Katodik Koruma

Korozyon, metallerin içinde bulundukları ortam ile kimyasal veya elektrokimyasal reaksiyonlara girerek metalik özelliklerini kaybetme olayıdır. Bütün metaller doğada mineral olarak bulundukları hale dönüşme eğilimindedirler. Uygun bir ortamın bulunması halinde üzerinde taşımış oldukları kimyasal enerjiyi geri vererek yeniden minimum enerji taşıyan

Korozyon, metallerin içinde bulundukları ortam ile kimyasal veya elektrokimyasal reaksiyonlara girerek metalik özelliklerini kaybetme olayıdır. Bütün metaller doğada mineral olarak bulundukları hale dönüşme eğilimindedirler. Uygun bir ortamın bulunması halinde üzerinde taşımış oldukları kimyasal enerjiyi geri vererek yeniden minimum enerji taşıyan stabil bileşikler haline dönüşmek isterler.

Katodik koruma metalleri korozyondan korumak üzere kullanılan en etkili yöntemdir. Katodik korumanın temel ilkeleri elektrokimyasal korozyon teorisine dayanır. Buna göre bir elektrokimyasal hücreden net bir akım geçtiğinde anotta oksidasyon reaksiyonu, katotta buna eşdeğer olacak şekilde redüksiyon reaksiyonu yürür. Böyle bir sistem içinde katot bölgesinde hiç bir şekilde korozyon olayı meydana gelmez. Bu teoriye dayanarak bir metalin yüzeyindeki anodik bölgeler katot haline dönüştürülerek korozyon olayı kesin şekilde önlenebilir.

katodik-koruma-gorsel-2

Katodik koruma, korunması istenilen metalin bir elektrokimyasal hücrenin katodu haline getirilmesi suretiyle metal yüzeyindeki anodik akımların giderilmesi işlemidir. Örnek olarak nötral bir sulu çözelti içinde korozyona uğrayan bir demir metalini ele alalım. Demir yüzeyinde yürüyen anot ve katot reaksiyonları şöyledir:

Anot reaksiyonu : Fe → Fe 2+ + 2 e-
Katot reaksiyonu : ½ O2 + H2O + 2e- → 2OH-

Korozyon olayı bu iki reaksiyonun bir arada yürümesi ile gerçekleşir. Elektronlar anottan katoda doğru metal üzerinden akar. Katot reaksiyonu anottan gelen bu elektronları kullanarak yürüyebilir. Eğer katotta bu elektronlar kullanılamaz ise, bu durumda anottaki oksidasyon reaksiyonu da yürüyemez. Yani katot bölgesinde yeterli oksijen bulunmazsa korozyon meydana gelmez.

Katodik Koruma Standartları

Katodik koruma projesi hazırlanması ve uygulanması konularında kullanılan bazı standartlar aşağıda belirtilmiştir.

  • TS 5141 EN 12954: Yer altı çelik boru hatlarının katodik korunma kuralları
  • TS EN 10025: Sıcak haddelenmiş yapı çelikleri
  • TS 9234: Katodik koruma – Galvanik anotlar
  • TS 4363: Doğal zeminlerin elektrik özgül dirençlerinin Wenner dört uçlu elektrot yöntemi ile tayini
  • NACE RP 0169: Toprak veya su altındaki metal boru sistemlerinin harici korozyonunun kontrolü

Katodik koruma sistemleri iki şekilde uygulanır:

  1. Galvanik Anotlu Katodik Koruma Sistemleri
  2. Dış Akım Kaynaklı Katodik Koruma Sistemleri

1.Galvanik Anotlu Katodik Koruma Sistemleri

katodik-koruma-gorsel-3

Korozyona uğramakta olan bir metale kendinden daha aktif bir metal (galvanik anot) bağlanacak olursa, bu durumda katot reaksiyonu için gerekli olan elektronlar galvanik anodun çözünmesi ile karşılanır. Korunmakta olan metal yüzeyindeki bütün anodik reaksiyonlar tam olarak durur. Galvanik anotlu katodik koruma bu temel ilkeye dayanır. Yeraltında bulunan bir çelik yapının galvanik anotlarla katodik olarak korunması resimde şematik olarak görülmektedir.

Böyle bir katodik koruma devresinde magnezyum anot, çelik de katot olur. Anotta magnezyum çözünerek elektron açığa çıkarır. Bu elektronlar dış devreden katoda taşınarak katodik reaksiyonun elektron ihtiyacını karşılar. Elektrolit içinde akımın yönü anottan katoda doğrudur. Katodik koruma devresinden akım geçebilmesi için anot ve katot arasında bir potansiyel farkının oluşması gerekir. Devreden geçen akım şiddeti, anot katot arasındaki bu potansiyel farkına (yürütücü kuvvet) ve devre direncine bağlıdır.

Katodik olarak korunacak metal yapının yüzeyi uygun bir malzeme ile kaplanarak katodik koruma akım ihtiyacı azaltılabilir. Kaplama yapılarak katot bölgesine oksijen difüzyon hızı azaltılmış olur. Böylece katodun koruma potansiyeline kadar polarize edilmesi, yani katodik korumayı sağlamak için daha az akım harcanması yeterli olur. Kaplama yapılarak katodik korumanın hem ilk tesis masrafları, hem de işletme maliyeti büyük ölçülerde azaltılabilir. Bu nedenle pratikte kaplama ve katodik koruma genellikle birlikte uygulanır. Kaplamasız halde katodik koruma uygulanması ekonomik olmadığından, yalnızca kaplama yapılması da emniyetli olmadığından tercih edilmez.

Galvanik anotlu katodik çözünerek ağırlıklarını koruma sistemi başlıca aşağıdaki hallerde tercih edilir;

  • Dış akım kaynağının mevcut olmadığı bölgelerde,
  • Çevre metalik yapılar üzerinde interferans etkisini önlemek üzere,
  • Kaplama bozukluğu, kaçak akım etkisi gibi yerel korozyon etkilerinin önlenmesinde,
  • Akım ihtiyacının çok düşük olduğu durumlarda.
Galvanik Anotlu Katodik Koruma Sistemlerinin Avantajları
  • Dış akım kaynağına gerek yoktur. Akım anotlardan sağlanır. Bu sistem elektrik enerjisinin bulunmadığı yerlerde tek seçenektir.
  • Yapımı basit ve kolaydır. İşletme sırasında hiç bir ayarı gerektirmez. Çevre yapılar üzerinde interferans etkisi yapmaz.
  • Anot – katot arasındaki potansiyel farkı akım ihtiyacını karşılayacak ölçüde otomatik olarak ayarlanır.
Galvanik Anotlu Katodik Koruma Sistemlerinin Dezavantajları
  • Akım maliyeti yüksektir. Bu nedenle yüksek akım ihtiyacının söz konusu olduğu hallerde tercih edilmez.
  • Galvanik anotların potansiyeli düşük olduğundan, yüksek rezistiviteli elektrolitler içinde etkili olamazlar.
  • İşletme sırasında herhangi bir nedenle katodik koruma akım ihtiyacında artış olursa, mevcut anotlar ile bunu karşılamak mümkün olmaz. Sisteme yeni anotlar ilave edilmesi gerekir.

2.Dış Akım Kaynaklı Katodik Koruma Sistemleri

Korunacak malzemenin enerji kaybını bir başka metalden vermek yolu ile enerjinin dışarıdan sağlanılması esasına dayanır. Şebekeden alınan alternatif akım önce bir transformatörden geçirilerek potansiyeli istenilen seviyeye düşürülür. İstenilen seviyeye düşürülen bu akım bir redresörden geçirilerek doğru akım haline dönüştürülür. Doğru akım (+) ucu anot yatağına, (-) ucu korunacak olan boruya bağlanır. Yardımcı anot olarak çeşitli metaller kullanılabilir. Hatta eski borular, raylar, travers gibi hurda demir ve çelik malzemelerde yardımcı anot olarak kullanılabilir. Yardımcı anotta aranacak başlıca özellikler, yüksek bir potansiyele gerek duyulmadan istenilen akımı verebilmesi ve diğer taraftan yeterli süre parçalanmadan dayanabilmesidir. Anotlar kendini yok ettiğinden ve elektrik akımı yüksek olduğundan, 20 yıla uygun bir kullanım süresi için gerekli malzeme öngörülmelidir. Zemin içinde kullanılan başlıca yardımcı anotlar şunlardır: Grafit anotlar, Fe-Si anotlar, Pb-Sb-Ag anotlar, Al anotlar, Pt-Ti anotlar , Metal oksit kaplı Ti anotlar.

katodik-koruma-gorsel-4

Dış akım kaynaklı katodik koruma sistemi, galvanik anotlu katodik koruma sisteminden daha güçlüdür ve potansiyel ayarlaması mümkündür. Ancak çevredeki şebekeleri etkileme gibi bir mahsuru vardır. Maksimum difüzyon ve korumanın etkisi için, anodu korunacak hatta dik olarak ve 50100 m bazen de daha fazla uzaklığa yerleştirlmesi gerekir. Koruma akımını T/R ayarı, boru üzerindeki her noktada katodik koruma eşiğinden düşük bir potansiyeli elde edecek şekilde yapılmalıdır. Bu koruma tipi büyük şebekelerde tavsiye edilir. Potansiyel uygulamaları ile adaptasyonda elastikiyet sağlar; fakat dağıtım şebekelerinde diğer şebekelere etkinin engellenmesine dikkat edilmelidir. Dış akım kaynaklı katodik koruma sisteminde anot yatağının yeri çok önemlidir. Maksimum verim için koruma istasyonunun yerleştirileceği en iyi yer korunacak kısmın tam ortasıdır. Pratikte aşağıdaki diğer faktörler de önem kazanır.

  • Şebeke tasarımı (dal ya da Ağ şebeke),
  • Boru çapları (boru direnci yan yüzeylere bağıntılıdır),
  • Düşük voltaj kaynağının yakınlığı (istasyona akım verebilmek için),
  • Diğer yeraltı şebekelerinin yoğunluğu.
Dış Akım Kaynaklı Katodik Koruma Sistemlerinin Avantajları
  • Elektirik akımının maliyeti galvanik anotlara göre daha ucuzdur.
  • Elektrolit direncinin yüksek olması halinde doğru akım potansiyeli artırılarak rahatlıkla katodik koruma uygulanabilir.
  • Proje sırasında göz önüne alınmayan etkenler nedeniyle akım ihtiyacı beklenmedik şekilde değişirse, trafo ünitesinden kolaylıkla ayar yapılabilir.
Dış Akım Kaynaklı Katodik Koruma Sistemlerinin Dezavantajları
  • Bu sistem elektirik akımı bulunmayan yerlerde uygulanamaz. Ancak son yıllarda, güneş enerjisinden fotovoltaik pillerle elde edilen elektrik akımının katodik koruma sistemlerinde kullanılmasına başlanmıştır.
  • Anot yatağı yakınında bulunan yabancı metalik yapılar üzerinde interferans etkisi yaratabilir.
  • Yapıya akımın uygulandığı noktada aşırı potansiyel yükselmeleri görülebilir. Bu bölgede hidrojen çıkışı nedeniyle kabuk soyulması ve hidrojen kırılganlığı olayları meydana gelebilir.

REFERANSLAR:
1.Cathodic Protection, National Physical Laboratory, Date of access: 06 October 2016, http://www.npl.co.uk/upload/pdf/cathodic_protection_in_practise.pdf
2.Galvanic Anode Cathodic Protection System Design, Bushmann & Associates, Date of access: 06 October 2016, http://www.bushman.cc/pdf/galvanic_anode_system_design.pdf
3.Impressed Current Cathodic Protection System Design, Bushmann & Associates, Date of access: 06 October 2016, http://www.bushman.cc/pdf/impressed_current_system_design.pdf
4.Introduction to Electrical Design for Cathodic Protection Systems, Ezekiel Enterprises, Date of access: 06 October 2016, https://d6s74no67skb0.cloudfront.net/course-material/EE410-Introduction-to-Electrical-Design-for-Cathodic-Protection-Systems.pdf