Cathodic Protection

การป้องกันการกัดกร่อนโดยระบบแคโทดิก

การป้องกันการกัดกร่อนโดยระบบแคโทดิก คือระบบเพื่อปกป้องวัตถุ เช่นเหล็กที่ฝังอยู่ในดินหรือน้ำจากการกัดกร่อน จะใช้การป้องกันแบบแคโทดิก (Cathodic protection, CP) โดยการจ่ายกระแสไฟตรงไปยังเหล็กเพื่อทำให้ศักย์ไฟฟ้าลดลง ซึ่งศักย์ที่ลดลงนี้จะช่วยชะลอกระบวนการกัดกร่อนได้

ถึงแม้ว่าเหล็กหรือโลหะจะมีจุดด้อยที่มีโอกาสเกิดสนิมได้ แต่คุณสมบัติที่ดี คือความแข็งแรงทนทาน อายุการใช้งานยาวนาน เหมาะกับการนำมาใช้เป็นโครงสร้างหรือชิ้นส่วนสำคัญในงานต่างๆ นิยมใช้กันอยู่กระทั่งปัจจุบัน ดังนั้นการหาวิธีป้องกันสนิม จึงถือว่าเป็นสิ่งที่สำคัญมากกว่าการหาวัสดุใหม่มาใช้เสียอีก

การป้องกันการกัดกร่อนแบบ Cathodic

การป้องกันแบบแคโทดิกทำงานโดยการป้องกันไม่ให้ออกซิเดชัน ซึ่งเป็นสาเหตุของการกัดกร่อน เมื่อโลหะเกิดออกซิเดชัน อะตอมของโลหะจะกลายเป็นออกไซด์
อิเล็กตรอนจะไหลจากตำแหน่งที่มีศักย์ไฟฟ้าสูงไปยังตำแหน่งที่มีศักย์ต่ำกว่า
การป้องกันแบบแคโทดิกจะกำจัดความต่างศักย์นี้ ทำให้กระแสไฟฟ้าไม่สามารถไหลได้ และกระบวนการออกซิเดชันจึงไม่เกิดขึ้น นี่คือวิธีที่ช่วยป้องกันการกัดกร่อน

Sacrificial Anode คือ โลหะกันกร่อน ติดตั้งเข้าไปใกล้กับบริเวณโลหะที่ใช้งานหลัก เพื่อแลกเปลี่ยนประจุให้ส่วนโลหะหลักกลายเป็นแคโทด ส่วนโลหะกันกร่อนจะกลายเป็นแอโนด วิธีนี้เป็นการป้องกันการเกิดสนิมแบบแคโธดิค (Cathodic Protection) ที่ได้ความนิยม เพราะไม่ต้องใช้แหล่งกำเนิดไฟฟ้าจากภายนอก

Sacrifice หมายถึงเสียสละ ดังนั้น Sacrificial Anode หรือโลหะกันกร่อนจะกลายเป็นเหล็กที่ถูกกัดกร่อนแทน โดยปัจจุบันมี Sacrificial Anode ที่นิยมใช้งานอยู่ประมาณ 3 ตัว ด้วยกัน ได้แก่

สังกะสีหรือซิงค์ (Zinc Anode) มีศักย์ไฟฟ้าสูง และความจุกระแสไฟฟ้าต่ำ ค่อนข้างเหมาะกับน้ำทะเล เช่น ผิวใต้ท้องเรือ ท่อน้ำมัน เป็นต้น
อลูมิเนียม (Aluminium Anode) มีศักย์ไฟฟ้าปานกลาง และความจุกระแสไฟฟ้าสูง ค่อนข้างเหมาะกับน้ำทะเลและน้ำกร่อย มักใช้กับเรือที่มีการเดินทางไกล ข้ามน้ำ ข้ามทะเล
แมกนีเซียม (Magnesium Anode) มีศักย์ไฟฟ้าต่ำ และความจุกระแสไฟฟ้าปานกลาง ค่อนข้างเหมาะกับน้ำกร่อย ใต้ดิน

โลหะกันกร่อนแต่ละชนิดที่กล่าวมาจะเหมาะสมต่อการใช้งานที่แตกต่างกันออกไป จะเลือกใช้งานโลหะกันกร่อนชนิดใด ก็จะประเมินโดยขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมที่ใช้งาน

รูปแบบของการป้องกันการกัดกร่อนแบบ Cathodic

แอโนดเสียสละตัวเอง (Self Sacrificial Anodes)

Sacrificial Anodes ชิ้นส่วนโลหะที่เป็นโลหะพื้นฐานจะถูกเชื่อมต่อกับท่อที่ต้องการป้องกัน ชิ้นส่วนนี้ทำหน้าที่เป็นแอโนด โดยปกติจะทำจากสังกะสี อะลูมิเนียม หรือแมกนีเซียม การเชื่อมต่อนี้จะสร้างกระแสไฟฟ้าป้องกันวัตถุเหล็ก โดยแอโนดจะถูกเสียสละแทนท่อเหล็ก

Sacrificial Anodes ใช้แล้วหมดไป เมื่อถูกกัดจนหมดก็ป้องกันอะไรไม่ได้อีก ต้องติดตั้งตัวใหม่เข้าไปแทน แต่มีข้อดีคือแทบไม่ต้องบำรุงรักษา

2. กระแสไฟฟ้าที่จ่ายจากแหล่งภายนอก (Impressed Current)

เป็นกระแสไฟฟ้าที่มาจากแหล่งพลังงานภายนอก ซึ่งระบบนี้เรียกว่า “ระบบการป้องกันแบบแคโทดิกด้วยกระแสไฟฟ้ากระตุ้น” (Impressed Current Cathodic Protection system, ICCP) โดยแหล่งกระแสไฟฟ้าภายนอกมักจะเป็นเครื่องเรียงกระแสไฟฟ้า (Rectifier) ที่ทำงานร่วมกับชิ้นส่วนโลหะพื้นฐาน

ระบบ ICCP นั้นกระแสไฟฟ้าที่ใช้จะมาจากการแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเป็นกระแสตรงด้วย Rectifier ซึ่งระบบนี้จะมีความเหมาะสมในการป้องกันสนิมให้กับโครงสร้างโลหะที่ต้องการกระแสไฟฟ้าปริมาณมาก สภาพแวดล้อมที่มีความต้านทานสูง ปกติจะใช้กับท่อที่ฝังอยู่ใต้ดินเช่นท่อส่งก๊าซ ท่อส่งน้ำมันหรือในในโรงงานปิโตรเคมี จะเป็นท่อใต้ดิน เช่น ท่อน้ำ หล่อเย็น ท่อน้ำดับเพลิง โดยปกติจะมีการเครือบท่อด้วยเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการป้องกันการกัดกร่อน

การประยุกต์ใช้งาน

ป้องกันการกัดกร่อนของท่อส่งก๊าซและน้ำมัน ทั้งในดินและในทะเล
ป้องกันการกัดกร่อนของโครงสร้างเหล็กในคอนกรีต
ป้องกันการกัดกร่อนของเรือและท่าเทียบเรือ
ป้องกันการกัดกร่อนของถังเก็บน้ำมันและสารเคมี

ข้อดี

สามารถป้องกันการกัดกร่อนได้ในสภาวะแวดล้อมที่หลากหลาย
สามารถป้องกันการกัดกร่อนได้แม้ในบริเวณที่สารเคลือบป้องกันชำรุด
สามารถลดค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาและซ่อมแซมโครงสร้างโลหะในระยะยาวได้

ข้อจำกัด

ต้องมีการออกแบบและติดตั้งระบบป้องกันแคโทดิกอย่างถูกต้อง
ต้องมีการตรวจสอบและบำรุงรักษาระบบอย่างสม่ำเสมอ
อาจมีข้อจำกัดในการใช้งานในบางสภาวะแวดล้อม
การป้องกันสนิมแบบแคโทดิก เป็นการป้องกันสนิมโดยการใช้ไฟฟ้ากระแสตรงจากแหล่งกำเนิดภายนอก คือ โลหะกันกร่อน (Sacrificial Anodes) หรือ Rectifier เพื่อบังคับให้ศักย์ไฟฟ้าของโลหะซึ่งปกติจะอยู่ในย่านกัดกร่อน (เกิดสนิม) ลดต่ำลงจนเข้าสู่ย่าน Stable หรือ Immunity ซึ่งจะทำให้โลหะมีความต้านทานต่อการเกิดสนิมแม้จะจุ่มแช่อยู่ในสารกัดกร่อนโดยไม่ได้ทำการเคลือบผิวเลยก็ตาม แต่ปกติแล้วการป้องกันแบบแคโทดิกมักจะใช้ร่วมกับการเคลือบผิวเพื่อลดความสิ้นเปลืองกระแสที่ใช้ในการป้องกันสนิมให้น้อยลง
ระบบการป้องกันสนิมแบบแคโทดิกนั้นสามารถใช้งานได้หลากหลายรูปแบบและหลายสภาวะ เช่น ในน้ำ ในดิน และในคอนกรีตเสริมเหล็ก โดยเฉพาะโลหะกันกร่อน นั้นมีความยืดหยุ่นและสะดวกในการใช้งาน เพราะหลังจากออกแบบและติดตั้งเรียบร้อยแล้ว ก็ไม่จำเป็นต้องมีการบำรุงรักษาเหมือนการใช้ Rectifier และสามารถวางแผนเพื่อเปลี่ยนโลหะกันกร่อนได้ตามวงรอบการใช้งาน สำหรับโลหะที่สามารถใช้เป็นโลหะกันกร่อนได้นั้นสามารถพิจารณาได้จากตารางลำดับชั้นของโลหะ และในปัจจุบันโลหะกันกร่อนที่นิยมใช้งานมีอยู่ 3 ประเภทด้วยกันคือ สังกะสี อลูมิเนียม และแมกนีเซียม

ตัวอย่างวิธีแคโทดิก

โครงสร้างเหล็กที่อยู่ภายใต้น้ำทะเล ปกติจะเป็นแอโนด มีสภาพแวดล้อมรอบๆ เป็นแคโทด มีเกลือทะเลเป็นสารเคมีทำปฏิกิริยา ทำให้เหล็กเสียประจุให้กับน้ำทะเล และภายในเนื้อเหล็กเองที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบแต่ดันมีประจุไฟฟ้ามากกว่าเหล็กทั้งชิ้นทำให้เกิดโอกาสกัดกร่อนในตัวเองได้อยู่แล้ว ยิ่งนำไปไว้ใต้น้ำหรือน้ำทะเลที่เป็นตัวนำไฟฟ้ายิ่งเกิดการถ่ายประจุระหว่างเหล็กกับคาร์บอนจนเกิดการกร่อน เพราะฉะนั้นจะต้องหาตัวช่วยเพื่อให้โครงสร้างเหล็กที่อยู่ใต้น้ำเปลี่ยนจากแอโนดเป็นแคโทด ด้วยการหา Sacrificial Anode มาปรับความต่างศักย์ให้เหล็กเหล่านั้นกลายเป็นแคโทดป้องกันการกัดกร่อน

การทำ Cathodic Protection ที่มีประสิทธิภาพจะต้องระวังในเรื่องของการกำหนดส่วนประกอบของสารเคมีในอีเลคโตรไลท์ กับการเลือกโลหะกันกร่อนไปใช้งานไม่เหมาะสม รวมถึงวิธีการทำแคโทดิกให้ตอบโจทย์กับน้ำทะเล น้ำจืด น้ำกร่อย หรือใต้ดิน เพราะอาจเกิดฟิล์มที่ผิวโลหะ ยากจะส่งกระแสไฟฟ้าไปป้องกันการกัดกร่อน

ขั้นตอนการติดตั้ง Cathodic Protection

พิจารณาวัสดุที่จะใช้

ก่อนที่จะเริ่มติดตั้ง จำเป็นที่จะต้องตรวจเช็คข้อมูลและพิจารณาก่อนว่า เหล็กหรือโลหะที่เราจะใช้วิธีแคโทดิก จะนำไปตั้งอยู่ในสภาพแวดล้อมเป็นแบบไหน เช่น น้ำทะเล น้ำกร่อย น้ำจืด ใต้ดิน เป็นต้น แล้วดูว่า มีขนาดน้ำหนักเท่าไหร่ เพื่อนำไปคำนวณปริมาณโลหะกันกร่อนที่จะนำมาติดตั้งต่อไป โดยส่วนใหญ่แนะนำที่ 7-10% ของน้ำหนักเหล็กที่เป็นตัวหลักทั้งหมด

ติดตั้ง Sacrificial Anode

เมื่อเลือกวัสดุที่จะใช้เป็น Sacrificial Anode ได้แล้ว จากนั้นก็จะนำไปติดตั้งด้วยการวางในตำแหน่งที่เหมาะสม หาอุปกรณ์มายึดให้แน่น หากบริเวณนั้นเป็นสนิมให้ขัดทำความสะอาดเอาผิวที่เป็นสนิมออกก่อนแล้วค่อยติดตั้ง หลังติดตั้งต้องวัดความต้านทานเพื่อตรวจเช็คอีกครั้ง โดยปกติแล้ว เพื่อให้กระแสไฟฟ้าสามารถวิ่งได้ดี แนะนำให้มีค่าอยู่ที่ต่ำกว่าหนึ่งโอห์ม

การกัดกร่อนของโลหะที่ถูกติดตั้งใต้ดินสัมผัสดินหรือน้ำซึ่งเป็นอิเล็กโทรไลต์ เป็นปรากฏการที่เกิดขึ้นได้ตามธรรมชาติ ซึ่งการเคลือบท่อที่ดีสามารถป้องกันการกัดกร่อนได้ 95-99% การติดตั้งระบบ Cathodic protection จะช่วยเพิ่มการป้องกันการกัดกร่อนอีก 1-5 % เมื่อรวมทั้ง 2 ระบบ จะสามารถป้องกันการกัดกร่อนที่จะเกิดได้ 100% แต่ต้องมีการออกแบบอย่างเหมาะสม และมีการบำรุงรักษาตรวจสอบที่ดี และอุปกรณ์ที่เราติดตั้งระบบป้องกันไว้มีอายุการใช้งานตามที่ออกแบบไว้

หลังจากติดตั้งเรียบร้อยแล้ว การตรวจเช็คและวางแผนซ่อมบำรุงตัวโลหะกัดกร่อน หรือ Sacrificial Anode ทุก 10-20 ปี เพื่อให้การทำงานป้องกันการกัดกร่อนหรือการเกิดสนิมมีประสิทธิภาพอย่างต่อเนื่อง