ความรู้เกี่ยวกับ “การป้องกันการกัดกร่อนแบบ Cathodic protection” สำหรับนักอาชีวอนามัยและความปลอดภัย
เผยแพร่เมื่อ 14/11/2567
เขียนโดย คุณดิเรก สุดใจ
ประสบการณ์ในหน่วยงานปฏิบัติการผลิตในอุตสาหกรรมปิโตเคมีมากกว่า 30 ปี
ปัจจุบันทำงานในกลุ่มบริษัท พีทีที โกลบอลเคมิคอล จำกัด (มหาชน)
ป.ตรี วิศวกรรมศาสตร์บัณฑิต สาขาวิศวกรรมเครื่องกล
ป.ตรี วิศวกรรมศาสตรบัณฑิต สาขาวิศวกรรมอุตสาหการ
ป.ตรี วิทยาศาสตร์บัญฑิต สาขาอาชีวอนามัยและความปลอดภัย (มสธ.)
และคุณวีรชัย เหล่าวงศรี
ปัจจุบันทำงานใน กลุ่ม บริษัท พีทีที โกลบอลเคมิคอล จำกัด (มหาชน)
ป.ตรี วิศวกรรมไฟฟ้า จากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลอีสานวิทยาเขตขอนแก่น
ความรู้เกี่ยวกับ “การป้องกันการกัดกร่อนแบบ Cathodic protection”
สำหรับนักอาชีวอนามัยและความปลอดภัย
โลหะ เป็นวัสดุที่ถูกนำมาใช้งานในอุตสาหกรรมอย่างแพร่หลาย ด้วยคุณสมบัติที่มีความทนทาน แข็งแรง และมีอายุการใช้งานที่ยาวนาน จึงถูกนำมาใช้งานในด้านงานโครงสร้าง และอุปกรณ์ต่างๆ ได้อย่างมากมาย แต่โลหะนั้นก็ยังสามารถเสื่อมสภาพลงได้ตามกาลเวลา ด้วยการกัดกร่อน (Corrosion)
การกัดกร่อนของโลหะ คือ ลักษณะของการเกิดปฏิกิริยาระหว่างโลหะกับปัจจัยภายนอกต่าง ๆ ซึ่งส่วนใหญ่มักเป็นสภาพแวดล้อมตามธรรมชาติ เช่น ปฏิกิริยาออกซิเดชัน ปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี ปฏิกิริยาเคมี ปฏิกิริยาทางกายภาพ หรือแม้แต่การสัมผัสกันระหว่างโลหะ จนทำให้โลหะดังกล่าวสูญเสียคุณสมบัติ ประสิทธิภาพลดลง และอาจเสี่ยงต่อการเกิดข้อผิดพลาดและอันตรายได้ การเกิดกัดกร่อน มีหลายรูปแบบ ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมที่โลหะนั้นใช้งานอยู่ ส่วนวิธีการป้องกันก็สามารถทำได้หลายรูปแบบเช่นเดียวกัน แต่ในบทความนี้จะกล่าวถึงการป้องกันด้วย Cathodic protection การป้องกันแบบ Cathodic ได้รับการอธิบายโดย "เซอร์ฮัมฟรีย์" เดวี” ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2367 โดยได้ถูกนำไปใช้กับเรือ “HMS Samarang” ในปี พ.ศ. 2367 นําแท่งเหล็กมาติดตั้งเข้ากับแผ่นทองแดงที่ติดอยู่บนตัวเรือไม้ใต้แนวน้ําของกองทัพเรืออังกฤษ เมื่อการสร้างเรือมีการเปลี่ยนวัสดุจากไม้มาเป็นเหล็ก จึงได้มีการเปลี่ยนแปลงวัสดุสําหรับการป้องกันสนิมด้วยระบบ Cathodic protection จากการใช้แท่งเหล็กมาเป็นแท่งสังกะสีแทนถูกนำมาใช้ และใช้กันอย่างแพร่หลายในท่อส่งก๊าซเหล็กในปี พ.ศ. 2473
รูปแสดงโลหะ Zinc Anode ที่ถูกติดตั้งอยู่ใต้ทองเรือเพื่อป้องกันการกัดกร่อน
การป้องกันการกัดกร่อนแบบ Cathodic protection อาศัยหลักการเคมีไฟฟ้า โดยใช้ความต่างศักย์ระหว่างโลหะมาจ่ายกระแสไฟฟ้า เพื่อป้องกันการกัดกร่อน ซึ่งปกติแล้วเมื่อมีโลหะ 2 ชนิดมาต่อกัน และมีอิเลกโทรไลท์เป็นสารละลายหรือความชื้น ที่จะทำหน้าที่เป็นตัวนำไฟฟ้า โดยเหล็กหรือโลหะแต่ละชนิดจะมีศักย์ไฟฟ้าที่ต่างกัน ถ้ามีศักย์ไฟฟ้าที่มากกว่า จะเรียกว่า Cathode ส่วนฝั่งที่ศักย์ไฟฟ้าน้อยกว่า จะเรียกว่า Anode ซึ่งAnodeจะเป็นฝ่ายเสียประจุไฟฟ้าให้แก่ Cathode ความต่างศักย์ทางไฟฟ้าของของโลหะแต่ละชนิด สามารถศึกษาเพิ่มเติมในเรื่องกัลวานิกซีรีย์ (Galvanic series)
รูปแสดง Cathodic protection circuit
https://cathwell.com/cathodic-protection-explained/
การป้องกันการกัดกร่อนแบบ Cathodic protection แบ่งออกเป็น 2 ชนิด คือ
1. Sacrificial anode cathodic protection system (SACP)
คือ การสละชีพ (Sacrificial) SACP จะถูกติดตั้งเข้ากับโลหะหลักที่ต้องการป้องกันการกัดกร่อน โดยจะจ่ายประจุไฟฟ้าหรืออิเล็กตรอนให้กับโลหะหลัก โลหะหลักจะทำหน้าที่เป็น Cathode ส่วนโลหะที่เป็น Sacrificial จะทำหน้าที่เป็น Anode ซึ่งจะสูญเสียอิเล็กตรอนเพื่อทำหน้าที่ป้องกันโลหะหลัก โดยน้ำหนักจะหายไปตามช่วงเวลาที่ถูกใช้งาน วิธีนี้เป็นการป้องกันการเกิดสนิมแบบ SACP ที่นิยมใช้งาน เพราะไม่ต้องใช้แหล่งกำเนิดไฟฟ้าจากภายนอก โดยทั่วไปวัสดุกันกร่อนจะมี Zinc Anode, Aluminums Anode, Magnesium Anode
รูปแสดงตัวอย่างการใช้งานของ SACP
https://instrumentationtools.com/cathodic-protection-sacrificial-anodic-and-impressed-current/
2. Impressed Current Cathodic Protection (ICCP)
ในส่วนของระบบ ICCP นั้น กระแสไฟฟ้าที่ใช้จะมาจากการแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเป็นกระแสตรงด้วย Rectifier ซึ่งระบบนี้จะมีความเหมาะสมในการป้องกันสนิมให้กับโครงสร้างโลหะที่ต้องการกระแสไฟฟ้าปริมาณมาก สภาพแวดล้อมที่มีความต้านทานสูง ปกติจะใช้กับท่อที่ฝังอยู่ใต้ดินเช่นท่อส่งก๊าซ ท่อส่งน้ำมันหรือใน petrochemical plant จะเป็นท่อ under ground เช่น ท่อน้ำ Cooling water ท่อน้ำดับเพลิง โดยปกติจะมีการ Coatingท่อ ร่วมด้วยเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการป้องกันการกัดกร่อน
รูปแสดงตัวอย่างการใช้งานของ ICCP
Handbook of Corrosion Engineering, MeGraw-Hill
ด้วยระบบ Impressed Current กระแสจะถูกจ่ายออกจากขั้วบวกที่อยู่ในอิเล็กโทรไลต์เดียวกัน(ดิน) ซึ่งฝังถังและท่อที่จะป้องกัน ระบบ ICCP จำเป็นต้องมีการติดตั้ง แหล่งจ่ายไฟภายนอกซึ่งสร้างเอาต์พุต DC แคโทดิกแบบกัลวานิก หรือ Sacrificial anode มันทำหน้าที่แบบเดียวกันยกเว้นว่าจะใช้กระแสไฟฟ้า galvanic current ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ แทนกระแสไฟฟ้าที่ได้มาจากแหล่งจ่ายไฟฟ้าแยกต่างหาก
โดยระบบนี้แตกต่างจาก Sacrifice Anode โดยใช้ไฟฟ้ากระแสตรงจากแหล่งกำเนิดปล่อยอิเล็กตรอนแทนเพื่อชดเชยส่วนที่เหล็กสูญเสียไป หรือก็คือปล่อยกระแสไฟฟ้ามาเป็นเกาะป้องกัน (Shielding Dome) ไม่ให้โครงสร้างเหล็กถูกกัดกร่อน คือทำให้เหล็กมีสภาพเป็น Cathode รับอิเล็กตรอนแทนระบบป้องกันการกัดกร่อนแบบ Sacrificial Anodes และ ICCP แตกต่างกันหลักๆ ที่แหล่งจ่ายอิเล็กตรอน
Sacrificial Anodes แหล่งจ่ายอิเล็กตรอนจะทำจาก Aluminum หรือ Zinc โดยเมื่อ Anodes สูญเสียอิเล็กตรอน ทางกายภาพก็จะสึกกร่อน ตามอายุการใช้งาน จากหลักการดังกล่าวจึงเป็นที่มาของ Sacrificial ซึ่งแปลว่าการสละชีพ
ในส่วน ICCP (Impressed Current Cathodic Protection) แหล่งจ่ายอิเล็กตรอนคือ ตู้ควบคุมไฟฟ้าที่ส่งมาจาก Rectifier โดยจะมี Anodesคือ Titanium หรือ Platinum ที่อยู่ในระบบ ทำหน้าที่ให้ Corrosion Cell ให้ครบวงจรได้ แต่เนื่องจากมีศักย์ไฟฟ้าสูงมากจึงแทบจะไม่สึกกร่อน
ดังนั้นข้อแตกต่างคือ Sacrificial Anodes ใช้แล้วหมดไป เมื่อถูกกัดจนหมดก็ป้องกันอะไรไม่ได้อีก ต้องติดตั้งตัวใหม่เข้าไปแทน แต่มีข้อดีคือแทบไม่ต้องบำรุงรักษา
Spark gap
https://sdp.ir/products/insulations-and-earthings/spark-gap/
ถ้าเราเดินตรวจใน plant และสังเกตุท่อ Under ground ที่พ้นมาจากพื้นดินเช่นท่อ Cooling water และท่อน้ำดับเพลิง โดยเฉพาะหน้าแปลนแรกที่โผล่ออกจากพื้น เราจะพบว่ามีการ Bonding ระหว่างหน้าแปลน แต่มีอุปกรณ์สีแดงตัวหนึ่งตามรูปอยู่ในการ Bonding ด้วย อุปกรณ์นี้มีชื่อเรียกว่า spark gap แล้วมันมีไว้ทำไม มันมีหน้าที่อะไร โดยปกติและระบบ ICCP จะมีการจ่ายกระแสให้กับระบบและอุปกรณ์ที่อยู่ Under ground ส่วน Above ground จะถูกตัดแยกออก เนื่องจากระบบ ICCP จะจ่ายกระแสให้กับระบบ under ground เท่านั้น หน้าแปลนแรกที่โผล่จะเป็น insulated gasket flange ตัดแยกระบบ ICCP ออกจาก Above ground ส่วนกระแสไฟฟ้า(DC)ของระบบ ICCP ไม่สามารถไหลผ่านได้ Spark gap ได้ แต่เมื่อมีการตัดแยกระบบท่อ Under ground กับ Above ground แล้วนั้น ในกรณีเกิดฟ้าผ่ามาในระบบ Above ground จะทำให้เกิดไฟฟ้า (AC) กระโดดข้ามหน้าแปลนเพื่อลง ground อาจจะเกิดไฟไหม้หรืออุปกรณ์เสียหายได้ จึงจำเป็นต้องมี Spark gap เป็นตัว Bonding หน้าแปลนนั้นไว้ ทำให้กระแสไฟฟ้าจากฟ้าผ่า (AC) ไหลผ่านSpark gap ลง Ground ไปโดยไม่เกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์
สรุปการกัดกร่อนของโลหะที่ถูกติดตั้งใต้ดินสัมผัสดินหรือน้ำซึ่งเป็นอิเล็กโทรไลต์ มันเป็นปรากฏการที่เกิดขึ้นได้ตามธรรมชาติ ซึ่งการ Coating ที่ดีสามารถป้องกันการกัดกร่อนได้ 95-99% และการติดตั้งระบบ Cathodic จะช่วยป้องกันการกัดกร่อนอีก 1-5 % เมื่อรวมทั้ง 2 ระบบ เราจะสามารถป้องกันการกัดกร่อนที่จะเกิดได้ 100% หากเรามีการออกแบบอย่างเหมาะสมและมีการบำรุงรักษาตรวจสอบที่ดี อุปกรณ์ที่เราติดตั้งระบบป้องกันไว้ก็จะมีอายุการใช้งานตามที่ออกแบบไว้
เอกสารอ้างอิง
[1] นาวาโท ดร.พินัย มุ่งสันติสุข , “การป้องกันสนิมด้วยระบบแคโทดิก (Cathodic Protection System)”
[2]https://www.thaiparker.co.th/th/articles/processing-service/what-is-cathodic-protection-and-how-does-it-work, “Cathodic Protection คืออะไร?”
