لخّصلي

التأكل والحماية الكاثودية

الاســـــــــــــــم : احسان محسن عمران
العنوان الوظيفي : رئيس مهندســــــــــين
الرقـــــم الوظيفي : 646385
الاختصـــــــاص : كهربـــــــــــــــــــــــاء
القســـــــــــــــــم : قسم إدارة المشـــــاريع
الهـــــــــــــــــيأة : هيأة المشـــــــــــــاريع

قائمة المحتويات
1- المقدمة
2- الهدف
3- التأكل ومنع التأكل
4- مقدمة في الحماية الكاثودية
5- أنواع أنظمة الحماية الكاثودية
5.1- النظام الكلفاني
5.2- أنظمة التيار المسلط
6- تصميم الحماية الكاثودية
6.1- الأبعاد المادية للهيكل المطلوب حمايته
6.2- رسم الهيكل المطلوب حمايته
6.3- العزل الكهربائي
6.4- الدوائر قصيرة
6.5- تاريخ تأكل الهياكل في المنطقة
6.6- مسح مقاومة الكهربائية
7- معيار المستخدم في الحماية الكاثودية
7.1- الحماية الكاثودية 1API 65 لخزانات البترول فوق الارض
7.2- الحماية الكاثودية لخزانات تخزين البترول تحت الارض وانظمة الانابيب المدفونة
7.3- فحص الخزان واصلاحه وتعديله وإعادة بنائه API 653
الهياكل الخرسانية المسلحة EN ISO 9223 معيار -7.4 EN
8- تأثير الحماية الكاثودية على تآكل خطوط الانابيب الفولاذ تحت الطلاء المفكك
9- هداف الحماية الكاثودية في حقول النفط
الجدوى الاقتصادية من استخدام الحماية الكاثودية- 11
10- تنفيذ الحماية الكاثودية في حقول النفط
12- الابتكارات والتطورات في الحماية الكاثودية
13-التوافق مع اللوائح
14-التبني العالمي للحماية الكاثودية
-15 الاستنتاجات والتوصيات
16 - الملخص والنتائج

(Introduction ) المقدمة .1
التآكل هو عملية كهروكيميائية يترك فيها التيار هيكلاً في موقع القطب الموجب ويمر عبر إلكترونية ويعيد دخول الهيكل في موقع الكاثود. على سبيل المثال قد يكون قسم واحد صغير من خط الأنابيب مصنوعا
(موجب الشحنة) لأنه موجود في تربة ذات مقاومة منخفضة مقارنة ببقية الخط. سيترك التيار خط الأنابيب في موقع الأنود هذا ويمر عبر التربة ، ويعيد الدخول إلى خط الأنابيب في موقع الكاثود (سالب الشحنة). يتدفق التيار بسبب اختلاف محتمل بين الأنود والكاثود. أي أن جهد الأنود أكثر سلبية من جهد الكاثود وهذا الاختلاف هو القوة الدافعة لتيار التآكل. يُطلق على النظام الكلي - الأنود والكاثود والإلكترونية والوصلة المعدنية بين الأنود والكاثود خلية تآكل. الشكل رقم 1 يوضح التأكل واختلاف القطبية.

شكل ( 1 )

2.الهدف-:
الحماية الكاثودية هي إجراء يتم اتباعه لحماية الهياكل المعدنية الحديدية والأنابيب من التآكل جراء تعرض سطوحها إلى تماس مع التربة او مع الماء. تتآكل السطوح الحديدية للهياكل المعدنية والانابيب والمعدات الحديدية عموما عند تماس سطوحها بالتربة او الماء نتيجة لحدوث تفاعلات كيمياوية مصحوبة بسريان الالكترونات ) اي سريان للتيار الكهربائي( لذا يمكن القول بأن عملية التآكل هي عملية كهروكيميائية تؤدي بالنتيجة إلى فقدان اجزاء من معدن الحديد وبالتالي تآكل السطح المعرض للتربة او الماء او حتى المعرض للجو الرطب حيث تتكون خلية كلفانية. الخلية الكلفانية لو قمنا بغمس قطبين من معدنين مختلفين مثل الزنك و النحاس مثلا في محلول موصل للكهرباء وربطنا بينهما بسلك فأنه يتولد عن ذلك تيار كهربائي يسري من الزنك إلى النحاس داخل المحلول ويكمل دورته خلال السلك الواصل بينهما . تعرف هذه الخلية الكهربائية باسم خلية كلفاني نسبة إلى مكتشفها العالم الإيطالي كلفاني. يسمى القطب الذي يخرج منه التيار إلى المحلول "أنود"، ويسمى القطب الذي يستقبل التيار "كاثود"، ويترتب على سريان التيار في الخلية حدوث تأكل على الأنود بينما يبقى الكاثود سليما ويترسب على سطحه طبقة خفيفة من الهيدروجين لو بقيت على سطحه لأحدثت استقطابا في الخلية تتلاشى معه شدة التيار في الخلية ومن ثم تتوقف عملية التآكل ولكن تحدث عند الكاثود تفاعلات كيمياوية تمنع مثل هذا الاستقطاب فيستمر سريان التيار في الخلية وتستمر عملية التآكل. تتوقف عملية التآكل على الأنود على ثلاثة عوامل: نوع مادة الأنود. شدة التيار. المدة التي يستمر فيها سريان التيار. مثلا – يتآكل الحديد بمعدل 9 كيلو غرام إذا سرى منه أمبير واحد لمدة عام ).

3. التأكل ومنع التأكل ( Corrosion and corrosion prevention) :
   التآكل مشكلة خطيرة ومكلفة للغاية. وبسبب ذلك ، يمكن أن تنهار المباني والجسور ، وتتحطم خطوط أنابيب النفط ، وتتسرب المواد الكيمياوية في المصانع الكيماوية ، وتغرق السفن. يمكن أن تسبب التلامسات الكهربائية المتآكلة حرائق ومشاكل أخرى ، وقد تؤدي الحقن الطبية المتآكلة إلى تسمم الدم وحدوث امراض خطيرة في جسم الانسان ، وقد تسبب تلوث الهواء في أضرار تآكل للأعمال الفنية في جميع أنحاء العالم. يهدد التآكل في حاويات التخلص من المواد والنفايات المشعة التي يجب تخزينها في حاويات لعشرات الآلاف من السنين الى كوارث كبيرة شكل ( 2).
   تنتج أكثر أنواع التآكل شيوعًا عن التفاعلات الكهروكيميائية. يحدث التآكل العام عندما تتأكسد معظم الذرات الموجودة على نفس السطح المعدني أو كلها ، مما يؤدي إلى إتلاف السطح بالكامل. تتأكسد معظم المعادن بسهولة و تميل إلى فقدان الإلكترونات للأكسجين (ومواد أخرى) في الهواء أو في الماء. عندما يتم تقليل الأكسجين (اكتساب الإلكترونات) ، فإنه يشكل أكسيداً مع المعدن شكل ( 2)
   عندما يحدث الاختزال والأكسدة على أنواع مختلفة من المعدن في اتصال مع بعضها البعض ، فإن العملية تسمى التآكل الكلفاني. في حالة التآكل الإلكترونية ، الذي يحدث بشكل شائع في المعدات الإلكترونية ، يصبح الماء أو الرطوبة الأخرى محاصرين بين ملامسين كهربائيين يتم تطبيق جهد كهربائي بينهما. والنتيجة هي خلية التحليل الكهربائي غير المقصودة شكل ( 2)

مقدمة في الحماية الكاثودية .4
( An Introduction to Cathodic Protection )

الحماية الكاثودية هي طريقة لتقليل التآكل عن طريق تقليل الاختلاف في الجهد بين القطب الموجب والكاثود. يتم تحقيق ذلك من خلال تطبيق تيار على الهيكل المراد حمايته (مثل خط الأنابيب) من بعض المصادر الخارجية. عندما يتم تطبيق تيار كافٍ سيكون الهيكل بأكمله عند إمكانات واحدة وبالتالي لن توجد مواقع الأنود والكاثود. تستخدم الحماية الكاثودية بشكل شائع في العديد من أنواع الهياكل مثل خطوط الأنابيب وخزانات التخزين تحت الأرض والأقفال ، وهياكل السفن الشكل ( 3 )
هناك نوعان رئيسيان من أنظمة الحماية الكاثودية: التيار الكلفاني والتيار القصري المسلط. الشكل 3 يوضح هذين النوعين. كلا النوعين لهما الأنودات (التي يتدفق منها التيار إلى الإلكترونية) وإلكترونية مستمر من القطب الموجب إلى الهيكل المحمي ووصلة معدنية خارجية (سلك). هذه العناصر ضرورية لجميع أنظمة الحماية الكاثودية الشكل ( 3 )
الشكل ( 3 )

أنواع أنظمة الحماية الكاثودية.5
( Galvanic system ) النظام الكلفاني 5.1
يستخدم نظام الحماية الكاثودية الكلفانية لحماية المعادن المختلفة من التآكل توجد منطقة واحدة من الهيكل بإمكانية سلبية أكثر من غيرها مما يؤدي إلى حدوث تآكل. ومع ذلك إذا تم وضع جسم خامل أقل بكثير (أي مع إمكانات سلبية أكثر بكثير مثل أنود المغنيسيوم) بجوار الهيكل المراد حمايته مثل خط الأنابيب ويتم تثبيت اتصال معدني (سلك معزول) بين الكائن والهيكل سيصبح الجسم او الكائن الجديد هو الأنود وسيصبح الهيكل بأكمله هو الكاثود أي أن الكائن الجديد يتآكل بشكل مضحى لحماية الهيكل كما هو موضح في الشكل (3)
وبالتالي فإن نظام حماية الكاثود الكلفاني يسمى نظام الحماية الكاثودية الأنود الذبيح او المضحي لأن الأنود يتآكل بشكل تضحي لحماية الهيكل. تصنع الأنودات الكلفانية عادة إما من المغنيسيوم أو الزنك بسبب قدرة هذه المعادن العالية مقارنة بالهياكل الفولاذية الشكل [ 1].
هناك العديد من المزايا الهامة لاستخدام الأنودات الكلفانية:
• لا تحتاج الى مصدر طاقة - نظرًا لحقيقة أن تيار الحماية يتم إنشاؤه من خلال التفاعل الكهروكيميائية بين المعادن فلا يلزم توفير مصدر طاقة خارجية.
• يتم تقليل تكلفة التركيب والصيانة - عادةً ما تتمتع الأنودات الكلفانية بميزة عدم طلب انشاء منشاات إضافية او بناية تحتوي المنظومة, حيث يتم تثبيت الأنودات عادةً بالقرب من الهيكل المحمي بمجرد التثبيت لا يتطلب الأمر سوى القليل جداً من الصيانة طوال عمر الأنود. لا يخضع أنود نظام الأنود الكلفاني لنفس درجة العطل الكهربائي أو الميكانيكي مثل تلك الموجودة في نظام التيار القصري المسلط.
• فعال وغير متداخل - يمكن أن ينتج عن ناتج التيار المنخفض نسبياً والموزع بشكل جيد في النظام الكلفاني كثافة تيار أكثر ثباتاً في الهيكل المحمي. هذا يقلل من الحماية والتيار الضائع. يقلل ناتج التيار المنخفض من إمكانية التداخل إلى الحد الأدنى.
تتيح المزايا المذكورة استخدام نظام الحماية الكاثودية الكلفانية بكفاءة في مجموعة متنوعة من التطبيقات مثل:
1- الخزانات وأنابيب المدفونة في الأرض .
2- في المناطق الريفية وفي البحر حيث لا تتوفر الكهرباء.
3- للحماية التكميلية ، مثل معابر خطوط الأنابيب.
4- في المناطق المعزولة المسببة للتآكل (النقاط الساخنة).
5- في المناطق الحضرية ذات الازدحام الشديد حيث يسبب التوزيع الحالي والتداخل مشاكل.
6- على الهياكل المتقطعة كهربائي .
7- أنابيب المغطاة جيداً.
ومع ذلك فإن نظام الأنود الكلفاني لا يخلو من القيود. عادةً ما يكون الاختلاف في إمكانات الأنود والكاثود الذي يتسبب في تدفق تيار الحماية صغيرًا جداً. ينتج عن الاختلاف الضئيل في الجهد أو "القدرة الدافعة" ، نواتج حالية محدودة للغاية ، خاصة في مناطق مقاومة التربة العالية. هذه الحقيقة تحد بشدة من الاستخدام الاقتصادي للنظام الكلفاني على الهياكل الكبيرة والهياكل ضعيفة [ 2 ]

( Impressed current systems ) أنظمة التيار المسلط 5.2
تستخدم أنظمة الحماية الكاثودية للتيار القسري نفس عناصر نظام الحماية الكلفانية ويتم حماية الهيكل فقط عن طريق تطبيق تيار عليه من الأنود. يتم توصيل القطب الموجب والهيكل بواسطة سلك معزول كما هو الحال بالنسبة للنظام الكلفاني. يتدفق التيار من الأنود عبر الإلكترونية إلى الهيكل تمامًا كما هو الحال في النظام الكلفاني. يتمثل الاختلاف الرئيسي بين أنظمة التيار الكلفاني والتيار المسلط في أن النظام الكلفاني يعتمد على الاختلاف في الجهد بين الأنود والهيكل بينما يستخدم نظام التيار المسلط مصدر طاقة خارجياً لقيادة التيار كما هو موضح في الشكل 3. عادةً ما يكون مصدر الطاقة الخارجي عبارة عن مقوم يغير طاقة التيار المتردد المدخلة إلى مستوى طاقة التيار المستمر المناسب. يمكن ضبط المعدل بحيث يمكن الحفاظ على الإخراج المناسب خلال عمر النظام. عادةً ما تكون أنودات نظام الحماية الكاثودية للتيار القسري عبارة عن حديد زهر أو جرافيت عالي السيليكون[3] .
المزايا والقيود لنظام التيار المسلط او القصري هناك العديد من المزايا الهامة لاستخدام أنظمة أنود التيار المسلط[ 6]:
1-سعة خرج تيار غير محدودة - يمكن أن تكون كمية التيار التي يمكن تصميمها في نظام التيار المسلط من بضعة أمبير إلى عدة مئات من الأمبيرات. سيكون مقدار التيار المتاح دالة لعدد الأنودات المقدمة وجهد المعدل وقدرة التيار ومقاومة التربة التي يتم فيها تثبيت الأنودات.
2-سعة الإخراج القابلة للتعديل - يمكن تعديل مخرج مصدر طاقة المعدل بسهولة لاستيعاب التغييرات في مقاومة الدائرة أو المتطلبات الحالية. يمكن تزويدهم بدائرة تحكم أوتوماتيكية للتخلص من الحاجة إلى الضبط اليدوي.
3- انخفاض تكلفة الأمبير لتيار الحماية الكاثودية - يعتبر نظام الأنود الكلفاني أكثر تكلفة بشكل ملحوظ حيث يلزم وجود تيار كبير نسبيا ويقاس بالأمبير بدلاً من ملي أمبير من إجمالي التيار.
هناك العديد من العيوب او المحددات الهامة لاستخدام الحماية الكاثودية بالتيار القسري [ 4].
• تكون أكثر تكلفة إذا كانت هناك حاجة لبضعة مللي أمبير من التيار لحماية هيكل صغير أو مغطى جيداً. عادةً ما يكون للأنظمة الحالية المتدفقة تكلفة أساسية تقدر بعدة آلاف من الدولارات. إذا كانت هناك حاجة إلى عدد قليل من الأنودات الكلفانية لحماية هيكل معين ، فسيكون هذا غالباً الخيار الأكثر اقتصادية [5].
• أنظمة التيار القصري لها تكلفة صيانة أعلى. أنظمة التيار القسري بطبيعتها أكثر عرضة للفشل. يمكن إيقاف تشغيل المفاتيح ويمكن أن تنفجر الصمامات. وبالتالي يحتاج النظام إلى المراقبة بشكل متكرر وقد يتطلب الأمر بعض الإصلاح مرة كل عدة سنوات[ 5].
• قد تؤدي أنظمة التيار القسري إلى حدوث تآكل طائش في الهياكل المجاورة الأخرى. هذه مشكلة محتملة متأصلة في أي نظام تيار متأثر. يمكن تقليل ذلك أحياناً من خلال استخدام تصميمات الأنود الموزعة حيث يتم وضع الأنودات بالقرب من الهياكل المحمية[ 5].

( Cathodic Protection Design ) تصميم الحماية الكاثودية .6
يجب تصميم أنظمة الحماية الكاثودية بعناية ، وتركيبها بشكل صحيح ، والتفتيش عليها من أجل الوظيفة المناسبة ، ومعتمدة لتقديم حماية كافية وصيانتها. تعترف معايير NACE الحالية بالحماية الكافية من خلال ثلاثة معايير أساسية للصلب المعرض لبيئات التربة[ 6]:

–850mVCSE potential criteria with current applied
–850mVCSE polarized potential
–100mV polarization shift criteria

تؤثر التهوية (الأكسجين) والإثارة (السرعة) ودرجة الحرارة ودرجة الحموضة ومساحة السطح والوقت على الاستقطاب والقياسات المحتملة وصلاحية المعايير. عند تصميم أو تقييم نظام الإنتاج الأنظف ، تتضمن أهداف تصميم الإنتاج الأنظف الأساسية ما يلي:
1- توفير كثافة تيار كافية ومستمرة لجميع أجزاء الهيكل بمعايير مقبولة
2- التقليل من تأثيرات التداخل على الهياكل الأخرى
3- توفير المرونة التشغيلية للتغيرات المتوقعة في البيئة والطلاء الواقي وعمر خدمة النظام
4 - الالتزام بالقواعد والمعايير المعمول بها لضمان سلامة العاملين في القطاعين العام والتشغيلي
5- توفير عمر تصميمي لنظام الحماية الكاثودية يتزامن مع العمر التشغيلي للنظام المحمي
6- توفير مرافق الاختبار والمراقبة للتأكد من أن أداء نظام الإنتاج الأنظف يفي بمعايير الصناعة ومعاييرها ولوائحها.

إن تحديد معدل التآكل بشكل مباشر ليس عمومًا عملية بسيطة. في معظم الحالات يتم الاعتماد على طرق غير مباشرة لتقييم نظام الإنتاج الأنظف. الطريقة الرئيسية هي قياس البنية لإمكانات الإلكترونية مقارنة بالمعايير المختارة. يتم قياس أيضًا تيارات النظام كمعامل أداء إضافي. حيث يتم وبشكل روتيني قياس الهيكل لإمكانات الإلكترونية للامتثال لهذه المعايير والتأكد من تلبية أي معايير تنظيمية. يجب أيضًا أن نأخذ في الاعتبار أياً من تلك العوامل التي تؤثر على الاستقطاب والقياسات المحتملة وصلاحية المعايير[ 7].
يتم استخدام الحماية الكاثودية لحماية البنية التحتية الحيوية ، والتي سيكون لكثير منها نتائج كارثية في حالة الفشل:
1- شبكات أنابيب وتوزيع الغاز الطبيعي.
2- انابيب الوقود السائل.
3- أنابيب الأكسجين.
4- أنابيب الحريق الرئيسية وأنابيب الحماية من الحريق تحت الأرض.
5- انابيب مضغوطة من حديد الدكتايل في القواعد الكونكريتية الأرضية .
6- انابيب توزيع الحرارة الأرضية وأنابيب مياه التبريد المدفونة.
7- دعامات الألواح الفولاذية المطروقة في البئات الرطبة والبحرية، دعائم الرصيف ، وغيرها من الهياكل الفولاذية المغمورة.
8- أنظمة الخزانات الأرضية.
الأنظمة الأخرى التي قد تستخدم الحماية الكاثودية:
1- أنظمة المنتجات الخطرة.
2- أنظمة توزيع مياه الشرب.
3- أنظمة توزيع الهواء المضغوط.
4- محطات رفع المجاري.
5- حديد التسليح الخرساني.
يمكن لنظام الحماية الكاثودية المصمم بشكل صحيح في حالة تشغيله وصيانته الى إطالة عمر الهيكل إلى أجل غير مسمى مع استبدال مكونات التالفة لمنظومة الحماية الكاثودية وتعتبر تكاليف الصيانة السنوية والإصلاح الدوري أقل بكثير من الإصلاحات الرئيسية أو استبدال الهياكل نفسها. يعتبر الحد من المسؤولية المحتملة عن الفشل المبكر للمرافق مثل انفجارات خطوط الغاز وتسرب وقود الطائرات أمرًا هائلاً. يعتبر تجنب التكلفة الناجم عن التسرب الذي ينتج عنه غرامات وتنظيف البيئة ومعالجة التربة الملوثة والتخلص منهاجنباً إلى جنب مع الصورة العامة السلبية المرتبطة بها اعتبارًا شاملاً في اختيار واستدامة حل فعال وفعال للإنتاج الأنظف [ 8].
من ناحية أخرى ، قبل تحديد النوع ، التيار الكلفاني أو التيار القسري ، نظام الحماية الكاثودية الذي سيتم استخدامه وقبل تصميم النظام ، يجب جمع بعض البيانات الأولية[ 8].

6.1 الأبعاد المادية للهيكل المطلوب
Physical dimensions of structure to be protected
أحد العناصر المهمة في تصميم نظام الحماية الكاثودية هو الأبعاد المادية للهيكل (على سبيل المثال
، الطول والعرض والارتفاع والقطر). تسُتخدم هذه البيانات لحساب مساحة السطح المراد حمايتها [8]
رسم الهيكل المطلوب حمايته 6.2
( Drawing of structure to be protected )
يجب أن تتضمن رسومات التركيب الأحجام والأشكال ونوع المادة ومواقع أجزاء الهيكل المراد
حمايته[ 8].

العزل الكهربائية 6.3

( Electrical isolation)
إذا كان النظام الحماية الكاثودي سيحمي الهيكل فيجب توصيله كهربائياً بالقطب الموجب كما يوضح الشكل رقم 4 في بعض الأحيان يتم عزل أجزاء من هيكل أو نظام كهربائياً عن بعضها البعض بواسطة العوازل على سبيل المثال في نظام توزيع أنابيب الغاز قد يحتوي أنبوب المدخل لكل مبنى على عازل كهربائي لعزل الأنابيب الداخلية عن خط الأنابيب أيضًا يمكن استخدام عازل كهربائي في صمام على طول خط الأنابيب لعزل قسم واحد من النظام كهربائياً عن قسم آخر. نظرًا لأن كل جزء معزول كهربائياً من الهيكل يحتاج إلى حماية كاثودية خاصة به ، يجب تحديد مواقع هذه العوازل شكل ( 4 )
شكل ( 4 )

(Short circuits ) الدوائر قصيرة 6.4

يجب التخلص من جميع الدوائر القصيرة من أنظمة الحماية الكاثودية الحالية والجديدة. يمكن أن تحدث دائرة قصر عندما يتصل أحد أنظمة الأنابيب بآخر مما يتسبب في حدوث تداخل مع نظام الحماية الكاثودية
عند تحديث الأنظمة الحالية ، سيكون التخلص من الدوائر القصيرة خطوة أولى ضرورية[9].
6.5 تاريخ تآكل الهياكل في المنطقة
( Corrosion history of structures in the area )
يمكن أن تكون دراسة تاريخ التآكل في المنطقة مفيدة للغاية عند تصميم نظام الحماية الكاثودية. يجب أن تعزز الدراسة التنبؤات للتآكل لهيكل معين وبيئته بالإضافة إلى ذلك قد تكشف عن ظروف غير طبيعية لا يشتبه في خلاف ذلك. يمكن أن يكون موظفو المرافق مصدرًا جيداً للمعلومات لتاريخ التآكل [10].

( Electrolyte resistivity survey ) مسح مقاومة الإلكترونية 6.6

يتناسب معدل تآكل الهيكل مع مقاومة الإلكترونية. بدون الحماية الكاثودية مع انخفاض مقاومة الإلكترونية ، يسُمح بتدفق المزيد من التيار من الهيكل إلى الإلكترونية ؛ وبالتالي ، فإن الهيكل يتآكل بسرعة أكبر. مع زيادة مقاومة الإلكترونية ينخفض معدل التآكل (الجدول1). يمكن قياس المقاومة إما في المختبر أو في الموقع باستخدام الأدوات المناسبة. سيتم استخدام بيانات المقاومة لحساب أحجام الأنودات والمعدلات المطلوبة في تصميم نظام الحماية الكاثودية[ 10].

جدول رقم (1)

7. معيار المستخدم في الحماية الكاثودية ( Cathodic Protection Standard )
   لغرض الحفاظ على سلامة وتشغيل خطوط أنابيب النفط وخزاناته يجب مراعاة المعايير الدولية في تصميم الحماية الكاثودية ، حيث توجد مجموعة من المعايير ، نرفق بعضها أدناه:

7.1 الحماية الكاثودية API 651 لخزانات البترول فوق الأرض
API 651 Cathodic Protection of Aboveground Petroleum Storage Tanks
تقديم الإجراءات والممارسات لتحقيق السيطرة الفعالة على التآكل على سقوف خزانات التخزين فوق الأرض من خلال استخدام الحماية الكاثودية. يحتوي هذا على أحكام لتطبيق الحماية الكاثودية على خزانات التخزين الموجودة فوق سطح الأرض والجديدة. لا يتم تناول طرق التحكم في التآكل القائمة على التحكم الكيميائي في البيئة أو استخدام الطلاءات الواقية بالتفصيل. عند استخدام الحماية الكاثودية لتطبيقات خزانات التخزين فوق الأرض ، يكون القصد من توفير معلومات وإرشادات خاصة بخزانات التخزين المعدنية فوق الأرض في خدمة المواد الهيدروكربونية . قد تكون بعض الممارسات الموصى بها هنا قابلة للتطبيق أيضًا على الخزانات في الخدمات الأخرى. الغرض منه هو أن يكون بمثابة دليل للأشخاص المهتمين بالحماية الكاثودية. لا يتم توفير تصميمات محددة للحماية الكاثودية. يجب تطوير مثل هذه التصميمات من قبل شخص على دراية تامة بممارسات الحماية الكاثودية لخزانات البترول فوق الأرض. لا يحدد هذا ممارسات محددة لكل موقف لأن الظروف المتنوعة التي يتم فيها تركيب سقوف الخزان تمنع توحيد ممارسات الحماية الكاثودية [ 11].

7.2 الحماية الكاثودية لخزانات تخزين البترول تحت الأرض وأنظمة الأنابيب المدفونة API RP 1632
API RP 1632, Cathodic Protection of Underground Petroleum Storage Tanks and Piping Systems
تغطي هذه المواصفة الموصي بها طريقتين لتوفير الحماية الكاثودية لأنظمة تخزين وتوزيع انابيب البترول الفولاذي المدفون. والغرض منه هو توفير معلومات خاصة بالهياكل الفولاذية المدفونة مثل خزانات تخزين وقود المحركات وأنابيب التوصيل وخزانات زيت النفايات وخزانات زيت التدفئة .
المعلومات المقدمة لمحطات الخدمة لا تنطبق بالضرورة على الخزانات والأنابيب المدفونة المستخدمة لأغراض أخرى. تهدف هذه الممارسة الموصي بها إلى أن تكون بمثابة دليل عام للمصممين والمهندسين المهتمين بالحماية الكاثودية لأنظمة تخزين وتوزيع البترول تحت الأرض. لا يتم توفير تصميمات محددة للحماية الكاثودية. يجب تطوير مثل هذه التصاميم أو تكييفها بواسطة مهندس تآكل مؤهل أو شخص على دراية تامة بممارسات الحماية الكاثودية [ 11].

7.3 فحص الخزان وإصلاحه وتعديله وإعادة بنائه API 653
Tank Inspection, Repair, Adjustment and Rebuild API 653
بالنسبة للخزانات المزودة بحماية كاثودية مثبتة أسفل القاع الحالي يجب مراعاة إزالة الجزء السفلي بالكامل والغطاء الميت غير المستخدم لمنع تدريع تيار الحماية الكاثودية إلى القاع الجديد. إزالة القاع القديم مهم أيضًا في منع التآكل الكلفاني [ API 651] وحيثما يكون ذلك ممكناً ، ينُظر في إزالة القاع القديم بالكامل باستثناء القشرة الميتة غير المستخدمة وما لا يزيد عن 18 عقدة من الحلقة السفلية المتصلة بالغلاف الخارجي .[12]

معيار EN ISO 9223 للهياكل الخرسانية المسلحة
EN ISO 9223 standard for reinforced concrete structures
تحليل الحساسية لحساب معدل التآكل وفقاً للنهج القياسي هناك الكثير من العوامل التي قد تؤثر على موثوقية البناء مثل المتانة وقابلية الخدمة وسلامة البناء أو عناصر أجزائه يعد الضرر الناتج عن التآكل سواء في التسليح من أهم العوامل في الهياكل أو الهياكل الخرسانية المسلحة المصنوعة من الفولاذ الهيكلي. يمكن تحديد ضرر التآكل هذا من خلال المعيار الفعلي EN ISO 9223 حيث يصف هذا المعيار المعادلات التي تسمى وظائف الاستجابة للجرعة لحساب معدل التآكل Corrosion للمواد القياسية مثل الكربون الصلب والزنك وما إلى ذلك. يتم تحديد هذه المعادلات من معدل تآكل العينات تحت تآكل الغلاف الجوي الخارجي بالتعاون مع قياس البيانات المناخية. يتم اخال المعاملات لحساب وظائف الاستجابة للجرعة هي ثاني أكسيد الكبريت ودرجة الحرارة والرطوبة النسبية وأيونات الكلوريد. تركز هذه على حساب معدل تآكل الصلب الكربوني وفقاً لوظيفة الاستجابة للجرعة وتحليلها الحساس للتركيز على المعلمات المختلفة عند ادخال المحددات او المعاملات قد يمثل هذا التباين في ادخال المعاملات للظروف المختلفة التي قد تظهر فيها الإنشاءات في الممارسة العملية قد توفر هذه المعلومات أي من معاملات الإدخال تؤثر بشكل أكبر على معدل التآكل المحسوب وما إذا كانت هناك حاجة لزيادة تركيز شبكة محطة القياس الخاصة بها يمكن أيضًا توفير موقع المحطات الخارجية مع العينات أو اختيار اختبار التآكل المتسارع[ 13]

8. تأثير الحماية الكاثودية على تآكل خطوط الأنابيب الفولاذ تحت الطلاء المفكك
   Effect of cathodic protection on corrosion of CS pipeline steel under disbanded coating

لدراسة تأثير الحماية الكاثودية على تآكل فولاذ خط الأنابيب ذات القياس X70 كدراسة حالة في منطقة الشق تحت الطلاء المتحلل من خلال قياسات الجهد المحلي ودرجة الحموضة في المحلول وتركيز الأكسجين المذاب .
أظهرت النتائج أنه في المرحلة المبكرة من تآكل الفولاذ لا يمكن أن تصل الحماية الكاثودية إلى قاع الشق لحماية الفولاذ من التآكل بسبب القيود الهندسية حيث يحدث تآكل الفولاذ بشكل تفضيلي داخل الشق بسبب فصل التفاعل الأنودي والكاثودي مع استنفاد الأوكسجين المذاب في محلول الشق يتمثل الدور الرئيسي للحماية الكاثودية في التخفيف من التآكل المتسلسل للصلب في الشق تحت الطلاء المتحلل في تعزيز قلوية المحلول المحلي مع زيادة المسافة من المنطقة المفتوحة يلزم وجود استقطاب كاثودي مرتفع لتحقيق مستوى حماية كاثودية مناسبه عند قاع الشق يوجد فرق محتمل دائمًا بين المنطقة المفتوحة والشق الداخلي مما يقلل من فعالية الحماية الكاثودية [14] .

9.أهداف الحماية الكاثودية في حقول النفط
Cathodic Protection Objectives in Oil Fields
• التآكل في خطو ط الأنابيب والهياكل المعدنية: يشكل التآكل تهديدًا كبيرًا لبنية حقول النفط مما يؤدي إلى التسريبات والانفجارات والإصلاحات الباهظة التكلفة تمنع الحماية الكاثودية من التآكل بشكل فعال عن طريق توجيه التيارات الكهربائية لمواجهة التآكل الكلفاني والذي يحدث بسبب وجود معادن مختلفة تتلامس مع إلكترونية مثل التربة أو الماء.
• إطالة عمر خدم ة معدا ت حقول النفط: من خلال تطبيق أنظمة حماية كاثودية فعالة يمكن إطالة العمر المتوقع لمعدات خطوط أنابيب النفط بشكل كبير يؤدي هذا في النهاية إلى تقليل تكاليف الصيانة وإطالة عمر الأصول.
• تقليل مخاطر انسكابا ت النفط والحوادث: يمكن أن يكون لانسكابات النفط الناتجة عن خطوط الأنابيب المأكولة عواقب بيئية ومالية كارثية تلعب الحماية الكاثودية دورًا رئيسيًا في تخفيف مخاطر مثل هذه الحوادث مما يضمن السلامة والاستدامة الشاملة لعمليات حقول النفط.

10.تنفيذ الحماية الكاثودية في حقول النفط
Cathodic Protection Implementation in Oil Fields
يتطلب التنفيذ الناجح للحماية الكاثودية في حقول النفط تخطيطًا وتصميمًا وتركيبًا دقيقًا. وتشمل بعض الاعتبارات الرئيسية ما يلي:
اعتبارا ت التصميم والتركيب: يجب أن يأخذ تصميم نظام الحماية الكاثودية في الاعتبار عوامل مثل مقاومة التربة ومستويات الأس الهيدروجيني وعمق منسوب المياه والظروف البيئية المحددة كما أن تقنيات التثبيت المناسبة واختيار المواد الصحيحة أمران حيويان لفعالية النظام.
• ممارسا ت المراقبة والصيانة: يعُد المراقبة الدورية لأنظمة الحماية الكاثودية أمرًا ضرورياً لضمان فعاليتها المستمرة تساعد تقنيات مثل قياسات الجهد الكاثودية واختبارات مقاومة التربة في تحديد أي مشكلات والسماح باتخاذ إجراءات تصحيحية فورية كما تعتبر الصيانة الدورية بما في ذلك الفحص والإصلاحات واستبدال الأنودات الذبيحة أو مكونات نظام التيار المفروض أمراً بالغ الأهمية.
• حالا ت دراسية للتنفيذات الناجحة: نجح العديد من مشغلي حقول النفط في تنفيذ أنظمة حماية كاثودية على سبيل المثال قامت إحدى شركات النفط الكبرى في الشرق الأوسط بتقليل الحوادث المرتبطة بالتآكل بنسبة 60% بعد تنفيذ نظام حماية كاثودية ذبيحة متقدم وتعمل هذه الحالات الدراسية كمصدر إلهام وأفضل الممارسات للآخرين في الصناعة.

11. 
    

    الجدوى الاقتصادية من استخدام الحماية الكاثودية
    Economic Feasibility of using Cathodic Protection
    في الحقيقة لا توجد احصائية دقيقه لدى شركتنا (شركة نفط البصرة) لتكلفة التأكل في منشاتنا النفطة وعلية فاستعراض تكلفة التأكل يمكن تقسيمها على العمر التشغيلي لمشاتنا النفطية حيث ان معظم طلبياتنا تشترط مطابقة المنشاة لعمر تشغيلي يبلغ 25 سنة .
    يمكن عرض ادناه تكلفة الفاتورة في الولايات المتحدة حيث تبلغ فاتورة تآكل المعادن في الولايات المتحدة أكثر من خمسة مليارات دولار كل عام. يمكن لإجراءات الحماية الكاثودية أن تقضي على الأرجح على أكثر من مليار دولار من هذا التآكل بالنسبة لخطوط الأنابيب تكاليف التآكل سنوياً من 2 إلى 5 بالمائة من الاستثمار الأصلي للمشروع وعن طريق الطلاء المناسب والحماية الكاثودية يمكن تقليل التكاليف العرضية للتآكل من 1 إلى 2 في المائة سنوياً من الاستثمار الأولي نظرً ا لأن الاستثمارات الأولية بلغت مليارات الدولارات ، أصبحت الحماية الكاثودية عاملاً مهمًا في الصورة الاقتصادية الهندسية. تعتبر طرق محاسبة التكاليف السنوية مفيدة لتحليل الحماية الكاثودية واقتصاديات الطلاء يمكن تخفيض التكاليف إلى التعبيرات التي تتضمن متطلبات الحماية والطلاء الكاثودية والتركيبة المثلى المختارة يجب أن يتوقع مهندسو الكهرباء أن الحماية الكاثودية ستحدث وفورات في مناطق التآكل الأخرى تعد معدات محطات الطاقة والكابلات والمحطات الفرعية والأرصفة والسفن وغيرها من المواقف التي تنطوي على معادن ملامسة للتربة والمحاليل مجالات خصبة لتطبيق الحماية الكاثودية والتقنيات الحديثة للتحكم في التآكل[15].

    
    


12. 
    

    الابتكارات والتطورات في الحماية الكاثودية
    Innovations and Developments in Cathodic Protection

    
    

لتحسين فعالية وكفاءة الحماية الكاثودية في حقول النفط تركز جهود البحث والتطوير المستمرة على العديد من المجالات:

1. استخدام مواد متقدم ة للأنودات: يبحث الباحثون عن مواد ذات خصائص أداء محسنة مثل أنودا تأكسدي المعادن المختلطة التي توفر عمرًا افتراضياً وأداءً فائقاً في البيئات المسببة للتآكل.


2. المراقبة عن بعد وتحليلا ت البيانات لإدارة أفضل للحماية الكاثودية: يسمح دمج تقنيا ت المراقبة عن بعد وتحليلا ت البيانات بالمراقبة في الوقت الفعلي والصيانة التنبؤية وتحسين أداء أنظمة الحماية الكاثودية هذا يمكّن من استراتيجيات الوقاية من التآكل الاستباقية ويقلل من المخاطر التشغيلية.


3. جهود البحث والتطوير في تحسين تقنيا ت الطلاء: تهدف التطورات في تقنيا ت الطلاء إلى تحسين المتانة والقدرات الوقائية للطلاءات المطبقة على معدات وبنى حقو ل النفط. هذا لا يحسن مقاومة التآكل فحسب بل يطيل أيضًا عمر الأصول ويزيد من كفاءة العمليات.

13.التوافق مع اللوائح
Regulatory Compliance
يجب أن تتوافق أنظمة الحماية الكاثودية مع معايير السلامة والبيئة المحلية والدولية تتضمن بعض اللوائح الرئيسية ما يلي:
• معايير المعهد الأمريكي للبترول API : تحد د هذ ه المعايير متطلبات التصميم والتركيب والصيانة لأنظمة الحماية الكاثودية.
• اللوائح البيئية : تحدد هذه اللوائح متطلبات معالجة مياه الصرف من أنظمة الحماية الكاثودية.

14.التبني العالمي للحماية الكاثودية
Global Adoption of Cathodic Protection
تسُتخدم الحماية الكاثودية على نطا ق واسع في جميع أنحاء العالم في حقول النفط والغاز تعُد تقنية فعالة من حيث التكلفة وفعالة لمنع التآكل وحماية البنية التحتية لخطوط الأنابيب وضمان سلامة العمليات.

1. 
   

   الابتكارات والتطورات في الحماية الكاثودية:
   Innovations and Developments in Cathodic Protection
   أ. استخدام مواد متطورة للمصاعد:
   • أنودات أكسيد المعادن المختلطة : تتميز بعمر افتراضي أطول وأداء فائق في البيئات المسببة للتآكل.
   • الطلاءات المتقدمة : مقاومة عالية للتآكل وإمكانية الإصلاح الذاتي عمر افتراضي أطول.
   • المواد المركبة : خفيفة الوزن وقوية ومقاومة للتآكل.
   ب. المراقبة عن بعد وتحليل البيانات لتحسين إدارة الحماية الكاثودية:
   • أجهزة استشعار ذكية : مراقبة الجهد الكاثودي ومقاومة التربة في الوقت الفعلي.
   • نظم تحليل البيانات: تحليل البيانات لتحديد نقاط الضعف وتوقع المشكلات.
   • الصيانة التنبؤية : اتخاذ إجراءات وقائية قبل حدوث التآكل.
   ج. جهود البحث والتطوير في تحسين تقنيا ت الطلاء:
   • الطلاءات النانوية: مقاومة عالية للتآكل وخصائص ذاتية التنظيف.
   • الطلاءات القابلة للتحلل: صديقة للبيئة وقابلة لإعادة التدوير.
   • الطلاءات المضادة للبكتيريا: تمنع نمو البكتيريا التي تسبب التآكل.

   
   


2. 
   

   الامتثال والمتطلبات التنظيمية:
   Compliance and Regulatory Requirements:

   
   

أ. المعايير والإرشادات الدولية للحماية الكاثودية في حقول النفط:
• معايير المعهد الأمريكي للبترول API: تحدد متطلبات التصميم والتركيب والصيانة لأنظمة الحماية الكاثودية.
• اللوائح البيئية : تحد د متطلبا ت معالجة ومعالجة مياه الصرف من أنظمة الحماية الكاثودية.
• المعايير الدولية مثل 15589 ISO : تحدد متطلبات أنظمة الحماية الكاثودية في مختلف الصناعات.
ب. عمليا ت التفتيش والتحقق الشائعة:
• الفحوصات الدورية: قياس الجهد الكاثودي ومقاومة التربة.
• التفتيش البصري: البحث عن علاما ت التآكل.
• اختبارات غير مدمرة : تقييم سلامة الهياكل المعدنية.

3. التبني العالمي وقصص النجاح: Global Adoption and Success Stories

أ . نظرة عامة على البلدان التي تطبق استراتيجيا ت فعالة للحماية الكاثودية:
• الولايا ت المتحد ة الأمريكية : رائدة في استخدام الحماية الكاثودية في حقول النفط والغاز.
• النرويج: تطبق معايير صارمة للحماية الكاثودية في حقول النفط البحرية.
• السعودية: تستثمر بشكل كبير في تقنيات الحماية الكاثودية لحماية البنية التحتية لخطوط الأنابيب.
ب. دراسات حالة لشركات نفط حققت نتائج مهمة باستخدام الحماية الكاثودية:
• شركة أرامكو السعودية : خفضت معدل التآكل ل في خطوط الأنابيب بنسبة 80 % باستخدام أنظمة الحماية الكاثودية.
• شركة إكسون موبيل: زاد ت عمر خدمة معدا ت حقو ل النفط بنسبة 20% باستخدام تقنيا ت الطلاء المتقدمة.
• شركة بي بي: قللت من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري بنسبة 5% باستخدام أنظمة الحماية الكاثودية ذات كفاء ة الطاقة.

15. 
    

    الاستنتاجات والتوصيات
    Conclusions and Recommendations
    من خلال ما تم عرضة نلاحظ اهمية الطلاء المناسب والحماية الكاثودية للأنابيب المعدنية لغرض زيادة العمر التشغيلي لمنشاتنا النفطية وتقليل اعمال الصيانة, ان اجراء الصيانة في بعض الحالات يتطلب توقف المنشاة النفطية وما يترتب على هذه التوقف من كلف باهضه وتخلخل في معدلات الانتاج وبالتالي فقدان زبائننا وكذلك التأثير على سمعة الشركة ومصداقيتها واعتماديتها حيث ان الحماية الكاثودية الكلية للمنشاة ضروري للغاية وفي بعض الحالات يمكن اجراء الحماية الجزئية حيث انه أمر مرغوب فيه للغاية في العديد من الحالات التي تنطوي على خطوط رديئة الطلاء او مناطق تركيز للتأكل كذلك تحليل التربة واجراء تقرير التحقيق الجيوتقني للتربة مهم ويجب اخذة بعين الاعتبار عند انشاء الإنشاءات او مد الانابيب كذلك استخدام السبائك المعدنية في تصنيع الانابيب او الخزانات والاوعية الهيدروكربونية التي تكون سماحية التأكل فيها منخفضة او معدومة امر جيد عند انتاج تلك الانابيب او الخزانات او الاوعية يمكن ان نوصي الباحثين المستقبليين في شركتنا في اجراء دراسات وعمل قاعدة بيانات رصينة للمنشآت.

    
    


16. 
    

    الملخص والنتائج :- Summary and Results
    التآكل مشكلة كبيرة في الصناعات البترولية سواء أثناء التنقيب أو التكرير حيث انه يتلف المعدات البترولية مثل الخزانات وحدات الفصل خطوط الأنابيب المضخات الخ.... هذه الورقة تسلط الضوء وتدفع إلى الاهتمام بالمنشئات النفطية وحمايتها من التلف الذي يسببه التآكل من خلال دراسة حالة خزانات المصافي الحماية الكاثودية هي تقنية فعالة للحماية من التآكل تستخدم الخصائص الكهروكيميائية لحماية المعدات يتم تحقيق الحماية بجعل المعدات المراد حمايتها القطب الموجب كاثود للخلية الكهروكيميائية والطرف الأخر هو القطب السالب (الانود) فالحالة التي تمت دراستها لخزان نفط شمل البحث تحديد جميع المواد اللازمة للحماية الكاثودية الداخلية والخارجية لقاع الخزان باستخدام الانودات الألمنيوم كأقطاب مضحية .

    
    

Codes and Standards

API American Petroleum Institute
ASTM American Society for Testing and Materials
ASME American Society of Mechanical Engineers
NACE National Association of Corrosion Engineers
CP Cathodic protection
SSPC Society for Protective Coatings
PH Potential of Hydrogen
ISO International Organization for Standardization
CS Carbon Steel

References
[1] The Electrochemical Society https://www.electrochem.org/corrosion-science, 2021
[2] Introduction to Cathodic Protection, J. Paul Guyer, P.E., R.A., Fellow ASCE, Fellow AEI, 2009.
[3] Research Gate, https://www.researchgate.net/figure.
[4] Korozyon Uzmani Technical, https://www.korozyonuzmani.com.
[5] Whole Building Design Guide, https://www.wbdg.org/ffc/dod/cpc-source/cathodicprotection-knowledge-area.
[6] Cathodic Protection, National Physical Laboratory,
http://www.npl.co.uk/upload/pdf/cathodic_protection_in_practise.pdf
[7] Galvanic Anode Cathodic Protection System Design, Bushmann & Associates, http://www.bushman.cc/pdf/galvanic_anode_system_design.pdf
[8] Impressed Current Cathodic Protection System Design, Bushmann & Associates, http://www.bushman.cc/pdf/impressed_current_system_design.pdf
[9] API 651Cathodic Protection of Aboveground Petroleum Storage Tanks
[10] API RP 1632 Cathodic Protection of Underground Petroleum Storage Tanks and Piping Systems
[11] API 653 Tank Inspection, Repair, Alteration, and Reconstruction
[12] P Kotes, M Strieska and M Brodnan 2018, Published under licence by IOP Publishing Ltd. [13] Corrosion Science Volume 51, Issue 9, September 2009, Pages 2242-2245.
[14] Thorne Derrick International, https://www.powerandcables.com/filoform-cast-resin-cablejoints/cathodic-protection/
[15] Raym. Wainwright, Economic Aspects of Cathodic Protection,
https://meridian.allenpress.com/corrosion/article-abstract/9/2/51/163665/Economic-Aspects-ofCathodic-Protection