المصعد الجلفاني

يُعد المصعد الجلفاني ، أو المصعد التضحوي ، المكون الرئيسي لنظام الحماية الكاثودية الجلفانية المستخدم لحماية الهياكل المعدنية المدفونة أو المغمورة من التآكل .

تُصنع هذه الخلايا من سبيكة معدنية ذات جهد "نشط" أعلى ( جهد اختزال أكثر سلبية / جهد أكسدة أكثر إيجابية ) من معدن الهيكل. ويؤدي اختلاف الجهد بين المعدنين إلى تآكل المصعد الجلفاني، ما يجعله "مضحياً" لحماية الهيكل.

باختصار، التآكل هو تفاعل كيميائي يحدث بآلية كهروكيميائية ( تفاعل أكسدة واختزال ). ^{[ 1 ]} أثناء تآكل الحديد أو الفولاذ، يحدث تفاعلان: الأكسدة (المعادلة 1 )، حيث تغادر الإلكترونات المعدن (ويذوب المعدن، أي يحدث فقدان فعلي للمعدن)، والاختزال، حيث تُستخدم الإلكترونات لتحويل الأكسجين والماء إلى أيونات الهيدروكسيد (المعادلة 2 ). ^{[ 2 ]}

${\displaystyle {\ce {Fe -> Fe^2+(aq) + 2e-}}}$

1

${\displaystyle {\ce {O2 + 2 H2O + 4e- -> 4 OH- (aq)}}}$

2

في معظم البيئات، تتحد أيونات الهيدروكسيد وأيونات الحديدوز لتكوين هيدروكسيد الحديدوز ، والذي يصبح في النهاية الصدأ البني المألوف: ^{[ 3 ]}

${\displaystyle {\ce {Fe^2+(aq) + 2OH- (aq) -> Fe(OH)2(s)}}}$

3

مع حدوث التآكل، تحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال، وتتشكل خلايا كهروكيميائية على سطح المعدن، فتصبح بعض المناطق أنودية (أكسدة) وبعضها كاثودية (اختزال). تتدفق الإلكترونات من المناطق الأنودية إلى الإلكتروليت أثناء تآكل المعدن. وعلى العكس، عندما تتدفق الإلكترونات من الإلكتروليت إلى المناطق الكاثودية، يقل معدل التآكل. ^{[ 4 ]} (يكون تدفق الإلكترونات في الاتجاه المعاكس لتدفق التيار الكهربائي ).

يمكن أن يحدث التآكل بأشكال متعددة، ولكن في أبسط صوره، يسير على النحو التالي: مع استمرار تآكل المعدن، تتغير الجهود الكهربائية الموضعية على سطحه، وتتغير المناطق الأنودية والكاثودية وتتحرك. ونتيجة لذلك، في المعادن الحديدية، تتشكل طبقة عامة من الصدأ على كامل السطح، والتي ستستهلك المعدن بالكامل في نهاية المطاف. ^{[ 5 ]}

تعتمد آلية الحماية الكاثودية على منع التآكل عن طريق إضافة معدن آخر (المصعد الجلفاني) ذي سطح أنودي أكبر بكثير، بحيث يتدفق التيار بالكامل من المصعد المُضاف، ويصبح المعدن المراد حمايته كاثوديًا مقارنةً بالمصعد. تبقى تفاعلات الأكسدة على سطح المعدن الرئيسي ممكنة ، ولكنها تُطلق طاقة أقل، وتتطلب طاقة تنشيط أكبر ، أو كليهما، وبالتالي تُصبح غير مُفضلة بشكل كبير، حيث يميل الإلكترونات الحرة إلى سلوك المسار "الأسهل" عبر المصعد الجلفاني. هذا يُوقف الأكسدة فعليًا على السطح الهيكلي المحمي عن طريق نقلها إلى المصعد، الذي سيُضحى به بمرور الوقت. ^{[ 6 ]} تستفيد هذه الآلية من الاستقرار المنخفض نسبيًا للمغنيسيوم والألومنيوم والزنك؛ فهي تذوب بدلًا من الحديد لأن روابطها أضعف مقارنةً بالحديد، الذي يرتبط بقوة عبر مداراته d غير المكتملة.

لكي تعمل هذه الحماية، يجب أن يكون هناك مسار إلكتروني بين المصعد والمعدن المراد حمايته (مثل سلك أو اتصال مباشر) ومسار أيوني بين كل من العامل المؤكسد (مثل الأكسجين والماء أو التربة الرطبة) والمصعد، وبين العامل المؤكسد والمعدن المراد حمايته، مما يشكل دائرة مغلقة؛ لذلك فإن مجرد تثبيت قطعة من معدن نشط مثل الزنك على معدن أقل نشاطًا، مثل الفولاذ الطري، في الهواء (موصل أيوني ضعيف) لن يوفر أي حماية.

تُستخدم ثلاثة معادن رئيسية كأقطاب جلفانية: المغنيسيوم والألومنيوم والزنك . وتتوفر جميعها على شكل كتل أو قضبان أو صفائح أو شرائط مبثوقة. ولكل مادة مزاياها وعيوبها .

يتميز المغنيسيوم بأكثر جهد كهربائي سالب بين العناصر الثلاثة (انظر السلسلة الجلفانية )، وهو أكثر ملاءمة للمناطق ذات المقاومة الكهربائية العالية للإلكتروليت (التربة أو الماء). ويُستخدم عادةً في خطوط الأنابيب البرية وغيرها من المنشآت المدفونة، على الرغم من استخدامه أيضًا في القوارب في المياه العذبة وفي سخانات المياه. في بعض الحالات، قد يكون الجهد السالب للمغنيسيوم عيبًا: فإذا أصبح جهد المعدن المحمي سالبًا جدًا، فقد يؤدي اختزال الماء أو البروتونات المذابة إلى إطلاق ذرات هيدروجين على سطح الكاثود ، على سبيل المثال وفقًا لـ

${\displaystyle {\ce {2 H2O + 2e- -> 2H + 2OH- (aq)}}}$

4

مما يؤدي إلى هشاشة الهيدروجين أو انفصال الطلاء. ^{[ 7 ] [ 8 ]} وعند وجود هذا الأمر، يمكن استخدام أنودات الزنك. وتُستخدم سبيكة من الألومنيوم والزنك والقصدير تُسمى KA90 بشكل شائع في التطبيقات البحرية وسخانات المياه. ^{[ 9 ]}

يُستخدم الزنك والألومنيوم عمومًا في المياه المالحة، حيث تكون المقاومة الكهربائية أقل، ويذوب المغنيسيوم بسرعة نسبية نتيجة تفاعله مع الماء مصحوبًا بانطلاق غاز الهيدروجين (التآكل الذاتي). تشمل الاستخدامات الشائعة هياكل السفن والقوارب، وخطوط الأنابيب البحرية ومنصات الإنتاج، ومحركات السفن المبردة بالمياه المالحة، ومراوح ودفات القوارب الصغيرة، والسطح الداخلي لخزانات التخزين.

يُعتبر الزنك مادةً موثوقة، ولكنه غير مناسب للاستخدام في درجات الحرارة العالية، إذ يميل إلى التخميل (حيث تحمي طبقة الأكسيد المتكونة من المزيد من الأكسدة)؛ وفي حال حدوث ذلك، قد يتوقف تدفق التيار ويتوقف المصعد عن العمل. ^{[ 10 ]} يتميز الزنك بجهد تشغيل منخفض نسبيًا، مما يعني أنه في التربة أو المياه ذات المقاومة العالية، قد لا يتمكن من توفير تيار كافٍ. مع ذلك، في بعض الظروف - حيث يوجد خطر التقصف الهيدروجيني ، على سبيل المثال - يُعد هذا الجهد المنخفض مفيدًا، إذ يُجنّب الحماية الزائدة. ^{[ 11 ]}

تتميز مصاعد الألومنيوم بعدة مزايا، منها خفة وزنها وسعتها العالية مقارنةً بالزنك. مع ذلك، لا يُعتبر سلوكها الكهروكيميائي موثوقًا كالزنك، لذا يجب توخي الحذر الشديد عند استخدامها. تتخمل مصاعد الألومنيوم عندما يقل تركيز الكلوريد عن 1446 جزءًا في المليون . ^{[ 12 ]}

من عيوب الألومنيوم أنه إذا اصطدم بسطح صدئ، فقد تتولد شرارة كبيرة من الثرميت ، لذا فإن استخدامه محدود في الخزانات التي قد تحتوي على أجواء قابلة للاشتعال وهناك خطر سقوط المصعد. ^{[ 8 ]}

بما أن عمل المصعد الجلفاني يعتمد على فرق الجهد الكهربائي بين المصعد والمهبط، فإنه يمكن استخدام أي معدن تقريبًا لحماية معدن آخر، شريطة وجود فرق كافٍ في الجهد. على سبيل المثال، يمكن استخدام مصاعد الحديد لحماية النحاس. ^{[ 13 ]}

ينبغي أن يأخذ تصميم نظام الحماية الكاثودية للأنود الجلفاني في الاعتبار العديد من العوامل، بما في ذلك نوع الهيكل، ومقاومة الإلكتروليت (التربة أو الماء) الذي سيعمل فيه، ونوع الطلاء، وعمر الخدمة.

تتمثل الحسابات الأساسية في تحديد كمية مادة الأنود اللازمة لحماية الهيكل للمدة المطلوبة. قد توفر كمية قليلة جدًا من المادة حماية مؤقتة، ولكنها تتطلب استبدالًا دوريًا. أما الكمية الزائدة فتُوفر حماية بتكلفة غير ضرورية. تُحسب الكتلة بالكيلوغرامات باستخدام المعادلة ( 5 ). ^{[ 14 ]}

• العمر التصميمي بالسنوات (سنة واحدة = 8760 ساعة).
• يُعدّ عامل الاستخدام (UF) للمصعد قيمة ثابتة، تعتمد على شكل المصعد وطريقة تثبيته، وهو ما يُشير إلى مقدار استهلاك المصعد قبل أن يفقد فعاليته. تشير قيمة 0.8 إلى إمكانية استهلاك 80% من المصعد قبل استبداله. يبلغ عامل الاستخدام للمصعد الطويل النحيف المُثبّت على قواعد لإبعاده عن الهيكل 0.9، بينما يبلغ عامل الاستخدام للمصعد القصير المُثبّت بشكل مُسطّح 0.8. ^{[ 14 ]}
• تُشير سعة المصعد إلى كمية المادة المستهلكة مع مرور الوقت نتيجة تدفق التيار. تبلغ قيمة سعة الزنك في مياه البحر 780  أمبير/كجم، بينما تبلغ سعة الألومنيوم 2000  أمبير/كجم، ^{[ 14 ]} مما يعكس انخفاض الكتلة الذرية للألومنيوم، ويعني نظريًا أن الألومنيوم قادر على إنتاج تيار كهربائي أكبر بكثير لكل وحدة وزن مقارنةً بالزنك قبل أن ينضب، وهذا أحد العوامل التي يجب مراعاتها عند اختيار مادة معينة.

تتناسب كمية التيار المطلوبة تناسباً طردياً مع مساحة سطح المعدن المعرض للتربة أو الماء، لذا فإن تطبيق طبقة طلاء يقلل بشكل كبير من كتلة مادة الأنود المطلوبة. وكلما كانت طبقة الطلاء أفضل، قلّت كمية مادة الأنود المطلوبة.

بمجرد معرفة كتلة المادة المطلوبة، يتم اختيار نوع المصعد المناسب. تختلف مقاومة المصاعد ذات الأشكال المختلفة للأرض، مما يؤثر على مقدار التيار الناتج، لذا تُحسب مقاومة المصعد لضمان توفر تيار كافٍ. إذا كانت مقاومة المصعد مرتفعة جدًا، يُختار مصعد ذو شكل أو حجم مختلف، أو يجب استخدام عدد أكبر من المصاعد. ^{[ 14 ]}

يُخطط ترتيب المصاعد بحيث يوفر توزيعًا متساويًا للتيار على كامل الهيكل. على سبيل المثال، إذا أظهر تصميم معين أن خط أنابيب بطول 10 كيلومترات (6.2 ميل) يحتاج إلى 10 مصاعد، فإن وضع مصعد واحد لكل كيلومتر تقريبًا سيكون أكثر فعالية من وضع جميع المصاعد العشرة في طرف واحد أو في المنتصف. 

بما أن مواد الأنود المستخدمة أغلى ثمناً من الحديد عموماً، فقد لا تبدو هذه الطريقة لحماية الهياكل المعدنية الحديدية فعّالة من حيث التكلفة. مع ذلك، ينبغي مراعاة تكاليف إصلاح الهيكل المتآكل أو استبدال خط أنابيب أو خزان فولاذي نتيجة تضرر سلامته الهيكلية بسبب التآكل.

مع ذلك، هناك حدٌّ لفعالية نظام الحماية الكهروكيميائية من حيث التكلفة. ففي المنشآت الكبيرة، كخطوط الأنابيب الطويلة، قد يلزم عدد كبير من المصاعد، ما يجعل تركيب نظام الحماية الكاثودية بالتيار المفروض أكثر فعالية من حيث التكلفة .

تتمثل الطريقة الأساسية في إنتاج الأنودات التضحية من خلال عملية الصب. ومع ذلك، يمكن تمييز طريقتين للصب. ^{[ 15 ]}

تُعدّ عملية صب القوالب بالضغط العالي لإنتاج الأنودات التضحية شائعة الاستخدام، وهي عملية آلية بالكامل. ولضمان موثوقية عملية التصنيع وتكرارها، يلزم تعديل سبيكة الأنود التضحية المُعالجة. وبدلاً من ذلك، تُستخدم عملية الصب بالجاذبية لإنتاج الأنودات التضحية، وتُنفّذ هذه العملية يدويًا أو آليًا جزئيًا. ولا يتطلب الأمر تعديل السبيكة لتناسب عملية التصنيع، بل تُصمّم لتوفير حماية مثالية من التآكل بنسبة 100%.

• التآكل الجلفاني

• أ. و. بيبودي، مكافحة تآكل خطوط الأنابيب، الطبعة الثانية، 2001، الرابطة الوطنية لمهندسي التآكل (NACE International). رقم ISBN 1-57590-092-0
• شرير إل إل وآخرون، التآكل، المجلد 2، الطبعة الثالثة، 1994، رقم ISBN 0-7506-1077-8
• بيكمان، شوينك، برينز. دليل الحماية من التآكل الكاثودي، الطبعة الثالثة. 1997. ردمك 0-88415-056-9
• الممارسة الموصى بها من قبل مؤسسة ديت نورسك فيريتاس لتصميم الحماية الكاثودية "DNV RP-B401-2005" (ملف PDF) . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 23-03-2021.

https://www.youtube.com/watch?v=kRh5r_7alf4