مقدمه:

اولین بار در سال 1824 میلادی هامفری دیوی در شهر لندن، حفاظت کاتدی را برای حفاظت ورقه ی مسی استفاده شده جهت روکش کاری فلزی بدنه ی کشتی ها مورد استفاده قرار دارد.

دیوی متوجه شد که می تواند مس را در آب دریا به وسیله ی اتصال مقادیر کوچکی از آهن یا روی حفظ نماید. واکنش شیمیایی که بین آهن و مس انجام می شد، از سرعت خورده شدن فلز مس می کاست و به این روش فلز مس مورد حفاظت از خوردگی قرار گرفت. این دانشمند به منظور جلوگیری از خوردگی کشتی ها پیشنهاد نمود که قطعاتی آهنی به عنوان آند فدا شونده به بدنه ی مسی کشتی ها نصب شود. به طوری که نسبت سطحی آهن به مس 1 به 100 باشد.

همان گونه که در مباحث قبل اشاره شد، در فرآیند خوردگی، فلز با از دست دادن الکترون، تبدیل به یون فلزی شده و به این طریق دچار خوردگی می گردد.

در روش حفاظت کاتدی با اعمال یک جریان الکتریکی مستقیم به فلز و یا با تماس آن با یک آند فدا شونده، سرعت خوردگی کاهش یافته و در این حالت روی سطح فلز که هم مناطق کاتدی و هم آندی وجود دارد، مناطق آندی تبدیل به کاتد شده و در نتیجه سیستم یا تجهیزات مورد نظر به طور کامل کاتدی می شوند. روش حفاظت کاتدی مربوط به جریان خارجی است که در نتیجه آن عناصر کاتدی پیل های موضعی به پتانسیل مدار باز آند پلاریزه می شوند، یعنی در این حالت تمام سطح فلز هم پتانسیل شده (پتانسیل های آند و کاتد با هم برابر می شوند) و جریان های خوردگی متوقف می گردند.

یا به عبارت دیگر حفاظت کاتدی به این معناست که قطعه مورد نظر را در وضعیت کاتد از یک پیل الکتروشیمیایی قرار می دهند و سپس پتانسیل فلز را به سمت مقادیر منفی تر، به گونه ای جابه جا می کند که پتانسیل اعمال شده از مقدار پتانسیل خوردگی فلز در محیط آبی، منفی تر باشد. به این روش از انحلال فلز جلوگیری می شود.

یکی از روش های جلوگیری از خوردگی، اعمال پوشش بر روی قطعات و تجهیزات صنعتی می باشد. اگر پوشش ها (تبدیلی، فلزی، آلی و معدنی) دائمی بودند و هنگام نصب یا حین کار آسیب نمی دیدند لوله های فلزی هرگز خورده نمی شدند. پیدایش عیوب در لایه های محافظ با وجود سوراخ ها، حتی اگر اتفاقی باشد ما را ملزم می کند که حفاظت نوع دومی را هم برای فلزات مدفون در خاک در نظر بگیریم. روش حفاظت کاتدی را می توان به تنهایی استفاده نمود، ولی این روش به مقدار زیادی جریان نیاز دارد. بنابراین برای حفاظت از خوردگی یک قطعه، بهتر است ابتدا قطعه را پوشش مناسب داده سپس به وسیله ی حفاظت کاتدی آن را تقویت نماییم. یک حفاظت مناسب از سازه های مدفون در خاک ترکیبی از پوشش و حفاظت کاتدی به صورت زیر است:

80 درصد پوشش ها + 20 درصد حفاظت کاتدی = حفاظت مناسب

حفاظت کاتدی از هر دو نوع خوردگی یکنواخت و خوردگی موضعی (نظیر خوردگی حفره ای، خوردگی بین دانه ای و خوردگی جدایش انتخابی) ممانعت می کند. جهت کاهش ترک خوردگی تنشی (SCC) می توان از حفاظت کاتدی استفاده نمود. البته ترک دار شدن در اثر نفوذ هیدروژن (HIC) را نمی توان به کمک این روش متوقف ساخت. همچنین به کمک حفاظت کاتدی می توان خوردگی خستگی را نیز کاهش داد.

با اعمال حفاظت کاتدی نمی توان از خوردگی در قسمت های بالایی مخزن که در تماس با آب نیستند، جلوگیری نمود. زیرا جریان اعمال شده نمی تواند در مناطقی از فلز که در تماس با الکترولیت نیست وارد شود (مانند سطح داخلی لوله ها) که در این صورت بایستی آندهای کمکی داخل لوله ها کار گذاشته شوند و یا از بازدارنده های خوردگی استفاده شود.

مهم ترین کاربرد حفاظت کاتدی، حفاظت از سازه های فولادی مدفون در خاک یا غوطه ور در آب است که آب یا خاک نقش الکترولیت را دارند. با استفاده از این روش می توان سطوح خارجی خطوط لوله، بدنه ی کشتی ها، اسکله ها، سکوهای موجود در آب دریا و فولاد تعبیه شده در بتن، را از خوردگی محافظت نمود.

اصول حفاظت کاتدی

اگر به واکنش های مربوط به خوردگی فلزی مانند M در یک محیط اسیدی دقت شود، دیده می شود که در واکنش آندی (انحلال فلز)، با دادن الکترون به سیستم می توان واکنش انحلال را متوقف کرد.

واکنش آندی          M→M2++2e

واکنش کاتدی         2H++2e→H2

خوردگی در محلول های آبی از طریق یک فرآیند الکتروشیمیایی صورت می گیرد و واکنش های الکتروشیمیایی آندی و کاتدی به طور هم زمان اتفاق می افتد. با توجه به این که سرعت واکنش آندی و کاتدی با هم برابر است، هیچ باری بر روی شبکه ی فلز انباشته نمی گردد.

با گرفتن الکترون از قطعه فلزی، سرعت واکنش آندی افزایش یافته و حل شدن فلز بیش تر خواهد شد، در حالی که سرعت واکنش کاتدی کاهش می یابد. البته عکس این عمل نیز صادق است. یعنی اگر الکترون اضافی را از یک منبع خارجی به  قطعه فلزی انتقال دهیم در این حالت، سرعت واکنش آندی کاسته و سرعت واکنش کاتدی افزوده می شود.

برای جلوگیری از خوردگی، انتقال مداوم الکترون از یک منبع تغذیه ی خارجی سبب کاتدی شدن فلز در حال خوردگی شده و فلز محافظت می شود. اصل بالا را می توان با رسم پتانسیل فلز بر حسب لگاریتم سرعت واکنش های آندی و کاتدی نشان داد.

لازمه ی انجام واکنش های مربوط به خوردگی، وجود مناطق آندی و کاتدی است. اگر الکترون های سازه از یک منبع خارجی تامین شوند، میزان حرکت یون های مثبت از سطح فلز کاهش و سرعت واکنش کاتدی افزایش می یابد. و اگر پتانسیل فلز با اعمال الکترون های خارجی از مقدار پتانسیل خوردگی فلز در حالت طبیعی، به مقدار پتانسیل حفاظتی فلز پس از اعمال حفاظت کاتدی کاهش یابد، در نتیجه جریان آندی و عمل خوردگی متوقف شده و حفاظت کاتدی اتفاق می افتد. این منبع یک منبع ولتاژ برق مستقیم یا یک آند فلزی (آند فدا شونده) است.

نکته: در تردی هیدروژنی چون واکنش خودش کاتدی است، در صورت اعمال حفاظت کاتدی خوردگی کاهش نیافته بلکه افزایش می یابد ولی در خوردگی تنشی چون خوردگی حاصل از انحلال فلز است، می توانیم حفاظت کاتدی را انجام دهیم.

روش های اعمال حفاظت کاتدی

حفاظت کاتدی به دو روش انجام پذیر است:

1. روش جریان اعمالی
2. روش آندهای فدا شونده

روش جریان اعمالی

برای مثال جهت حفاظت لوله های فولادی مدفون در خاک این لوله ها را به یک دستگاه مولد جریان مستقیم وصل می کنیم و سپس جریان الکتریکی از طریق یک الکترود کمکی خنثی که در زیر خاک قرار دارد، به لوله انتقال می یابد. در این حالت کل لوله ی اصلی کاتد و الکترود کمکی، آند می شود.

به عبارت دیگر به تمام سطح لوله، الکترون های کافی برای احیای یون های Fe2+ رسانده می شود، در نتیجه هیچ ناحیه ی آندی روی لوله تشکیل نخواهد شد.

در سیستم های حفاظت کاتدی مورد اشاره، از موادی مانند، آهن قراضه، مگنتیت، گرانیت، آهن پر سلیس، آلیاژهای سرب و پلاتین به عنوان الکترود کمکی استفاده می شود.

آند های پر مصرف در روش جریان اعمالی به شرح زیر هستند:

آند DSA

آند چدن پر سیلیس (سیلیکون)

آند آلیاژ دوریکلر

آند چدن پر سیلیس کروم دار

آند پلاتینیوم

آند چدن پر سیلیس مولیبدن دار

آند گرافیتی

اکسیدهای تانتال

نکته1: آندهای DSA به علت عمر زیاد و راندمان بالا بسیار گران قیمت هستند.

نکته2: امروزه از آندهای پر سیلیس به دلیل آلودگی های زیست محیطی استفاده نمی شود.

در سیستم حفاظت کاتدی به روش جریان اعمالی، کلیه ی سیستم های ارتباطی دارای عایق الکتریکی بوده و حتی محل اتصال آن ها به الکترود کمکی یا لوله ی مورد حفاظت، کاملا عایق شده است.

معمولا آند به وسیله پشت بند، که شامل پودر کک، گچ یا بنتونیت می باشد پوشیده می شود تا جریان الکتریکی بین زمین و آند آسان تر برقرار گردد. جریان الکتریکی از زمین (الکترولیت) وارد لوله شده و سبب کاهش خوردگی آن می گردد.

روش آندهای فدا شونده

برای درک بهتر چگونگی عملکرد آندهای فدا شونده برای حفاظت کاتدی، ابتدا سری های گالوانیکی فلزات را یادآور می شویم. سری های گالوانیکی برای تعداد محدودی از فلزات منتخب در آب دریا در جدول زیر نشان داده شده است.

با استفاده از فلزاتی که ولتاژ آن ها منفی تر از ولتاژ فلز مورد نظر جهت حفاظت کاتدی است، می توان بدون استفاده از دستگاه مولد جریان مستقیم، سازه های مورد نظر را در آب دریا مورد حفاظت قرار داد.

ایجاد جریان های حفاظتی از طریق تشکیل یک پیل گالوانیک و استفاده از فلزی آندی تر نسبت به تجهیزات در معرض خوردگی، باعث می گردد که فلز مذکور آند و تجهیزات کاتد گردند. در این روش فلز آند مصرف می شود و به همین دلیل به این آند، آند فدا شونده گفته می شود. زیرا با قربانی کردن خود، سبب حفاظت از فلز دیگر (کاتد) می گردد.

در انتخاب آند مصرفی باید دقت نمود، زیرا این آند باید نسبت به فلزی که قرار است حفاظت شود فعال تر باشد تا با خورده شدن آن، جریان لازم برای حفاظت فلز دیگر را تامین نماید. معمولا بیش تر، از سه فلز روی، آلومینیوم و منیزیم به عنوان آند فدا شونده استفاده می شود. با توجه به مقاومت الکتریکی محیطی که در آن قرار است عمل حفاظت انجام پذیرد، از هر کدام از این آندهای مصرفی با اندازه و وزن های مختلف استفاده می گردد. گاه برای حفاظت از لوله ی مدفون در خاک، استفاده از چندین آند مصرفی ضروری به نظر می رسد.

نکته: در حفاظت کاتدی به روش جریان اعمالی، آند قطب مثبت ولی در حفاظت کاتدی از نوع آندهای فدا شونده، آند قطب منفی است.