثر، استفاده از یک لایه پوششی با کیفیت و اعمال حفاظت کاتدی است. تمام لوله‌های حمل نفت و گاز دارای پوشش هستند و همراه با محافظت کاتدی، تا از نشت در نقاط دارای نقص در پوشش جلوگیری شود. علاوه بر این، برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی، جلوگیری از حل شدن فلزات با پتانسیل پایین، و همچنین جلوگیری از الکترولیز، لازم است از واشرها، چسب‌های عایق و سایر مواد عایق‌کننده بین لوله‌ها و کلیپ‌های لوله استفاده شود؛ همچنین در محل‌های ضروری، سیم‌های اتصال نیز باید نصب گردند.

واکنش‌های شیمیایی، فیزیکوشیمیایی و الکتروشیمیایی بین لوله‌ها (مواد) و محیط خاک (محیط اطراف)، منجر به آسیب موضعی یا کلی لوله‌ها می‌شود. به عنوان مواد مورد استفاده در لوله‌ها، عمدتاً فلزات (چدن، فولاد، آرماتور) و بتن وجود دارند؛ به‌ویژه مواد فولادی عمدتاً در معرض خوردگی الکتروشیمیایی قرار می‌گیرند، در حالی که بتن تحت تأثیر خوردگی شیمیایی و فیزیکوشیمیایی قرار می‌گیرد. لوله‌هایی که برای انتقال نفت و گاز استفاده می‌شوند، اغلب در محیط‌های خاکی پیچیده قرار دارند و موادی که از طریق آن‌ها منتقل می‌شوند نیز اغلب خورنده هستند؛ بنابراین هم سطح داخلی و هم سطح خارجی لوله‌ها ممکن است دچار خوردگی شوند. روش‌های محافظت در برابر خوردگی: ۱. محافظت با لایه‌های پوششی: ① لایه پوششی برای محافظت از سطح خارجی؛ ② لایه پوششی برای محافظت از سطح داخلی؛ ③ لایه پوششی برای محافظت و عایق‌بندی. ۲. محافظت الکتریکی: ① محافظت کاتدی: روشی برای جلوگیری از خوردگی فلز، از طریق قطبی‌سازی فلز مورد نظر به حالت کاتد. با استفاده از جریان الکتریکی خارجی، می‌توان سطح فلز تحت محافظت در محلول الکترولیتی را به طور کامل کاتدی پولار کرد؛ در این صورت، خوردگی رخ نخواهد داد. دو معیار برای تشخیص اینکه آیا لوله تحت حفاظت کاتدی قرار دارد یا خیر، وجود دارد. اول، پتانسیل حداقلی محافظتی است؛ این پتانسیل، پتانسیلی است که فلز در محلول الکترولیتی دچار پولاریزاسیون کاتدی می‌شود تا فرآیند خوردگی متوقف گردد ； مقدار آن به عواملی مانند محیط وابسته است و مقدار رایج، -۸۵۰ میلی‌ولت است (بر اساس اندازه‌گیری با الکترود مرجع مس-سولفات مس؛ همین‌طور در ادامه). دوم، پتانسیل حداکثری محافظتی است؛ یعنی بالاترین مقدار پتانسیلی که سطح فلز تحت محافظت می‌تواند داشته باشد. هنگامی که پولاریزاسیون کاتدی بیش از حد باشد، هیدروژن در فاصله بین سطح لوله و لایه رنگ تشکیل می‌شود و باعث جدا شدن لایه رنگ از سطح لوله می‌گردد؛ بنابراین باید پتانسیل نقطه تلاقی جریان‌ها در محدوده مجاز نگه داشته شود تا لایه رنگ از آسیب در امان بماند. این مقدار به ویژگی‌های لایه پوششی مربوط می‌شود و معمولاً بین –۱.۲۰ تا –۲.۰ ولت است. برای اجرای محافظت کاتدی لوله‌های زیرزمینی، دو روش وجود دارد: روش جریان الکتریکی خارجی و روش آند قربانی. روش جریان خارجی از یک منبع تغذیه مستقیم استفاده می‌کند؛ قطب منفی به لوله‌ای که قرار است محافظت شود متصل می‌شود و قطب مثبت به بستر آند متصل می‌گردد. پس از اتصال مدار، لوله کاتدی شد. هنگامی که پتانسیل لوله نسبت به زمین به حداقل پتانسیل محافظتی برسد، محافظت کاتدی کامل به دست می‌آید. تمام منابع تغذیه جریان مستقیم رایج قابل استفاده هستند، که در میان آن‌ها رکتیفایرها بسیار رایج‌ترند. خروجی مستقیم معمولاً کمتر از ۶۰ ولت و ۳۰ آمپر است. منابع تغذیه جریان مستقیم نوین شامل ژنراتورهای تفاوت دما، سلول‌های خورشیدی و غیره هستند که عمدتاً در مناطق کم‌برق مورد استفاده قرار می‌گیرند. زمین‌گیر آند، رسانایی است که به قطب مثبت منبع جریان مستقیم متصل بوده و تماس الکتریکی خوبی با زمین دارد؛ که به آن دستگاه زمین‌گیری آند نیز گفته می‌شود ； مواد رایج شامل فولاد کربنی، آهن پرسیلیسیم، گرافیت و اکسید آهن مغناطیسی است. بستر آندود در مکان‌هایی قرار می‌گیرد که مقاومت الکتریکی خاک پایین باشد، جریان حفاظتی به راحتی توزیع شود و همچنین مزاحمتی برای سازه‌های زیرزمینی مجاور ایجاد نکند. آند‌ها متناسب با محل کاشت لوله‌ها هستند و دو نوع شامل آند‌های کم‌عمق و فاصله‌دار و آند‌های عمیق می‌باشند. برای اندازه‌گیری پارامترهای محافظت کاتدی و ارزیابی کارایی آن در لوله‌ها، لازم است نقاط اندازه‌گیری و قطعات بررسی در امتداد لوله‌ها تعبیه شوند. دستگاه‌های اندازه‌گیری مورد استفاده شامل ولتمتر با مقاومت بالا، آمپرمتر، الکترودهای سولفات مس و غیره می‌باشند. از دهه ۷۰، سیستم‌های اندازه‌گیری از راه دور پارامترهای محافظت کاتدیک، که با بررسی لوله‌ها در هوا ترکیب شده‌اند، مورد استفاده قرار گرفتند؛ این سیستم‌ها به همراه کامپیوترهای الکترونیکی، داده‌های جمع‌آوری‌شده را پردازش می‌کنند. فاصله محافظتی یک ایستگاه در روش محافظت کاتدی با جریان خارجی، معمولاً می‌تواند به چندین ده کیلومتر برسد و این روش بیشتر برای محافظت کاتدی لوله‌های انتقال طولانی استفاده می‌شود. روش آند قربانی، استفاده از فلزی با پتانسیل منفی‌تر نسبت به الکترود فلز مورد حفاظت برای اتصال به آن فلز است؛ این دو در محلول الکترولیتی، یک سلول خورشیدی ایجاد می‌کنند. فلزاتی با پتانسیل منفی‌تر (مانند منیزیم، روی، آلومینیوم و آلیاژهای آن‌ها) به عنوان آند استفاده می‌شوند و در حین تولید جریان، به تدریج از بین می‌روند؛ فلز لوله‌هایی که تحت محافظت قرار دارند، به عنوان کاتد عمل کرده و از خوردگی در امان می‌مانند. به همین دلیل، فلزاتی با پتانسیل منفی‌تر را آند فداکار می‌نامند. لوله‌های زیرزمینی از روش محافظت با آند وقفه‌ای استفاده می‌کنند که عوامل تعیین‌کننده آن شامل جریانی است که در آند ایجاد می‌شود، تعداد آندها و طول محدوده محافظتی می‌باشد. پس از تعیین نوع آند، پارامترهای فوق تحت تأثیر مقاومت زمین‌گیری آند و مقاومت نشت در بخش مربوط به لوله حفاظتی آند قرار می‌گیرند. نوع اول به مقاومت الکتریکی خاک بستگی دارد، در حالی که نوع دوم به مقاومت پوشش لوله و کیفیت اجرای آن پوشش بستگی دارد. عمر مفید آند قربانی، به وزن آن بستگی دارد و بسته به نیاز، می‌تواند از چند سال تا چند دهه باشد. آند قربانی دارای مزایایی مانند هزینه سرمایه‌گذاری کم، مدیریت آسان، نیازی به منبع تغذیه خارجی نداشتن و اثربخشی خوب در جلوگیری از خوردگی ناشی از اختلالات، است؛ بنابراین به طور گسترده در حفاظت از لوله‌های فلزی زیرزمینی مورد استفاده قرار می‌گیرد. ②روش‌های جلوگیری از خوردگی الکتریکی: یکی، اتخاذ اقدامات در تجهیزات مرتبط با منابع جریان‌های ناخواسته است تا جریان نشتی به حداقل برسد ； دوم اینکه، هنگام نصب لوله‌ها، سعی کنید از مناطقی که دارای جریان‌های الکتریکی ناخواسته هستند، دوری کنید؛ یا کیفیت لایه عایق و ضدزنگ بخش‌های تحت تأثیر اختلالات را بهبود بخشید، و از روش‌هایی مانند استفاده از محافظ‌ها و نصب فلنج‌های عایق استفاده کنید ； سوم، ایجاد محافظت در برابر جریان‌های مزاحم در لوله‌ها است؛ یعنی هدایت جریان‌های ناخواسته از لوله‌های تحت تأثیر، به شبکه برقی که منشأ جریان‌های نشتی است، تا از خوردگی لوله‌ها ناشی از این جریان‌ها جلوگیری شود. بر اساس محدوده کاربرد و عملکردهای متفاوت تجهیزات تخلیه، آن‌ها به سه دسته تخلیه مستقیم، تخلیه قطبی و تخلیه اجباری تقسیم می‌شوند. برای محافظت در برابر ولتاژهای اختلال‌زا، بسیاری از **مقررات فنی تدوین کرده‌اند؛ این مقررات عمدتاً از دو روش، یعنی استفاده از فاصله‌های ایمن و هدایت جریان از طریق لوله‌ها، برای جلوگیری از آسیب به لوله‌ها استفاده می‌کنند.