آندهای منیزیم: راهکاری مؤثر برای حفاظت کاتدی سازه‌های فلزی

Magnesium Anode with Backfill :

آند منیزیم نسبت به سایر آندهای فداشونده دارای ولتاژ بالاتری است و بیشترین کاربرد آن در حفاظت کاتدی سازه های ساحلی (با مقاومت الکترولیتی بالا) می باشد، زیرا که استفاده از روی و آلومینیوم در حفاظت کاتدیک سازه های ساحلی غیر اقتصادی است. از منیزیم به عنوان یک آند فداشونده برای حفاظت کاتدیک سازه های فلزی زیر زمینی و زیر دریایی، کشتی ها، زیر دریایی ها، پلها، اسکله ها، سازه های مدفون در خاك و سیستم های حمل و نقل زیر زمینی استفاده می شود.

آند فداشونده منیزیم به همراه بکفیل، نوع خاصی از آندهای منیزیم است که می تواند حفاظت مطلوب تر و بهینه تری را فراهم نماید. در محافظت کاتدی، بیشترین استفاده از آند منیزیم فداشونده است. فلز منیزیم بالاترین ولتاژ محرکه مواد مورد استفاده برای آندهای فداشونده را دارد و بیشتر در خشکی (در الکترولیت های مقاومت بالاتر) که در آن استفاده از روی و آلومینیوم غیر اقتصادی است، استفاده می شود.

خروجی بالای آند منیزیم در آب دریا در دستیابی سریع به پتانسیل قطبی کمک می کند. این روش در مواردی استفاده شده است که سیستم روی یا آلومینیوم نصب شده در ابتدا نتوانسته است جریان کافی را برای دستیابی به قطبش فراهم کند.

آندهای منزیم از لحاظ ترکیب شیمیایی و نوع کاربرد به دو دسته استاندارد (AZ63)و پتانسیل بالا (M1C)تقسیم می شوند:

استاندارهای متداول آندهای منیزیم شامل ASTM-B 843،ASTM-G 97 ، BS 7361، IPS-M-TP-750 و NACE-RP0387 می باشند.
آندهای منیزیمی مانند دیگر آندهای فداشونده بسته به نوع کابرد و درخواست کارفرما در ابعاد و اشکال مختلف طراحی و ساخته می شوند.

 

 

بر اساس استاندارد ASTM-B 843 ، ترکیب شیمیایی آند منیزیم به صورت زیر است:

 

Element	Standard	High Potential
Aluminum (%)	5.3 – 6.7	0.01 max
Zinc (%)	2.5 – 3.5	—
Manganese (%)	0.15 – 0.7	0.5 – 1.3
Silicon (%)	0.1 max	0.05 max
Copper (%)	0.02 max	0.02 max
Nickel (%)	0.002 max	0.001 max
Iron (%)	0.003 max	0.03 max
All Others (%)	0.3 max	0.3 max
Magnesium (%)	Remainder	Remainder

 

 

 

مطابق استاندارد NACE-RP0387 اینزرت مورد استفاده در آند های منیزیم باید از جنس فولاد گالوانیزه باشد. همچنین  با توجه به استاندارد  BS 7361 خواص الکتروشیمیایی آند منیزیم به صورت جدول زیر می باشد:

 

Electrochemical Properties	Standard	High Potential
Electrochemical Capacity (A.h/kg)	1200	1200
Open Circuit Potential (V) (Respect to Cu/CuSo4 Reference Electrode)	-1.5	-1.7
Efficiency (%)	60	50

 

 

 

 

آندهای منیزیم

منیزیم رایج‌ترین آند فداشونده مورد استفاده برای حفاظت سازه‌های مدفون در خاک می‌باشد. همچنین آندهای منیزیم برای حفاظت داخلی آبگرمکن‌ها و مخازن آبی، مبدل‌های حرارتی، کندانسورها و دیگر سازه‌هایی که در تماس با آب هستند بکار می‌روند.

آندهای فداشونده منیزیمی به‌طور وسیعی در حفاظت کاتدی سازه‌ها بکار برده می‌شوند. یکی از مزایای این آندها نسبت به سایر آندهای فداشونده، پتانسیل منفی بالای آن‌ها است. دو نوع آند فداشونده منیزیم تولید می‌شود. نوع اول آندهای استاندارد منیزیم که دارای درصدی از عناصر آلومینیم، روی و منگنز می‌باشد و نوع دوم آندهای پتانسیل بالا که دارای خلوص بالا بوده و درصدی از عنصر منگنز در آن وجود دارد. گرچه آندهای منیزیم نوع اول دارای راندمان بالاتری نسبت به نوع دوم هستند آندهای نوع دوم دارای نیروی محرکه بالاتری می‌باشند.

. از آندهای منیزیم به ندرت در طراحی حفاظت کاتدی سازه‌های به طول عمر بیشتر از ۱۰ سال استفاده می‌شود از این نوع آندها در خاک هائی با مقاومت ویژه خیلی زیاد جهت تأمین جریان سیستم به دلیل عدم صرفه اقتصادی به عمل نمی‌آید این امر به جز در مواردی خاص که جریان مورد نیاز کم باشد یا در محیط برق ورودی سیستم حفاظت کاتدیک تأمین نباشد مصرف می‌گردد.

آندهای منیزیم به علت توزیع خیلی آسان‌تر جریان نسبت به روش اعمال جریان دارای برتری می‌باشد. این مزیت ناشی از رسیدن جریان در مجموعه‌های کوچک می‌باشد. در نزدیکی نقطه تخلیه جریان همواره مقدار معینی حفاظت اضافه وجود دارد؛ که موجب اتلاف جریان می‌شود و بنابراین اگر با کنترل مطلوب جریان به هر نقطه به مقدار لازم برسد از اتلاف جریان جلوگیری می‌شود.

ضریب بهره‌وری آندهای منیزیم در محاسبات طراحی معمولا ۸۵   –۵۰ ٪  در نظر گرفته می‌شود.

 

آند فداشونده منیزیم (Magnesium Anode)

یکی از متداول ترین مواد مورد استفاده در بحث حفاظت از خوردگی سازه هایی که در خاک مدفون هستند، منیزیم می باشد. ظرفیت این دسته از آندها 1230 آمپر ساعت بر کیلوگرم می باشد. آندهای فداشونده که از جنس منیزیم هستند در موارد زیر به کارگیری می شوند:

• حفاظت کاتدی داخل مخازن
  • حفاظت کاتدی مبدل های حرارتی و کندانسورها
  • حفاظت از خوردگی بدنه کشتی ها و اسکله های دریایی در آب شیرین
  • حفاظت کاتدی لوله های مدفون در خاک
  • و …

جنس آند فداشونده منیزیمی، جریان خروجی و ترکیبات شیمیایی آن، تأثیر مستقیمی بر بازدهی آند دارند. استانداردهای بین المللی برای ساخت آندهای منیزیمی شامل استانداردهای ASTM G97, B273, IPS-M-TP-750/1 هستند.

آندهای منیزیم با ولتاژ 1.5 ولت در زمره آندهای با ولتاژ استاندارد می‌باشند که بازدهی 58 درصدی دارند و آندهای با ولتاژ 1.75 جزو آندهای ولتاژ بالا لحاظ می شوند که راندمانی معادل 49 درصد برای آن ها به ثبت رسیده است.

آند فداشونده منیزیم مخصوص حفاظت از خوردگی سازه های مدفون در خاک، می بایست برای نصب فاصله حداقل 1.5 متری و حداکثر 3 تا 5 متری با سازه داشته باشد. آب دهی اطراف آندهای فداشونده منیزیمی موجب کاهش مقاومت خاک اطراف آن و در نتیجه عملکرد بهتر آند خواهد شد.

 

 

آند منیزیمی قابلیت استفاده در محیط های با شرایط زیر را نخواهد داشت:

• محیط های قلیایی با PH بیشتر از 9.5
  • محیط های اسیدی با PH کمتر از 5
  • محیط های با دمای بیشتر از 60 درجه سانتی گراد

نحوه عملکرد آند منیزیم

آندهای منیزیم با یک عمل الکتروشیمیایی فداشونده از فولاد یا دیگر سازه های فلزی محافظت می کنند.

هنگامی که یک آند منیزیم توسط یک هادی الکتریکی به یک مخزن فولادی که در آب مغروق است، متصل می شود،

یک جریان به طور مداوم از طریق آب بین میله و هر منطقه فولادی برهنه در دیواره مخزن جریان می یابد. مدار از طریق اتصال مخزن به میله منیزیم کامل می شود.

این جریان محافظتی توسط یون های آزاد کننده منیزیم تولید می شود و این منجر به خوردگی در ناحیه آندی می شود.

به این نوع محافظت از خوردگی، حفاظت گالوانیک یا فداشونده گفته می شود، در واقع آند منیزیم به جای مخزن (کاتد) خورده می شود. این روش کنترل خوردگی الکترولیتی، “حفاظت کاتدیک” نامیده می شود. از آنجا که سطوح کاتدی نمی توانند زنگ بزنند، مخزن محافظت می شود.آند منیزیم فداشونده، عمل تهاجمی آب را به سمت خود می کشاند و به این ترتیب محافظت کاتدی برای مخزن ایجاد می شود. میله آند موجود در الکترولیت، یک عامل بسیار مهم در طول عمر مخزن است و فقط برای بازرسی یا تخلیه باید از آن خارج شود. تعویض میله آند منیزیم هنگامی توصیه می شود که مصرف کاهش وزن بیش از 75٪ باشد. با بازرسی منظم و تعویض میله آند، می توان عمر مخزن را بسیار افزایش داد. تعداد دفعات تعویض آند منیزیم بسته به شرایط آب یا الکترولیت و میزان استفاده از آن متفاوت خواهد بود.

 

کاربردهای آند منیزیم

اختصاص دادن هر نوع آند به یک کاربرد خاص دشوار است، زیرا آندها دربرگیرنده تعدادی از متغیرهای مختلف هستند که باید در موارد استفاده مختلف، همگی این پارامترها در نظر گرفته شوند. با این حال، کسب مشورت با متخصصان و کارشناسان فروش آند منیزیم و در اختیار داشتن دانش در مورد کاربردهای مختلف این نوع آندها به شما کمک می کند هرگز آندی را خریداری نکنید که متناسب با نیاز شما نباشد و حفاظت از خوردگی را آن‌طور که مد نظر شماست انجام ندهد.

از این رو همیشه داشتن آگاهی و دانش و مجهز شدن به تجهیزات ایمنی بهتر از پشیمانی و تأسف است.

آند منیزیم در هنگام مبارزه با خوردگی، مؤثر و مقرون به صرفه است. تجربه نشان داده است که آندهای منیزیم نقشی محوری در محافظت از سازه های فولادی در آب شیرین داشته اند، از جمله:

• بدنه کشتی ها و قایق ها
  • مخازن ذخیره آب
  • اسکله ها
  • خطوط لوله
  • آند فداشونده منیزیم با کاربرد مبدل های حرارتی و مخازن
  • مخازن رو زمینی و زیر زمینی
  • و …

خوردگی گالوانیک و آندهای فداشونده منیزیم

تمام فلزات غوطه ور در الکترولیت (به عنوان مثال آب دریا) ولتاژ الکتریکی تولید می کنند. وقتی دو فلز غیرمشابه در تماس باشند (به طور الکتریکی به هم متصل شده اند)، آنها یک سلول گالوانیک تولید می کنند (مانند باتری)، فلز کمتر نجیب آند را تشکیل می دهد و فلز نجیب تر کاتد را تشکیل می دهد.

اگر می خواهید از هر دو فلز محافظت کنید، باید فلز سومی را که از دو فلز اول فعال تر است، وارد صحنه کنید. فعال ترین فلز (به عنوان مثال منیزیم) به آند دیگر تبدیل می شود و خود را با خوردگی (دادن فلز) برای محافظت از کاتد فدا می کند؛ از این رو اصطلاحاً آند فداشونده نامیده می شود. سه ماده فعال مورد استفاده در ساخت آندهای فداشونده، روی، آلومینیوم و منیزیم هستند. آنها خواص و کاربردهای مختلفی دارند.

خاصیت قابل توجه آندهای فداشونده، میزان پتانسیل الکتریکی آنها است. تمام فلزات هنگام غوطه ور شدن در آب، ولتاژ منفی ایجاد می کنند (در مقایسه با الکترود مرجع). ولتاژ پایین تر یا منفی تر، فلز فعال تر در نظر گرفته می شود، به عنوان مثال:

• آند منیزیم منفی 1.7 ولت یا1.5 ولت تولید می کند.
  • آلیاژ آند فداشونده آلومینیوم منفی 1.1 ولت تولید می کند.
  • آند روی منفی 1.05 ولت تولید می کند.

به منظور ایجاد حفاظت، بالاترین اختلاف ولتاژ عملی ممکن بین آند فداشونده و فلزی که باید محافظت شود لازم است. از آنجا که منیزیم یکی از عناصر فعال است، برای محافظت از خطوط لوله و سازه های فلزی زیرزمینی و سازه های مغروق در آب، نقش آند فداشونده برتر را بازی می کند. با اتصال یک آند منیزیم به یک ساختار فلز دیگر، جریان الکتریکی تولید می شود که ساختار را قطبی می کند و باعث می شود کل سطح کاتدیک و محافظت کامل شود.

کدام آند را باید انتخاب کنیم؟

آب شور: آند آلومینیوم و آند روی برای حفاظت از خوردگی سازه های فلزی در آب شور، مناسب تر هستند. در آب شور از سازه ها محافظت می کنند. البته آند آلومینیوم از آند روی ماندگاری بیشتری دارد. آندهای منیزیم آنقدر در آب شور فعال هستند که فقط در عرض چند ماه کاملاً خورده می شوند. در حالی که روی آند سنتی برای استفاده در آب شور بوده است. البته قابل ذکر است که آند روی به اندازه آلومینیوم از سازه ها در برابر خوردگی محافظت نمی کند.

آب شیرین: آند منیزیم مناسب ترین گزینه برای حفاظت کاتدی در آب های شیرین است. در این مایع با رسانایی کم، از حفاظت برتر برخوردار است. آندهای روی برای استفاده در آب های شیرین مناسب نیستند زیرا در طی چند ماه یک پوشش سخت و متراکم ایجاد می کنند که باعث می شود آند کمتر کارآمد باشد. آلیاژهای آلومینیوم تا حدی در آب شیرین محافظت می کنند اما نه به اندازه آند منیزیم.

منیزیم بهترین آند برای استفاده در آب شیرین است، اما در آب شور عملکرد خوبی ندارد. آندهای منیزیم بیشترین فعالیت را دارند و تنها آندهایی هستند که در رسانایی کم آب شیرین به خوبی کار می کنند.آندهای منیزیم همچنین برای حیوانات آبزی غیر سمی هستند.

آندهای فداشونده منیزیم مخصوص خط لوله از نوع پتانسیل استاندارد با مقطع D (High Purity)

 

 

 

 

آندهای فداشونده منیزیم مخصوص خط لوله از نوع پتانسیل استاندارد با مقطع گرد (High Purity)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

آندهای فداشونده منیزیم مخصوص خط لوله از نوع پتانسیل بالا با مقطع D (High Potential)

 

اهمیت به کارگیری آند منیزیم فداشونده در سیستم حفاظت کاتدیک

فرایند خوردگی یک مفهوم واکنش اکسیداسیون و کاهش است که در آن الکترون ها از سطح فلز برداشته می شوند و اکسیژن را از محیط اطراف جایگزین می کنند. حفاظت کاتدی (CP) یکی از مؤثرترین و مقرون به صرفه ترین روش ها برای جلوگیری از خوردگی ساختاری با ساختن سطح فلز به عنوان کاتد سلول الکتروشیمیایی است.

سیستم حفاظت کاتدیک را می توان برای هر سازه فلزی مانند مخازن، خطوط لوله دفن شده، کشتی ها، اسکله های دریایی و هر نوع فلزاتی که با الکترولیت ها مانند خاک یا آب تماس دارند اعمال کرد. آندهای حفاظت کاتدیک یکی از اجزای اصلی و جدایی ناپذیر در این سیستم حفاظت از خوردگی می باشند.