shadow

Corrosion and Corrosion Inhibitors

corrosionCorrosion is defined as the destructive attack of a metal by the environment, by chemical or by electrochemical processes (as contrasted with mechanical means such as the erosion of a metal structure by sand in the desert). Corrosion includes conjoint mechanical and chemical action to produce early failure of a load-carrying metal structure, eg. stress-corrosion cracking.

see our Corrosion Books section

Manifestations of Corrosion
Most of the observed corrosion occurs as one or more of the following five cases:

(1) uniform attack, the most common manifestation, in which the entire metal surface is covered with the corrosion product, eg, the rusting of iron in any humid atmosphere, or the tarnishing of silver and copper in sulfur-containing environments.

(2) pitting corrosion, in which a pit, or number of pits, may cause considerable damage to a metal structure, or may penetrate the structure without the metal exhibiting any appreciable loss in weight (it is usually seen on metals that are normally passivated with an oxide film, eg, aluminum alloys, or stainless steels of the nickel-chromium type).

(3) stress-corrosion cracking, in which a metal part exposed simultaneously to a constant tensile stress and specific corroding agent will crack intergranularly (between metal grains) or transgranularly (across metal grains); when stress is cyclic rather than constant, the failure is termed corrosion fatigue.

(4) inter­granular attack, often occurring during (3) but also as a resuh of different potentials between grains and grain boundaries.

(5) dezincifica­tion, in which certain alloys, such as those containing a reactive metaI (Zn) and a more noble metal (Cu), dezincify upon exposure to a p8dim­larly corrosive environment; in gold and silver alloys this is called “parting”. There are also some special forms of corrosion, such – the dissolution of a metal or alloy in a hot fused-salt bath.

Origin of Corrosion
Most commonly, corrosion originates in the baIic tb8modyoamic tendency for metal to react as expressed in terms of the free energy al reaction (see Thermodynamic;). In additian, there are factors that accelerate the corrosion rate.

The free energy of formation of a compound is the free energy for the reaction of the elemental metal with another chemical species also in its elemental state. A negative free energy of formation indicates a tendency for the metal to react; that is, the oxide is stable. A positive free energy of formation indicates that the elemental metal is stable.

Although a large free energy of formation indicates that the formation of the compound is favored thermodynamically, the specific reaction may not go readily because of a high activation energy for the reaction, eg, as in the corrosion of lithium metal by air and its component gases.

A measure of the reaction tendency (free energy) is the electrode potential. A negative potential indicates the strong tendency for the metal to oxidize (corrode). The standard electrode potential refers to the metal in a solution containing its ions at unit activity; but it is altered by the environment (special tables of electrode potentials are required to measure the proper galvanic relationships existing between metals and alloys in a specific environment, eg, seawater); and by polarization or the alteration of the potential as the current flows. In the absence of these complicating effects, the electromotive force of the galvanic cell can be calculated from the expression c.G = – nFEo (c.G is the free energy change for the reaction in kJ (cal), EO is the emf of the cell in volts, n is the number of electrons involved in the oxidation, and F the Faraday, 96.49 kJ/V (23.061 kcal/V». Imposed on this basic thermodynamic tendency for metals to seek their lowest energy level are other sources that lead to accelerated corrosion, eg, galvanic corrosion, often labeled dissimilar metal corrosion.  Corrosion can also be accelerated by differen­tial salt or oxygen concentration cells; by differential temperature cells; by the conjoint action of mechanical forces with chemical ones (eg, fretting corrosion, which arises from the relative slippage of surfaces in contact with each other by vibration); and by corrosion fatigue (a metal is stressed in a cyclic manner in the presence of a corrosion environment).

Thermodynamic basis. The thermodynamic data pertinent to the corrosion of metals in aqueous solutions include the potential, the pH dependence of the metal, metal oxide, and metal hydroxide reactions, and complex ions. This data is illustrated with a Pourbaix diagram in which, along with specific data for a given metal, the potential and pH dependence of the hydrogen and oxygen reaction are superimposed.

Electrochemical basis. Corrosion is an electrochemical process rather than a strictly chemical reaction (see also Electrochemical processing). A corroding metal surface is comprised of a large number of local anodes and a large number of local cathodes whose sites may actually shift as the corrosion reaction ensues. Under certain environmental conditions, notably in the absence of chloride ion, some metals can be anodically protected. If the metal is potentiostatically maintained in the proper potential range, it will resist corrosion indefinitely.

Environmental effects. The important environmental factors are the oxygen concentration in the water of the atmosphere, the pH of the electrolyte or the temperature, and the concentrations of various salts in solution in contact with the metal. Chloride ions, ubiquitous in nature, play an important role in corrosion of metals. This role in iron corrosion is theoretically analyzed into oxide film properties, absorption, field effect, catalytic effects, and complex formation. Very often the environ­ment is reflected in the composition of corrosion products, eg, the composition of the green patina formed on copper roofs over a period of years.

Metallurgical Factors
These factors include crystallography, grain size and shape, grain heterogeneity, second phases, impurity inclusions, and residual stress owing to cold work. For example, stainless steels undergo sensitization, a

condition caused by the precipitation of chromium-rich carbides in the p1Iin boundaries, giving rise to chromium-depleted grain-boundary media. Copper alloys respond to residual stresses left from forming which can cause stress-corrosion cracking; also, the presence of the beta pbaE can lead to dezincification (see Copper and copper alloys). Wrought high strength aluminum alloys tend to be highly textured which causes the grains of the primary alpha phase to be flattened and elongated, a

metalurgicai texture that can promote exfoliation corrosion (intergranu­Jar corrosion leading to the leafing-off of uncorroded grain bodies). Nickel alloys sensitize similarly to austenitic stainless steels, becoming vulnerable to intergranular corrosion.

Stress-Corrosion Cracking (SCC)
This is a fracturing process that affects alloys, but not pure metals. It is caused by the conjoint action of corrosion and tensile stress (eg, design operating stress, residual stresses from welding, heat treatment, fit-up, cold-forming, or combinations of these). The path of SCC may be either inter- or transgranular and the damage caused can be grossly out of proportion to the amount of corrosion that has occurred (eg, SCC can initiate fatigue cracks in aircraft fuselage panels, initiate brittle fracture of high strength alloy components, or perforate a condenser tube wall permitting cooling water to contaminate a boiler). Theories of SCC are either mechano-electrochemical, film rupture, embrittlement, adsorption, or periodic electrochemical-mechanical, and many types of macroscopic specimens are currently used to evaluate SCC in various systems (eg, smooth specimens such as Brinell impression, Erichsen cup, U-bend, beams, tensile or Coring). In addition, two fundamentally different tests also characterize the SCC response of alloys: one employs a precracked specimen, and the other is known as the constant extension rate test (or constant strain rate test, or slow strain rate test).

Mitigation (by alloy families). Ammoniacal SCC is the most common form of SCC in copper-base alloys. In general, alloys must be selected with the minimum susceptibility to SCC; in addition, one must avoid designs that permit water to accumulate in contact with aluminum, avoid conditions in which salts can concentrate in contact with the aluminum, and use an alloy clad with an anodic coating.

Corrosion-Resistant Materials
At the lower end of the alloying scale are the low alloy steels (iron-base alloys) in which corrosion resistance is based on the protective nature of the surface film, which in turn, is based on the physical and chemical properties of the oxide film. All of the stainless steels, and several copper alloys, offer exceptional improvement in all sorts of atmospheric condi­tions; they depend for their corrosion resistance on the formation of a passive film, and are thus susceptible to pitting.

Corrosion Inhibitors : These are materials that interact with the metal surface to prevent corrosion.
corrosion inhibitor

Inorganic inhibitors:
These inhibitors are subclassified into passiva­tors, those that can function without oxygen, eg, chromate and nitrate, and those that require oxygen, eg, sodium phosphates, silicates, and borates. Inhibitors may also be classified in terms of their mechanisms; those that function by influencing the anodic side of the electrochemical corrosion cell, eg, chromates, nitrites, silicates, phosphates, and borates, and the cathodic inhibitors, eg, calcium poly phosphate. To inhibit corro­sion in cooling waters, poly phosphates, nitrites, and chromates have been used. Concentrations required for inhibition depend on the presence or absence of chloride ion, the temperature, and the movement of the corroding solution. Usually, the effective concentration for inorganic inhibition falls in the range of several hundred ppm. With respect to the oxidizing anions, there exists a critical concentration.

Organic inhibitor compounds. These inhibitors must be adsorbed, but the type of adsorption bond varies with the electrochemical con­figuration of the molecule. The main types involve electrostatic adsorp­tion (eg, aniline, pyridine, and benzoic acid); chemisorption (eg, nitrogen or sulfur heterocycles, benzotriazole and butylamine); and ‘IT-bond (de­localized electron) adsorption. The concentration generally needed is substantially higher than that required for the inorganic inhibitors such as the chromates.

Vapor-phase inhibitors. These are volatile compounds containing one or more functional groups capable of inhibiting corrosion. To be effec­tive, the inhibitor must contain certain functional groups, have a vapor pressure above a minimum value, and be adsorbed on the metal surface.

Some classes of successful compounds include the amine salts with nitrous or chromic acids; with carbonic, carbamic, acetic and substituted or unsubstituted benzoic acids; organic esters of nitrous, phthalic, or carbonic acids; aliphatic amines; cycloaliphatic and aromatic amines; polymethyleneamines; mixtures of nitrites with urea; nitrobenzene. Di­cyclohexylamine nitrate has been used commercially for many years. A large number of commercial inhibitors are available.

Coatings for Protection Against Corrosion
These are characterized by the temperature at which they are applied, (eg, hot dip coatings using molten metal, zinc or aluminum); whether or not they require electrical current for deposition, (eg, cadmium and zinc deposits or nickel electroplating); or whether or not they convert the original surface metal to another chemical compound involving the same. metal (eg, phosphate, chromate, and sprayed coatings

Corrosion Testing
Corrosion tests are either laboratory tests, which are usually intended to be accelerated tests, or field and service tests, which are designed to reproduce actual conditions.

Corrosion Cathodic Protection Books

Introduction to Cathodic Protection
Download


Cathodic Protection 12.4 MB
Download


Cathodic Protection 578 KB
Download


Cathodic Protection Manual
Download


Cathodic Protection Systems for Underground Pipelines
Download


Impressed Current Cathodic Protection from NACE
Download


Beginners Guide to Corrosion
download


Pipeline corrosion & Cathodic Protection
Download


Cathodic Protection Maintenance
Download


Study of Welding and Cathodic Protection of Gas Pipeline
download


Cathodic Protection Drawings  33.4 MB
Download


Corrosion in Petrochemical Industry Full
Download


 

Cathodic Protection Arabic
Download


Cathodic Protection Final
Download


Cathodic Protection – Design & Monitoring
download


Cathodic Protection Overview
Download


Corrosion Engineering
download


the Effects and Economic Impacts of Corrosion
Download Link


Corrosion in Oil Industry
Download Link


Corrosion – ASM Handbook Vol.13
Download


Corrosion Monitoring in Oil and Gas Industry
Download Link


Basics of Corrosion Control
Download Link


Beginners Guide to Corrosion
Download Link


Fundamentals of Corrosion
Download


 

NACE Cathodic Protection Courses
Download


 

Principle and Prevention of Corrosion
Download


Corrosion Fundamentals Testing and Protection
Download


Cathodic Protection of Onshore Well Casings
Download


 

Practical Approach to Cathodic Protection
Download


CASTI Practical Guide to Corrosion Control
Download


Corrosion Control of Steel Offshore Structures from NACE
Download


Nace Basic Corrosion
Download


Corrosion Handbook
Download


Corrosión – Spanish
download


Corrosion Protection
Download


Corrosion of Metals pdf
Download


Corrosion PowerPoint
Download


Corrosion Lecture  8 MB
Download


In Situ  X-ray Micro-tomography Study of Pitting Corrosion in Stainless Steel
Download


Corrosion on Oil and Gas Equiment
Download


Corrosion and Corrosion Protection
Download


Study of Welding and Cathodic Protection of Gas Pipeline
Download


Mechanism of Iron Corrosion
Download


Corrosion Under Insulation Guideline
Download


Science of Corrosion
Download


Basic Corrosion and Cathodic Protection
Download


Electrochemistry and Corrosion Science
Download


Handbook of Electrochemistry
Download


Fundamentals of Electrochemistry
Download


Electrochemistry Principles, Methods, and Applications
Download


the Electrochemistry and Metallic Corrosion
Download


Oilfield Corrosion
Download


Fundamentals of Corrosion
Download


Guidance for the Corrosion Protection and Coating Systems
Download


Corrosion Protection using Corrosion Inhibitors
Download


Corrosion Science
Download


Corrosion Inhibitors
Download


Application of corrosion inhibitors in Acidic Media for Oil and Gas Industry
Download


Corrosion Protection using Corrosion Inhibitors
Download


Corrosion Resistant Linings and Coatings
Download Link


Corrosion in Pipes
Download Link


Corrosion Control
Download Link


Corrosion Control in Refining Industry – NACE

Download

Cathodic Protection

Cathodic Protection

الحماية الكاثودية

Cathodic Protection


الحماية الكاثودية هي طريقة لمنع التآكل والصدأ عن الأسطح الخارجية للمعدات المعدنية الحديدية المدفونة أو المغمورة بالماء بجعلها أقطاب سالبة من دائرة كهربائية.
تستعمل الحماية الكاثودية لحماية خطوط الأنابيب الفولاذية و الخزانات و الهياكل الفولاذية و السفن وأرصفة تحميل النفط البعيدة عن الشواطئ والبطانات المعدنية لأبار النفط. وذلك بجعل الجسم المعدني المطلوب حمايته من التآكل كاثود سالب بالنسبة للتربة المحيطة / الألكترولايت المحيط وبمرور التيار الكهربائي من القطب الموجب (الأنود) عبر التربة / الألكترولايت المحيط بالجسم الفولاذي المدفون ليكمل الدائرة الكهربائية وبذلك يحمي معدن الفولاذ من التآكل.

نظرة تأريخية :

أن أول أستخدام لهذه الطريقة كان من قبل السير همفري دافي عام 1820 م ، وتم أستعمال طريقته من قبل البحرية الملكية كوسيلة للسيطرة على التآكل في السفن البحرية البريطانية.  من خلال التقصي عن تآكل الأغطية النحاسية المستعملة في تغطية الحاويات البحرية ، وقد وجد دافي أن بالأمكان حفظ النحاس في مياه البحر من خلال وضع كميات قليلة من الحديد أو الخارصين. أي أن النحاس سيصيح محمي كاثودياً. ولكن تم التخلي عن هذه الطريقة بسبب تآثر خواص النحاس مما أدى الى تغيير الشكل الأنسيابي للسفن بسبب جمعها للكائنات البحرية.

ولكن التطور السريع الذي حصل في مجال الحماية الكاثودية كان في عام 1945 في الولايات المتحدة الأمريكية ، وقد صممت هذه الطريقة لتتلائم مع متطلبات صناعة النفط والغاز الطبيعي التي كانت في تطور سريع في تلك الفترة ، وقد تم الأستفادة من مزايا أستخدام أنابيب فولاذية رقيقة في الأنابيب المدفونة. حيث أستعمل للسيطرة على تآكل خطوط الأنابيب التي تتعامل مع الهايدروكاربون من نفط خام وغاز ومنتجات نفطية, حيث طبقت الحماية الكاثودية للسيطرة على تآكل خطوط الأنابيب الفولاذية المدفونة.

وفي المملكة المتحدة كانت تستخدم أنابيب حديد الزهر السميكة لحين أستخدام الحماية الكاثودية في الخمسينات من القرن الماضي ، وقد زاد استخدام هذه الطريقة لما لاقته من نجاح باهر في عام 1952 لحماية حوالي 1000 ميل من شبكات أنابيب الوقود ، أما الآن فهي تستخدم على نطاق واسع للأنابيب المدفونة والمغمورة للسيطرة على التآكل.

 

عمليا فأن كلّ خطوط الأنابيب الحديثة مكسوة بمواد عازلة وطلاء وقائي عضوي, والذي يعتبر مكملا لأنظمة الحماية الكاثودية, والتي تقوم بالواقع في حماية الثقوب والخدوش والخلل الموجود أو الحاصل على الطلاء والعازل, فكلما كان العازل جديد وجيد وخالي من العيوب فان تيار الحماية الكاثودية يكون بأقل ما يمكن.

تحتاج حماية الأسطح غير المطلية أو المعزولة إلى كمية كبيرة للتيار كهربائي, من هنا ينصح بعدم جلخ المادة المترسبة والأشنات النامية على سطح المعدن في الخزانات المائية والمنشئات البحرية وقشطها لأنها تعمل كمادة عازلة وتساعد على خفض كمية تيار الحماية اللازم.

 

مباديء الحماية الكاثودية :

أن المعادن تستخلص من خاماتها الأصلية (أوكسيدات المعادن metal oxides أو الجذور الحرة) ، ولديها الميل الطبيعي للعودة الى حالتها الأصلية بفعل الأوكسجين والماء. ويسمى هذا الأمر بـ التآكل وأصدق مثال له هو تآكل الفولاذ.

أن التآكل هو عملية ألكترو – كيمياوية Electro-Chemical Process التي تضمن مرور الشحنات الكهربائية Electrical Currents، حيث أن التغير من الحالة المعدنية الى الحالة المركبة يحدث بواسطة تفاعل آنودي Anodic Reaction :

 

 M المعدنM+ الملح الذائب   + e ألكترون

والمثال الشائع لهذا النوع هو :

Fe     →     Fe++     +      2e

 أن هذا التفاعل يُنتج ألكترونات حرة free electrons التي تعبر خلال المعدن الى موقع آخر من سطح المعدن (الكاثود) والذي سيستهلك بالتفاعل الكاثودي ، أما في المحاليل الحامضية فأن التفاعل الكاثودي يكون كالآتي:

2H+ hydrogen ions in solution  + 2e    H2 (gas)

 وفي المحاليل المتعادلة neutral solutions فأن التفاعل الكاثودي يشمل أستهلاك الأوكسجين المُذاب في المحلول. وكالآتي:

O2     +    2H2O   +     4e-      4OH (alkali)

 وهكذا فأن التفاعل يحصل على الأنود وليس على الكاثود ( مالم يتم مهاجمة الكاثود من قبل المواد القلوية) :

Cathodic Protection

 عند التآكل فأن الآنود والكاثود قد يكونان على معدنين مختلفين ، متصلين ببعضهما ليكونا مزدوجاً ثنائي الفلز ، أو قد يكونان قريبين جداً على سطح المعدن.

أن ما يسبب عملية التآكل هو:

 الفرق في فرق الجهد الكهربائي في المزدوجات ثنائية المعدن ، والتغيرات على حالة المعدن على نقاط مختلفة على السطح والتغيرات المحيطية مثل فرق تركيز الأوكسجين على السطح فالمناطق التي يزيد فيها تركيز الأوكسجين تصبح الكاثود ، أما المناطق التي يكون فيها تركيز الأوكسجين قليلاً سيصبح الأنود.

أن مبدأ الحماية الكاثودية هو ربط آنود خارجي الى المعدن لحمايته ومرور التيار الكهربائي لجعل مساحة المعدن كاثود بالكامل وبالتالي عدم تآكله.

أن الآنود الخارجي قد يكون Galvanic Anode حيث يكون التيار الكهربائي نتيجة لفرق الجهد الكهربائي بين المعدنين ، أو تأثر الآنود الحالي حيث يكون التيار متأثراً من مصدر تيار DC .

وبتعبير آخر ، وبمصطلحات الكيمياء الكهربائية فأن التيار الكهربائي بين المعدن ومحلول الألكترولايت والذي يكون سالباً من خلال تجهيز الألكترونات السالبة التي الحد الذي يقلل تفاعلات الأنود التي تسبب التآكل ويسمح بحدوث التفاعلات الكاثودية فقط. 

يحسب تيار الحماية الوقائي من قبل مهندس الحماية الكاثودية، مستندا بذلك على سلامة طلاء الهيكل المعدني ومقاومة عزله والمقاومة النوعية للتربة وكمية التيار وفرق الجهد الكهربائي المطلوبة توفيره من المحول الكهربائي طوال العمر التشغيلي للتركيب الفولاذي المراد حمايته.

 

نظام الحماية الكاثودية الجيد يحمي التركيب بدون التسبّب بتطور وتكون هيدروجين الذي قد يسبّب بتلف الترابط والتلاصق بين الهيكل المعدني والطلاء/ العازل نتيجة لضغط الهيدروجين المتكون, تلافيا لتجمع كميات كبيرة من الهيدروجين على سطح الأنبوب يتولد عنه ضغط مرتفع فيحدث شقوقا في غلاف الأنبوب ويجب أن لا يزيد فرق الجهد بين أي نقطة على سطح الأنبوب والتربة عن (2.5) فولت.

يمكن جعل الهيكل المعدني كاثود سالب باستخدام أقطاب أنودات التضحية الموجبة Sacrificial Anodes أو بالتيار المسلط من وحدات المحولات/المقومات الحماية الكاثودية CP Transformer Rectifier  

 الحماية الكاثودية باستخدام أقطاب آنودات التضحية  CP by Sacrificial Anode

عموما يلجئ لها في الحماية في المناطق التي بها العديد من الهياكل المعدنية المدفونة (المنفصلة عن بعضها) والمطلوب حمايتها, حيث تقوم كل مجموعة آنودات بحماية الهيكل / الهياكل المعدنية المتصلة بها فقط. 

عندما تكون أقطاب آنودات التضحية مصممة ومصنعة ومختبرة بصورة جيدة وتم ربطها بشكل جيد وصحيح فأنها سوف لن تحتاج لتعديل وتضبيط مستمر طوال العمر التشغيلي الافتراضي للأقطاب, بعدها وعند استهلاكها يتوجب استبدالها بأقطاب أخرى جديدة.

أقطاب آنودات التضحية المثالية لحماية الهياكل المعدنية المدفونة بالتربة هي المصنوعة عادة من المغنيسيوم Magnesium Anode  وتعرف بأقطاب المغنيسيوم للتضحية وبالنسبة للهياكل المعدنية المغمورة أو الغاطسة بمياه البحر فأن آنوداتها تكون عادة من سبائك ألمنيوم / خارصين / غالفالوم / إنديوم Aluminum / Zinc / Galvalum / Indium Alloys .

 الحماية باستخدام التيار الكهربائي المسلط  Impressed Current Cathodic Protection

تستخدم عادة للهياكل المعدنية الكبيرة ولكون توظيف الحماية الكاثودية باستخدام أقطاب آنودات التضحية CP by Sacrificial Anode  يصبح غير اقتصادي لحماية خطوط الأنابيب الطويلة.

لذلك فأنها غالبا ما يستخدم هذا الأسلوب في شبكات خطوط الأنابيب الطويلة والمنشئات الصناعية والنفطية التي تحوي على أعداد كثيرة من الخزانات الكبيرة والهياكل المعدنية المدفونة.

الأنودات المستخدمة في هذا الأسلوب من الحماية قد يكون أسطواني الشكل وعلى شكل قضيب أو سلك أو أنبوب أو على شكل شريط, وموادها يمكن أن تكون مصنوعة من حديد السيليكون المصبوب Silicon-Cast Iron أو خليط أكاسيد معدنية Mixed Metal Oxide أو الكرافايت Graphite أو سبائك المكسية بالبلاتين أو التيتانيوم Platinum or Titanium coated alloys أو حديد الصلب السليكوني Silicon-Cast Iron الأكثر اقتصادا ولكن يتشقق ويتفطر بسهولة مما يستدعي العناية أتناء نصبه ودفنه وأن ينفذ العمل من قبل عمال مهرة ومحترفين ويحسنون استخدام المعدات المناسبة كون هذه الأقطاب ثقيلة الوزن, مع أهمية مراعاتهم بعدم انفصال وكسر وتلف وصلة أسلاك الربط بالأقطاب. وكذلك يمكن استخدام أقطاب أنوديفليكس الأنبوبية المرنة FlexibleAnodeflex tubular anodes  .

فمنظومة حماية مثالية من هذا النوع لغرض حماية خط أنابيب طويل ستتضمن وحدات محولة / مقومة (10-50) أمبير Transformer Rectifier Units  .

 وجهد 50 – 100 فولط كما يكمن توظيف منظومة طاقة شمسية لهذا الغرض.

تكون المسافة المثالية بين الأحواض الأرضية أو محطة وأخرى (25 -50 ) كم.

في حالة استخدام وحدات محولة / مقومة Transformer Rectifier Units ذات قدرات خرج مرتفعة فيجب أن يكون الحوض الأرضي لدفن الأنودات أكثر بعدا عن خط الأنابيب وذلك للحد ولتخفيض الارتفاع الجهد المحتمل قرب خط الأنابيب وأن لا يقل عن 80- 150 متر, وبالنسبة لحماية الخزانات تكون المسافة من 10 – 100 متر, وتحسب المسافة الأقل على أساس واعتبار قيمة مقاومة التربة النوعية.

في أغلب الأحيان لا يكون هناك مسافة كافية من الأرض ضمن المحرمات Right-of-Way (ROW) لتحقيق مثل هذا الشرط فيلجأ عندها إلى استخدام الأحواض الأرضية العميقة Deep Well Ground Beds حيث تكون بعمق 60 متر أو أكثر تدلى بها الأقطاب بأغلفة معدنية 20 -25 سم تحوي Conductive Coke Breeze تدلى داخل غلاف البئر المعدني.

يستخدم الغلاف الفولاذي للبئر المحفورة في التربة لسلامة البئر و عند سكب الفحم Coke Breeze حول الأقطاب لملئ فجوة البئر والتي تنفذ ببطء لتجنب تكون فراغات هوائية, وعند تشغيل المنظومة سيصدأ الغلاف ويتلاشى في النهاية ويصبح جزء من التربة المحيطة.

يعدل خرج وحدة محولة / مقومة Transformer Rectifier Unit من قبل الفني المختص لحده الأمثل المطلوب مستندا على قياسات الكهروكيمياوية و سرعة تجاوب واستكمال استقطاب التربة المحيطة بخط الأنابيب لتأمين جهد الحماية المطلوب.

وحدة محولة / مقومة  Transformer Rectifier Unit

تربط وحدة محولة / مقومة الطاقة الكهربائية ذات التيار المتناوب والتي تعطي كخرج Out Put لها جهد الحماية ذو التيار مستمر اللازم لمنظومة الحماية ذات التيار المسلط.

تصنع وحدات محولة / مقومة حسب الطلب المناسب لحالة منظومة الحماية اللازمة حيث تكون بأحد الأشكال التالية:

. المحولات المقومة ذات التبريد الهوائي Air – Cooled T/R 

. المحولات المقومة ذات التبريد الزيتي Oil – Cooled T/R 

. المحولات المقومة المنيعة على اللهب Explosion Proof T/R 

أو يمكن أن تكون ذات مصادر للطاقة الكهربائية غير تقليدية Special DC – Power Sources 

. وحدات الخلايا الضوئية Solar Power Unit 

. مولدات الكهرباء الحرارية Thermo Electric Generators 

. مولدات الكهرباء الهوائية Wind Generators 

حيث تعتمد فيها فكرة DC / DC للتوليد وكخرج مسيطر عليه بالنسبة لوحدات مولدات الكهرباء الحرارية و مولدات الكهرباء الهوائية وتضاف بطاريات بسعة مناسبة للمنظومات التي تستخدم وحدات الخلايا الضوئية لتغطية الفترة الليلية أو عندما يكون الجو غائم.

تجهز الوحدات عادة بأجهزة القياس رقمية أو تناظرية لتبيان الجهد والتيار.

  نقاط الفحص والعزل للحماية الكاثودية  CP Test Posts and CP Isolation

هي هياكل Structures و أشكال Posts قياسية تحوي على نقاط الفحص ولتوصيل أجهزة الفحص وأسلاك الفحص ولإجراء قياسات الجهد بين الهياكل المعدنية المحمية والتربة المحيطة Structure-To-Soil Potential Measurements , وكذلك لربط أنودات التضحية بالهياكل المعدنية والأنابيب المراد حمايتها كاثوديا.

قد تؤثر كابلات الاختبار و الفحص وتعمل كمسار لتيار الحماية لأجزاء أخرى من شبكات خطوط الأنابيب و الأجسام المعدنية وخصوصا عند Block Valve or Metering Stations حيث يتم عزل المنشئات السطحية عن المنظومة المحمية. 

في خطوط الأنابيب التي تنقل مواد هايدروكاربونة يجب استخدام مانعات للتمور Surge Arrestors تركب عند وصلات العزل Insulating Joints لضمان وتأمين العزل من الانهيار والتلف بسب ضربات الصواعق أو التوصيلات الكهربائية الخاطئة والتيارات العابرة, حيث يؤرض كلا جهتي العزل و الجزء المحمي كاثوديا, ويكون تأريض الجزء المحمي كاثوديا من خلال خلايا استقطاب Polarization Cells  لمنع تيار الحماية المستمر The CP – DC Current من التسرب للأرض.

كذلك تحتاج الخزانات المحمية كاثوديا خلايا استقطاب Polarization Cells تربط بين نقطة التأريض وشبكة الأرضي لضمان عدم تسرب تيار الحماية الكاثودية للخزان من التسرب لشبكة الأرضي.

اعتبارات تصميمية أخرى Other Design Considerations

على المصمم حساب حجم ونوعية و فترة عمر استخدام أقطاب الأنودات وعلى أساس نموذجي 15 -30 سنة من الاستخدام والتشغيل بالنسبة لأسلوب الحماية باستخدام التيار الكهربائي المسلط by Impressed Current Cathodic Protection و 10 – 15 عام بالنسبة لأسلوب الحماية الكاثودية باستخدام أقطاب آنودات التضحية CP Sacrificial Anode .

حساب المسافات بين الأقطاب لضمان منع تآكل طرف توصيل الأقطاب غير الناضج Premature Anode-End Corrosion والذي يؤدي إلى تلف مجموعة الأنودات وإيقاف عملها ووجوب استبدالها لتقطعها وفقدان التوصيل فيها.

تدقيق وتقدير تيار كتلة الفحم Coke Breeze Current Rating ومساحة الاتصال السطحية مع الأقطاب الأنودات لمرور التيار الكافي وضمان مستوى واطئ وثابت لمقاومة حلقة الحماية الكاثودية.

معايير القبول والمقاييس  Measurements and Acceptance Criteria

تقاس الإمكانية الكهروكيمياوية للحماية الكاثودية CP Electrochemical Potential is Measured بواسطة أقطاب مرجعية قياسية Reference Electrodes:مثل:

  1.  

    Copper-copper(II) sulfate electrodes are used for structures in contact with soil or fresh water.

    2. Silver chloride electrodes are suitable for seawater applications (compatible electrolyte).

 


المصادر:

1. مبادئ الحماية الكاثودية/ د. مهند الشيخلي.
2. Cathodic Protection – R.L.Kean, K.G. Davies

Corrosion Part.2

CO2 Corrosion

التآكل – الجزء الثاني


البيئات المحتملة للتآكل Corrosion:

 تقسم البيئات الى 4 أقسام:

 

 1.  بيئة لا تسمح بالتآكل:

     وذلك بغياب الماء المكمني Formation Water أو في الظروف التالية:

        Water + VCO2 <50 μm/y + pH2S < 0.0035 bar

     2. بيئة تحتوي على غاز CO2 .

    في الظروف التالية:

       Water + VCO2 > 50 μm/y + pH2S < 0.0035 bar

 3. بيئة تحتوي على H2S .

      Water + VCO2 < 50 μm/y + pH2S > 0.0035 bar

 4. بيئة تحتوي على كل من CO2 وH2S .

 

     Water + VCO2 > 50 μm/y + pH2S > 0.0035 bar

 التآكل بسبب ثاني أوكسيد الكاربون CO2:

  – أن غاز ثاني أوكسيد الكاربون هو من أكثر العوامل المسببة للتآكل في صناعة النفط والغاز الطبيعي.

  – أنه السبب الرئيسي لتضرر معدات الأنتاج والنقل في الصناعة النفطية.

 

  – أنه العامل الرئيسي الذي يُحدد أستخدام الفولاذ غير القابل للصدأ Stainless Steel .

CO2 Corrosion
CO2 Corrosion

كيفية السيطرة على التآكل الذي يسببه ثاني أوكسيد الكاربون:

 

 – أستخدام الفولاذ غير القابل للصدأ Stainless Steel.
 – أستخدام المواد المانعة للتآكل Corrosion Inhibitors.
 – أستخدام التغليف أو التبطين الداخلي Internal Coating.
 – السيطرة على الدالة الحامضية PH control.

أشكال التآكل الحامضي Sour Corrosion Forms:

 – التفقّع Blistering.
 – التصدّع المستحث بالهيدروجين Hydrogen Induced Cracking HIC.
 – التصدّع التدريجي  Stepwise Cracking SWC.
 – التصدّع الكبريتي الأجهادي Sulphide Stress Cracking SSC

Stress Corrosion Cracking
Stress Corrosion Cracking

  السبائك المقاومة للصدأ Corrosion Resistant Alloys:
– التصدّع الناشيء بسبب الكبريتات
Sulphide Stress Cracking SSC.
–  التصدّع الناشيء بسبب الأجهاد
Stress Corrosion Cracking SCC.

CO2 Corrosion
التآكل الذي يسببه ثاني أوكسيد الكاربون في الأنابيب

حدوث التصدع الناتج بسبب الإجهاد SCC :

 يشترط لحدوث هذا النوع من التآكل وجود العوامل التالية:

    – وجود مادة فعالة.

   – وجود بيئة معينة تساعد على التآكل.

   – إجهاد شد Tensile Stress أعلى من الحد المسموح.

أن البيئة لوحدها لا تستطيع تسبب هذا النوع من التصدعات إلا بوجود التنقر أو الفوالق . وهناك نوعان من هذا التصدع:

 1. الأنحلال الآنودي Ionic Dissolution الذي يحصل في طرف التشقق.

 2. بسبب الهشاشة التي يسببها الهيدروجين.

 

   ميكانيكية أجهاد SCC – الانحلال الآيوني:

    أن العوامل التي تؤدي الى زيادة حساسية المادة في الأنحلال الآيوني هي:

    – زيادة الحرارة.

    – وجود أيونات الكبريت.

    – وجود المواد المؤكسدة مثل الاوكسجين والكبريت الحر.

    – التضرر في الغشاء وانخفاض الدالة الحامضية PH.

    – زيادة الخواص الميكانيكية للمادة مثل الصلابة Hardness.

    كيفية منع الأنحلال الآيوني والسيطرة عليه:

  – تقليل الأجهاد الى الحد المقبول.

  – إزالة العوامل البيئية المُسببة.

  – تغيير السبيكة.

  – نصب منظومات الحماية الكاثودية.

  – إضافة مواد مانعة التآكل Corrosion Inhibitors .

 – التغليف Coating.

كيفية منع هشاشة الهيدروجين والسيطرة عليها:

 تقليل معدل التآكل من خلال تسخين المادة أو تغيير المادة واللحام بعناية.

 

الحماية من التآكل والسيطرة عليه Corrosion Prevention & Corrosion Control

  تقنيات الحماية من التآكل:

 – مراقبة البيئة.

 – الأختيار الصحيح للمواد.

 – أعتماد تقنيات مناسبة الحماية من التآكل.

 – الصيانة الدورية.

 – التصاميم المناسبة.

 

  تقنيات مراقبة التآكل:

 

 – مراقبة السمك بالنسبة للأنابيب والأوعية والخزانات.

 – مراقبة التشققات والأستشعار بها Cracks Detector.

 – مراقبة المقاومة الكهربائية Electrical Resistance.

 إجراءات منع التآكل في مرحلة التصميم :

 

 – اللحام بدلاً من وضع البراغي.

 – مراعاة وضع منظومة تصريف للخزان Tank Drainage System، مع الأخذ بنظر الأعتبار كيفية تنظيفه وصيانته في المستقبل.

 – سهولة أستبدال الأجزاء العاطلة وخاصة في منظومات الضخ Pumping Systems.

 – تجنب الأنحناءات الحادة في ربوطات الأنابيب.

 – أجراء الأختبارات اللازمة مثل الأختبار بالماء Hydrostatic Test.

 – أجراء الصيانة الدورية.

 – تجنب حدوث الأهتزازات في أنابيب المبادلات الحرارية Heat Exchanger pipes’ vibration.

أختيار المواد:

لعل من أهم الأمور أختيار المواد بالشكل الذي يتناسب مع المحيط والمواد المستعملة وكالآتي:

  حامض النتريك : الفولاذ غير القابل للصدأ.

  السوائل القلوية : النيكل – الفولاذ الكاربوني Carbon steel + الأيبوكسي Epoxy.

  حامض الكبريتيك : النحاس المخفف – الفولاذ الكاربوني Carbon steel المركز.

  الهواء الجوي: الألمنيوم – الفولاذ الكاربوني Carbon steel

   الماء المغلي : الأمنيوم والصفيح.

  المحلول المؤكسد (الحار): التيتانيوم Titanium.

  المحيط الذي يسبب التآكل : التيتانيوم Titanium.

 

 حماية سبيكة الكاربون ستيل من التآكل :

 الهواء الجوي: التغليف Organic Coating أو استعمال الزنك.

 الماء النقي : التغليف العضوي أو الرملي.

 منظومات التبريد : مانع التآكل Corrosion Inhibitors .

 الأنابيب داخل مياه البحر : الحماية الكاثودية Cathodic Protection أو التغليف.

 الرمل : الحماية الكاثودية أو التغليف العضوي.

 ماء المعالجة : مانع تكون الأغشية Filming Inhibitors .

 المنصات البحرية offshore platform : الحماية الكاثودية.

 

Corrosion

corrosion

ما هو التآكل

Corrosion


ما هو التآكل Corrosion:

هو عبارة عن تفاعل فيزياوي – كيمياوي مشترك بين المعدن والمحيط مما يؤدي الى حدوث تغييرات وتلف في المعدن.
وهو ظاهرة طبيعية ، يجب السيطرة عليها. وتتأثر بالعديد من العوامل وهي أمر يصعب التنبؤ به ولكن العوامل المؤدية اليها واضحة جداً كما أن آثاره عظيمة ومكلفة.

                                      

آثار التآكل:

  1. آثار مباشرة : التصليح أو الأستبدال.
  2. آثار غير مباشرة: خسارة المنتوج ، أو التأخر في الأنتاج.

 

أضرار التآكل:

  1. الصيانة والتكاليف التشغيلية.
  2. توقف المصنع أو الوحدة الصناعية.
  3. خسارة المنتوج.
  4. مشاكل السلامة.
  5. تلوث المنتوج.

يمكن تجنب التآكل أو تأخيره بالخطوات التالية:

  1. أستكشاف خطر التآكل في المراحل المبكرة وأيقاف تفاعلاته غير المرغوبة.
  2. أختيار المعدن المناسب للبيئة المطلوبة.
  3. توفير / تطوير التغليف مقاوم للصدأ Corrosion Resistant Coating.
  4. تقليل قابلية التآكل التي يسببها المحيط من خلال المعالجة الكيمياوية مثل استخدام مادة مانع التآكل Corrosion Inhibitor.
  5. وضع تصاميم وآليات تقلّل آثار التآكل الى أقصى حد ممكن.

 

الفرق بين التآكل Corrosion والتشقق Crack :

corrosion
corrosion
Crack
Crack

كيف تحدث عملية التآكل؟

  يكون التآكل بالشكل التالي:

المعدن Iron + الأوكسجين Oxygen + الماء Water = حدوث التآكل

 وكما نلاحظ فأن التآكل عبارة عن تفاعل ألكتروكيمياوي ، وهو مجموع لأربع عمليات جزئية. وهي:

  1. تفاعل آنودي Anodic Reaction وكالآتي:
    Fe = Fe+2 + 2e
  1. تفاعل كاثودي Cathodic Reaction وكالآتي:
    O2 + 2H2O + 4e = 4OH

    3. أنتقال الألكترونات الى المعدن.

 4. تدفق التيار خلال الألكتروليت.

 والمخطط التالي يبين الحماية الكاثودية:

معدل التآكل Corrosion Rate :

 ويمكن تحديده بواسطة العملية الأبطأ في العمليات الربعة المذكورة أعلاه. ويمكن إهماله في حالة حدوث أحد الحالات التالية:

 – إذا كانت العملية الآنودية بطيئة.

 – إذا كانت العملية الكاثودية بطيئة لأن الأوكسجين يتشتت ببطء.

 – إذا كانت الموصلية الكهربائية للألكتروليت واطئة.

  أن الظروف المثالية لحدوث التآكل هي أن توازن العملية الكاثودية يجب أن يكون أعلى من توازن العملية الآنودية. وكالآتي:

Eeq,c > Eeq,a

  ولغرض عدم حدوث التآكل يجب أن يكون توازن العملية الكاثودية اقل من توازن العملية الآنودية.

 العملية الكاثودية Cathodic Process :

 – تفاعل الأوكسجين :

O2 + 2H2O + 4e = 4OH

 – تفاعل الهيدروجين :

2H+ + 2e  = H2

– تقليل جزيئات الاوكسجين.

 pitting التآكل الحُفري Pitting Corrosion: 

ينشأ هذا النوع من التآكل بسبب:
– وجود الكلوريدات.
– وجود جزيئات الأوكسجين.
– وجود البكتريا.

 ولمنع هذا النوع من التآكل يجب أتخاذ الخطوات التالية:
1. إزالة الكلوريدات ومؤكسدات مثل الأوكسيجن المذاب من المحيط.
2. تجنب توقف الجريان (الركود) حيث أنه تساعد على تنقر الأنابيب.
3. أستعمل تصميماً مثالياً للتصريف
Drainage.
4. تأكد من الأختيار المناسب للمادة، من حيث نوع السبيكة والمعاملة الحرارية.
5. أستخدام الأضافات
Additives مثل مانع التآكل Corrosion Inhibitor الحاوية على SO42- و NO3 لتقليل التنقّر.
6. أستخدام الحماية الكاثودية والحماية الآنودية.
7. أستخدام معالجة مناسبة للسطوح.

التآكل الصدعي (الفلقي) Crevice Corrosion :

يحدث هذا النوع في البراغي ، حلقات أو O-Ring ، حافات الأنابيب يمكن فهم هذا النوع من التآكل من خلال هذه الصور:

     →  

What is Oxygen Scavenger

Is oxygen corrosive?

Yes. Oxygen is a highly reactive gaseous element. In the presence of steel, the corrosion rate of oxygen doubles for each 30°F rise in temperature. For example, in a boiler system operating at 400 psig and 444°F, the corrosion rate for oxygen is 256 times more reactive than at room temperature.

How does oxygen attack metal surfaces?

Oxygen forms localized corrosion areas referred to as “pits.” This distinctive formation is readily distinguishable from acid attack, caustic gouging or chelate corrosion. Oxygen pits can rapidly “drill” through metal surfaces, leading to metal fatigue and failure.

What is the oxygen corrosion mechanism?

Oxygen corrosion is an electrochemical process similar to a simple battery. Iron dissolves at the anode and releases electrons which are subsequently consumed by oxygen at the cathode. (See Figure below) Pitting is the result of this localized mechanism.

Anode: Fe0 ® Fe+2 + 2e–

Cathode: 2e– + H2O + 1/2O2 ® 2OH–corrosion

Where can oxygen corrosion occur in a boiler system?

Because oxygen is a gas, it will “flash” into the condensate system, turbines, and other steam operated equipment. Every metal surface of the boiler system is vulnerable to oxygen attack.

Why is oxygen corrosion a serious problem?

As oxygen corrodes the boiler metal, it dissolves the iron surface. This weakens the metal site, but more importantly, sends dissolved iron into the boiler. This dissolved iron can deposit onto boiler tubes, causing overheating and tube failure.

How can oxygen corrosion be minimized?

Oxygen control is generally both a mechanical and chemical process. The majority of oxygen in the boiler feedwater is typically reduced to less than 20 parts per billion (ppb) by heating the water to reduce its solubility and releasing it out of the system via venting (deaeration).
Since even very low levels of oxygen will cause corrosion, a chemical scavenger is used to supplement mechanical deaeration to reduce the level to zero.

Can an oxygen scavenger be used if the plant currently does not deaerate the feedwater?

Yes. Oxygen scavengers are effective at high oxygen levels, but mechanical deaeration is more efficient and cost-effective in the long run. Oxygen corrosion cannot be completely inhibited by chemicals alone. There is no real substitute for good mechanical deaeration. Chemicals are most effective when used only to polish a properly operating system.

Should oxygen scavengers be fed with other products?

No. Oxygen scavengers should not be mixed with other chemicals because this may result in a complete loss of product activity. The addition of water to a liquid oxygen scavenger may also result in a loss of product activity.

Dilution water contains oxygen, which is consumed by the scavenger and reduces the overall effectiveness of the product. All liquid oxygen scavengers should be fed neat (undiluted).

What types of sodium sulfite are available?

Sodium sulfite is a highly effective oxygen scavenger and is available in several forms:

Uncatalyzed sulfite — The reaction of sulfite with oxygen is very slow at temperatures below 200°F.

Without a catalyst, it takes up to ten minutes to reduce the oxygen content of water from the saturation point to 70% with sodium sulfite at room temperature. This type of product is recommended only when the application cannot tolerate the presence of a cobalt catalyst (catalyst beds, food applications, etc.).

Catalyzed sulfite — The catalyst, usually a cobalt salt, speeds up the reaction rate of sulfite at low temperatures (<240°F). A fully saturated oxygen solution can be completely deoxygenated in as little as 30 seconds. A potential drawback is that the catalyst can be deactivated or precipitated by improper feed application, such as water dilution or mixing with caustic.

Decharacterized sulfite — This is a term used by the USDA. It refers to specific chemicals which must be removed from sodium sulfite for the product to be USDA and FDA approved. Sulfite which is not decharacterized has the ability to give meat a red or “fresh” appearance.

What are the disadvantages of using sodium sulfite?

Several costly disadvantages are inherent with using sodium sulfite as an oxygen scavenger. These problems occur regardless of whether the sulfite is catalyzed or uncatalyzed.

  • Adds solids to the boiler — Additional solids to the boiler contributes to an increased blowdown requirement. Blowdown is literally “money down the drain.” It is a direct loss
    of energy and increases water treatment costs.
  • Cannot be used for spray attemperation — The solids contribution of sodium sulfite would cause superheater and turbine deposits. Also, since chemical feed must occur
    after the attemperation water take-off point, all equipment upstream of that point would be subject to oxygen corrosion and costly repairs.

Cannot be used at boiler pressures above 900 psig. Sodium sulfite begins to decompose at approximately 600 psig and is complete at 900 psig. The decomposition products are H2S and SO2, both highly corrosive gases, which can cause catalyst poisoning and severe corrosion on steam operating equipment.

What is metal passivation?

Metal passivation has traditionally been considered to be the reduction of hematite to magnetite in iron-based boiler tubes. Actually, it is a process by which bare metal surfaces form a protective oxide film. The passive film is very thin and dense. It is distinguishable from the base metal by the coloration.

In the case of carbon steel, this protective film is magnetite (Fe3O4) and is black in color.

Can oxygen scavengers enhance metal passivation?

Yes. Hydrazine has traditionally shown passivation properties and Nalco has developed several proprietary products which effectively enhance metal passivation.