حفاظت آندی و کاربردهای آن

حفاظت آندی چیست؟

حفاظت آندی یکی از تکنیک های الکتروشیمیایی برای کنترل خوردگی در صنعت است. از این روش برای کنترل خوردگی در فلزاتی استفاده می شود که قابلیت پسیو (رویین) شدن داشته باشند. در واقع، اصل اساسی در حفاظت آندی، نگه داشتن فلز در محدوده پسیو است.

در این روش، بر خلاف روش حفاظت کاتدیک، سعی می شود که فلز تا حد قابل قبولی خورده شود. در واقع این خوردگی اولیه، برای رویین شدن فلز و محافظت آن در برابر خوردگی های بیشتر لازم است! این کار تا جایی ادامه می یابد که یک پوسته محافظ بر روی سطح فلز ایجاد شود. این پوسته نازک، چسبنده و متراکم است و از ادامه خوردگی جلوگیری می کند. برای درک بهتر این مطلب، به نمودار زیر توجه کنید:

این نمودار رفتار پلاریزاسیون را برای فلزی نشان می دهد که قابلیت رویین شدن داشته باشد. همان طور که در این نمودار ملاحظه می کنید، در ابتدا با اعمال یک پتانسیل خارجی به سیستم، فلز شروع به خورده شدن می کند و با افزایش پتانسیل، چگالی جریان خوردگی افزایش می یابد. به عبارت ساده تر، با افزایش پتانسیل خارجی خوردگی فلز شدت می گیرد.

با افزایش بیشتر پتانسیل، بر خلاف انتظار مشاهده می شود که چگالی جریان خوردگی فلز کاهش می یابد. این منطقه، همان ناحیه ای است که رفتار فلز تغییر می کند و از ناحیه فعال، به ناحیه پسیو منتقل می شود.

اما در ناحیه سوم که آن را با ناحیه پسیو (passive) می شناسیم، مشاهده می شود که با افزایش پتانسیل، جریان خوردگی ثابت مانده و خوردگی با سرعت بسیار کمی ادامه می یابد و این سرعت آن قدر کم است که می توانیم بگوییم خوردگی فلز ناچیز است. در این ناحیه فلز در اصطلاح رویین می شود و با تشکیل لایه ای نازک و چسبنده بر روی سطح آن، از خوردگی محافظت می شود.

می توان گفت هدف از اعمال حفاظت آندی این است که پتانسیل اعمالی به فلز در محدوده ای باشد که پسیو شده و از خوردگی محافظت شود.

اما ناحیه چهارم، ناحیه گذر از پسیو (Transpassive) نامیده می شود. در صورتی که پتانسیل اعمالی به فلز از حد معینی بیشتر شود، لایه چسبنده محافظ سطح فلز تخریب شده و خوردگی با شدت بسیار زیادی ادامه پیدا می کند که باعث انهدام و تخریب سازه می شود. بنابراین مساله نگهداری پتانسیل در محدوده رویین شدن موضوعی بسیار مهم است که مهندسین خوردگی، با کنترل و پایش مداوم سعی در اجرای درست این عملیات دارند.

توجه داشته باشید که این روش فقط بر روی فلزاتی قابل اجرا است که قابلیت پسیو شدن داشته باشند. در صورتی که این روش به درستی اجرا شود، می توان از فلزاتی مانند نیکل، آهن، کرم، تیتانیم و آلیاژهای آن‌ها تا سال ها محافظت کرد.

[hs_drh_url]

چه زمانی باید به سراغ حفاظت آندیک برویم ؟

حفاظت آندی تکنیکی بسیار حساس است و انجام آن نیاز به تخصص فراوان دارد. دلیل این حساسیت این است که اگر پارامترهای حفاظت به درستی انتخاب نشوند، خوردگی شدت گرفته و ممکن است سازه به کل منهدم شود! معمولا در مواقعی که امکان انجام روش‌های دیگر مانند حفاظت کاتدی باشد، کم‌تر به سراغ این روش می‌روند. اما برخی از مواقع حفاظت کاتدی پاسخگو نیست. مثلا در شرایطی که به دلایل فنی و اقتصادی نمی‌توانیم جریان‌های بزرگ برای حفاظت کاتدی اعمال کنیم، حفاظت آندی بهترین روش جایگزین خواهد بود، چرا که در حفاظت آندی به جریان های بسیار کمتری نیاز است.

به عنوان مثال، در مخازن فولادی که در معرض اسیدسولفوریک غلیظ قرار دارند، امکان انجام حفاظت کاتدی وجود ندارد. با توجه به غلظت بالایی از اسید که در این مخازن وجود دارد، در صورتی که برای حفاظت آن ها از حفاظت کاتدی استفاده شود، به جریان های بسیار بالایی نیاز خواهد بود که به لحاظ اقتصادی، فنی و مصرف برق امکان پذیر نخواهد بود. در این مواقع، حفاظت آندیک این سازه ها یکی از بهترین گرینه ها محسوب می شود.

اما این روش حفاظتی به چه صورتی انجام می‌شود؟

برای انجام حفاظت آندیک به دستگاه پتانشیواستات، یک یا چند الکترود کمکی (کاتد) و الکترود مرجع نیاز است. پتانشیواستات دستگاهی الکترونیکی است که فلز را در یک پتانسیل ثابت نسبت به الکترود مرجع نگه می‌دارد. این دستگاه دارای 3 خروجی است:

• قطب مثبت (+) به سازه‌ای که می‌خواهیم حفاظت کنیم متصل می شود.
• قطب منفی (-) به الکترود کمکی (کاتد) متصل می‌شود.
• الکترود مرجع به خروجی در نظر گرفته شده برای آن متصل می شود.

قبل از اعمال هر گونه جریانی، باید با انجام آزمون پلاریزاسیون دینامیک پارامترهای مورد نیاز برای حفاظت محاسبه شوند. مهم‌ترین پارامترها عبارت اند از:

1) i_cp: چگالی جریان بحرانی برای شروع پسیو شدن. سیستم باید بتواند این میزان جریان را تأمین کند تا بتوان فلز را به شرایط غیر فعال منتقل کرد.

2) i_p:  چگالی جریان ماندگاری در حالت پسیو

3) بازه ای که فلز در حالت غیر فعال باقی می ماند و دامنه پتانسیل عملیاتی را تعین می‌کند.

پس از مشخص شدن پارامترهای فوق، باید جریانی بزرگتر از جریان بحرانی برای پسیو شدن فلز اعمال کرد. پتانسیل اعمالی در حفاظت آندی بهتر است در محدوده میانی پتانسیل منطقه پسیو نگه داشته شود. چرا که در این حالت محدوده پسیو دامنه زیادی از پتانسیل را به خود اختصاص می دهد و با تغییرات کوچک در پتانسیل اعمالی، حساسیت به خوردگی ایجاد نمی شود.

معمولا میزان موثر بودن حفاظت آندی تا حد زیادی به کیفیت و چسبندگی لایه پسیو ایجاد شده بر سطح فلز بستگی دارد.

فلزاتی که پتانسیل بحرانی رویین شدن آن ها پایین‌تر از پتانسیل تعادلی کاتدی قرار بگیرد، راحت‌تر حفاظت می‌شوند. در چنین شرایطی پتانسیل تعادلی خوردگی در محدوده غیر فعال قرار خواهد گرفت و پسیو ایجاد شده پایدار باقی خواهند ماند. اگر نتایج پلاریزاسیون نشان دهد که شاخه کاتدی، شاخه آندی حل شدن فلز را در محدوده فعال قطع می‌کند، حفاظت بسیار سخت خواهد بود. زیرا در این حالت، پتانسیل تعادلی خوردگی پایین تر از پتانسیل پسیو قرار می‌گیرد و پسیو تمایل دارد بعد از ایجاد سریعا از بین برود و فلز خورده شود.

عوامل محیطی بر رفتار پسیو شدن تاثیر زیادی دارند!

باید دقت داشته باشید که عوامل محیطی بسیاری هستند که بر رفتار پسیو شدن یک فلز تاثیر می گذارند. تغییرات دمایی از مهم ترین پارامترهایی است که دانسیته جریان بحرانی برای پسیو شدن فلز را افزایش می دهد. در حفاظت آندی باید نسبت به تغییرات پلاریزاسیون با دما و غلظت محلول کاملا آگاه باشیم. برای درک بهتر نمودار زیر را در نظر بگیرید: 

این نمودار رابطه تغییرات جریان بحرانی را برای پسیو شدن با تغییرات دما و غلظت یون کلر نشان می‌دهد. همان طور که در تصویر مشاهده می‌کنید، دانسیته جریان بحرانی با بالا رفتن دما به شدت افزایش می‌یابد. بنابراین برای حفاظت آندی در دماهای بالاتر، باید جریان‌های بزرگتری اعمال شود. به بیان ساده تر، با افزایش دما حفاظت آندی سخت تر می شود. اگر نسبت به این اطلاعات آگاه نباشیم ممکن است در حفاظت آندی با اعمال پتانسیل و جریان نامناسب به جای حفاظت باعث تخریب سازه شویم.

غلظت یون‌های مهاجم نیز یکی از عوامل بسیار موثر بر پایداری لایه پسیو فلزات است. هر چه غلظت این یون ها در محیط بیشتر باشند، لایه پسیو دوام کمتری خواهد داشت و حفاظت آندی سخت‌تر و بی فایده‌تر می‌شود. به عنوان مثال معمولا فولاد را در سدیم کلرید حفاظت آندی نمی‌کنند. یون کلر در این محیط، بازه غیر فعال فولاد را به شدت کاهش می‌دهد و در نتیجه لایه پسیو آن پایدار نخواهد ماند.

مزایا و محدودیت‌های حفاظت آندی

برخی از کاربردهای حفاظت آندیک در صنعت

• حفاظت مخازن فولادی در برابر سولفوریک اسید (مخازن حمل یا نگه داری اسید، مبدل های حرارتی و …)
• حفاظت نیکل و آلیاژهای آن در محیط‌های نیتراتی
• حفاظت تیتانیم در محیط‌های آمونیاکی

با تفاوت‌های حفاظت آندی و کاتدی آشنا شوید

1) در حفاظت کاتدی، فلز به کاتد و در حفاظت آندی به آند تبدیل می‌شود.

2) حفاظت کاتدی در صورتی که به درستی اعمال شود، خوردگی را کاملا متوقف می‌کند. اما در حفاظت آندی عموما خوردگی با سرعت پایین ادامه می‌یابد.

3) حفاظت آندی در مورد فلزاتی قابل اجرا است که قابلیت پسیو شدن داشته باشند.

4) حفاظت آندی در محیط‌هایی با شدت خورندگی متفاوت استفاده می شود، در حالی که حفاظت کاتدی مربوط به محیط‌هایی با غلظت متوسط است. زیرا با افزایش شدت خورندگی محیط جریان‌های الکتریکی مورد نیاز برای حفاظت کاتدی خیلی بیش تر شده و مقرون به صرفه نخواهد بود.

5) هزینه‌های نصب  و نگهداری تجهیزات در حفاظت آندی بالا‌تر است.

6) در سیستم حفاظت کاتدی، منطقه مورد حفاظت (قدرت پرتاب) کم است. لذا برای برقراری جریان یکنواخت احتیاج به الکترودهای متعدد در فواصل نزدیک به یکدیگر است. سیستم های حفاظت آندی دارای قدرت پرتاب بالایی هستند. لذا با یک الکترود کمکی به تنهایی می توان یک خط لوله طولانی را محافظت نمود.

7) شرایط لازم برای حفاظت آندی را می توان به دقت و با استفاده از منحنی های پلاریزاسیون تعیین کرد. ولی این شرایط در مورد حفاظت کاتدی عموما با آزمون و خطا و تخمین تعیین می شود.

منابع

• کتاب مهندسی خوردگی، فونتانا، ویرایش دوم
• کتاب الکتروشیمی و علم خوردگی، نستور پرز، ویرایش دوم، 2016
• کتاب خوردگی و کنترل خوردگی مقدمه‌ای بر علم ومهندسی خوردگی، وینستون ریوای، هربرت، ویرایش چهارم
• کتاب علم مواد و مهندسی مواد، پی نواک، صفحات 2857-2889 ، سال 2010