اهمیت صنایع نفت و گاز در جهان:

نفت و گاز و مشتقات آنها از منابع ضروری در تامین انرژی مورد نیاز بشر می باشد. به نوعی زنجیره‌ی استفاده از نفت و گاز و تولید انرژی، تمام زندگی ما را وابسته به این صنعت نموده است. به منظور بهره برداری از این منابع عظیم و حیاتی و انتقال آنها در فواصل طولانی نیازمند استفاده از خطوط لوله غوطه ور در آب دریا و یا زیر سطح زمین و حتی در کف اقیانوسها می باشد. مشکلات خوردگی و پیامدهای فاجعه بار روی خطوط لوله اغلب به دلیل شرایط محیطی ایجاد می شود. خوردگی در خط لوله زیرزمینی گاز طبیعی و نفت مایع اشکال مختلفی دارد و برای مدیریت و تشخیص خوردگی به استراتژی‌های خاصی نیاز دارد. یکی از این روشها، استفاده از آندهای فداشونده روی در سیستم حفاظت کاتدی می باشد.

در صنایع نفت و پتروشیمی حفاظت طولانی مدت از سکوهای نفتی دریایی، خطوط لوله سوخت و چاههای نفتی بسیار حائز اهمیت است. آسیبهای ناشی از خوردگی این سیستمها اثرات جبران ناپذیر و ویرانگری خواهد داشت. با بکارگیری آندهای فداشونده روی، ضمن حفاظت از محیط زیست می توان سوخت و انرژی مورد نیاز جهان را تامین نمود.

نقش آند فداشونده روی در حفاظت از سازه های نفتی و گازی:

خوردگی یک تهدید جدی برای مراکز فرآوری نفت جهت استخراج مشتقات نفتی به شمار می‌آید، دستگاه‌ها و تجهیزات فلزی مانند مخازن ذخیره‌سازی نفت، خطوط لوله، جداکننده‌ها وکلیه سازه‌های فلزی در معرض این آسیب قرار دارند .

یکی از انواع رایج خوردگی در فلزات، خوردگی گالوانیکی می باشد که ناشی از وجود اختلاف پتانسیل در فلز می باشد. این اختلاف پتانسیل نیروی محرکه در سلول الکتروشیمیایی می باشد که منجر به تخریب تدریجی این سازه ها می باشد.  بنابراین به یک سیستم کنترل خوردگی موثر نیاز دارد. به منظور جلوگیری از خوردگی و حفظ یکپارچگی تجهیزات، موارد زیر باید اجرا شود:

• انتخاب مواد اولیه مناسب
• تغییر محیط
• کاربرد طراحی مناسب پوشش ها.
• حفاظت کاتدی
• طراحی مناسب

انتخاب بین موارد فوق معمولاً به ملاحظات اقتصادی بستگی دارد. با این حال، حفاظت کاتدی به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد و راه موثری برای کاهش و کنترل خوردگی واحدهای فرآوری میادین نفتی محسوب می شود.

با توجه به پایین بودن مقاومت الکتریکی در آب شور، آند فداشونده روی مناسب‌ترین و مقرون به صرفه ترین انتخاب جهت محافظت از سازه‌های به کار رفته در صنعت نفت و گاز می باشد. علاوه بر این، فلز روی دارای بالاترین ولتاژ الکتریکی منفی است و نسبت به فلزات دیگری همچون آلومینیوم و منیزیم، محافظت بهتری در برابر خوردگی ارائه می دهد.

شرکت کیمیاکاران کاوشگر کیهان کارون با بهره گیری از نیروهای متخصص یکی از بزرگترین تولیدکنندگان آند روی در اشکال متنوع و متناسب با نوع سازه و درخواست کارفرمایان  صنایع نفت و گاز می باشد.

رسوب زیستی یکی از مشکلات اصلی هر نوع کشتی در دریا است. رشد دریایی نظیر بارناکل و ماسل ها دلیل مشکلاتی نظیر کاهش کارایی کشتی، خوردگی و غیره بوده است. 

با توجه به اینکه حذف چنین رسوباتی با استفاده از ابزارهای مکانیکی همیشه امکان‌پذیر نیست، به همین دلیل در کشتی ها از انواع سیستم های جلوگیری از رشد دریایی در کنار رنگ های ضد رسوب استفاده می شود.

انواع اصلی اقدامات پیشگیرانه مورد استفاده در کشتی ها جهت جلوگیری از رشد خزه عبارتند از:

سیستم آنتی فولینگ دوگانه (Anti-Fouling Systems)

دوز شیمیایی (Chemical dosing)

سیستم اولتراسونیک (Ultrasonic system)

الکتروکلرینیشن (Electro-chlorination)

سیستم آنتی فولینگ دوگانه:

یکی از رایج ترین سیستم های مورد استفاده برای مبارزه با رسوب زیستی در کشتی ها بکارگیری آندهای ضدخزه دوگانه است.

این سیستم از جفت آند، عمدتاً مس و آلومینیوم (یا آهن) تشکیل شده است. آندها در سی چست کشتی یا صافی نصب می شوند. با عبور جریان DC از آندهای مسی یون‌هایی تولید میشوند که با آب دریا در کل شبکه لوله‌کشی حمل می‌شوند و مانع از نشستن و تکثیر موجودات دریایی در سطح لوله ها می شود. از آند دوم برای جلوگیری از خوردگی سطح فلز استفاده می شود و یک کنترل پنل، خروجی هر یک از آندها را اندازه گیری و نظارت می کند.

این سیستم همچنین از سوپاپ ها، کندانسورها، سیستم های خنک کننده موتور و تجهیزات جانبی محافظت می کند.

دوز شیمیایی

دوز شیمیایی نیز یک روش رایج است که برای جلوگیری از رشد دریایی در شبکه لوله کشی استفاده می شود.در این روش از مواد شیمیایی ضد رسوب مانند کلرید آهن در اطراف سازه استفاده می شود. این ماده شیمیایی لوله را با یک لایه آهنی محافظ می پوشاند تا از خوردگی جلوگیری کند.

سیستم اولتراسونیک:

این سیستم به عنوان یکی از موثرترین روش ها برای جلوگیری از رسوب زیستی شناخته می شود و کاهش رسوب زیستی تا ۸۰ درصد را نتیجه می دهد. طبق تحقیقات انجام شده، اولتراسونیک به دو شکل بر رسوب‌زدایی موثر است. امواج فرکانس بالا نه تنها زیستگاه را برای رشد خزه غیرقابل قبول می کند بلکه روی ارگانیسم های ۴-۵ میلی متری که قبلاً رسوب شده و به سیستم چسبیده اند نیز عمل می کند.

مزیت اصلی این سیستم غیر تهاجمی بودن و عدم تماس قطعه ای با آب دریا است. علاوه بر این، هیچ ماده سمی تولید نمی شود.

الکترو کلرینیشن :

 الکتروکلرین روشی است که در آن از کلر برای تولید هیپوکلریت سدیم برای جلوگیری از رسوب استفاده می شود.  تیتانیوم به عنوان ماده کاتد(کانداکتور بار) و تیتانیوم پوشش داده شده با ۱۰۰ میکرو اینچ به عنوان آند استفاده می شود. تیتانیوم یک عنصر الکتروشیمیایی خنثی در ولتاژهای مثبت کمتر از ۹ ولت است. ولتاژ آند/کاتد ۷ ولت نگه داشته می شود.

کلر در آندها همراه با عناصر دیگر تولید می شود و هیپرکلریت سدیم را تشکیل می دهد. مقدار زیادی گاز هیدروژن نیز تولید می شود که باید تخلیه گردد.

یکی از مهمترین پارامترهای طراحی سیستم های حفاظت کاتدی برای سازه های مدفون در خاک ، مقاومت خاک است. آزمایش مقاومت خاک یک عامل بسیار مهم جهت ارزیابی خوردگی محیط نسبت به سازه های مدفون است. همچنین بر انتخاب نوع ، مقدار و ساختارآند تأثیر فوق العاده ای دارد. به علاوه انتخاب نوع بکفیل در بسترهای آندی به میزان مقاومت خاک بستگی دارد. بنابراین، کسب اطلاعات دقیق از شرایط خاک در محیط مورد نظر توسط طراح سیستم حفاظت کاتدی بسیار اساسی می‌باشد. نداشتن داده های کافی در مورد مقاومت خاک می تواند طراحی سیستم حفاظت کاتدی (سیستم CP) را بی اثر کند و در طول راه‌اندازی منجر به هزینه های زیادی شود.

هنگام انجام آزمایش مقاومت خاک ، عوامل متعددی که بر مقاومت خاک تأثیر می گذارند از جمله ترکیب خاک ، میزان رطوبت ، pH ، غلظت یون کلرید و سولفات را می توان مورد ارزیابی قرار داد.

 در جدول زیر ارتباط بین مقاومت خاک و نرخ خوردگی ملاحظه می‌شود‌:

از آنجا که روشهای آزمایشگاهی برای تعیین مقاومت خاک معمولا پرهزینه و زمان بر است، از اندازه گیری های الکتریکی در همان محل استفاده می کنند. اندازه گیری های الکتریکی ارزان ، سریع ، قابل اعتماد و غیر مخرب هستند.

روش چهار پین ونر

در حالی که روش های مختلفی برای اندازه گیری مقاومت خاک وجود دارد ، متداول ترین روش آزمایش روش چهار پین ونر بر اساس استاندارد ASTM G57 است. این آزمایش از چهار پراب فلزی استفاده می کند که به فاصله یکسانی از یکدیگر داخل زمین قرار داده می‌شوند.

 همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است پین های ابتدایی و انتهایی به منبع جریان (I) و پین های داخلی به ولت متر (V) متصل می‌شوند.

هنگامی که یک جریان معین از طریق پین های بیرونی در خاک تزریق می شود ، می توان از پین‌های داخلی برای اندازه‌گیری افت ولتاژ ناشی از مقاومت خاک هنگام عبور جریان در مسیر بین پین ها استفاده کرد. سپس مقدار مقاومت R را می توان به مقدار مقاومت خاک با فرمول زیر تبدیل کرد:

ρ = 2 × π × a × R

که در آن “a” فاصله پین ها به سانتی متر است. مقدار ρ بدست آمده نشان دهنده متوسط مقاومت خاک در عمقی معادل فاصله پین ها است. بنابراین اگر پین‌ها ۱.۵متر از هم فاصله داشته باشند ، مقدار بدست آمده معادل مقاومت متوسط خاک در عمق ۱.۵متر است.

برای طراحی سیستم حفاظت کاتدی ، معمولاً  اندازه گیری مقاومت خاک با استفاده از این روش با فاصله‌های مختلف پین‌ها انجام می شود. برای قرار دادن آند در اعماق سطحی ، معمولاً کافی است که خوانش در ارتفاع ۱.۵متر ، ۳ متر ، ۴.۵ متر و۶ متر انجام شود. هنگامی که از آند در اعماق بیشتر استفاده می‌شود نیاز است که اندازه‌گیری مقاومت خاک در اعماق بیشتر مطابق با عمق پیش بینی شده انجام شود.

توجه به این نکته ضروری است که مقادیر مقاومت خاک حاصل از آزمایش چهار پین ونر نشان دهنده میانگین مقاومت خاک از سطح زمین تا عمق مورد نظر است.

آزمایش عملکرد سیستم حفاظت کاتدی چه ضرورتی دارد؟

سیستم های لوله کشی زیرزمینی و مخازن پروپان بدون نگهداری مناسب دچار خوردگی شدید می‌شوند. مانند هر چیزی که در تمام ساعات روز کاری را انجام می دهد ، اجزای مختلف سیستم حفاظت کاتدی به طور پیوسته به کار گرفته می‌شوند.  بنابراین به منظور جلوگیری از خوردگی ساختار زیرزمینی باید اطمینان حاصل شود که همه عناصر سیستم حفاظت کاتدی فعال هستند. انجام آزمایش های معمول جهت اطمینان از عملکرد صحیح سیستم حفاظت کاتدی و بررسی های تعمیر و نگهداری، سازه های زیرزمینی را از خطر خوردگی محافظت می کند.

آزمایش سیستم نسبتاً ساده است و تجهیزات خاصی برای انجام آزمایش لازم است. در هر سیستم حفاظت کاتدی تست باکس هایی نصب می‌شود تا بررسی سیستم را تسهیل کند. مشکلاتی که به احتمال زیاد در یک سیستم رخ می دهد ، خراب شدن سیم ، اتصالات نامناسب سیم یا جوش خراب و یا اتمام طول عمر آند است. آندهای فداشونده با تامین جریان مورد نیاز سازه جهت حفاظت، به مرور خورده شده و از کار می افتند. ضروری است با انجام آزمایشات دوره ای از فعال بودن آند مطمئن شده و در صورت از کار افتادن آندها اقدام به تعویض آنها نمود.

در مواردی که از سیستم تزریق جریان جهت حفاظت استفاده می شود، تعمیر و نگهداری منبع تغذیه حائز اهمیت است.

هر چند وقت یکبار باید سیستم حفاظت کاتدی را بررسی نمود؟

سیستم های حفاظت کاتدی باید حداقل هر دو تا چهار سال یکبار بررسی شوند تا از عملکرد آنها اطمینان حاصل شود. اطمینان از سلامت مطلوب آند در حفاظت از طول عمر سیستم حفاظت کاتدی زیرزمینی بسیار مهم است.

چهار آزمایشی که معمولاً برای بررسی عملکرد سیستم استفاده می شود عبارتند از:

• پتانسیل ولتاژ خاک به لوله

هافسل مس/ سولفات مس نیمی از سلول باتری است که وقتی در تماس با زمین قرار گیرد و از طریق ولت متر به فلز در تماس با زمین متصل شود ، ولتاژ نسبی فلز به خاک ایجاد می کند. ولتاژ قرائت شده برای یک لوله فلزی تحت حافظت باید ۰.۸۵ ولت یا بیشتر باشد. اندازه گیری کمتر از ۰.۸۰ به این معنی است که احتمالاً لوله در حال خوردگی است.

• آزمایش پیوستگی لوله

 لوله باید از شروع تا آخرین نقطه اتصال مانند یک سیم بزرگ دفن شده عمل کند به طوری که جریان ایجاد شده توسط آندها  در طول کل لوله جریان داشته و از آن محافظت کند. مطمئن شوید که ولت‌ متر شما روی OHMS تنظیم شده است. دو سرولت متر خود را به آندهای جداگانه وصل کنید. مدار ایجاد شده کل سیستم لوله کشی زیرزمینی شما را آزمایش می کند و (۱) تأیید می کند که لوله جریان مستمر موفقیت آمیزی دارد و (۲) نشان می دهد که سیم های بین جعبه آزمایش و لوله خراب شده اند یا اتصال بدی به لوله دارند.

• آزمایش خروجی ولتاژ آند

با استفاده از هافسل مس/ سولفات مس، ولتاژ آند اندازه گیری می‌شود. محدوده اندازه گیری معمولی بین ۱.۴-۱.۶ ولت است. محدوده ۰ -۰.۳ نشان دهنده خرابی سیم یا اتصال بین جعبه تست مبدا و آند است.

• اندازه گیری جریان خروجی از آند به لوله

ولت متر خود را روی خوانش میلی آمپر تنظیم کنید و اتصالی بین لوله و آند ایجاد نمایید. میزان جریان قرائت شده ممکن است از5ma (0.005آمپر) تا 300ma (0.3 آمپر) متغیر باشد. مراقب جریانهای بزرگتر از جریان طراحی باشید. در صورت عدم توجه ، عمر آند کوتاه می شود. اگر اندازه گیری ها بیش از ۱.۳ برابر جریان طراحی باشد ، باید مقاومت هایی ایجاد شود تا طول عمر آندها افزایش یابد. این کار با قراردادن سیمی با مقاومت بالا در بین اتصالات داخل تست باکس انجام می‌شود.

انواع پشت بند یا بکفیل

نوع بکفیل مورد استفاده در سیستم حفاظت کاتدی در بسترهای زمینی، بستگی به نوع سیستم حفاظت کاتدی  به کار گرفته شده دارد. با توجه به اینکه سیستم حفاظت کاتدی در دو نوع سیستم آندهای فداشونده و سیستم آندهای تزریق جریان وجود دارد، لذا از دو نوع مواد بکفیل نیز استفاده می‌شود.

سیستم آندهای فداشونده

آندهای فداشونده روی و منیزیم که جهت حفاظت کاتدی سازه های مدفون در خاک استفاده می‌شوند، گاهی اوقات به همراه یک ماده پشت بند در داخل یک کیسه کتانی بسته‌بندی می‌شوند. این مواد با جلوگیری از تماس مستقیم آند با خاک، خوردگی موضعی آند را کاهش می‌دهد. همچنین از پسیو شدن آند در اثر واکنش با نمک های موجود در خاک جلوگیری می‌کند. بکفیل به کار برده شده با ایجاد محیطی با مقاومت پایین در اطراف آند، عملکرد آند را بهبود می‌بخشد. این مواد عموما ترکیبی از سه نوع ماده‌ی گچ گیپسوم، بنتونیت و سولفات سدیم می‌باشد و درصد ترکیبات آنها بستگی به محیط مورد استفاده دارد.

 در جدول زیر انواع بکفیل بر اساس استاندارد IPS-M-TP 750 را ملاحظه می‌نمایید:

سیستم تزریق جریان

آندهای تزریق جریان برای حفاظت کاتدی سازه‌های زیرزمینی معمولا توسط یک پشت‌بند کربنی احاطه می‌شوند. هدف از به کارگیری این پشت‌بند این است که:

1.  با کاهش مقاومت محیط اطراف آند، منجر به افزایش مقدار جریان تولید شده توسط آند گردد.
2.  با افزایش سطح آند، مقدار جریان را افزایش دهد.
3. نرخ خوردگی آند را کاهش و در نتیجه طول عمر آند را افزایش دهد.

پشت بند کربنی بر اساس استاندارد IPS-M-TP 750  در سه نوع کک متالورژی ۸۰%، کک پترولیوم ۹۰% و کک پترولیوم ویژه ۹۵% وجود دارد.

ترکیب شیمیایی این سه نوع پشت‌بند در جدول زیر مشخص شده است:

ذغال کک در حالت کلی در بسترهای افقی کم عمق مورد استفاده قرار می گیرد. برای به کار گیری در چاههای عمیق از کک پترولیوم یا پترولیوم ویژه استفاده می‌شود.