در طی سال ها، به حفاظت کاتدی (CP) به عنوان یک چیز اسرار آمیز نگاه شده
است و به این روش، به عنوان یک روش مناسب در زمینه ی کنترل خوردگی، توجه
نمی شود. ظاهراً خیلی ها احساس می کنند که حفاظت کاتدی، یک رویه ی بسیار
پیچیده است. در واقع، ایده ی اساسی مربوط به حفاظت کاتدی، بسیار ساده است.
هیچ مورد پیچیده ای در طی استفاده از این ایده ی اساسی، ایجاد نمی شود. به
هر حال، مهندسین ماهر رشته ی خوردگی، به اطلاعات مفیدی اشراف دارند که
بوسیله ی آنها می توانند جوانب اساسی مربوط به حفاظت کاتدی سیستم های مختلف
از جمله سیستم های خط لوله را بررسی کنند و سطح بالایی از کارایی را در
زمینه ی کنترل خوردگی، بدست آورند.
در این مقاله، یک تئوری ساده در مورد حفاظت کاتدی توصیف شده است.
فاکتورهای درگیر و همچنین محدودیت های این روش، نیز با مطالعه ی این مقاله،
در ذهن شما، تداعی می شود.
=========================================================================فیلم های آموزشی فارسی دوره طراحی حفاظت کاتدی بر اساس Nace سطح 1 تا 4 برای اولین بار در ایران
سایت آموزشی Nace.ir
کلیک کنید
========================================================================
تئوری اساسی مربوط به حفاظت کاتدی
در واقع روش حفاظت کاتدی، روشی است که به منظور کاهش میزان خوردگی یک سطح
فلزی مورد استفاده قرار می گیرد. این کار در واقع با کاتد قراردادن این
فلز در یک سلول الکتروشیمیایی، انجام می شود. این تعریف در اینجا به طور
کامل تر بررسی می شود.
شرایط مختلفی که موجب می شود که خوردگی لوله ها تسریع گردد، در اینجا
مورد بررسی قرار گرفته است. در هر مورد، نواحی کاتدی بر روی سطح لوله واقع
شده اند. در نواحی آندی، جریان از لوله ی فولادی به سمت الکترودهای اطراف،
جاری می شود و بدین صورت، لوله خورده می شود. در نواحی کاتدی، جریان از
الکترودها به سطح لوله حرکت می کند و نرخ خوردگی کاهش می یابد.
با توجه به بحث بالا، این واضح است که نرخ خوردگی می تواند کاهش یابد اگر
هر بیت از فلز در معرض تماس که بر روی سطح لوله واقع شده اند، بتوانند
جریان را جذب کنند.
این کار در واقع، کار اصلی است که در حفاظت کاتدی، انجام می شود. جریان
مستقیم بر روی تمام سطوح لوله، اعمال نیرو می کند. این جریان مستقیم موجب
می شود که پتانسیل خط لوله، به جهت منفی حرکت کند و بدین صورت، موجب کاهش
در نرخ خوردگی فلز می شود. وقتی مقدار جریان ایجاد شده، به طور مناسبی
تنظیم گردد و یک جریان خالص مناسب در سطح لوله و در این نقاط وجود داشته
باشد، نرخ خوردگی کاهش می یابد. کل سطح سپس به عنوان کاتد مطرح می شود و
نرخ خوردگی بدین صورت، کاهش می یابد. این جنبه در شکل 1 نشان داده شده است.
فعالیت اصلی مهندس حفاظت کاتدی، تعیین سطح واقعی حفاظت کاتدی مورد نیاز به
منظور کاهش میزان نرخ خوردگی می باشد. ارزیابی و استفاده از معیار حفاظت
کاتدی، برای این محاسبه، استفاده می شود.
اگر همانگونه که در شکل 1 نشان داده شده است، جریان با اعمال نیرو در
داخل لوله و در نواحی ایجاد شود که قبلاً تخلیه ی جریان بوجود می آمده است،
ولتاژ مؤثر سیستم حفاظت کاتدی باید بزرگتر از ولتاژ مؤثر مربوط به سلول
های خوردگی باشد. نواحی کاتدی اصلی بر روی لوله، جریان را از نواحی آندی،
دریافت می کنند. تحت حفاظت کاتدی، این نواحی کاتدی مشابه، جریان بیشتری را
سیستم حفاظت کاتدی دریافت می کنند.
برای اینکه سیستم حفاظت کاتدی کار کند، جریان باید از سیم اتصال به زمین،
تخلیه شود. تنها هدف این بستر زمین، تخلیه ی جریان می باشد. در فرایند
تخلیه ی جریان، آندها در بستر زمین خورده می شوند. این مناسب است که از
موادی به عنوان بستر زمین، استفاده شود که دارای نرخ خوردگی بسیار کمتری
نسبت به فلزات متداول مورد استفاده در ساخت لوله، باشند. این مسئله اطمینان
حاصل می کند که عمر مفید آندها، افزایش یابد.
کاربردهای عملی حفاظت کاتدی
با توجه به تئوری ساده ی حفاظت کاتدی که در ذهن ماست، اطلاعاتی در مورد حفاظت کاتدی در ادامه، بیان شده است.
حفاظت کاتدی با آندهای گالوانیک
در سلول خوردگی که از تماس فلزات غیر مشابه ایجاد می شوند، یک فلز نسبت
به دیگری منفی تر (فعال تر) است و خورده می شود. در حفاظت کاتدی با آند
گالوانیک، این اثر با ایجاد یک سلول با فلز غیر مشابه، مزیت ایجاد می کند و
موجب می شود تا سلول های خوردگی که به طور نرمال بر روی خطوط لوله، وجود
دارند را خنثی کند. این مسئله با ایجاد ارتباط بین یک فلز بسیار فعال تر با
خط لوله، امکان پذیر است. این فلز خورده خواهد شد و با این خوردگی، جریانی
به خط لوله تزریق می شود که در شکل 2 نشان داده شده است. در مورد حفاظت
کاتدی با آندهای گالوانیک، حفاظت کاتدی موجب حذف خوردگی نمی شود، بلکه
خوردگی از یک ساختار به آندهای گالوانیک، انتقال می یابد.
تحت شرایط نرمال، این جریان که از آنهای گالوانیک منتج می شود، محدود
است. به همین دلیل، حفاظت کاتدی بوسیله ی آندهای گالوانیک به طور نرمال در
جاهایی مورد استفاده قرار می گیرد که جریان مورد نیاز برای حفاظت، کوچک
باشد. به طور مشابه، ولتاژ محرک ایجاد شده میان لوله ی فولادی و فلز آند
گالوانیک، محدود است. بنابراین، مقاومت اتصال میان آند و زمین، باید برای
آندها پایین باشد تا بدین صورت یک مقدار مناسب از جریان، خارج گردد. این
بدین معناست که برای تأسیسات نرمال، آندهای گالوانیک در خاک های با مقاومت
پایین، استفاده می شوند. یک تأسیسات نرمال، همانگونه که در اینجا گفته شد،
تأسیساتی است که در آن، این جریان در حدی باشد که بتواند از طول خط لوله،
به خوبی محافظت کند. همچنین مثال هایی وجود دارد که در آنها آندهای
گالوانیک در نقاط خاصی از لوله، قرار داده می شود و بدین صورت این انتظار
شاید وجود داشته باشد که حفاظت تنها در چند فوت از لوله، انجام شود. این
مورد یکی از کارکردهای استفاده از آند می باشد.
محافظت کاتدی با جریان تحت تأثیر قرار گرفته
برای آزاد شدن ولتاژهای محرک محدود شده که در ارتباط با اندهای گالوانیک
می باشد، جریان برخی از منابع الکتریکی خارجی، ممکن است بوسیله ی خط لوله،
تحت تآثیر قرار گیرد. این مسئله با استفاده از بستر زمین و منبع الکتریکی،
انجام می شود.
شکل 1 نشاندهنده ی این وضعیت است. متداول ترین منبع الکتریکی، رکتیفایر
می باشد. این وسیله برق الکتریکی متناوب (AC) را به برق الکتریکی DC تبدیل
می کند. رکتیفایر معمولاً به گونه ای طراحی می شود که در آن، می توان
ولتاژهای خروجی DC متغیر، بدست آوریم. اگر چه ولتاژ ماکزیمم خروجی ممکن است
کمتر از 10 V و یا نزدیک به ولتاژ 100 V باشد، بیشتر رکتیفایرهای خط لوله،
در گستره ی ولتاژ 10 تا 50 V کار می کنند. همچنین خروجی جریان در این
رکتیفایرها، معمولاً در گستره ی 10 A تا چند صد آمپر است. این مسئله موجب
می شود تا شما بتوانید تنوع قابل توجهی در زمینه ی استفاده از ولتاژها و
جریان های مختلف، داشته باشید.
هر منبع قابل اطمینان DC دیگر می تواند برای سیستم های حفاظت کاتدی مورد استفاده قرار گیرد.
معیارهای حفاظت کاتدی
اگر چه تئوری اساسی مربوط به حفاظت کاتدی، ساده است، سوال اصلی مطرح شده
در این بخش، این است که : چگونه ما می فهمیم که محافظت مناسبی بر روی
ساختار زیر خاک، انجام شده است؟ جواب این سوال، این است که معیارهای مخلتفی
در طی سال های برای بررسی این مسئله توسعه داده شده است. با استفاده از
این معیارهای امکان بررسی و تعیین این مسئله وجود دارد که آیا محافظت
مناسبی ایجاد شده است یا نه! معیارهای متداولی که مورد استفاده قرار می
گیرند می تواند اندازه گیری پتانسیل ایجاد شده بین لوله و زمین می باشد.
این اندازه گیری به ما اجازه می دهد تا با دقت و صحت بالا در مورد میزان
محافظت بدست آمده، مطلع شویم. در اصل، معیار پتانسیل برای ارزیابی تغییرات
ایجاد شده در پتانسیل ساختار، مورد استفاده قرار می گیرد و بدین صورت،
جریان حفاظت کاتدی از ساختار به داخل خاک و یا آب، وارد می شود.
پتانسیل مربوط به خط لوله در یک محل معین، به طور متداول به عنوان
پتانسیل لوله- خاک، تعریف می شود. پتانسیل لوله- خط می تواند با اندازه
گیری ولتاژ میان خط لوله و الکترود مرجع، تعریف شود. متداول ترین الکترود
مرجع مورد استفاده برای این هدف، الکترود مرجع مس- مس سولفات است که به طور
مخفف، CSE نامیده می شود. این پتانسسل به عنوان یک پتانسیل حالت روشن
تعریف می شود اگر این اندازه گیری، با استفاده از سیستم حفاظت کاتدی، بدست
آید. پتانسیل حالت خاموش یا ثابت، پتانسیل پلاریزه شده ای است که در زمانی
انجام اندازه گیری، بدست می آید. این اندازه گیری در یک ثانیه بعد از قطع
خروجی جریان از تمام منابع حفاظت کاتدی، اندازه گیری می شود.
انتخاب نوع، اندازه و فضای سیستم حفاظت کاتدی
برخی از مسائل، در زمانی که در حال برنامه ریزی در زمینه ی سیستم CP
هستیم، دوباره مورد بررسی قرار می گیرد. این موارد، شامل موارد زیر است:
1. آیا آندهای گالوانیک، باید مورد استفاده قرار گیرد و یا باید یک سیستم جریان مؤثر انتخاب شود؟
2. چه میزان از جریان کل، برای حصول حفاظت کاتدی مناسب، ضروری است؟
3. فاصله ی بین آندهای نصب شده و جریان خروجی مورد نیاز، چند است؟
4. چه قوانینی باید در نظر گرفته شود تا بدین صورت، بتوان سیستم نصب شده را مورد بررسی قرار داد؟
5. آیا این شرایط خاص در محل های معین قرار گرفته است و می تواند اصلاحات مناسب برای حفاظت کاتدی را ایجاد کند یا نه؟
این سوال ها نمی تواند تنها با مسائل مطرح شده در بالا، پاسخ داده شوند.
اطلاعات مورد نیاز برای اتخاذ تصمیم گیری، شامل موارد زیر می شود:
میزان خوردگی محیط
ساختار خاک و میزان مقاومت آن
آیا خط لوله دارای پوشش است یا بدون پوشش
اگر خط لوله پوشش دار است، کیفیت و میزان مقاومت الکتریکی پوشش در چه
گستره ای است و شرایط محیطی که این پوشش را تخریب می کند، چیست؟
فلز یا آلیاژ مورد استفاده در پوشش، چیست؟
اندازه ی خط لوله و قابلیت آن برای ایجاد جریان حفاظت کاتدی، چیست؟
ساختارهای دیگری که در اطراف خط لوله قرار گرفته اند نیز باید محافظت شوند.
وجود یک جریان منحرف کننده که منشأ انسانی یا طبیعی دارد.
همانگونه که از این بخش فهمیده می شود، یک مقدار مناسب از اطلاعات و داده
ها باید در زمینه ی خط لوله وجود داشته باشد تا بدین صورت بتوان برای
حفاظت کاتدی، تصمیم گیری کرد. وقتی اطلاعات مناسب به همراه جزئیات کافی،
وجود داشته باشد، پاسخ های این سوالات، می تواند به ما کمک کند.
اثر پوشش بر روی محافظت کاتدی
این مسئله را می دانیم که 99 % از سطح خطوط لوله ای که به خوبی پوشش داده
شده اند، می توانند به طور کامل در برابر خوردگی، حفظ شوند. همچنین، این
مسئله فهمیده شده است که حفاظت کاتدی می تواند به سهولت مورد استفاده قرار
گیرد.
شکل 1 نشاندهنده ی الگوهای مربوط به جریان است که برای حفاظت از یک بخش
از خط لوله، ضروری است. این تصویر نسبت به تصویر نشان داده شده در شکل 3
کاملاً متفاوت است.
در شکل 3 جریان از بستر زمینی سیستم حفاظت کاتدی، به تمام نواحی که در
آنها، سیستم حفاظت کاتدی با خط لوله در تماس است، جاری می شود. برای انجام
این کار، تخلیه ی جریان خورنده ی اولیه از عیوب موجود در نواحی آندی، کاهش
می یابد. علاوه بر جریان نشان داده شده در این عیوب، جریان همچنین از طریق
پوشش نیز جاری می شود. و در واقع هیچ پوششی، به طور کامل عایق نیست. میزان
این نشت جریان، به مقاومت الکتریکی ماده و ضخامت ماده وابسته است. وقتی
پوشش های با مقاومت بالا مورد استفاده قرار گیرد، جریانی که به طور مستقیم
از میان پوشش، عبور می کند، در مقایسه با جریان ایجاد شده در عیوب پوشش،
ناچیز است مگر انکه تعداد و اندازه ی عیوب، بسیار اندک باشد.
جدول 1 برخی ایده ها در مورد گستره ی جریان حفاظت کاتدی را نشان می دهد
که می توان از آنها، استفاده کرد. جریان مورد نیاز برای محافظت یک بخش 10
مایلی از خط لوله ی 36 اینچی نیز آورده شده است. این بخش از خط لوله در
خاکی قرار داده شده است که دارای مقاومت متوسط
می باشد. جریان مورد نیاز، جریانی است که موجب ایجاد یک افت ولتاژ 0.3 V در هنگام وجود مقاومت مؤثر میان لوله و زمین می شود.
جدول 1
مقاومت های مؤثر مربوط به این پوشش ها در جدول 1 آورده شده است. برای مثال های مورد استفاده در جدول، مقاومت مؤثر
اهم برای یک فوت مربع از پوشش بدست می آید که انعکاس دهنده ی نصب و حمل و
نقل نامناسب لوله های پوشش داده شده و یا تخریب پوشش بعد از نصب، می باشد.
برای خطوط لوله ی قرار داده شده در خاک با مقاومت
اهم - سانتیمتر، مقاومت های متوسط
اهم برای یک فوت مربع از پوششش وجود دارد که این مسئله نشاندهنده ی این
است که کار ساختمان سازی، به خوبی انجام شده است و با گذر زمان، تخریبی در
پوشش ایجاد نشده است.
این جدول نشاندهنده ی این است که خط لوله ی بدون پوشش، می تواند جریان
هایی را دریافت کند که هزاران برابر بیشتر از خط لوله ی دارای پوشش می
باشد. جریان مورد نیاز برای محافظت از یک لوله ی با پوشش ضعیف، می تواند
200 برابر بیشتر از جریان مورد نیاز برای یک لوله ی مشابه ولی با پوشش
مناسب، است. از مثال های بالا، این فهمیده می شود که تنش، یک مورد مهم می
باشد. به دلیل تغییرات متنوع، مهندس خوردگی لوله، باید شرایط موجود در خط
لوله را بفهمد و بدین صورت جریان های مورد نیاز را تعیین کنند. این مهندس
همچنین باید قادر به تخمین نرخ تخریب پوشش باشد به نحوی که سیستم حفاظت
کاتدی از لوله محافظت کند.
طول های بسیار بزرگ خط لوله می تواند با استفاده از یک سیستم حفاظت کاتدی
منفرد، محافظت گردد. برای مثال، این مسئله ممکن است که یک خط لوله ی 50
مایلی را از یک محل، حفاظت کاتدی کرد اگر این خط لوله دارای قطر بزرگی باشد
و به خوبی پوشش داده شده باشد. این مسئله ی جالب توجهی است که لوله های
طویل با قطر بزرگ، به سهولت بیشتری نسبت به لوله های با قطر کوچک، حفاظت
کاتدی می شوند. در تأسیسات حفاظت کاتدی، مانند چیزی که در شکل 1 مشاهده می
شود، جریانی که درهر محل بر روی لوله، جریان می یابد، به طور معکوس با
مقاومت کل سیستم در آن محل، در ارتباط است. این رویه از قانون اهم، تبعیت
می کند. وقتی این جریان وارد توده ی زمین می شود، در واقع وارد یک ماده ی
با مقاومت پایین می شود و بدین صورت از لحاظ تئوری باید در فواصل طولانی
حرکت کند. در مورد خطوط لوله، لوله به خودی خود، هادی بازگشتی است. برای یک
ضخامت دیواره معین، لوله های با قطر بزرگتر دارای مقاومت کمتری نسبت به
لوله های با قطر کوچک هستند. علت این مسئله، این است که در لوله های قبلی
ناحیه ی سطح مقطع بزرگ است و همانگونه که می دانید، مقاومت یک رسانا به طور
عکس با ناحیه ی سطح مقطع، در ارتباط است. بنابراین، یک لوله ی با قطر
بزرگتر، موجب می شود تا حفاظت کاتدی برای فواصل طولانی تری، مقدور باشد.
این مسئله سپس نشان داده شده است که پوشش های با کیفیت بیشتر، موجب می شود
که جریان کمتری در لوله ایجاد شود و بدین صورت، فاصله ی حفاظت مؤثر از
تأسیسات حفاظت کاتدی، بیشتر می شود.
محافظت بیش از حد در خطوط پوشش داده شده
تحت برخی شرایط، مقادیر اضافی جریان حفاظت کاتدی برای خطوط لوله ی پوشش
داده شده، ممکن است موجب تخریب پوشش شوند. این فرایند را جدایش کاتدی
(cathodic disbondment)می گویند. این جریان موجب افزایش مهاجرت آب و یون ها
از طریق پوشش و افزایش pH الکترولیت در سطح لوله، می شود. اگر پتانسیل
پلاریزاسیون به اندازه ی کافی منفی باشد، هیدروژن می تواند همچنین به صورت
حباب های گاز، بر روی سطح لوله، تشکیل شود. تمام این فرایندها، برای پوشش
ها، نقش مهمی دارند و موجب افزایش تخریب و جدایش در پوشش می شوند.
پتانسیل پلاریزاسیونی که در آن، تخریب قابل توجهی در پوشش اتفاق می افتد،
تابعی از فاکتورهای متعددی است. این فاکتورها شامل مقاومت ذاتی پوشش در
برابر تخریب، کیفیت پوشش، شرایط خاک و دمای خط لوله می باشد. به عنوان یک
اصل، از ایجاد پتانسیل های حالت خاموشی که منفی تر از
است، جلوگیری شود تا بدین صورت تخریب پوشش را به حداقل رساند. در این
ارتباط، این مسئله باید مد نظر قرار گیرد که تخریب شرایط می تواند به سهولت
و با تنظیم نامناسب جریان ورودی در سیستم حفاظت کاتدی، رخ دهد. در واقع
این حالت، زمانی رخ می دهد که از آندهای گالوانیک با پتانسیل بالا مانند
منیزیم استفاده شود .
حالت ریموتی در برابر حالت بسترهای بسته ی زمینی
جریان ایجاد شده از منابع خارجی به یک خط لوله، با تفاضل پتانسیل میان
زمین و لوله همراه است. در اینجا، زمین قطب مثبت و لوله، قطب منفی است.
تفاوت در پتانسیل به عنوان یک معیار معین برای تعیین میزان حفاظت کاتدی،
استفاده می شود. ایجاد تفاوت های پتانسیل مناسب می توانند از یکی از راه
های زیر انجام شود:
با ایجاد حالت منفی در لوله نسبت به زمین
با ایجاد حالت مثبت در زمین با توجه به لوله در نواحی محلی
اولین روش مورد استفده، استفاه از بسترهای زمین ریموتی است. در این
بسترها، طول های قابل توجهی از لوله، قابل محافظت است. روش دوم، استفاده از
بسترهای بسته ی زمین یا استفاده از آند است. روش آخر می تواند حفاظت را
تنها در اطراف خود، ایجاد کند.
بسترهای ریموتی زمین
طرح اولیه در شکل 1 ممکن است در اینجا هم جالب باشد و بوسیله ی ان، نوع
بستر ریموتی، قابل رویت باشد. تخلیه ی جریان، از آند یا گروه از آندها که
بستر را تشکیل می دهند، منجر به افت ولتاژ در زمین قرار گرفته بین نقاطی می
شود که در طول بستر قرار گرفته اند. در نزدیکی بستر زمین، افت ولتاژ بر
واحد فاصله، نسبتاً بالاست. وقتی از بستر زمین دور می شویم، این ولتاژ بر
واحد فاصله، کمتر می شود تا جایی که به حدی می رسیم که این افت قابل توجه
نمی باشد. این نقطه ممکن است به عنوان زمین ریموتی یا شعاعی تعریف شود که
محیط بر روی بستر زمین، اثر دارد.
دقیقاٌ همانگونه که در بالا توصیف شد، جریانی که به منظور محافظت از خط
لوله اعمال شده است، می تواند موجب افت ولتاژ در خاک مجاور خط لوله شود و
ناحیه ای وجود دارد که محیط بر روی لوله اثر دارد. بستر زمینی در شکل 1
نشان داده شده است، ممکن است به عنوان یک بستر ریموتی نامیده شود اگر این
بستر به اندازه ی کافی دور باشد به نحوی که هیچ همپوشانی قابل توجهی میان
ناحیه ی تحت اثر محیط و ناحیه ی تحت اثر لوله، وجود نداشته باشد. تحت این
شرایط، جریان از بستر زمین به سمت توده ی کلی خاک، حرکت می کند به نحوی که
یک رسانای با مقاومت کمتر و یا نامحدود، ایجاد می شود. این جریان سپس از
این رسانای نامحدود به سمت لوله حرکت می کند و بدین صورت از آن محافظت می
کند و همچنین موجب بروز افت ولتاژ در بین مقاومت ایجاد شده میان لوله و این
رسانای نامحدود می شود. مدار معادل ساده شده ی آن در شکل 4، نشان داده شده
است. در این شکل، مفهوم بیان شده در بالا، مشاهده می شود. تحت این شرایط،
این خط لوله، نسبت به زمین ریموتی، منفی است و اگر به اندازه ی کافی حالت
منفی بالا باشد، حفاظت کاتدی مؤثر ایجاد می شود.
با ایجاد جریان در یک رسانای نامحدود، مشابه چیزی که مشاهده شد، مقاومت
خط لوله به خودی خود ممکن است طول لوله ای را که تحت حفاظت قرار می گیرد،
را محدود کند. همانگونه که در بالا بحث شد، خطوط لوله ای که دارای مقاومت
های طولی افزایشی هستند، می توانند در طول های بیشتری تحت محافظت قرار
گیرند. یک محدود در بیشتر نقاط ریموتی مربوط به بستر زمین، پتانسیل مینیمم
مورد نیاز برای انجام یک حفاظت کاتدی مناسب است. یک محدودیت در مورد بستر
زمین، نیاز به حفظ و نگهداری پتانسیل پلاریزاسیون لوله- خاک است که در واقع
باید منفی تر از میزان 1.1 V (CSE) باشد. با این رویه، میزان تخریب پوشش و
بروز اثرات هیدروژنی در فولاد، کاهش می یابد.
بسترهای بسته ی زمین
استفاده از آندهای بسته یا یک سری از آند، یک روش کاملاً متفاوت نسبت به
روش نصب ریموتی است که قبلاً توصیف شد. موفقیت استفاده از این روش، به
ناحیه ای وابسته است که تحت تأثیر هر آند موجود در بستر زمین است. برای
آگاهی بهتر از نحوه ی استفاده از آندهای بسته، مسیر رسانایی میان یک آند
بستر زمین و زمین ریموتی، به طور جزئی، بررسی شده است.
جریان بر واحد سطح مقطع زمین که از یک آند موجود در بستر زمین، جاری می
شود، در نزدیکی آند، بالاترین میزان است و با افزایش فاصله، کاهش می یابد.
در جایی که این دانسیته ی جریان، بالاترین میزان خود را دارد، افت نقطه به
نقطه می تواند در زمین، مشاهده گردد. نتیجه ی خالص این اثر، این است که
بیشتر افت پتانسیل مربوط به زمینه ریموتی در یک آند منفرد، به طور نرمال در
فاصله ی چند فوتی در داخل این قسمت، مشاهده می گردد. این مسئله در شکل 5
نشان داده شده است. در این شکل درصد مقاومت کل یا افت پتانسیل به عنوان
تابعی از فاصله از یک آند، نشان داده شده است.
نمودارهای موجود در شکل 5 بر اساس آندهایی ترسیم شده است که دارای 3 اینچ
قطر، و 60 اینچ طول هستند و در آنها جریان 2 آمپر در خاک با مقاومت
1×〖10〗^3 اهم- سانتیمتر، ایجاد می شود. نتایج مربوط به آندهای با اندازه ی
متفاوت، اندکی متفاوت می باشد. شرایط غیر یکنواخت خاک همچنین موجب تغییر
شکل این نمودار می شود. این نمودار بر اساس فرمول زیر بدست آمده است:
که در اینجا: V_x پتانسیل در نقطه ی x است که با واحد ولت می باشد و بواسطه ی جریان آندی زمین، حاصل می شود.
I نیز جریان آند زمین در واحد آمپر است.
در اینجا، ρ حساسیت زمین در واحد اهم- سانتیمتر است. y= طول آند موجود در زمین در واحد فوت، x فاصله از آند در واحد فوت می باشد.
اگر x بزرگتر از 10y باشد، بنابراین،
توجه کنید که نموداری مشابه ممکن است برای نشان دادن درصد افت ولتاژ کل،
استفاده شود. این مسئله به این دلیل است که در دوی این خواص، به طور مستقیم
از طریق قانون اهم در ارتباط هستند. این قانون می گوید که افت ولتاژ در یک
مقاومت، برابر با مقدار مقاومتی است که بوسیله ی جریان و در داخل آن، چند
برابر می شود. بنابراین، اگر جریان ایجاد شده از آند زمین به یک نقطه که به
اندازه ی کافی دور است، شامل 50 % مقاومت کل آند به زمین ریموتی است.
بنابراین، افت ولتاژ بین آند و ان نقطه، 50 % افت ولتاژ میان آند و زمین
ریموتی را دارا می باشد. علاوه بر این، این مهم است که به این مسئله توجه
کنیم که زمین داخل این ناحیه که در اطراف آند تخلیه ی جریان، قرار گرفته
است، نسبت به زمین ریموتی، مثبت است و زمین مثبت تر، در نزدیکی آند است.
بیایید ببینیم که چگونه گرادیان های پتانسیل مثبت می تواند از این مزیت
بهره مند شود.
در بخش بالای شکل 6، این مشاهده می شود که یک خط لوله می تواند از میان
ناحیه ای عبور کند که در آن، آند بستر زمین، در نزدیکی لوله، واقع شده است.
این بدین معناست که این خط لوله از میان زمینی عبور می کند که دارای
پتانسیل مثبتی نسبت به زمین ریموتی است. همانگونه که در نمودار پتانسیل شکل
6 مشاهده می شود، یک ناحیه ی محدود در طول خط لوله وجود دارد که در آن
تفاوت خالص پتانسیل میان لوله و خاک، وجود دارد. این مسئله مطابق با معیار
مربوط به حفاظت از فولاد می باشد. برای آنالیز نشان داده شده در شکل 6، این
فرض شده است که خطا در افت ولتاژ IR در مقادیر پتانسیل لوله- خاک، ناچیز
است. در جایی که این فرض برقرار نباشد، ناحیه ی محافظت کامل کوچکتر می شود.
شکل 6 نشاندهنده ی این است که تقریباً 35 فوت از خط لوله تحت شرایط
معینی، حفاظت می شود. یک آند گالوانیک به طور مشابه عمل می کند اما به دلیل
اینکه ولتاژ خروجی پایین است، طول خط لوله ی محافظت شده، کمتر است. به طور
نمونه وار، در جایی که آندها یک فوت از لوله، فاصله دارند، محافظت می
تواند برای 4 تا 5 فوت مورد انتظار باشد اگر از آندهای روی استفاده شود و
اگر از آندهای منیزیمی استفاده شود، این فاصله به 8 تا 10 فوت می رسد.
وقتی تنها چند آند در نزدیکی یک خط لوله ی بزرگ، وجود داشته باشد، جریان
کافی از آنها ایجاد نمی شود و بدین صورت، اگر آندهای زیادی در نزدیکی هم
استفاده شوند، جریان کافی ممکن است به بخش هایی از این خط لوله، اعمال شود و
این مسئله موجب می شود تا خط نسبت به زمین ریموتی، منفی تر باشد.
ناحیه ی محافظت شده ی یک لوله، بوسیله ی یک آند منفرد، مشابه با باریکه ی
نوری است که به دیواره وارد می شود. وقتی نور به نزدیک دیواره می رسد،
ناحیه ی نشان داده شده، کاهش می یابد اما شدت نور افزایش می یابد. در این
قیاس، روشنایی نور با جریان وارد شده به لوله، برابر می شود. هدف از بهینه
سازی طراحی حفاظت کاتدی، انتخاب نوع و محل بسترهای آندی زمین می باشد
