الحماية الكاثودية هي إجراء يتم اتباعه لحماية الهياكل المعدنية الحديدية والأنابيب من التآكل جراء تعرض سطوحها إلى تماس مع التربة اومع الماء.

تتآكل السطوح الحديدية للهياكل المعدنية والانابيب والمعدات الحديدية عموما عند تماس سطوحها بالتربة اوالماء نتيجة لحدوث تفاعلات كيمياوية مصحوبة بسريان الالكترونات (اي سريان للتيار الكهربائي) لذا يمكن القول بأن عملية التآكل هي عملية كهروكيمياوية تؤدي بالنتيجة إلى فقدان اجزاء من معدن الحديد وبالتالي تآكل السطح المعرض للتربة اوالماء اوحتى المعرض للجوالرطب حيث تتكون خلية كلفانية.

الخلية الكلفانية

لوقمنا بغمس قطبين من معدنين مختلفين مثل الزنك والنحاس مثلا في محلول موصل للكهرباء وربطنا بينهما بسلك فأنه يتولد عن ذلك تيار كهربائي يسري من الزنك إلى النحاس داخل المحلول ويكمل دورته خلال السلك الواصل بينهما. تعهد هذه الخلية الكهربائية باسم خلية كلفاني نسبة إلى مكتشفها العالم الإيطالي كلفاني. يسمى القطب الذي يخرج منه التيار إلى 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 لوبقيت 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) كيلوغرام إذا سرى منه أمبير واحد لمدة عام.

=كيف يحدث التآكل؟

ان المسبب الاساس للتآكل هوتكون خلايا للتآكل Corrosion Cells تنتج عن وجود فرق جهد كهربائي بين المناطق المتنوعة للسطح المعدني. ان تكون هذا الفرق بالجهد يمكن ان يحدث لعدة اسباب منها: _ أختلاف خواص المعدن في مناطق مختلفة من الهيكل المعدني اوخطوط الانابيب مثلا. - أختلاف خواص وتجانس التربة التي هي في تماس مع الهيكل المعدني وهذا يظهر بوضوح في حالة خطوط الانابيب ذات المسارات الطويلة. - أختلاف نسبة وجود الاكسجين في أماكن مختلفة من التربة وهذا يظهر في معابر الطرق والشوارع لخطوط الانابيب مقارنة بمسار الانبوب خارجها.

وصف عملية التآكل

• يكون سريان الالكترونات من المنطقة الكاثودية Cathodic Area إلى المنطقة الانودية Anodic Area من خلال التربة اوالماء الحيط بالهيكل المعدني, ان اتجاه التيار الكهربائيقد يكون من المنطقة الانودية إلى المنطقة الكاثودية خلال التربة اوالمحيط المائي (المحلول).
• الالكترونات التي تتولد نتيجة فقدان ذرات الحديد للاكترنات وتحويلها إلى ايون الحديد الموجب.
• تتحد ايونات الحديد مع ايونات OH لينتج Ferric Hydroxide Fe(OH)3 وهوالصدأ الاعتيادي Rust.
• الاللكترونات الواصلة عبر المعدن إلى الكاثود تتحد مع آيونات الهيدروجين الذي يتحرر عند الكاثود.

يلاحظ ان الحديد يتم فقدانه من سطح الانود حيث يتحول باستمرار إلى صدأ بينما ولايحدث ذلك على سطح الكاثود.

كيف يمنع التآكل

يمكن منع حدوث التآكل ان جعلنا سطح العدن بكامله كاثودآ بالنسبة لمحيطه ومن هنا اتىت تسمية الحماية الكاثودية.

طرق مكافحة التآكل

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

• استخدام التغليف الجيد وتضم الصبغ وهوتعبير عن عازل كهربائي يفصل بين المعدن والبيئة من حوله، من الخصائص الأساسية التي يجب حتى تتوفر في التغليف الجيد هوحتىقد يكون متواصلا وذومقاومية عالية وجيد الالتصاق بالمعدن ولا يتأثر بالحرارة وأن تبلغ نفاذيته إلى الدرجة التي لا تسمح بعبور الرطوبة من خلاله. وقد يحدث على شكل أشرطة لاصقة أوبي في سي ملبس في المصنع وتتميز بفاعلية عالية.
• استخدام مانع للتفاعل الكيمياوي (Inhibitor) وهي مادة كيمياوية تضاف إلى السوائل فتمنع التآكل على جدار الوعاء الذي يحتويها لأنها تحول دون حدوث التفاعلات الكيمياوية عند الأنود أوالكاثود أوكليهما وتوقف بالتالي مفعول خلايا التآكل كما أنها تهجر طبقة خفيفة عازلة على جدار الوعاء. يضاف مانع التفاعل الكيمياوي إلى السوائل بهجريز معين دوريا ويمكن استعمال هذا الأسلوب في آبار الحفر والمراجل ومنظومات المياه.
• استخدام مواد مقاومة للتآكل يعني ذلك اختيار المادة التي تقاوم التآكل في بيئة معينة على حتى تكون ملائمة للظروف التشغيلية ومن المواد التي تستعمل لهذا الغرض هي الكروم والنيكل ووالرصاص والقصدير والبلاستك والمطاط والسيراميك والكونكريت والألياف الزجاجية.
• معالجة المحيط (Environment Treatment) يقصد بهذا إحداث تغيرات في هجريب المحيط الملاصق للمعادن تمنع أوتقلل من التآكل عليها. حتى التميز بين مانع التفاعل ومعالجة 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 هوالتخلص من الأوكسجين والرطوبة والأملاح المذابة والتحكم في درجة هجريز أيونات الهيدروجين.
• اعتماد التصميم الجيد وهوما يتحاشى أويقلل من احتمال حدوث خلايا تآكل ويسهل تطبيق وسائل مكافحة التآكل على المنشئات أوالكشف عليها. من الأمور التي يجب الحرص عليها تجنب الاتصال المباشر بين معدنين مختلفين وعدم وجود مصائد لتجمع الماء أوالغازات أوالهواء والتقليل ما أمكن من وجود الأجزاء المضغوطة.
• استخدام الحماية الكاثودية حيث حتى التآكل في المعادن يقع في المنطقة الأنودية نتيجة تفريغ التيار الكهربائي منها إلى البيئة من حولها مع بقاء المنطقة الكاثودية سليمة وخالية من التآكل. من الواضح أذن حتى 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 حتى يفرغه إليها ومن هنا اتى اصطلاح الحماية الكاثودية.

منظومات الحماية الكاثودية

يمكن تصنيف منظومات الحماية الكاثودية من حيث اسلوب عملها إلى نوعين رئيسين:

أ‌- منظومات الحماية باستخدام أقطاب التضحية Sacrificial Anodes يعتمد هذا الأسلوب على الفعالية الكلفانية Galvanic Action بين المعدن المراد حمايته وأقطاب التضحية المستخدمة, حيث تستخدم أقطاب تضحية من معادن تأتي في مقدمة السلسلة الكهروكيميائية مقارنة بالمعدن المراد حمايته أي أنها ذات جهد طبيعي أكثر سلبا More Negative مقارنة بجهد المعدن المراد حمايته عملى سبيل المثال يمكن حماية الحديد باستخدام أي من المغنيسيوم Mg أوالألمنيوم Al أوالزنك Zn. تجدر الإشارة هنا إلى حتى الحديد Fe واستناد إلى نفس المبدأ يفترض أن يتعرض إلى التآكل في حالة ربطه إلى النحاس بدون استخدام منظومة حماية كاثودية كما هوالحال عند استخدام شبكات الاتصال الأرضي من النحاس. يستخدم هذا النوع من المنظومات في حالة الحاجة لحماية جيدة لأنابيب ذات مساحة سطحية محدودة أولغرض الحماية من تأثيرات التداخل عند وجود هياكل معدنية قريبة من السطوح المراد حمايتها, أوفي حالة توفر مصدر للطاقة الكهربائية, أوفي حالة الحماية الوقتية خلال فترة التشييد, وكذلك في بعض حالات حماية الأسطح الداخلية للخزانات والأوعية, إلا حتى من سلبيات هذا الأسلوب من الحماية هومحدودية عمرها التشغيلي مما يحتاج استبدال الأقطاب في فترات متقاربة أضافه إلى صعوبة السيطرة على مستوى الحماية.

ب‌- منظومات الحماية باستخدام التيار القسري Impressed Current تأتي التسمية من كون تيار الحماية مسلط من مصدر خارجي وتتكون المنظومة عادة من الأجزاء التالية: - مصدر تيار مستمر Dc Source - أقطاب تضحية (أنودات) - كابلات وأسلاك للربط مع ملحقاتها

يستخدم عادة مصدر تيار مستمر من نوع محولة/معدلة Transformer/Rectifier عند توفر مصدر قريب للتغذية بالطاقة الكهربائية وهوالمفضل لهذا الأسلوب من الحماية لاسباب تشغيلية واقتصادية, وفي حالة عدم توفر ذلك يمكن استعمال مولدات كهرباء حرارية Thermo generators عند توفر غاز كوقود لتشغيلها أواستخدام منظومات تعمل بالطاقة الشمسية Solar Powered Systems كما يمكن استعمال مولدات تعمل بطاقة الرياح أواستخدام مولدات كهربائية (ديزل). أما أقطاب التضحية فهي عادة تكون من حديد – سليكون FeSi أوالكرافايت. يتطلب استخدام الحماية الكاثودية من النوع القسري في حالة الحاجة لحماية خطوط الأنابيب وقواعد الخزانات ذات الأسطح الكبيرة والتي تتطلب تيار حماية عالي ولفترات طويلة تمتد على مدى عمر المنشآت التي تعود إليها (20 سنة فأكثر). تتوفر في هذه المنظومات إمكانية السيطرة على الحماية ومراقبتها المستمرة.

اعتبارات تصميميه لمنظومة حماية

عند تصميم منظومة حماية كاثودية يحتاج الأخذ بنظر الاعتبار النقاط الرئيسية التالية: • نوع المنشأ والمعدن المطلوب حمايته. • المساحة السطحية للمنشأ المطلوب حمايته من التآكل. • نوع التغليف المستخدم في تغطية السطح المطلوب حمايته. • المقاومة النوعية للتربة أوالمحيط الذي يشكل وسط التآكل. العوامل أعلاه مجتمعة يفترض أن تؤدي للتوصل إلى نتائج أولية لتقديرات كثافة تيار الحماية المطلوب (أمبير/ متر2) وبالتالي إلى تقديرات التيار الكلية.

الحوض الأرضي لمنظومة الحماية من نوع ذات التيار القسري

تحوي الأحواض الأرضية على الانودات ومن الانودات الشائعة الاستخدام هي انودات حديد/سليكون FeSi والذي يبلغ معدل استهلاكه من 0.1 لغاية 0.5 كغم/أمبير/سنة وهناك كذلك انودات من نوع الجرافيت والتي يبلغ استهلاكها من 0.1 لغاية 2 كغم/أمبير/سنة. بعد تحديد كثافة التيار المطلوب لتوفير الحماية وبفهم المساحة السطحية للمعدن المراد حمايته وعمر المنظومة المفترض بالسنوات يمكن حساب الوزن الكلي للانودات التي يحتاج استخدامها وبالتالي احتساب أعدادها حسب وزن الأنود الواحد. تدفن الانودات عادة في مسحوق من الفحم الحجري لتقليل مقاومة التماس بين الانودات والتربة وبالتالي تقليل جهد الدائرة الكهربائية لدفع تيار الحماية وتقليل استهلاك الانودات. طريقة دفن الانودات تعتمد على طبيعة المنطقة والمقاومة النوعية للتربة, فأن كانت المقاومة النوعية واطئة ومستوى المياه عالي يمكن استعمال أحواض أرضية سطحية Shallow Ground Beds وتدفن الانودات أفقيا على أعماق قليلة 2-3 متر بينما يحتاج دفن الانودات عموديا على أعماق اكبر Vertical Ground Beds بهدف الوصول إلى طبقات التربة واطئة المقاومة. أما في المناطق ذات المقاومة النوعية المرتفعة جدا والتي تكون اكثر من 50 اوم.متر ولغرض الوصول إلى الطبقات السفلى ذات المقاومة النوعية الواطئة يحتاج الامر حفر أحواض أرضية عميقة Deep Wells حيث يمكن حتىقد يكون العمق 30 متر فاكثر. توصل الانودات بسلك كهربائي إلي مصدر الطاقة الكهربائية (مصدر التيار), بينما توصل كافة الانودات فيما بينها على التوازي.