حفاظت کاتدی را می توان با استفاده سنتی از آندهای فداشونده خیلی ساده به دست آورد. در این فرایند محافظت از قطعات فولادی از طریق حفاظت مکانیکی/الکتریکی با فلز یا آلیاژ فعال گالوانیکی صورت می گیرد. هنگامی که دو فلز مختلف به طور الکتریکی به یکدیگر متصل می شوند و در الکترولیتی مانند آب دریا غوطه ور می شوند، فلز فعال تر (آند) جریان مستقیم را تامین می کند و حل می شود (قربانی میشود)، بنابراین به طور موثر از عنصر دیگر (کاتد) محافظت می کند تا خورده نشود. این محصولات با وزن سبک و منبع جریان مستقیم بالا شناخته می شوند. آندهای فدا شونده همچنین ارزان هستند و در طول عمر خود به هیچ گونه تعمیر و نگهداری نیاز ندارند. این نوع حفاظت کاتدی نیازی به منبع برق خارجی ندارد. آن ها همچنین کاربردهای مختلفی در تمامی سازه های فولادی دارند.
انواع آند فداشونده از نظر آلیاژ کدام است؟
آلومینیوم، روی و منیزیم سه ماده اصلی هستند که در آند فداشونده مورد استفاده قرار می گیرند. خواص و کاربرد این مواد متفاوت می‌باشد. از آنجایی که عملکرد یک آند گالوانیکی به تفاوت در پتانسیل الکتریکی بین آند و کاتد متکی است عملاً از هر فلزی می توان برای محافظت از فلز دیگر استفاده کرد، مشروط بر اینکه اختلاف پتانسیل کافی وجود داشته باشد. برای مثال می توان از آندهای آهن برای محافظت از مس استفاده کرد.
آند فداشونده روی چیست؟
روی یک ماده قابل اعتماد در نظر گرفته می شود اما برای استفاده در دماهای بالا مناسب نیست زیرا تمایل به غیرفعال شدن دارد (لایه اکسید از اکسیداسیون بیشتر محافظت می کند). اگر این اتفاق بیفتد، جریان ممکن است از کار بیفتد و آند به درستی وارد واکنش نشود. آند فداشونده روی دارای ولتاژ محرکه نسبتاً پایینی است به این معنی که در خاک یا آب با مقاومت بالاتر ممکن است نتواند جریان کافی را تامین کند. با این حال، در برخی شرایط مانند جایی که خطر شکنندگی هیدروژن وجود دارد این ولتاژ پایین تر سودمند است زیرا از محافظت بیش از حد اجتناب می شود.
به طور سنتی، کشتی های با بدنه فایبرگلاس که در آب دریا کار می کنند از آندهای ساخته شده از آلیاژ روی استفاده می کنند.ظرفیت انرژی نسبی روی 368 آمپر ساعت بر پوند با ولتاژ منفی 1050 میلی ولت است. آندهای روی دارای یک نقص هستند؛ هنگامی که در آب شور یا شیرین استفاده می‌شوند مستعد ایجاد پوشش آهکی می‌باشند؛ ماده‌ای سفیدرنگ که اساساً آند روی را از واکنش بازمی دارند.
آند فداشونده منیزیم چیست؟
آند فداشونده منیزیم دارای بیشترین پتانسیل الکتریکی منفی در بین آندهای دیگر می‌باشد و برای مناطقی که مقاومت الکترولیت (خاک یا آب) بالاتر است مناسب تر بوده و بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. بنابراین معمولاً در خطوط لوله روی ساحل و سایر سازه‌های مدفون به کار می رود. اگرچه در محیط آب شیرین و در آبگرمکن های شهری نیز استفاده می شود. در برخی موارد، پتانسیل منفی منیزیم می تواند یک نقطه ضعف باشد. اگر پتانسیل فلز محافظت شده بیش از حد منفی شود. کاهش آب یا پروتون های حل شده ممکن است اتم‌های هیدروژن را در سطح کاتد ایجاد کند. این آندها فقط در آب شیرین کار می کنند. اگر قایق شما در آب شور کار می کند از آنها استفاده نکنید.
آند فداشونده آلومینیوم چیست؟
آندهای آلومینیومی دارای چندین مزیت از جمله وزن سبک تر و ظرفیت بسیار بالاتر نسبت به روی هستند. با این حال، رفتار الکتروشیمیایی آنها به اندازه روی قابل اعتماد نیست و باید در نحوه استفاده از آنها دقت بیشتری کرد. آندهای آلومینیوم در جایی که غلظت کلرید کمتر از 1446 قسمت در میلیون باشد غیرفعال می شوند. یکی از معایب آلومینیوم این است که اگر به سطح زنگ زده برخورد کند، ممکن است جرقه بزرگ ترمیت ایجاد کند. بنابراین استفاده از آن در مخازنی که ممکن است اتمسفر انفجاری وجود داشته باشد و خطر سقوط آند وجود دارد محدود می شود.
آندهای آلومینیومی، در برابر تهدید پوشش آهکی مصون هستند. بنابراین برای استفاده در آب دریا و همچنین آب شیرین مناسب هستند.. آنها یا بیشتر از آندهای روی هم وزن دوام می آورند یا همان حفاظت روی را در بسته های سبک تر ارائه می دهند. ظرفیت انرژی نسبی آنها 1108 آمپر ساعت بر پوند (به طور قابل توجهی بیشتر از روی) با ولتاژ منفی 1100 میلی ولت است. با کمال تعجب، آندهای آلومینیومی اغلب از آندهای روی گران‌تر نیستند. همچنین، از آنجایی که اکثر آندها فاقد کادمیوم هستند، آندهای آلومینیومی خطر کمتری برای محیط زیست دریایی دارند.
آند فداشونده چگونه عمل می کند؟
روشی که یک آند فداشونده کار می کند مانند روشی است که یک سلول الکتروشیمیایی کار می کند. آندهای فداشونده نوعی فلز محافظت شده دارند که در سمت کاتد قرار دارد که همان فلز هدف است. این قسمت دارای بار منفی دستگاه است. یک فلز یا آلیاژ واکنش پذیرتر در سمت آند یا سمت مثبت قرار دارد. توجه به این نکته مهم است که فلز یا آلیاژ سمت آند باید اختلاف پتانسیل بیشتری نسبت به فلز سمت کاتد داشته باشد.
هنگامی که این دو فلز در جای خود قرار گرفتند واکنش خود به خود رخ می دهد. به این واکنش اکسیداسیون گویند که در آند رخ خواهد داد. اکسیداسیون به این معنی است که ماده الکترون های خود را از دست می دهد. در حالی که این اتفاق می‌افتد، یک واکنش کاهش در سمت کاتد اتفاق می افتد. این بدان معنی است که این ماده الکترون به دست خواهد آورد. تولید هر دو واکنش اکسیداسیون و کاهش به طور همزمان به عنوان واکنش ردوکس شناخته می شود. اکسیداسیون در سمت آند باعث می شود که آن فلز قربانی خورده شود. واکنش کاهش در علامت کاتد از فرسایش فلز آن طرف جلوگیری می کند.
کاربرد آند فدا شونده چیست؟
کاربردهای مرسوم آند فدا شونده در حوزه محافظت از فلزات گستره وسیعی را شامل میشود که در ادامه به تعدادی از آنها اشاره خواهد شد:
آند فداشونده برای مخازن سوختی
آندهای فداشونده می تواند برای حفاظت کاتدی مخازن ذخیره استفاده شوند. به دلیل طول عمر محدود، حفاظت کاتدی مخازن با آندهای فداشونده معمولاً برای مخازن کوچکتر و به عنوان حفاظت موقت ترتیب داده می شود. حفاظت کاتدی مخازن ذخیره سازی زیرزمینی ممکن است با نصب آندهای منیزیم ترتیب داده شود. در این موارد آلیاژ منیزیم درجه بالا توصیه می شود. زیرا ولتاژ محرک بالاتری دارد که برای کاربردهای مدفون مورد نیاز است.
آندها در یک کیسه پنبه‌ای بسته‌بندی شده‌اند که توسط یک لایه شیمیایی مخصوص با محتوای کربن بالا احاطه شده است تا مقاومت آند به خاک پایین باشد. آن ها در فاصله معینی از مخزن نصب می شوند تا از توزیع جریان حفاظتی کافی اطمینان حاصل شود. هر آند ترجیحاً در داخل گنبد مخزن یا در جعبه اتصال جداگانه به مخزن وصل می شود تا بتوان خروجی جریان آند را کنترل کرد. تعداد آندهای مورد نیاز برای حفاظت به اندازه مخزن بستگی دارد. حفاظت کاتدی داخلی ممکن است به دلیل آب متراکم انباشته شده در کف مخزن مورد نیاز باشد. ترتیب حفاظت کاتدی با نصب زنجیره آند فداشونده، متشکل از چندین آند انجام می شود. سیم آند با پیچ و مهره یا جوش به مخزن متصل می شود.
آند فداشونده برای محافظت از سکوهای دریایی
سکوهای دریایی و جکت‌های فراساحلی به طور معمول به دلیل دور بودن از ساحل، احاطه کامل توسط آب دریا و بالا رفتن غلظت یون‌های خورنده، نسبت به اسکله ها بیشتر در معرض خوردگی هستند. بنابراین حفاظت کاتدی به کمک آند فداشونده برای سکوها معمولا به عنوان یک روش مستقل استفاده می شود. این روش به دلیل عدم نیاز به برق و سهولت نصب بسیار کاربردی است. در این موارد بیشتر از آندهای آلومینیوم یا روی استفاده می شود. آند فداشونده آلومینیوم به دلیل برخورداری از ظرفیت جریان بیشتر پرکاربردتر می باشد. این آندها از نوع پایه‌‌دار بوده و از طریق پایه‌ها با استفاده از جوش یا پیچ، قبل از نصب سازه در دریا، به آن متصل می گردند.
آند فداشونده برای جلوگیری از خوردگی آرماتور در بتن
سازه های بتن مسلح، مانند پل ها، می توانند در معرض محیط های کلرید تهاجمی قرار گیرند و اغلب شواهدی از خوردگی را پس از دوره های کوتاه مدت خدمات نشان می دهند. با توجه به افزایش ساخت و ساز و استفاده از سازه های بتن آرمه در صنایع، به مرور زمان اثرات کاهش مقاومت و تخریب بر روی این سازه ها ظاهر می شود. این پدیده با افزایش عمر سازه صدمات جبران ناپذیری را به همراه خواهد داشت. دوام بتن مسلح و دوام بتن آرمه به توانایی بتن در مقاومت در برابر عوامل جوی، حملات شیمیایی، سایش، فرسایش و هر فرآیندی که منجر به تخریب آن می شود اشاره دارد. بتن بادوام شکل و استحکام خود را در دوره بهره برداری، معمولاً طی چند دهه، تحت شرایط محیطی مطلوب حفظ می کند. یکی از روش هایی که در سازه های در حال ساخت به عنوان پیشگیری از خوردگی به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد، روشی مقرون به صرفه با راندمان و اطمینان بالا به نام حفاظت کاتدی است.
حفاظت کاتدی بتن مسلح با دو روش آند فداشونده و جریان تحت تاثیر انجام می شود. در روش حفاظت کاتدی آند فداشونده، جریان الکتریکی با اختلاف پتانسیل طبیعی بین دو فلز مختلف، یعنی تقویت‌کننده فولادی (کاتد) و فلز فعال‌تر (آند) برقرار میشود.
آند فداشونده با کاربرد بدنه کشتی
برای جلوگیری از خوردگی دریایی و فراساحلی، حفاظت کاتدی استفاده می شود. بدنه کشتی بدنه ای است که در معرض آب قرار می گیرد. سازندگان کشتی برای محافظت از بدنه ها، تکه های روی را روی این بدنه قرار می دهند. اجزای روی مورد استفاده در کشتی ها “آندهای فدا شونده” نامیده می شوند. آندهای فداشونده به صورت الکتریکی به بدنه کشتی متصل می شوند. آنها از فلزاتی ساخته شده اند که واکنش پذیرتر از مواد مورد استفاده برای بدنه و سیستم های کشتی هستند. به این ترتیب، آنها از بدنه و سیستم های کشتی محافظت می کنند. روی به این دلیل استفاده می شود که ولتاژ بالاتری در آب دارد. بنابراین جریان بیشتر تمایل دارد که از آن عبور کند تا از پروانه. برای تکمیل مدار الکتریکی، اجزای روی به مواردی که برای محافظت در نظر گرفته شده است متصل می شوند.
آند فداشونده روی درست به شفت یا محفظه زیر آب پیچ می شود. قایق‌های غیر فلزی معمولاً دارای یک سیم اتصال مسی در داخل هستند که تمام اقلام فلزی زیر آب را به هم متصل می‌کند تا همه آنها از محافظت در برابر آندهای روی استفاده کنند. آندهای فداشونده روی همچنین برای سازه‌های زیر دریا، خطوط لوله، پایه‌های توربین بادی، ژنراتورهای موج و جزر و مد، دیوارهای اسکله و بندر، اسکله‌ها، دروازه‌های اسکله، مخازن ذخیره آب استفاده می‌شوند.
آند فداشونده با کاربرد خطوط لوله
حفاظت کاتدی خطوط لوله با آندهای فداشونده بیشتر به عنوان حفاظت موقت در طول دوره نصب استفاده می شود. آند فداشونده منیزیم می تواند برای محافظت از خطوط لوله مدفون استفاده شود. آنها معمولاً در جاهایی استفاده می شوند که مقاومت خاک نسبتاً کم باشد. از آنجایی که آندهای منیزیم تمایل بیشتری نسبت به سایر مواد آند به خود خوردگی دارند، طول عمر آنها محدود است. آندهای فداشونده معمولاً ممکن است برای خطوط لوله موجود به دلیل واشر لاستیکی میانی بدون تماس فلزی با سوکت لوله استفاده شوند. در این موارد یک آند به هر بخش لوله متصل می شود.
چه تست هایی در آند فداشونده مهم است؟
تست آزمایشگاهی دارای اعتبار ISO/IEC17025:2005 توسط A2lA (انجمن آمریکایی اعتباربخشی آزمایشگاهی) و تست آزمایشگاهی آندهای فداشونده برای اطمینان از اینکه محصول با بالاترین کیفیت ارائه می شود، مورد نیاز است. آزمایش شیمیایی و الکتروشیمیایی بخش مهمی از فرآیندهای تضمین کیفیت و کنترل کیفیت برای تولید آند است. تجهیزات برای تجزیه و تحلیل شیمیایی شامل: طیف سنج انتشار نوری و طیف سنج جذب اتمی است. روش های آزمایش الکتروشیمیایی به کار رفته عبارتند از: NACE TMO-190 (جریان تحت تاثیر یا تکامل هیدروژن) DNV RP-B401 ASTM G97، برای آندهای قربانی آلومینیوم، روی و منیزیم آزمایش را می توان در هر الکترولیت انجام داد مانند تست آند آب دریای مصنوعی، الکترولیت های پشت پرکن، دمای محیط، دمای داغ، دمای سرد، گل نمکی، کاهش وزن 14 روزه، ظرفیت جریان آند، پتانسیل آند، راندمان آند، تست کوتاه مدت و تست بلند مدت.
قیمت خرید آند فداشونده به چه عواملی بستگی دارد؟
عوامل تاثیر گذار بر قیمت آند فداشونده، شامل ابعاد، درصد خلوص، وزن، حضور یا عدم حضور پشت بند، نوع آلیاژ و… می باشند. علاوه بر این موارد نوسانات اقتصادی که در بازار ارز وجود دارد یکی از عوامل تاثیرگذار در تعیین قیمت آند فداشونده محسوب می گردد
چه زمانی باید آندهای فداشونده تعویض شوند؟
آندها باید حداقل به صورت سالیانه (از جمله آندها در آب شیرین) یا زمانی که به نصف اندازه اصلی خود خورده شده اند تعویض گردند. آندهای پریمیوم فلزات پرفورمنس شامل نشانگر سایش انحصاری ثبت شده هستند. هنگامی که نقطه قرمز ظاهر می شود، زمان آن است که آند خود را تعویض کنید.
پیشنهاد برای مطالعه
جمع بندی
آند فداشونده می تواند بسیاری از فلزات مختلف را از خوردگی محافظت کند. اغلب کارگران و مهندسان ساختمانی از آندهای فداشونده برای جلوگیری از خوردگی دسته‌ای از چیزهای مختلف مانند بدنه کشتی ها، پالایشگاه ها، خطوط لوله، آبگرمکن، تانک های روی زمین، تانک های زیرزمینی و سیستم های توزیع استفاده می کنند. به همین دلیل است که اگر تا کنون این کار را انجام نداده اید. باید از آندهای فداشونده استفاده کنید. آندهای فدا شونده می توانند تجهیزات شما را خوردگی و زنگ زدگی حفظ کنند.
