ประวัติความเป็นมาของระบบ Cathodic Protection เริ่มต้นขึ้นช่วงกลางของการปฏิวัติอุตสาหกรรมซึ่งเชื่อมโยงกับนักประดิษฐ์และนักวิทยาศาสตร์ทั้งหมด 4 คน คือ , Alessandro Volta, Sir Humphry Davy, Michael Faraday and และคนสุดท้ายคือ Thomas Edison
Alessandro Volta พบข้อสังเกตุและได้ทำการบันทึกเรื่อง ผลกระทบของกระแสไฟฟ้าต่อการเกิดปฏิกริยาออกซิเดชัน (oxidation) ของโลหะในปี 1802 โดยระบุว่า “ การเกิดปฏิกริยาออกซิเดชัน (oxidation) จะเพิ่มขึ้นอย่างมากบนโลหะที่มีกระแสไฟฟ้าไหลออกจากโลหะสู่น้ำหรือของเหลวออกซิไดซ์ (oxidant liquids) อื่นๆ และ การเกิดปฏิกริยาออกซิเดชัน (oxidation) จะลดลงหรือถูกกำจัดออกไปโดยสิ้นเชิงบนโลหะที่มีกระแสไฟฟ้าไหลเข้า มีผลทำให้ไฮโดรเจนถูกปลดปล่อยออกมา ”
ในปี ค.ศ. 1806, Sir Humphrey Davy ได้นำเสอนแนวคิด เกี่ยวกับผลดีต่อการกัดกร่อน (corrosion) ของทองแดง (copper)ในน้ำทะเลเมื่อทองแดงสัมผัสกับสังกะสี (zine) ดีบุก (tin) หรือเหล็ก (iron) ต้องรอถึง 20 ปีต่อมา แนวคิดนี้จึงมีการนำมาใช้จริงที่ HMS Samarang ซึ่งเป็นหลักการพื้นฐานของระบบ Cathodic Protection โดยมีการติดท่อเหล็ก (iron castings) ซึ่งในที่นี้เราจะเรียกว่าอาโนด ( anode) เข้ากับเปลือกหุ้มทองแดง (copper clad hull) ซึ่งปรกติจะพบเจอความเสียหายจากการเกิดการกัดกร่อน (corrosion) ที่ทองแดงหลังจากใช้งานไปเพียงแค่ 3 ปี เหล็กจะทำหน้าที่ป้องกันและลดการเกิดการกัดกร่อน (corrosion) ของทองแดง โดยเหล็กจะโดนกัดกร่อน (corrosion) แทนทองแดง ซึ่งเป็นจุดกำเนิดของระบบ Sacrificial Anode Cathodic Protection (SACP) ตั่งแต่นั้นเป็นต้นมา
Michael Faraday ซึ่งเป็นผู้ช่วยของ Sir Humphry ในขณะนั้น จนกระทั่ง Sir Humphry ได้เสียชีวิต Michael Faraday ได้ทำการศึกษาวิจัยพัฒนาต่อยอดแนวความคิดของ Sir Humphry และในปี 1834 ได้ค้นพบความสัมพันธ์ระหว่าง การสูญเสียน้ำหนักที่เกิดจากการกัดกร่อน (corrosion weight loss ) กับกระแสไฟฟ้า (electric current) ซึ่งเป็นรากฐานของระบบ cathodic protection ที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบัน
ประมาณปลายศตวรรษที่ 19 Thomas Edison ได้คิดค้นและทำการทดลองการใช้งานระบบ Impressed Current Cathodic Protection (ICCP) เป็นครั้งแรกโดยการติดตั้งระบบเข้ากับเรือเดินสมุทร แต่ไม่ประสบผลสำเร็จ จนกระทั่งปี ค.ศ. 1920 ถึง ค.ศ. 1930 จึงได้มีการใช้งานระบบ sacrificial anode และระบบ impressed current กันอย่างแพร่หลายกับงานระบบท่อต่างๆในสหรัฐอเมริกาจนกระทังแพร่หลายในการใช้งานไปทั่วโลกในทุกภาคอุตสาหกรรม
การกัดกร่อนหมายถึงการเสื่อมสภาพของโลหะเนื่องจากโลหะเกิดปฏิกิริยากับสิ่งแวดล้อมที่อยู่รอบๆ
โดยทั่วไปโลหะทุกชนิดที่อยู่ในธรรมชาติจะอยู่ในรูปของแร่ต่างๆ ในกระบวนการที่จะสกัดเอาโลหะออกจากแร่นั้น จะต้องใช้พลังงานอย่างมากในกระบวนการผลิตโดยทั่วไปในที่นี้คือความร้อน การขึ้นรูปและกระบวนการต่างๆในการผลิตจนกระทั่งได้โลหะเพื่อมาใช้งาน
การเกิดการกัดกร่อน (corrosion) คือกระบวนการ ที่พลังงานที่ใส่เข้าไปในขั้นตอนการผลิตถูกปล่อยออกมาและโลหะก็จะกลับไปเป็นสถานะออกไซด์ (oxide state) อย่างที่เคยเป็น (สนิม)
แร่โลหะ ⇒ ปฏิกิริยา reduction (เพิ่ม electrons) ⇒ โลหะบริสุทธิ์ ⇒ ปฏิกิริยาoxidation (สูญเสีย electrons) ⇒โลหะที่เกิดการกัด
พลังงานเข้า ⇑
พลังงานออก ⇓
ที่ไหนถึงจะเรียกว่า electrolyte ในธรรมชาติ ในที่นี้ electrolyte คือ น้ำทะเล, น้ำหรือความชื้นที่อยู่ในดิน กระบวนการกัดร่อน (corrosion process) นี้คือ ปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี (electrochemical) ที่เกิดขึ้นในธรรมชาติ.
การกัดกร่อน (corrosion) จะเกิดขึ้นได้เนื่องจากมีรูปแบบ electrochemical cells เกิดขึ้น ซึ่งการเกิดการกัดกร่อน (corrosion) จะเกิดขึ้นได้เนื่องจากองค์ประกอบที่จำเป็น 5 องค์ประกอบ ถ้าขาดไปเพียงอย่างได้อย่างหนึ่งก็จะไม่เกิดการกัดกร่อน (corrosion) ซึ่ง 5 องค์ประกอบนี้คือ
ฝั่งโลหะที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน (oxidation)ที่ผิวของโลหะ คือมีการสูญเสียอิเล็คตรอน (loss of electrons) และจะเกิดการกัดกร่อนที่บริเวณนี้ ฝั่ง Anode จะมีค่า potential เป็นลบมากกว่า (more negative potential) ฝั่ง Cathode
ฝั่งโลหะที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน (reduction) ที่ผิวของโลหะ คือมีการรับอิเล็คตรอน (gain of electrons) ฝั่ง Cathode จะมีค่า potential เป็นลบน้อยกว่า (less negative potential) ฝั่ง Anode
ตัวนำทางไฟฟ้าทางธรรมชาติ ซึ่งล้อมรอบทั่งฝั่ง anode และฝั่ง cathode ในที่นี้ก็คือ น้ำทะเล, น้ำหรือความชื้นที่อยู่ในดิน
ฝั่ง anode และฝั่ง cathode จะต้องมีการเชื่อมถึงกันทางไฟฟ้า (electrically connected) ของโลหะทั่งสองฝั่ง ในที่นี้คือ สายไฟ (cable) หรือจะเป็นอย่างอื่นที่นำไฟฟ้าได้
จะต้องมีความแตกต่างของค่า potential ระหว่างฝั่งที่เป็น Anode กับฝั่งที่เป็น Cathode
Figure 1. Schematic of the corrosion cell
ในรูปแบบการเกิด corrosion cell นั้นทำงานได้โดยความแตกต่างของ potential ของฝี่ง anode กับฝั่งที่เป็น cathode เป็นผลทำให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้า ปริมาณการไหลของกระแสไฟฟ้าขึ้นอยู่กับความต้านรวมของระบบซึ่งนั้นก็คือกฎของ Ohm’s Law นั้นเอง ถ้าขาดองค์ประกอบสิ่งใดสิ่งหนึ่งในระบบ การเกิดการกัดกร่อน (corrosion) ก็จะไม่เกิดขึ้นนั้นอง
การวัดค่า potential ของโลหะต่างๆนั้น ราสามารถวัดโดยการเทียบกับตัวกลางทางไฟฟ้า ซึ่งตัวกลางทางไฟฟ้าที่เรานิยมใช้ก็คือ copper/copper sulfate reference electrode (CSE) เมื่อระบบมีการเชื่อมถึงกันทางไฟฟ้า โลหะฝั่งไหนมีค่า potential เป็นลบมากกว่า (more negative potential) ฝั่งนั้นจะกลายเป็นฝั่ง Anode ส่วนฝั่งไหนมีค่า potential เป็นลบน้อยกว่า (less negative potential) ก็จะกลายเป็นฝั่ง Cathode.
Figure 1. Schematic of the corrosion cell
จะเห็นได้ว่า เหล็ก Mild steel มีค่า potential อยู่ช่วงหนึ่ง และทองแดง (copper) เองก็มีค่า potential อยู่ค่าหนึ่ง เมื่อนำโลหะทั้งสองมาสัมผัสกันใน electrolyte ก็จะมีรูปแบบ corrosion cell เกิดขึ้น ฝั่งไหนมีค่า potential เป็นลบมากกว่าจะกลายเป็นฝั่ง Anode (เหล็ก) ฝั่งไหนมีค่า potential เป็นลบน้อยกว่าจะกลายเป็นฝั่ง Cathode (ทองแดง) คือ จะเกิดการกัดกร่อนขึ้นที่ฝั่งของเหล็ก เราเรียกฝั่งนี้ว่า Anode ส่วนฝั่งของทองแดงนั้น จะไม่เกิดการกัดกร่อนขึ้นที่ฝั่งนี้ เราเรียกฝั่งนี้ว่า ฝั่ง Cathode.
ระบบ Cathodic protection (CP) คือ ปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี (electrochemical) ซึ่งเป็นการควบคุมการเกิดการกัดกร่อน (corrosion) ที่ผิวของโลหะซึ่งอยู่ใน electrolyte โดยการทำให้กลายเป็นฝั่ง Cathode รูปแบบการเกิด corrosion cell.
ในระบบ Cathodic protection (CP) มีอยู่สองระบบที่ใช้กันอยู่ คือ sacrificial anode และ impressed current
Figure 2 – Typical Sacrificial Anode System
ระบบ Sacrificial Anode ทำงานโดยการต่อ anode ซึ่งมี่ค่า potential เป็นลบมากกว่า (more negative potential) เข้ากับโลหะหรือโครงสร้างโลหะอื่นๆ โดยทั่วไปเราใช้ Anode ที่ทำจาก magnesium alloys and zinc alloys สำหรับการป้องกันของเหล็กที่ติดตั้งหรือใช้งานใต้ดินหรือใต้น้ำ ส่วน anode ที่ใช้กับน้ำทะเล คือ zinc alloys และ aluminium alloy.
Figure 2 – Typical Sacrificial Anode System
ระบบ impressed current, anode ที่ใช้กับระบบนี้ทำมาจากโลหะที่มีค่า potential เป็นลบมากกว่า (more positive potential) ค่า potential ของโลหะหรือโครงสร้างที่ต้องการป้องกัน ซึ่งเราสามารถเลือกใช้โลหะที่มีราคาถูกได้ และในระบบนี้เรายังต้องการไฟฟ้ากระแสตรง (แหล่งจายไฟภายนอก) ในการทำให้ระบบทำงาน ไฟฟ้ากระแสตรงเป็นตัวขับเคลื่อนให้เกิดการไหลของกระแสจาก anode ไปยังโลหะหรือโครงสร้างที่ต้องการป้องกัน (cathode).
ปัจจัยหลักในการเลือกใช้งานระหว่าง 2 ระบบก็คือ ค่าใช้จ่ายโดยรวม ในที่นี้จะพูดถึงในแง่ของการใช้งาน ทั่งสองระบบสามารถ ใช้ได้กับทุกสถานการณ์แต่ขึ้นอยู่กับขนาดของโครงสร้าง, สภาพของ coatings, สภาพแวดล้อมหรือสภาวะการทำงาน แต่จะมีเพียงแค่ระบบเดียวที่สามารถให้ความคุ้มค่าโดยรวมที่มากกว่า
Table 2 – CP System Selection Factors
ตอนนี้เราทราบถึงหลักการเบื้องต้นและการทำงานของระบบ cathodic Protection หลักการป้องกันไม่ให้เกิดการกัดกร่อน (corrosion control solution) เรียบร้อยแล้ว. เราขอแนะนำถ้าต้องการข้อมูลเชิงลึกหรือคำแนะนำเกี่ยวกับระบบ CP กรุณาติดต่อเรา และทางเราจะนำเสนอหรือแนวทางการแก้ปัญหาสำหรับคุณ
มีเรื่องราวอีกมากมายเกี่ยวกับระบบ cathodic protection มากกว่าประโยคหรือรูปภาพที่เรานำเสนอ โปรดติดต่อเราเพื่อพูดคุยเกี่ยวกับระบบ Cathodic protection หรืออีกหนึ่งช่องทางโดย เข้าสู้เวปไซต์ ของ AMPP ที่ www.nace.org
Copyright © 2022 JST Group. All Rights Reserved
