Katodik Koruma ve Korozyon

Katodik koruma ve korozyon

Katodik koruma ve korozyon

Katodik Koruma Nedir? Metallerin bir çoğu su veya hava ile temasa maruz kaldığında korozyona uğrar. Bu özellikle suyun içindeki veya toprağın altındaki metal borular için büyük bir risktir ve bu boruların yapıldığı metalin korozyona uğramaması için birçok koruma yöntemi geliştirilmiştir. Katodik koruma sistemleri toprağa gömülü ve sıvı içindeki metalik yapıların korozyonunu önlemek veya kontrol altına almak için kullanılan elektrokimyasal bir metal koruma yöntemine denir.

Ana ilkeleri elektrokimyasal korozyon temellerine dayanır. Katodik koruma sistemi korozyonu kontrol altına almak için elektrik akımına dayanan aktif bir sistemdir. Korozyonu önlemek için bu boruların yanına, onlarla temas edecek şekilde, daha reaktif bir metalin yerleştirildiği koruma yöntemidir.

Eğer koruma elektrik akımı kesilirse, korozyon materyal/çevre kombinasyonu için normal değerlerde gelişmesine devam eder. Eğer besleme akımı bütün koruma için yetersizse korozyon azaltılmış değerde gelişecektir.

Katodik koruma sistemi tesis edilip gerekli ayarları yapılıp ve yeterli koruma akımı sağlandıktan sonra akımlar ve potansiyeller önceki duruma göre genellikle sabit kalacak, akımlarda ve potansiyellerdeki aşırı değişimler sistem arızası olarak görülecektir. Metallerin bir çoğu su veya hava ile temasa maruz kaldığında korozyona uğrar. Katodik koruma korunacak metali oluşturulacak bir elektrokimyasal hücrenin katodu haline getirerek metal yüzeyindeki anodik akımların giderilmesi işlemidir.

Katodik Koruma Uygulanan Alanlar

• Yakıt ve petrol dağıtım sistemleri
• İçme suyu dağıtım sistemleri
• Doğal gaz dağıtım sistemleri
• Deniz rıhtımlarının çelik kazıkları
• Yangın sistemleri
• Kanalizasyon sistemleri
• İskele çelik kazıkları
• Sıkıştırılmış hava dağıtım sistemleri
• Toprak seviyesi veya üstündeki sıvı depolama tanklarının iç kısımları
• Yer altı yakıt ve petrol depolama tankları ve toprak seviyesi tank tabanları

Katodik Koruma Sistemleri

Korozyonu kontrol altına almak için elektrik akımına dayanan aktif bir sistemdir. Korozyon olayı bu iki reaksiyonun bir arada yürümesi ile gerçekleşir. Elektronlar anottan katoda doğru metal üzerinden akar ve katot reaksiyonu anottan gelen bu elektronları kullanarak yürür.

Katot reaksiyonu için gerekli elektronlar dış kaynaktan verilecek olursa, anot reaksiyonu ile elektron üretilemez. Bu durumda anottaki korozyon olayı durmuş olur.

Metale dıştan uygulanan akım ile verilen elektronlar, metal yüzeyinde yürümekte olana anodik reaksiyonları tam olarak durdururken, katodik reaksiyonun hızını da arttırır. Anot reaksiyonu artık korunmakta olan metalin yüzeyinde değil, katodik koruma devresinde bulunan anotta yürür. Korunmakta olan metal yüzeyi artık tam olarak katot olur.

Katodik koruma, korunacak metal yapıyı oluşturulacak bir elektrokimyasal hücrenin katodu haline getirerek metal yüzeyinde yürümekte olan anodik reaksiyonların durdurulmasıdır.

Katodik korumada amaç, korunacak olan metalin potansiyelini anodun açık devre potansiyeline kadar polarize etmektir. Bunu sağlamak için metale katodik yönde bir dış akım uygulanır.

Katodik koruma uygulamasına 1930’lu yıllarda başlanmıştır. Teknolojik gelişmelere paralel olarak yüksek performanslı yeni anotların bulunması ile katodik koruma korozyon ile mücadelede en etkili ve en ekonomik yöntem haline gelmiştir. Katodik koruma, iki şekilde uygulanır.

• Galvanik anotlu katodik koruma
• Dış akım kaynaklı katodik koruma

Dış Akım Kaynaklı Katodik Koruma

Katodik koruma nasıl yapılır? Dış akım kaynaklı katodik koruma metale dıştan bir doğru akım uygulanması ile yapılır. Dıştan, bir trafo redresör yardımıyla doğru akım uygulanır. Bir trafo redresör  sisteminden sağlanan doğru akım (-) ucu korunacak olan metale (+) ucu da bir yardımcı anota bağlanır. Bu korumaya “Dış Akım Kaynaklı Katodik Koruma” denir. Akım şiddeti korunacak metalin yüzey alanına ve metalin içinde bulunduğu ortamın koroziflik derecesine bağlıdır.

Dış akım kaynaklı sistemde yardımcı anot olarak; toprak altı yapılarında kullanılan anot tipi silis katkılı demir anotlardır. Bu anotların dışında yurt dışından ithal edilen grafit ve metaloksit kaplı titanyum anotlarda kullanılmaktadır.

Galvanik Anotlu Katodik Koruma

Korozyonu önlemek için bu boruların yanına, onlarla temas edecek biçimde, daha   aktif bir metalin yerleştirildiği koruma yöntemine galvanik katodik koruma denir. Korunacak metal yapıya kendinden daha aktif bir metal bağlanarak galvanik hücre oluşturulur.   Katodik koruma devresinden akım geçebilmesi için anot ve katot arasında devre direncini yenebilecek kadar bir potansiyel farkının olması gerekir. Galvanik anottan çekilen akım, galvanik anodun açık devre potansiyeli ile devre direncinin büyüklüğüne bağlıdır.

Galvanik Anotlarla Katodik Koruma

Galvanik anotlu katodik koruma sistemleri ile korunması istenilen metal yapıya kendisinden daha negatif potansiyelde metal (anot) bağlanarak bir galvanik pil meydana getirilir. Böylece metal yapı katot haline getirilir. Galvanik anotlar kendiliklerinden çözünerek aynen bir pil gibi akım üretirler. Anodun çözünmesi sonucu açığa çıkan elektronlar, dış bağlantıdan katoda (korunan metal yapı) taşınarak katodik reaksiyon için gerekli olan elektronları sağlar. Galvanik anotlar, koruma sırasında belirli hızlarla çözünerek ağırlıklarını kaybederler. Bunları uygun zaman aralıklarıyla yenileyerek koruma görevi süreklilik kazandırılır.

Galvanik Anotun Kullanım Alanları

• Tatlı su depolasu tanklarının iç yüzeylerinde,
• Toprak altında olan doğalgaz, akaryakıt ve su boru hatlarında,
• Eşanjör, termosifon, sıcak su kazanlarının iç yüzeylerinde,
• Her türlü tatlı su ve toprak ile temas halindeki özel yapılarda,
• Toprak altındaki LPG, akaryakıt tankları ve yer altına gömülen çalışma konteynırlarda.

Sistemin galvanik anotlu olarak belirlenmesinin daha uygun olduğu şartlarda anot tipinin en ekonomik ve en uzun ömürlü olanını tercih edilmelidir. Bazı anot tipleri hakkında kısa genel bilgiler;

Magnezyum Anot

Zemin içindeki elektrot potansiyeli yüksek olduğundan yer altı yapılarının katodik korumasında magnezyum anot kullanılır. İki tip magnezyum anot kullanılır.

• Az–63 standardındaki magnezyum,
• Yüksek potansiyelli magnezyum anot.

Grafit Anot

Petrol kokunun yüksek sıcaklıkta eritilmesinden  grafit haline  getirilen grafit anot yapısı elde edilir. Grafit anotlardan en fazla 2 mA/cm₂ akım çekilir. Ama  zemin içinde 1mA/cm₂ den fazla akım çekilmesi durumunda anotun ömrü  1–2 yıl içinde kullanılmaz hale gelir.

Demir Silikon Anot

% 14–15 oranında silisyum ve % 1–2 oranında karbon ve mangan elementlerinden meydana gelen bu anot tipi, yüzeyinde SiO₂ den bir film tabakası ile kaplanmıştır. Bu film tabakası yardımıyla  pasifleşerek anot ömrü uzatılmıştır. Buna karşın deniz suyu ve klor iyonu bulunan ortamlarda, yüzeydeki film tabakası kalkarak anodun kütle kaybının hızlanmasına sebep olmaktadır.

Alüminyum Anot

Alüminyum anotlar genel olarak  galvanik anot olarak kullanılırlar. Alüminyum anot fiyatlarının ucuz olmas, hafif oldukları için ve korozyon ürünleri (alüminyum tuzları) içme suyunu kirletmediklerinden su tanklarının dış akım kaynaklı katodik korumasında yardımcı anot olarak kullanılmak üzere tercih sebebidirler.

Gümüş-Kurşun Anot

Kurşun değişik alaşımlar hâlinde deniz suyu içerisinde kullanılır. Kurşun anotların yüzeyleri, elektriksel iletkenliği çok yüksek olan kurşun peroksit tabakası ile kaplanır. Bu oksit tabakası anodun zarar görmeden uzun süre yüksek performans ile çalışmasını sağlar.

Çinko Anot

Yer altı ve su altı yapılarında galvanik anot olarak saf çinko kullanılabilir. Deniz içinde kullanılan anotlar % 0,1–0,5 oranında alüminyum içerir. Çinko anotların akım verimleri yüksek ve fiyatları da daha ucuzdur.

Galvanik Katodik Koruma Sistemlerinin Avantajları

• Tesisi maliyet açısından ekonomik ve uygundur.
• İşletilmesi ve bakımı kolaydır.
• Aşırı koruma potansiyeli yönünden uygundur.
• Diğer metalik yapılar üzerindeki kaçak akım etkileri azdır.
• Dış akım kaynağına ihtiyaç yoktur.
• Galvanik katdik koruma sistemlerinin tesisi kolaydır.
• Minimum katodik enterferans vardır.
• Bakımı ve işletim masrafları düşüktür.
• Tankların korunmasında tankın dış çapı etrafında uniform akım dağılışı vardır.
• Minimum istimlâk ve irtifak maliyeti azdır.

Galvanik Katodik Koruma Sistemlerinin Dezavantajları

• Küçük koruma geriliminin elde edilmesi (sınırlı potansiyel farkı),
• Yüksek dirençli elektrolitler de oldukça küçük akımların elde edilmesi (tipik 1–2 A),
• Büyük veya genişletilen yapılarda yeni anotların yerleştirilmesi ve tesisi ekonomik olarak uygun değildir.
• Yüksek özgül dirençli ortamlarda etkisiz kalması (özellikle 5.000 ohm.cm’den daha büyük ortamlarda bu sistem kullanılamaz.)
• Tank korumada bir sistem ancak bir tankı koruyabilir. Diğer bir tank için ayrı bir sistem yapılması gerekir.
• Korozyonu ve sistemi kontrol etme ve izleme zorluğu vardır.

Katodik Koruma Ölçümü Nasıl Yapılır?

Katodik koruma sistemlerinde, katodik koruma ölçümü potansiyel ve akım değerlerini ölçmek için kullanılır.  Ölçü kutularının ölçüm kutup sayıları, uygulanan katodik koruma sistemlerine göre değişir. Ayrıca isteğe göre ölçü kutularının dış yüzeyleri sıcak daldırma galvaniz veya istenilen renkte boya ile kaplanır.

Katodik koruma sistemlerinde potansiyel değerinin okunması sırasında kullanılır. Genellikle toprak ve tatlı su içerisinde bulunan yapılara uygulanan katodik koruma sistemlerinde potansiyel değeri okunurken bakır-bakır Sülfat (Cu-CuSO4) referans elektrodu kullanılır.

Tatlı su içerisinde bulunan yapılar, uygulanan katodik koruma sistemlerinde potansiyel değeri okunurken gümüs-gümüs klorür (Ag-AgCl) referans elektrodu kullanılır. Çinko elektrod da, deniz yapılarında kullanılabilir.

Katodik Koruma Testleri 

Katodik işleminin yapılma sebebi iş yerinde bulunan korozyondan insanları koruma yoludur. Bu iş hakkında bilgi sahibi olan kişilerin yapması. kaliteli bir uygulama sonucu verir. Bu uygulama elektrokimyasal yollarla yapıldığında işin ne kadar dikkatle ve bilinçli olarak yapılması gerektiği açıktır. İşte katodik koruma testleri yapılarak insanların sağlık problemleri yaşamaması sağlanır. Sistem kurulduktan sonra mahalde bulunan elektrik akımı kesilirse zararlı olan metal yeniden oluşmaya başlar. Bu da insan sağlığını bozar. Farklı iş sektörlerinde kullanılan katodik koruma yöntemleri insanların faydasına olan uygulamalardır.

Sıvı veya toprak içindeki metaller çeşitli sebeplerle  zamanla yıpranır, yıprandıkça görevini yapamaz. Bu durum çevresel açıdan zararlara yol açtığı gibi büyük kazalara sebep olabilir. Katodik koruma ile bu tür metaller korunur. Katodik koruma testleri ile kullanılan araçların güvenliği sağlanır.

Referans Elektrod Ölçü Kutuları

Dış akım kaynaklı katodik koruma sistemlerinde alternatif akımı, doğru akıma çeviren trafo – redresör üniteleri kullanılmaktadır. Bu üniteler; 220 Volt veya 380 Volt AC beslemeli, hava veya yağ soğutmalı, istenilen DC Volt ve Amper çıkış değerine göre ayarlanabilir, Voltaj regülasyonu manuel, otomatik, varyaklı veya faz kontrollü, sabit referans kontrollü, PLC’ li bilgisayar kontrollü SCADA uyumlu tipte olmaktadır.

Trafo- Redresör Üniteleri

Katodik olarak korunmuş olan bir metal yapının korunup korunmadığını anlayabilmek için, aşağıda belirtilen referans elektrotların karşısındaki koruma potansiyel değerlerini sağlaması gerekir.

Katodik koruma firmaları akaryakıt, su, doğalgaz boru hatlarının, yer altı ve yer üstü depolama tanklarının, her türlü sanayi tesislerinin, deniz ve göl içerisinde bulunan çelik ve betonarme iskele ayaklarının, deniz ve göl içerisinde bulunan çelik gövdeli teknelerin korozyona karşı katodik korumasıyla ilgili olarak; iş yerinde etüdleri yapılmakta, tatbikat projesinin hazırlanması, fabrikasyon malzeme imalatı, montaj, işletme, bakım ve eğitim hizmetlerini sunmaktadırlar. Katodik koruma yapılmadığında yıllık milli gelirde azalmalar yaşanmaktadır.

Malzeme olarak kullandıkları elemanlar; magnezyum, alüminyum, çinko türü galvanik anotlar, yardımcı anotlar, manuel ve otomatik kontrollü, scada uyumlu trafo/redresör ünitesi, polarizasyon hücresi, akım dağıtım ünitesi, eş potansiyel ünitesi, ölçü kutuları, izole flanş conta takımları, referans elektrodları, doğalgaz boru hatlarını işaretleme ve havadan tespit etme malzemeleri yer almaktadır. Firmalar ürünlerin kalitesine göre katodik koruma fiyatı belirlemektedirler.