بحث شامل عن الحماية الكاثودية شرح مفصل عن الحماية الكاثودية

مبادئ الحماية الكاثودية



The principles of the cathodic protection












الحماية
الكاثودية هي طريقة لمنع التآكل والصدأ عن الأسطح الخارجية للمعدات
المعدنية الحديدية المدفونة أو المغمورة بالماء بجعلها أقطاب سالبة من
دائرة كهربائية.




أقترح هذا الأسلوب للحماية من قبل السّير همفري ديفي في عشرينيات القرن التاسع عشر (1820) كوسيلة للسيطرة على التآكل في السفن البحرية البريطانية.




أصبح
أمرا شائعا في الثلاثينات من القرن الماضي (1930) في ساحل خليج الولايات
المتّحدة، حيث أستعمل للسيطرة على تآكل خطوط الأنابيب التي تتعامل مع
الهايدروكاربون من نفط خام وغاز ومنتجات نفطية, حيث طبقت الحماية الكاثودية
للسيطرة على تآكل خطوط الأنابيب الفولاذية المدفونة.




عمليا
كلّ خطوط الأنابيب الحديثة مكسوة بمواد عازلة وطلاء وقائي عضوي, والذي
يعتبر مكملا لأنظمة الحماية الكاثودية, والتي تقوم بالواقع في حماية الثقوب
والخدوش والخلل الموجود أو الحاصل على الطلاء والعازل, فكلما كان العازل
جديد وجيد وخالي من العيوب فان تيار الحماية الكاثودية يكون بأقل ما يمكن.




تحتاج حماية الأسطح غير مطلية أو معزولة إلى
كمية كبيرة للتيار كهربائي, من هنا ينصح بعدم جلخ المادة المترسبة
والأشنات النامية على سطح المعدن في الخزانات المائية والمنشئات البحرية
وقشطها لأنها تعمل كمادة عازلة وتساعد على خفض كمية تيار الحماية اللازم.



1. المقدمة











الحماية الكاثودية هي طريقة لمنع تآكل الأسطح المعدنية بجعلها القطب السالب من دائرة كهربائية.




تستعمل الحماية الكاثودية لحماية خطوط الأنابيب الفولاذية و الخزانات و الهياكل الفولاذية و السفن و أرصفة تحميل النفط البعيدة
عن الشواطئ والبطانات المعدنية لأبار النفط. وذلك بجعل الجسم المعدني
المطلوب حمايته من التآكل كاثود سالب بالنسبة للتربة المحيطة /
الألكترولايت المحيط وبمرور التيار الكهربائي من القطب الموجب (الأنود) عبر
التربة / الألكترولايت المحيط بالجسم الفولاذي المدفون ليكمل الدائرة
الكهربائية وبذلك يحمي معدن الفولاذ من التآكل.













يحسب
تيار الحماية الوقائي من قبل مهندس الحماية الكاثودية، مستندا بذلك على
سلامة طلاء الهيكل المعدني ومقاومة عزله والمقاومة النوعية للتربة وكمية
التيار وفرق الجهد الكهربائي المطلوبة توفيره من المحول الكهربائي طوال العمر التشغيلي للتركيب الفولاذي المراد حمايته.




نظام الحماية الكاثودية الجيد يحمي التركيب بدون التسبّب بتطور وتكون هيدروجين الذي قد يسبّب بتلف الترابط
والتلاصق بين الهيكل المعدني والطلاء/ العازل نتيجة لضغط الهيدروجين
المتكون, تلافيا لتجمع كميات كبيرة من الهيدروجين على سطح الأنبوب يتولد
عنه ضغط مرتفع فيحدث شقوقا في غلاف الأنبوب ويجب أن لا يزيد فرق الجهد بين
أي نقطة على سطح الأنبوب والتربة عن (2.5) فولت.




يمكن جعل الهيكل المعدني كاثود سالب باستخدام أقطاب أنودات التضحية (الموجبة) Sacrificial Anodes أو بالتيار المسلط من وحدات المحولات/المقومات الحماية الكاثودية CP Transformer Rectifier








2. الحماية الكاثودية باستخدام أقطاب آنودات التضحية CP by Sacrificial Anode












يلجئ لها في الحماية في المناطق التي بها العديد من الهياكل المعدنية عموما
المدفونة (المنفصلة عن بعضها) والمطلوب حمايتها, حيث تقوم كل مجموعة آنودات
بحماية الهيكل / الهياكل المعدنية المتصلة بها فقط.













عندما تكون أقطاب آنودات التضحية مصممة ومصنعة ومختبرة بصورة جيدة وتم ربطها بشكل جيد وصحيح




فأنها سوف لن تحتاج لتعديل وتضبيط مستمر طوال العمر التشغيلي الافتراضي للأقطاب, بعدها وعند استهلاكها يتوجب استبدالها بأقطاب أخرى جديدة.













أقطاب آنودات التضحية المثالية لحماية الهياكل المعدنية المدفونة بالتربة هي المصنوعة عادة من المغنيسيوم Magnesium Anode (وتعرف بأقطاب المغنيسيوم للتضحية) وبالنسبة للهياكل المعدنية المغمورة أو الغاطسة بمياه البحر فأن آنوداتها تكون عادة من سبائك ألمنيوم / خارصين / غالفالوم / إنديوم Aluminum / Zinc / Galvalum / Indium Alloys .








3. الحماية باستخدام التيار الكهربائي المسلط Impressed Current Cathodic Protection











تستخدم عادة للهياكل المعدنية الكبيرة ولكون توظيف الحماية الكاثودية باستخدام أقطاب آنودات التضحية CP by Sacrificial Anode يصبح غير اقتصادي لحماية خطوط الأنابيب الطويلة.




لذلك
فأنها غالبا ما يستخدم هذا الأسلوب في شبكات خطوط الأنابيب الطويلة
والمنشئات الصناعية والنفطية التي تحوي على أعداد كثيرة من الخزانات
الكبيرة والهياكل المعدنية المدفونة.




الأنودات
المستخدمة في هذا الأسلوب من الحماية قد يكون أسطواني الشكل وعلى شكل قضيب
أو سلك أو أنبوب أو على شكل شريط, وموادها يمكن أن تكون مصنوعة من حديد
السيليكون المصبوب Silicon-Cast Iron أو خليط أكاسيد معدنية Mixed Metal Oxide أو الكرافايت Graphite أو سبائك المكسية بالبلاتين أو التيتانيوم Platinum or Titanium coated alloys أو حديد الصلب السليكوني Silicon-Cast Iron الأكثر
اقتصادا ولكن يتشقق ويتفطر بسهولة مما يستدعي العناية أتناء نصبه ودفنه
وأن ينفذ العمل من قبل عمال مهرة ومحترفين ويحسنون استخدام المعدات
المناسبة كون هذه الأقطاب ثقيلة الوزن, مع أهمية مراعاتهم بعدم انفصال وكسر
وتلف وصلة أسلاك الربط بالأقطاب. وكذلك يمكن استخدام أقطاب أنوديفليكس
الأنبوبية المرنة Flexible "Anodeflex" tubular anodes .








فمنظومة حماية مثالية من هذا النوع لغرض حماية خط أنابيب طويل ستتضمن وحدات محولة / مقومة Transformer Rectifier Units [ 10- 50 أمبير وجهد 50 – 100 فولط ] كما يكمن توظيف منظومة طاقة شمسية لهذا الغرض.




تكون المسافة المثالية بين الأحواض الأرضية أو محطة وأخرى (25 -50 كم).




في حالة استخدام وحدات محولة / مقومة Transformer Rectifier Units ذات قدرات خرج مرتفعة فيجب أن يكون الحوض الأرضي لدفن الأنودات أكثر بعدا عن خط الأنابيب وذلك للحد ولتخفيض الارتفاع الجهد المحتمل قرب خط الأنابيب وأن لا يقل عن 80- 150 متر, وبالنسبة لحماية الخزانات تكون المسافة من 10 – 100 متر, وتحسب المسافة الأقل على أساس واعتبار قيمة مقاومة التربة النوعية.




في أغلب الأحيان لا يكون هناك مسافة كافية من الأرض ضمن المحرمات Right-of-Way (ROW) لتحقيق مثل هذا الشرط فيلجأ عندها إلى استخدام الأحواض الأرضية العميقة Deep Well Ground Beds حيث تكون بعمق 60 متر أو أكثر تدلى بها الأقطاب بأغلفة معدنية 20 -25 سم تحوي Conductive Coke Breeze, تدلى داخل غلاف البئر المعدني وكما هو موضح بالمخطط التالي.








يستخدم الغلاف الفولاذي للبئر المحفورة في التربة لسلامة البئر و عند سكب الفحم Coke Breeze

وعند تشغيل المنظومة سيصدأ الغلاف ويتلاشى في النهاية ويصبح جزء من التربة
المحيطة.


حول الأقطاب لملئ فجوة البئر والتي تنفذ ببطء لتجنب تكون فراغات هوائية,

يعدل خرج وحدة محولة / مقومة Transformer Rectifier Unit

الكهروكيمياوية و سرعة تجاوب واستكمال استقطاب التربة المحيطة بخط الأنابيب
لتأمين جهد الحماية المطلوب.


من قبل الفني المختص لحده الأمثل المطلوب مستندا على قياسات










4 . وحدة محولة / مقومة Transformer Rectifier Unit











تربط وحدة محولة / مقومة الطاقة الكهربائية ذات التيار المتناوب والتي تعطي كخرج Out Put لها جهد الحماية ذو التيار مستمر اللازم لمنظومة الحماية ذات التيار المسلط.




تصنع وحدات محولة / مقومة حسب الطلب المناسب لحالة منظومة الحماية اللازمة حيث تكون بأحد الأشكال التالية:




. المحولات المقومة ذات التبريد الهوائي Air - Cooled T/R




. المحولات المقومة ذات التبريد الزيتي Oil - Cooled T/R




. المحولات المقومة المنيعة على اللهب Explosion Proof T/R














أو يمكن أن تكون ذات مصادر للطاقة الكهربائية غير تقليدية Special DC - Power Sources




. وحدات الخلايا الضوئية Solar Power Unit




. مولدات الكهرباء الحرارية Thermo Electric Generators




. مولدات الكهرباء الهوائية Wind Generators








حيث تعتمد فيها فكرة DC / DC

مولدات الكهرباء الهوائية وتضاف بطاريات بسعة مناسبة للمنظومات التي تستخدم
وحدات الخلايا الضوئية لتغطية الفترة الليلية أو عندما يكون الجو غائم.


للتوليد وكخرج مسيطر عليه بالنسبة لوحدات مولدات الكهرباء الحرارية و






تجهز الوحدات عادة بأجهزة القياس رقمية أو تناظرية لتبيان الجهد والتيار.








5. نقاط الفحص والعزل للحماية الكاثودية CP Test Posts and CP Isolation











هي هياكل Structures و أشكال Posts قياسية تحوي على نقاط الفحص ولتوصيل أجهزة الفحص وأسلاك الفحص ولإجراء قياسات الجهد بين الهياكل المعدنية المحمية والتربة المحيطة Structure-To-Soil Potential Measurements , وكذلك لربط أنودات التضحية بالهياكل المعدنية والأنابيب المراد حمايتها كاثوديا.














قد تؤثر كابلات الاختبار و الفحص وتعمل كمسار لتيار الحماية لأجزاء أخرى من شبكات خطوط الأنابيب و الأجسام المعدنية وخصوصا عند Block Valve or Metering Stations حيث يتم عزل المنشئات السطحية عن المنظومة المحمية.




في خطوط الأنابيب التي تنقل مواد هايدروكاربونة يجب استخدام مانعات للتمور Surge Arrestors تركب عند وصلات العزل Insulating Jointsلضمان وتأمين العزل من الانهيار
والتلف بسب ضربات الصواعق أو التوصيلات الكهربائية الخاطئة والتيارات
العابرة, حيث يؤرض كلا جهتي العزل و الجزء المحمي كاثوديا, ويكون تأريض
الجزء المحمي كاثوديا من خلال خلايا استقطاب Polarization Cells لمنع تيار الحماية المستمر The CP - DC Current من التسرب للأرض.




كذلك تحتاج الخزانات المحمية كاثوديا خلايا استقطاب Polarization Cells تربط بين نقطة التأريض وشبكة الأرضي لضمان عدم تسرب تيار الحماية الكاثودية للخزان من التسرب لشبكة الأرضي.








6. اعتبارات تصميمية أخرى Other Design Considerations











على المصمم حساب حجم ونوعية و فترة عمر استخدام أقطاب الأنودات وعلى أساس نموذجي 15 -30 سنة من الاستخدام والتشغيل بالنسبة لأسلوب الحماية باستخدام التيار الكهربائي المسلط by Impressed Current Cathodic Protection و 10 – 15 عام بالنسبة لأسلوب الحماية الكاثودية باستخدام أقطاب آنودات التضحية CP by Sacrificial Anode .




حساب المسافات بين الأقطاب لضمان منع تآكل طرف توصيل الأقطاب غير الناضج Premature Anode-End Corrosion والذي يؤدي إلى تلف مجموعة الأنودات وإيقاف عملها ووجوب استبدالها لتقطعها وفقدان التوصيل فيها.




تدقيق وتقدير تيار كتلة الفحم Coke Breeze Current Rating ومساحة الاتصال السطحية مع الأقطاب الأنودات لمرور التيار الكافي وضمان مستوى واطئ وثابت لمقاومة حلقة الحماية الكاثودية.








7. معايير القبول والمقاييس Measurements and Acceptance Criteria











تقاس الإمكانية الكهروكيمياوية للحماية الكاثودية CP Electrochemical Potential is Measured بواسطة أقطاب مرجعية قياسية Reference Electrodes:




1. Copper-copper(II) sulfate electrodes are used for structures in contact with soil or fresh water. لمزيد من القراءة أضغط على الوصلة.












2. Silver chloride electrodes are suitable for seawater applications (compatible electrolyte). لمزيد من القراءة أضغط على الوصلة.






يوصي مشغلي خطوط الأنابيب بـ Instant-OFF
structure to soil potential of between -0.95 and -1.13V with respect to
a copper - copper sulfate reference electrode والتي تعرف كذلك بخلية كبريتات النحاس (also known as a Cu2SO4 reference cell) ,

فقياسات فرق الجهد بين التربة والأنبوب يكون من خلال تقطيع تيار Interrupted Current الحماية لفترة نصف ثانية وهذا أفضل تقريب استقطاب وقائي للاستقطاب بين سطح الأنبوب المحمي والاتصال بالتربة.


وهذا التطبيق يزيل الاختلاف المحتمل لفرق الجهد لمسارات التيار في التربة,

تكون المعيارية عند استخدام أقطاب أنودات التضحية -0.95 to -3V استنادا إلى خلية سلفات نحاس / نحاس 2 المعيارية Copper-Copper(II) Sulfate Reference Electrode, لأن أقطاب أنودات التضحية تكون قريبة بما فيه الكفاية للأنبوب المطلوب حمايته و لاعتبار هبوط الجهد IR خلال التربة يكون قليل جدا ويمكن إهماله.















مهند الشيخلي .... muhannad alsheikhly 23 حزيران 2009

مبادئ التآكل والحماية الكاثودية

مقدمة


سنغطي
في هذا الفصل خلفية نظرية عن التآكل والحماية الكاثودية وسنتناول فيه
مسألتين كهربائيتين يعتبران أساس الحماية الكاثودية وهما قانون أوم و
الخلية الكلفانية نظرا لعلاقتهما بالموضوع ثم شرح لمبادئ التآكل والحماية
الكاثودية مع استعراض لتفاصيل شبكة الحماية الكاثودية على خطوط الأنابيب
الغربية الممتدة من كركوك شرقا فمحطة ط1 غربا عند الحدود العراقية السورية
وصولا الى بانياس في سوريا وطرابلس في لبنان والمسائل المتعلقة بإنشاء
وتشغيل و صيانة محطات الحماية الكاثودية لهذا الخط الشهير، كذلك سنمر
تطبيقات الحماية الكاثودية الأخرى.


في
هذا الموضع أتذكر أستاذ قديم وزميل لنا عايش تطبيق الحماية الكاثودية على
هذا الخط حيث يعتبر من أوائل العاملين في مجال الحماية الكاثودية في منقطة
الشرق الأوسط المرحوم عوني يونس.


مبادئ كهربائية


1. قانون أوم





في
الدائرة الكهربائية هناك علاقة ثابتة بين الجهد (الفولتية) والتيار
والمقاومة وتعرف هذه العلاقة بقانون أوم ويمكن التعبير عنها بأحد الصيغ
التالية:

وحدة الجهد هي الفولت، ووحدة التيار الأمبير، ووحدة المقاومة هي الأوم





1. الخلية الكلفانية


لو
قمنا بغمس قطبين من معدنين مختلفين مثل الزنك و النحاس مثلا في محلول موصل
للكهرباء وربطنا بينهما بسلك فأنه يتولد عن ذلك تيار كهربائي يسري من
الزنك الى النحاس داخل المحلول ويكمل دورته خلال السلك الواصل بينهما، كما
في الشكل (1).


تعرف هذه الخلية الكهربائية باسم خلية كلفاني نسبة الى مكتشفها العالم الإيطالي كلفاني.


يسمى
القطب الذي يخرج منه التيار الى المحلول "أنود"، ويسمى القطب الذي يستقبل
التيار "كاثود"، ويترتب على سريان التيار في الخلية حدوث تأكل على الأنود
بينما يبقى الكاثود سليما ويترسب على سطحه طبقة خفيفة من الهيدروجين لو
بقيت على سطحه لأحدثت استقطابا في الخلية تتلاشى معه شدة التيار في الخلية
ومن ثم تتوقف عملية التآكل ولكن تحدث عند الكاثود تفاعلات كيمياوية تمنع
مثل هذا الاستقطاب فيستمر سريان التيار في الخلية وتستمر عملية التآكل.


تتوقف عملية التآكل على الأنود على ثلاثة عوامل:


· نوع مادة الأنود.


· شدة التيار.


· المدة التي يستمر فيها سريان التيار.


مثلا – يتآكل الحديد بمعدل (9) كيلو غرام إذا سرى منه أمبير واحد لمدة عام.





مبادئ التآكل


التآكل على نوعين:


· كيمياوي


· كيمياوي / كهربائي


النوع
الأخير هو الشائع بالنسبة للمنشئات المدفونة في الأرض و المغمورة بالماء
أو تحتوي على ماء، أي حيثما وجد معدن في بيئة موصلة للكهرباء.


فعلى
سطح خط للأنابيب مدفون في باطن الأرض مثلا تتواجد أقطاب أنودية وأخرى
كاثودية تؤلف مع التربة وجدران الأنبوب خلايا كلفانية يترتب على وجودها
سريان تيار كهربائي من الأنود الى التربة ومنها للكاثود مكملا دورته الى
الأنود من خلال جدار الأنبوب.


نتيجة
لذلك فأن الأنبوب يتآكل عند موقع الأنود تماما كما تآكل الزنك في خلية
كلفاني وفي نفس الوقت تترسب على سطح الكاثود طبقة خفيفة من الهدروجين لو
بقيت عليه لأحدثت استقطابا يزيل الجهد بين الأنود و الكاثود ويوقف بذلك
سريان التيار الكهربائي ومن ثم التآكل تبعا لذلك، لكن كذلك تحدث تفاعلات
كيمياوية عند الكاثود تحول دون حدوث مثل هذا الاستقطاب، لذا تستمر عملية
التآكل، يمثل الشكل رقم (2) خلية تآكل على خط أنابيب المحتملة عند الأنود
وعند الكاثود ومنها يتضح ان الحديد يفقد ذراته على هيئة أيونات عند الأنود و
إلكترونات عند الكاثود.











أن ظاهرة تواجد أقطاب مختلفة على سطح الأنبوب ترجع الى عدة عوامل منها:


· وجود شوائب على سطح الأنبوب ذات جهد يغاير مادة الأنبوب.


· عدم التجانس على سطح الأنبوب، كوجود خدوش على بعض أجزائه تجعل الجزء المنخدش أنودا.


· وجود مناطق تحت تأثير ضغط أي مضغوطة Stressed مما يجعلها أنودية.


· وجود
أنواع مختلفة من الأملاح من موقع لأخر على إمتداد الأنبوب، فكما ان خلايا
التآكل يمكن ان يكون قطباها من معدنين مختلفين فأنه يمكن ان يكون قطبا
الخلية من معدن واحد حين تكون الأملاح عندها مختلفة.


· اختلاف
درجة تركيز الملح الواحد عند موقعين يولد منهما قطبين، فالموقع الذي يكون
فيه الملح أكثر تركيزا يصبح أنودا بالنسبة للموقع الأخر.


· الاختلاف في درجة التهوية فالموقع الأقل تهوية يصبح أنودا.


· وجود ما يسمى بالتيارات الشاردة Stray Current وهي من مصادر كهربائية مجاورة فتجعل منه أنودا.


الأشكال
رقم (3-9) توضح الحالات أنفة الذكر أعلاه. كما أن البعد بين أقطاب خلايا
التآكل قد يكون ميكروسكوبيا أو قريب جدا او قد يصل البعد بينهما الى عدة
كيلو مترات وأن الفرق في الجهد الذي ينشأ عن العوامل أنفة الذكر أعلاه قد
يتراوح بين بضع ميلي فولتات و فولت واحد او أكثر.


من الممكن تحديد المناطق المعرضة للتآكل عن طريق قياسات كهربائية فوق مسار الأنبوب.





كمية التآكل


يتوقف مقدار التآكل في الخلية الكهروكيمياوية على نوع المعدن وشدة التيار ومدة استمراره وفقا لقانون فراداي.



أي أن الخسارة في وزن المعدن = معامل ثابت X الزمن




بالنسبة للحديد فأنه يخسر من وزنه (9.1) كيلو غرام / أمبير / سنة.

أن
مثل هذه الخسارة في الوزن يمكن أن تكون غير خطيرة لو توزعت بصورة منتظمة
على مقطع طويل من خط الأنابيب، أما إذا حدث التآكل على هيئة تنقرات Pitting صغيرة فأن ذلك يعني مئات الثقوب في جدار الأنبوب.



وسائل مكافحة التآكل

هناك
وسائل كثيرة للحد من التآكل أن لم يكن للقضاء عليه، كالطلاء أو استخدام
مواد ذات مقاومة عالية ضد التآكل أو تحسين و معالجة البيئة أو الحماية
الكاثودية وغير ذلك.

هذا
و للتصاميم الجيدة للمنشئات دور كبير في تقليل التآكل فمنها ما هو جيد
ويجب اعتماده ومنها ما هو سيئ ويجب تجنبه والابتعاد عنه، كما هو مبين
بالشكل الموضح لاحقا.


الحماية الكاثودية


لما
كان التآكل على المعادن يقع عند الأنود نتيجة تفريغ التيار الكهربائي منه
الى البيئة من حوله مع بقاء الكاثود خاليا من التآكل فمن الواضح أن
بالامكان وقف عملية التآكل باستخدام تيار كهربائي من مصدر خارجي يسري
بالاتجاه المضاد لتيار خلايا التآكل وبكثافة كافية تجعل من سطح المعدن
بأكمله كاثود يستقبل التيار الكهربائي من البيئة حوله ولا يفرغه أليها من
هنا جاء اصطلاح الحماية الكاثودية.


يمكن الاستفادة من هذا المبدأ في مكافحة التآكل على المنشئات المدفونة في الأرض أو المغمورة بالماء أو تحتوي تربتها على ماء.


لتطبيق
الحماية الكاثودية على خط أنابيب مثلا يستخدم مصدر كهربائي يربط قطبه
السالب بالأنبوب وقطبه الموجب بأنودات مدفونة في الأرض تشكل في مجموعها ما
يسمى بالحوض الأرضي Ground Bed لتفريغ
الكهرباء من المصادر الكهربائية الى الأرض حيث يسري من خلالها الى الأنبوب
فيجعل منه كاثودآ ويحفظه من التآكل، تسمى هذه الطريقة بنظام التيار القسري Impressed Current ،

ما بين عدة كيلو مترات الى عدة عشرات من الكيلو مترات تبعا لمقاومة الأرض
وقطر الأنبوب وكفاءة تغليفه.
أن محطة حماية كاثودية كهذه يمكن أن توفر الحماية على أنبوب لمسافة تتراوح

هناك طريقة أخرى للحماية الكاثودية تستخدم فيها أنودات تضحية Sacrificial Anodes ذات جهد كهربائي أعلى من جهد الحديد كسبائك المغنيسيوم و الخارصين تربط بالأنبوب بسلك معزول فيتولد عن ذلك تيار كهربائي يحمي الأنبوب.





هذه الطريقة محدودة الاستعمال نظرا لأن الجهد فيها قليل لا يصل الى فولت واحد ومن ثم فالتيار
الذي يمكن أن تجهزه ضعيف. هذا ولتكون هناك حماية كاثودية تامة يجب أن تكون
كل نقطة على سطح الأنبوب سالبة بالنسبة للتربة من حولها بما لا يقل على
(0.85) فولت أو (1) فولت في حالة تواجد البكتيريا عندما تؤخذ القياسات
باستخدام نصف خلية مكونة من قضيب نحاس مغمور في كبريتات النحاس لإتمام
الاتصال الكهربائي مع التربة.




من
جهة أخرى يجب أن لا يزيد فرق الجهد بين أي نقطة على سطح الأنبوب والتربة
عن (2.5) فولت تلافيا لتجمع كميات كبيرة من الهيدروجين على سطح الأنبوب
يتولد عنه ضغط مرتفع يحدث شقوقا في غلاف الأنبوب، هذا مما يحدد التيار
الأقصى الذي يمكن استخدامه في محطات الحماية الكاثودية ومن ثم المسافة التي
يمكن للمحطة أن تحميها.


يمكن تقدير التيار الكهربائي اللازم للحماية الكاثودية حسابيا
إذا توفرت معلومات كافية عن الأنبوب وغلافه ومقاومة الأرض كما يمكن
تقديرها استنادا الى الخبرة من مشاريع مماثلة أو الاسترشاد بالتقديرات
التالية:





يبلغ
جهد الأنبوب حده الأقصى بالقرب من محطة الحماية الكاثودية نظرا لشدة كثافة
التيار الكهربائي في هذه المنطقة ويتناقص الجهد تدريجيا مع البعد عن
المحطة الشكل رقم (22) وهذا في التربة المتجانسة والماء، أما غير المتجانسة
فكما بالشكل رقم (23) فيظهر في الرسم البياني للجهد نتوآت وانخفاضات تبعا
لطبيعة الأرض و مقاوميتها.


في
مثل هذه الحالة فأن توفر حماية كافية على موقعين متتالين مثل النقطتين ( أ
و ب ) في الشكل رقم (23) لا يعني وجود حماية كافية على كل نقطة من الأنبوب
بينهما وقد وجد أنه لمعرفة ما إذا كان هناك حماية كافية على كل نقطة من
الأنبوب يجب قياس الجهد كل بضعة أقدام وهو أمر صعب التنفيذ من الناحية
العملية.


تحديد مناطق التآكل على خطوط الأنابيب


1- الخطوط المزمع إنشاؤها


طبعا
في هذه الحالة لا وجود للخطوط بعد ولكن مسارها يكون قد تم تحديده ويمكن
تحديد المناطق التي يتوقع ان يكون عندها الخط عرضة للتآكل وذلك بقياس
مقاومية التربة Soil Resistivity

ذلك إذا كان هناك تبدل واضح في طبيعة التربة بين نقطتي القياس.
على كامل امتداد مسار الخط بفاصل (100) متر بين مواقع القياسات أو أقل من

تؤخذ
القياسات بواسطة جهاز ميكر ذو أربعة مسامير تدق في التربة بخط مستقيم وعلى
مسافات متساوية بينها كما في الشكل رقم (10) تؤخذ قياسات مقاومة التربة
بين ساقين ومنها يمكن حساب مقاومية التربة من المعادلة







تعطي
القياسات معدل مقاومية التربة الى عمق يساوي البعد بين المسمارين أي أنه
إذا كانت المسافة بين المسمارين (5) أقدام مثلا فالقياس يعطي معدل مقاومية
التربة ابتداء من السطح والى عمق (5) أقدام، تكرر القياسات كل (100) متر
على امتداد مسار الأنبوب.


تسجل
القياسات على هيئة رسم بياني كما في الشكل رقم (11) ومنه يمكن تحديد
المناطق التي يتوقع أن يكون فيها الأنبوب معرضا للتآكل وهي تلك التي تكون
مقاومية التربة عندها قليلة نسبيا. يمكن تقدير مدى التآكل الذي يمكن أن
تتعرض له من الجدول التالي:






كلفة التآكل


قد
تكون كلفة التآكل مباشرة أو غير مباشرة، تشمل المباشرة منها كلفة الترميم
المنشئات و استبدال أجزاء منها وكذلك استخدام مواد غالية الثمن في بعض
الحالات لا لشيء إلا لخاصيتها في مقاومة التآكل ويندرج في هذا المجال أيضا
استعمال كتلة من المعدن اكبر مما ينبغي تعويضا للتآكل المتوقع عليها
كاستعمال أنبوب ذو سمك أكبر مما تقتضيه الظروف التشغيلية.


مثلا
تنفيذ أنبوب بطول 225 ميل بقطر ( عقدة وبسمك (0.322) عقدة بينما الظروف
التشغيلية تتطلب سمكا للأنبوب (0.25) عقدة ولو نفذ الأنبوب على هذا الأساس
لأمكن توفير (3700) طن من الحديد.


أما الخسائر غير المباشرة فتشمل كلفة التوقف عن التشغيل.


أن
كلفة تبديل أنبوب صغير في وحدة إنتاجية زهيد قياسا الى كلفة وقف إنتاج
الوحدة، كما هناك خسارة المنتوجات المهدورة نتيجة للنضح من خطوط الأنابيب
وهذا قد يستمر لفترة طويلة لحين اكتشافه وإصلاحه، ناهيك عن الأضرار الناتجة
عن تلوث البيئة، إضافة للحوادث التي قد تنجم عن انفجار الخط نتيجة لعدم
تحمله الضغط التشغيلي.






طرق مكافحة التآكل


كل
طرق مكافحة التآكل ترتكز على منع تسرب التيار الكهربائي من المنشآت الى ما
يحيط بها من تربة أو ماء وفيما يلي الأساليب المتبعة لتحقيق ذلك:


· استخدام التغليف الجيد وتشمل الصبغ


هو
عبارة عن عازل كهربائي يفصل بين المعدن و البيئة من حوله، من الخصائص
الأساسية التي يجب أن تتوفر في التغليف الجيد هو أن يكون متواصلا وذو
مقاومية عالية وجيد الالتصاق بالمعدن ولا يتأثر بالحرارة وأن تبلغ نفاذيته الى الدرجة التي لا تسمح بعبور الرطوبة من خلاله. وقد يكون على شكل أشرطة لاصقة أو بي في سي ملبس في المصنع وتتميز بفاعلية عالية.


· استخدام مانع للتفاعل الكيمياوي Inhibitor


هي
مادة كيمياوية تضاف الى السوائل فتمنع التآكل على جدار الوعاء الذي
يحتويها لأنها تحول دون حدوث التفاعلات الكيمياوية عند الأنود أو الكاثود
أو كليهما وتوقف بالتالي مفعول خلايا التآكل كما أنها تترك طبقة خفيفة
عازلة على جدار الوعاء.


يضاف مانع التفاعل الكيمياوي الى السوائل بتركيز معين دوريا ويمكن استعمال هذا الأسلوب في آبار الحفر و المراجل ومنظومات المياه ..


· استخدام مواد مقاومة للتآكل


يعني
ذلك اختيار المادة التي تقاوم التآكل في بيئة معينة على أن تكون ملائمة
للظروف التشغيلية ومن المواد التي تستعمل لهذا الغرض هي الكروم والنيكل و
والرصاص والقصدير والبلاستك و المطاط والسيراميك والكونكريت والألياف الزجاجية.


· معالجة المحيط Environment Treatment


يقصد بهذا إحداث تغيرات في تركيب المحيط الملاصق للمعادن تمنع أو تقلل من التآكل عليها.


أن
التميز بين مانع التفاعل و معالجة المحيط غير واضح فوجود بيكاربونات
الكالسيوم في الماء يرسب على جدار الوعاء الذي يحتويه طبقة من كربونات
الكالسيوم تفصل بين الوعاء والماء فتحميه من التآكل ولكن بيكاربونات
الكالسيوم لا تصنف في عداد مانعات التآكل.


من
الوسائل التي تستخدم في معالجة المحيط هو التخلص من الأوكسجين والرطوبة
والأملاح المذابة والتحكم في درجة تركيز أيونات الهيدروجين.


· اعتماد التصميم الجيد


التصميم الجيد هم ما يتحاشى او يقلل من احتمال حدوث خلايا تآكل ويسهل تطبيق وسائل مكافحة التآكل على المنشئات أو الكشف عليها.


من
الأمور التي يجب الحرص عليها تجنب الاتصال المباشر بين معدنين مختلفين
وعدم وجود مصائد لتجمع الماء أو الغازات أو الهواء والتقليل ما أمكن من
وجود الأجزاء المضغوطة.


· استخدام الحماية الكاثودية


رأينا
أن التآكل على المعادن يقع في المنطقة الأنودية نتيجة تفريغ التيار
الكهربائي منها الى البيئة من حولها مع بقاء المنطقة الكاثودية سليمة
وخالية من التآكل.


من
الواضح أذن أن عملية التآكل تتوقف إذا أصبحت جميع أجزاء المعدن كاثودية
ويمكن تحقيق ذلك باستخدام تيار كهربائي من مصدر خارجي يسري باتجاه مضاد
لتيار خلايا التآكل وبكثافة كافية لتجعل من سطح المعدن بأكمله كاثودآ
يستقيل التيار الكهربائي من البيئة التي حوله بدل أن يفرغه إليها ومن هنا
جاء اصطلاح الحماية الكاثودية .





منظومات الحماية الكاثودية للخزانات


تستخدم
الحماية الكاثودية على خزانات الماء من الداخل وذلك بإنشاء منظومة تتكون
من المقومات و الأنودات المصنوعة من مادة السلكون تعلق داخل الخزانات وعلى
ارتفاعات مختلفة فيعلق نصفها في الجزء العلوي من الخزان ويعلق نصفها الأخر
في الجزء السفلي من الخزان وتربط هذه الأنودات بالقطب الموجب للمقومة ويربط
القطب السالب للمقومة بجدار الخزان.


بذلك
يمكن تأمين سريان التيار الكهربائي من المقومة الى الأنودات وينتشر خلال
الماء الى جدران الخزان وعبره تكمل الدورة الكهربائية الى المقومة وبهذا
الأسلوب يمكن تأمين الحماية الكاثودية لجدران الخزان من الداخل حيث يتم
توزيع تيار الحماية بصورة متساوية على الجدران الداخلية وقاعدة الخزان.


يكون جهد الخزان (1.5) فولت ويجب ملاحظة عدم تجاوز ذلك، لأن زيادة الجهد تسبب تشقق الطلاء الذي تطلى به الخزانات.


يتراوح
التيار اللازم للحماية بين (4) أمبير و (30) أمبير ويعتمد بصورة رئيسية
على جيدة الطلاء المستعمل في الخزانات ففي الخزانات ذات الطلاء الجيد لا
يتجاوز تيار الحماية عن (5) أمبير أما الخزانات الغير مطلية فيصل التيار
لغاية (30) أو (40) أمبير.


من
الملاحظ في خزانات الماء أن تيار الحماية يقل مع الزمن بعكس الحالة في
حماية خطوط الأنابيب بسبب تسرب مواد جيرية على سطح وجدران الخزانات تشكل
عازلا بين جدار الخزان والماء ولذلك يجب عدم إزالة هذه الطبقة من الجدران
عند تنظيف الخزانات.


بعكس
ذلك يزداد تيار الحماية لخطوط الأنابيب مع الزمن وذلك بسبب ضعف الطبقة
العازلة على الأنابيب مع الوقت مما يحتاج الى زيادة تيار الحماية مع الوقت
لضمان حماية جيدة الأنابيب.


تحمى
الجدران الخارجية لخزانات بنفس الطريقة الاعتيادية المماثلة لخطوط
الأنابيب حيث يستعمل أنودات من الغرافيت تدفن على بعد مناسب من الخزانات.


جرت العادة حماية الجزء الداخلي السفلي من خزانات نفط الخام وخصوصا تلك التي يحوي فيها النفط على ماء أو ان يكون النفط رطبا.





الأحواض الأرضية


تستخدم
في الأحواض الأرضية أنودات من الغرافيت يحيط بها مسحوق خشن من فحم الكوك
وبهذا يكبر حجم الأنود وتقل تبعا لذلك مقاومته مع التربة.


اختيار
موقع الحوض الأرضي تكون فيه مقاومية التربة منخفضة، حيث تقاس المقاومية في
عدة مواقع وعلى أعماق مختلفة، يختار الموقع الذي تقل فيه المقاومية مع
العمق لتأمين انتشار أوسع للتيار.


من
تجربتنا في منظومة الخطوط الغربية هي جفاف الأحواض الأرضية وارتفاع حاد في
مقاومتها مع التربة نظرا لأن التفاعلات الكيمياوية عند مواقع الأحواض
الأرضية تستهلك الرطوبة في التربة من حولها مما يستدعي سقي الأحواض بالماء
المالح مرة كل عام أو أكثر.


من
أفضل الطرق لمعالجة هذه المشكلة هو زيادة عدد الأنودات في الحوض بهدف خفض
مقدار التيار المتفرع في كل واحد منها مما يخفف من حدة التفاعل عند
الأنودات في الحوض ويقلل بالتالي نسبة الجفاف من حولها كما يساعد هذا الى
إطالة عمر الأنود.


لا يجوز تحميل أنودات الكرافيت أكثر من (3.5) أمبير لأن ذلك يسارع في تآكله.


دفن
الأنودات بعمق أكثر من (1.5) متر يساعد في الحد من جفاف الحوض، حيث يمكن
الحد من جفاف عن طريق تعويضه بالرطوبة من باطن التربة عن طريق الامتصاص.


من الأفضل دفن الأنودات بصورة عمودية عوضا من دفنها بصورة أفقية.


هناك الأحواض الأرضية العمودية العميقة حيث توضع داخل بئر عميقة تحفر لهذا الغرض وهذا النوع يسهل صيانته مستقبلا.


يستحسن
عدم وضع الأحواض الأرضية في الوديان لأن ذلك يؤدي الى اندفاع الجزء الأكبر
من التيار الى مقطع الأنبوب المقابل للحوض الأرضي وبذلك يتقلص طول مقطع
الأنبوب الذي تغطيه المحطة.


لما
كان جهد الأنبوب أعلى ما يكون بالقرب من محطة الحماية الكاثودية وحتى لا
يرتفع هذا الجهد فوق الحد الأقصى (2.5) فولت يجب أن يكون بعد الحوض عن
الأنبوب بالقرب الذي لا يزيد معه التغير في جهد التربة بالقرب من الأنبوب
عن (0.3) فولت، ويمكن تقدير البعد من المعادلة التالية:

مصادر توفير الطاقة الكهربائية لمنظومات الحماية الكاثودية


· المحولات المقومة Transformer Rectifier


وهي على ثلاثة أنواع وتتوفر بطاقات مختلفة


1. المحولات المقومة ذات التبريد الهوائي Air - Cooled T/R


2. المحولات المقومة ذات التبريد الزيتي Oil - Cooled T/R


3. المحولات المقومة المنيعة على اللهب Explosion Proof T/R


· مصادر الطاقة الكهربائية غير التقليدية Special DC - Power Sources


1. وحدات الخلايا الضوئية Solar Power Unit


2. مولدات الكهرباء الحرارية Thermo Electric Generators


3. مولدات الكهرباء الهوائية Wind Generators






محولات المقومة الخاصةSpecial Transformer Rectifier


تؤلف
خطوط الأنابيب الغربية أكبر مجموعة من الخطوط المتوازية في العالم ومن ثم
فشبكة الحماية الكاثودية عليها تعتبر من أضخم شبكات الحماية الكاثودية
وأكثرها تعقيدا.


ومما
يزيد في تعقيد الأمور وجود شبكات أخرى للحماية الكاثودية تعود ملكيتها الى
جهات عديدة كذلك فأن هذه الخطوط ذات مستوى متفاوت من حيث قدمها وحالتها
وحسن تغليفها وأسلوب تشغيلها وحمايتها، فبعضها قديم ومتآكل وبعضها جديد،
نظام التغليف المستخدم لها مختلف من أنبوب الى آخر، هذا مما يستوجب تسليط
تيار الحماية لها بكثافة ومقدار مختلف مما يستوجب استخدام مقومات مختلفة
ومنفصلة لكل منها، او استخدام مقومات من نوع خاص تحوي على إمكانية إعطاء
مستويات مختلفة من تيار الحماية وبها نقاط مختلفة للربط بالأنابيب، حيث
يعطى كل أنبوب كفايته من الحماية محسوب على أساس حالته وحاجته وذلك لتجنب
تعريض كل الأنابيب الى جهد عالي.


هذه
المقومات تحوي على معدلات ومنظمات للتيار تعطي الأنابيب القديمة وذات
الغزل الرديء تيار أعلى من الأخرى وتعطي الأنابيب جيدة العزل تيار حماية
أقل.


لتحقيق ذلك فأن هذه الوحدات مجهزة بما يلي:


· Blocking Diode لمنع سريان التيار بين الأنابيب.


· مقاومة متغيرة Variable Resistor لتنظيم التيار الواجب تسليطه على الأنابيب كل حسب حاجته.


· حماية ضد الارتفاع اللحظي للجهد Surge Protection


· أجهزة القياس اللازمة shunt and Meters للقياسات الكلية والفرعية.


· نقاط منفصلة لربط قابلوات للأنابيب المختلفة.



من
مصادر الطاقة الكهربائية غير التقليدية Special DC - Power Sources

Generators وهي مستخدمة في المناطق التي لا تتوفر بها مصدر للطاقة
الكهربائية من شبكة الكهرباء الوطنية وهذا النوع من المولدات يعمل على أساس
فكرة المزدوج الحراري حيث يتم تسخينه بواسطة غاز LPG أثبت هذا الأسلوب
لتوفير الطاقة الكهربائية صعوبات تشغيلية كثيرة خصوصا وأن مثل هذه المحطات
موجودة في مناطق نائية ويتم تشغيلها عن بعد.





كذلك
من مصادر الطاقة الكهربائية غير التقليدية في توفير الطاقة الكهربائية
اللازمة لمحطات الحماية الكاثودية هي وحدات الخلايا الضوئية Solar Power Unit حيث
يتم تجهيز خط الأنابيب بالتيار اللازم للحماية الكاثودية و تخزين الفائض
من الطاقة الكهربائية في بطاريات لتشغيل المنظومة خلال الليل وفي الأيام
الغائمة، هذا الأسلوب مكلف ويصلح للمنظومات الصغيرة محدودة الاحتياجات.


المستخدمة في الحماية الكاثودية مولدات الكهرباء الحرارية Thermo Electric




كذلك من مصادر الطاقة الكهربائية غير التقليدية في توفير الطاقة الكهربائية اللازمة لمحطات الحماية الكاثودية

هي مولدات الكهرباء الهوائية Wind Generators التي تعتمد على طاقة الرياح وتسمى مثل هذه المحطات بحقول الرياح لتوليد الطاقة الكهربائية. ولم تستخدم هذه الطريقة في العراق.


(تمثل
الصورة جزء من حقل لاصطياد الرياح والاستفادة في توليد الطاقة الكهربائية
في منطقة بحيرة منتون في منسوتا، هذا الحقل يمثل واحد من أهم مشاريع
استغلال الرياح في توليد الطاقة الكهربائية في الولايات المتحدة الأمريكية،
معدل سرعة الريح في هذه المنطقة هو بحدود 26 كم/ساعة).








تطبيق
الحماية الكاثودية على خط أنابيب في تربة متجانسة أو في الماء لا يشكل
صعوبة ولكن هناك صعوبة بالغة في تطبقها في الأراضي الصحراوية والصخرية
وخصوصا إذا كان هناك عدة أنابيب متوازية وكانت حالتها متفاوتة.


تبرز
في الأراضي الصحراوية ظاهرة حجب التيار عن الخطوط في بعض المواقع مما يجعل
جهد الأنبوب فيها دون مستوى الحماية الشاملة وأن زيادة التيار في المحطات
المجاورة لهذا الموقع او نصب محطات إضافية بالقرب منها لن بغير من الأمر
شيئا، يمكن العلاج في كشف الخطوط في مثال هذه المواقع و إعادة تغليفها
بصورة جيدة وإحاطتها بطبقة سميكة من التراب ان كانت التربة صخرية وذلك
لتسهيل وصول التيار إليها.


يفحص العازل بجهاز كاشف هولداي Holiday Detector للتأكد من عدم وجود ثقوب غير منظورة في الغلاف وأن الغلاف لاصق بصورة جيدة بمعدن الأنبوب وأن سطح الأنبوب نظيف جدا قبل تغليفه.


في
التربة المتجانسة او الماء إذا كانت هناك حماية كافية عند نقطتي قياس يمكن
الجزم بان هناك حماية كافية على كل نقطة من سطح الأنبوب بينهما.


أما
في التربة غير المتجانسة فلا يمكن الجزم بذلك، وللتأكد في هذه الحالة من
وجود حماية كافية على كل موقع من سطح الأنبوب يجب قياس جهده كل بضعة أقدام
على طول امتداده كما هو مبين بالخط البياني مستحصل عليه من قياسات حقيقة
أخذت في الثمانينات على خط الأنابيب (16) عقدة شرق محطة ك3، تتوفر الآن
أجهزة متطورة للقيام بذلك يستخدم معها حاسب إلكتروني من نوع شارب PC1500A .











الحماية العامة والحماية الشاملة General & Complete Protection


هناك
ما يعرف بحماية عامة وحماية شاملة، أن قياسات جهد الأنابيب تؤخذ كل كيلو
متر أو نصف ميل من أطوالها فإذا كانت القياسات لا تقل عن (0.85) فولت يمكن
القول أن على الأنابيب حماية عامة ولكن لا يعني أن عليها حماية شاملة فهذه
تتحقق فقط عندما يكون جهد كل نقطة على سطح الأنبوب في المستوى المطلوب.


في
التربة المتجانسة أو الماء يمكن الجزم بأن الأنبوب هناك حماية شاملة على
الأنبوب أن توفرت عليه الحماية العامة نظرا لأن جهد الأنبوب في هاتين
البيئتين يتلاشى بانسياب مع البعد من محطة الحماية وعليه فأنه إذا توفر
مستوى الحماية المطلوب عند نقطتين (أ) و (ب) على امتداد الأنبوب فمن الواضح
أن هناك حماية كافية على كل نقطة من سطح الأنبوب بينهما الشكل (22) أما في
التربة غير المتجانسة فكما سبق وذكرنا فأن تلاشي الجهد غير انسيابي الشكل
(23) وعليه فأن وجود حماية كافية عند نقطتين مثل (أ) و (ب) المسافة بينها
نصف ميل لا يعني توفر الحماية على مقطع الأنبوب بينهما لقد توضح ذلك في
الخط البياني لقياسات الجهد على الخط 16 عقدة أعلاه.




ملحقات الربط ومواد عزل شفاه وصل الأنابيب


يستخدم
العديد من ملحقات مثل صناديق الربط بأنواعها المختلفة و ملحقات ربط
القابلوات على الأنابيب ولوازمها لحام الثرمت ومسامير اللحام بالنحاس و
مجاميع عزل الشفاه و الشفاه العازلة.







مهند الشيخلي خبير

الكاثودية هي طريقة لمنع التآكل والصدأ عن الأسطح الخارجية للمعدات
المعدنية الحديدية المدفونة أو المغمورة بالماء بجعلها أقطاب سالبة من
دائرة كهربائية.
أقترح هذا الأسلوب للحماية
من قبل السّير همفري ديفي في عشرينيات القرن التاسع عشر (1820) كوسيلة
للسيطرة على التآكل في السفن البحرية البريطانية.
أصبح
أمرا شائعا في الثلاثينات من القرن الماضي (1930) في ساحل خليج الولايات
المتّحدة، حيث أستعمل للسيطرة على تآكل خطوط الأنابيب التي تتعامل مع
الهايدروكاربون من نفط خام وغاز ومنتجات نفطية, حيث طبقت الحماية الكاثودية
للسيطرة على تآكل خطوط الأنابيب الفولاذية المدفونة.
عمليا
كلّ خطوط الأنابيب الحديثة مكسوة بمواد عازلة وطلاء وقائي عضوي, والذي
يعتبر مكملا لأنظمة الحماية الكاثودية, والتي تقوم بالواقع في حماية الثقوب
والخدوش والخلل الموجود أو الحاصل على الطلاء والعازل, فكلما كان العازل
جديد وجيد وخالي من العيوب فان تيار الحماية الكاثودية يكون بأقل ما يمكن.
تحتاج
حماية الأسطح غير مطلية أو معزولة إلى كمية كبيرة للتيار كهربائي, من هنا
ينصح بعدم جلخ المادة المترسبة والأشنات النامية على سطح المعدن في
الخزانات المائية والمنشئات البحرية وقشطها لأنها تعمل كمادة عازلة وتساعد
على خفض كمية تيار الحماية اللازم.

الحماية 1. المقدمة
الحماية الكاثودية هي طريقة لمنع تآكل الأسطح المعدنية بجعلها القطب السالب من دائرة كهربائية.
تستعمل
الحماية الكاثودية لحماية خطوط الأنابيب الفولاذية و الخزانات و الهياكل
الفولاذية و السفن و أرصفة تحميل النفط البعيدة عن الشواطئ والبطانات
المعدنية لأبار النفط. وذلك بجعل الجسم المعدني المطلوب حمايته من التآكل
كاثود سالب بالنسبة للتربة المحيطة / الألكترولايت المحيط وبمرور التيار
الكهربائي من القطب الموجب (الأنود) عبر التربة / الألكترولايت المحيط
بالجسم الفولاذي المدفون ليكمل الدائرة الكهربائية وبذلك يحمي معدن الفولاذ
من التآكل.

يحسب تيار الحماية الوقائي
من قبل مهندس الحماية الكاثودية، مستندا بذلك على سلامة طلاء الهيكل
المعدني ومقاومة عزله والمقاومة النوعية للتربة وكمية التيار وفرق الجهد
الكهربائي المطلوبة توفيره من المحول الكهربائي طوال العمر التشغيلي
للتركيب الفولاذي المراد حمايته.
نظام
الحماية الكاثودية الجيد يحمي التركيب بدون التسبّب بتطور وتكون هيدروجين
الذي قد يسبّب بتلف الترابط والتلاصق بين الهيكل المعدني والطلاء/ العازل
نتيجة لضغط الهيدروجين المتكون, تلافيا لتجمع كميات كبيرة من الهيدروجين
على سطح الأنبوب يتولد عنه ضغط مرتفع فيحدث شقوقا في غلاف الأنبوب ويجب أن
لا يزيد فرق الجهد بين أي نقطة على سطح الأنبوب والتربة عن (2.5) فولت.
يمكن
جعل الهيكل المعدني كاثود سالب باستخدام أقطاب أنودات التضحية (الموجبة)
Sacrificial Anodes أو بالتيار المسلط من وحدات المحولات/المقومات الحماية
الكاثودية CP Transformer Rectifier

2. الحماية الكاثودية باستخدام أقطاب آنودات التضحية CP by Sacrificial Anode



المعدنية المدفونة (المنفصلة عن بعضها) والمطلوب حمايتها, حيث تقوم كل عموما يلجئ لها في الحماية في المناطق التي بها العديد من الهياكل
مجموعة آنودات بحماية الهيكل / الهياكل المعدنية المتصلة بها فقط.


عندما تكون أقطاب آنودات التضحية مصممة ومصنعة ومختبرة بصورة جيدة وتم ربطها بشكل جيد وصحيح
فأنها
سوف لن تحتاج لتعديل وتضبيط مستمر طوال العمر التشغيلي الافتراضي للأقطاب,
بعدها وعند استهلاكها يتوجب استبدالها بأقطاب أخرى جديدة.


أقطاب
آنودات التضحية المثالية لحماية الهياكل المعدنية المدفونة بالتربة هي
المصنوعة عادة من المغنيسيوم Magnesium Anode (وتعرف بأقطاب المغنيسيوم
للتضحية) وبالنسبة للهياكل المعدنية المغمورة أو الغاطسة بمياه البحر فأن
آنوداتها تكون عادة من سبائك ألمنيوم / خارصين / غالفالوم / إنديوم
Aluminum / Zinc / Galvalum / Indium Alloys .

3. الحماية باستخدام التيار الكهربائي المسلط Impressed Current Cathodic Protection


عادة للهياكل المعدنية الكبيرة ولكون توظيف الحماية الكاثودية باستخدام تستخدم
أقطاب آنودات التضحية CP by Sacrificial Anode يصبح غير اقتصادي لحماية
خطوط الأنابيب الطويلة.
لذلك فأنها غالبا ما
يستخدم هذا الأسلوب في شبكات خطوط الأنابيب الطويلة والمنشئات الصناعية
والنفطية التي تحوي على أعداد كثيرة من الخزانات الكبيرة والهياكل المعدنية
المدفونة.
الأنودات المستخدمة في هذا
الأسلوب من الحماية قد يكون أسطواني الشكل وعلى شكل قضيب أو سلك أو أنبوب
أو على شكل شريط, وموادها يمكن أن تكون مصنوعة من حديد السيليكون المصبوب
Silicon-Cast Iron أو خليط أكاسيد معدنية Mixed Metal Oxide أو الكرافايت
Graphite أو سبائك المكسية بالبلاتين أو التيتانيوم Platinum or Titanium
coated alloys أو حديد الصلب السليكوني Silicon-Cast Iron الأكثر اقتصادا
ولكن يتشقق ويتفطر بسهولة مما يستدعي العناية أتناء نصبه ودفنه وأن ينفذ
العمل من قبل عمال مهرة ومحترفين ويحسنون استخدام المعدات المناسبة كون هذه
الأقطاب ثقيلة الوزن, مع أهمية مراعاتهم بعدم انفصال وكسر وتلف وصلة أسلاك
الربط بالأقطاب. وكذلك يمكن استخدام أقطاب أنوديفليكس الأنبوبية المرنة
Flexible "Anodeflex" tubular anodes .


حماية مثالية من هذا النوع لغرض حماية خط أنابيب طويل ستتضمن وحدات محولة فمنظومة
/ مقومة Transformer Rectifier Units [ 10- 50 أمبير وجهد 50 – 100 فولط ]
كما يكمن توظيف منظومة طاقة شمسية لهذا الغرض.
تكون المسافة المثالية بين الأحواض الأرضية أو محطة وأخرى (25 -50 كم).
في
حالة استخدام وحدات محولة / مقومة Transformer Rectifier Units ذات قدرات
خرج مرتفعة فيجب أن يكون الحوض الأرضي لدفن الأنودات أكثر بعدا عن خط
الأنابيب وذلك للحد ولتخفيض الارتفاع الجهد المحتمل قرب خط الأنابيب وأن
لا يقل عن 80- 150 متر, وبالنسبة لحماية الخزانات تكون المسافة من 10 –
100 متر, وتحسب المسافة الأقل على أساس واعتبار قيمة مقاومة التربة
النوعية.
في أغلب الأحيان لا يكون هناك
مسافة كافية من الأرض ضمن المحرمات Right-of-Way (ROW) لتحقيق مثل هذا
الشرط فيلجأ عندها إلى استخدام الأحواض الأرضية العميقة Deep Well Ground
Beds حيث تكون بعمق 60 متر أو أكثر تدلى بها الأقطاب بأغلفة معدنية 20 -25
سم تحوي Conductive Coke Breeze, تدلى داخل غلاف البئر المعدني.

يستخدم
الغلاف الفولاذي للبئر المحفورة في التربة لسلامة البئر و عند سكب الفحم
Coke Breeze حول الأقطاب لملئ فجوة البئر والتي تنفذ ببطء لتجنب تكون
فراغات هوائية, وعند تشغيل المنظومة سيصدأ الغلاف ويتلاشى في النهاية ويصبح
جزء من التربة المحيطة.
يعدل خرج وحدة
محولة / مقومة Transformer Rectifier Unit من قبل الفني المختص لحده الأمثل
المطلوب مستندا على قياسات الكهروكيمياوية و سرعة تجاوب واستكمال استقطاب
التربة المحيطة بخط الأنابيب لتأمين جهد الحماية المطلوب.





وحدة محولة / مقومة الطاقة الكهربائية ذات التيار المتناوب والتي تعطي
كخرج Out Put لها جهد الحماية ذو التيار مستمر اللازم لمنظومة الحماية ذات
التيار المسلط.
تصنع وحدات محولة / مقومة حسب الطلب المناسب لحالة منظومة الحماية اللازمة حيث تكون بأحد الأشكال التالية:
. المحولات المقومة ذات التبريد الهوائي Air - Cooled T/R
. المحولات المقومة ذات التبريد الزيتي Oil - Cooled T/R
. المحولات المقومة المنيعة على اللهب Explosion Proof T/R







. وحدات الخلايا الضوئية Solar Power Unit
. مولدات الكهرباء الحرارية Thermo Electric Generators
. مولدات الكهرباء الهوائية Wind Generators




تعتمد فيها فكرة DC / DC للتوليد وكخرج مسيطر عليه بالنسبة لوحدات مولدات حيث
الكهرباء الحرارية و مولدات الكهرباء الهوائية وتضاف بطاريات بسعة مناسبة
للمنظومات التي تستخدم وحدات الخلايا الضوئية لتغطية الفترة الليلية أو
عندما يكون الجو غائم.

تجهز الوحدات عادة بأجهزة القياس رقمية أو تناظرية لتبيان الجهد والتيار.




هياكل Structures و أشكال Posts قياسية تحوي على نقاط الفحص ولتوصيل
أجهزة الفحص وأسلاك الفحص ولإجراء قياسات الجهد بين الهياكل المعدنية
المحمية والتربة المحيطة Structure-To-Soil Potential Measurements ,
وكذلك لربط أنودات التضحية بالهياكل المعدنية والأنابيب المراد حمايتها
كاثوديا.
هي

قد تؤثر كابلات الاختبار
و الفحص وتعمل كمسار لتيار الحماية لأجزاء أخرى من شبكات خطوط الأنابيب و
الأجسام المعدنية وخصوصا عند Block Valve or Metering Stations حيث يتم
عزل المنشئات السطحية عن المنظومة المحمية.
في
خطوط الأنابيب التي تنقل مواد هايدروكاربونة يجب استخدام مانعات للتمور
Surge Arrestors تركب عند وصلات العزل Insulating Jointsلضمان وتأمين
العزل من الانهيار والتلف بسب ضربات الصواعق أو التوصيلات الكهربائية
الخاطئة والتيارات العابرة, حيث يؤرض كلا جهتي العزل و الجزء المحمي
كاثوديا, ويكون تأريض الجزء المحمي كاثوديا من خلال خلايا استقطاب
Polarization Cells لمنع تيار الحماية المستمر The CP - DC Current من
التسرب للأرض.
كذلك تحتاج الخزانات المحمية
كاثوديا خلايا استقطاب Polarization Cells تربط بين نقطة التأريض وشبكة
الأرضي لضمان عدم تسرب تيار الحماية الكاثودية للخزان من التسرب لشبكة
الأرضي.




المصمم حساب حجم ونوعية و فترة عمر استخدام أقطاب الأنودات وعلى أساس
نموذجي 15 -30 سنة من الاستخدام والتشغيل بالنسبة لأسلوب الحماية باستخدام
التيار الكهربائي المسلط by Impressed Current Cathodic Protection و 10 –

CP by Sacrificial Anode .

بين الأقطاب لضمان منع تآكل طرف توصيل الأقطاب غير الناضج Premature
Anode-End Corrosion والذي يؤدي إلى تلف مجموعة الأنودات وإيقاف عملها
ووجوب استبدالها لتقطعها وفقدان التوصيل فيها.
تدقيق
وتقدير تيار كتلة الفحم Coke Breeze Current Rating ومساحة الاتصال
السطحية مع الأقطاب الأنودات لمرور التيار الكافي وضمان مستوى واطئ وثابت
لمقاومة حلقة الحماية الكاثودية.
على 15 عام بالنسبة لأسلوب الحماية الكاثودية باستخدام أقطاب آنودات التضحية حساب المسافات



الإمكانية الكهروكيمياوية للحماية الكاثودية CP Electrochemical
Potential is Measured بواسطة أقطاب مرجعية قياسية Reference Electrodes:
1. Copper-copper(II) sulfate electrodes are used for structures in contact with soil or fresh water.

2. Silver chloride electrodes are suitable for seawater applications (compatible electrolyte).



مشغلي خطوط الأنابيب بـ Instant-OFF structure to soil potential of
between -0.95 and -1.13V with respect to a copper - copper sulfate
reference electrode والتي تعرف كذلك بخلية كبريتات النحاس (also known
as a Cu2SO4 reference cell) , وهذا التطبيق يزيل الاختلاف المحتمل لفرق
الجهد لمسارات التيار في التربة, فقياسات فرق الجهد بين التربة والأنبوب
يكون من خلال تقطيع تيار Interrupted Current الحماية لفترة نصف ثانية وهذا
أفضل تقريب استقطاب وقائي للاستقطاب بين سطح الأنبوب المحمي والاتصال
بالتربة.
تكون المعيارية عند استخدام أقطاب
أنودات التضحية -0.95 to -3V استنادا إلى خلية سلفات نحاس / نحاس 2
المعيارية Copper-Copper(II) Sulfate Reference Electrode, لأن أقطاب
أنودات التضحية تكون قريبة بما فيه الكفاية للأنبوب المطلوب حمايته و
لاعتبار هبوط الجهد IR خلال التربة يكون قليل جدا ويمكن إهماله.


المصدر ملتقى المهندسين العرب 4 . وحدة محولة / مقومة Transformer Rectifier Unit تربط أو يمكن أن تكون ذات مصادر للطاقة الكهربائية غير تقليدية Special DC - Power Sources 5. نقاط الفحص والعزل للحماية الكاثودية CP Test Posts and CP Isolation 6. اعتبارات تصميمية أخرى Other Design Considerations 7. معايير القبول والمقاييس Measurements and Acceptance Criteria تقاس يوصي

رحم الله والديكم

بارك الله فيك اخي
شكرا لك