Katodik Koruma Es

www.kimyamuhendisi.com

YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ KİMYA METALURJİ FAKÜLTESİ KİMYA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

KOROZYON

KATODİK KORUMA

HAZIRLAYAN: 00051059 EMEL ŞENDENEL

BAHAR 2004

www.kimyamuhendisi.com

ÖZET Yapılan araştırmalara göre korozyon ve korozyondan doğan hasarlar tahmin edilenin de çok üstündedir. Özel işletmeler ve yerlere göre bu değer daha yüksek rakamlar göstermektedir. Bu da işletmenin verimli ve karlı çalışmasını etkilemektedir. Hatta gerekli önlemler alınmazsa işletmenin çökmesine veya yenilenmesine sebebiyet vermektedir. Korozyonla savaşımda dünyada bir çok teknikler kullanılmaktadır.Bunlardan bir tanesi de Katodik Korumadır. Projemde de, katodik koruma hakkında kısaca bilgi verilmektedir .

www.kimyamuhendisi.com

TEŞEKKÜR Bizi böyle bir projeyi araştırmaya sevk eden ve bana yol gösteren değerli hocamız Sayın Prof. Dr. Sabriye Pişkin ’e ve benden çalışma ve araştırmalarımda esirgemeyen Emek Möröydor Derun’a teşekkür eder saygılarımı sunarım .

yardımlarını

www.kimyamuhendisi.com

GİRİŞ Metalik malzeme içerisinde bulunduğu ortam tarafından korozyon adı verilen tahribata uğrar ki, bu olay halk arasında paslanma olarak tanınır.Pas bir korozyon ürünüdür.Metal ve alaşımların içinde bulundukları ortamın elektro kimyasal etkisi ile tahribatına KOROZYON denir.Yüzeyden kopan pas tabakaları,yeni pas tabakalarının oluşmasına ve metalik yapının delinmesine ve fonksiyonunu yitirmesine yol açar. Genel olarak korozyon ortamları : - Toprak altı, su altı, atmosferik ortam ve özel kimsayal ortamlardır. - Endüstride ve güncel yaşamımızda korozyonun etkilediği yapıtlar. - Toprak altında : Boru hatları, tanklar, temel kazık ayakları vb... - Atmosferik ortam : Bütün metal ve metal alaşımlardır. - Kimyasal ortamlar : Kimya fabrikalarındaki tanklar, Özel kimyasal malzemelerin kullanıldığı metalik yapıtlar.

Korozyonla savaşımda dünyada bir çok teknikler kullanılmaktadır. - Bunlardan başlıcaları ; - Katodik Koruma ( Toprak altı , su ve su altı sistemlerine ) - Anodik Koruma ( Su ve Asidik ortamalar ) - Metalik ve metalik olmayan kaplamalar (Kısmen su , Asidik ve atmosferik ortamlar) - Boyama ( genelde atmosferik ve sulu ortamlar )

www.kimyamuhendisi.com

İÇİNDEKİLER 1 . Korozyonun Tanımı 2 . Korozyonun Mekanizması 3 . Korozyon Reaksiyonları 4 . Korozyondan Korunma Teknikleri 5 . Korozyondan Korunmak İçin Yapılması Gerekenler 6 . Katodik Koruma Nedir? 7 . Katodik Korumanın Uygulama Alanları 8 . Katodik Korumanın Esasları 9 . Minumum Potansiyel Yaklaşımı 10 . Galvanik Anotlu Katodik Koruma Sistemi 11 . Dış Akım Kaynaklı Katodik Koruma Sistemi 12 . Sistemlerin Karşılaştırılması 13 . Katodik Koruma Kriterleri 14 . Kaplamalarla Birlikte Kullanma 15 . Yeraltı Tanklarında Katodik Koruma 16 . Beton İçi Korozyona Karşı Katodik Koruma 17 . Galvanizli Saçlarda Katodik Koruma 18 . Gemilere Katodik Koruma 19 . Sonuçlar Ve Tartışma 20 . Kaynaklar

www.kimyamuhendisi.com

1 . KOROZYONUN TANIMI Korozyon genel anlamda , kademeli bir aşınma veya kimyasal ve/veya elektro kimyasal reaksiyonlarla bozunca olarak tanımlanır. Korozyon, metallerin mekanik yollar dışındaki bozunumları olarak ta tanımlanır böylece metal doğadaki haline döner. Demir ve çelik genellikle

;

oksijen

ve

suyun

bulunduğu

her

ortamda

korozyona

uğrar.

Korozyonun hızı, ortam koşullarına göre değişir. Örneğin, su içinde suyun hızı yada asitliğiyle , metalin hareketiyle sıcaklıkta yada havalanmadaki artışla, bazı bakterilerin veya başka etkili bir takım faktörlerin varlığıyla artış gösterir. Diğer taraftan, korozyon koruyucu tabakalarla (veya filmler) geciktirilir. Suyun alkalinitesi de çelik yüzeylerde korozyon hızını azaltır. Ama korozyonun gerçekleşebilmesi için daima su ve oksijen gereklidir. Korozyon miktarının her ikisi de belirler. Örneğin , kuru havada çelikte korozyon görülmez. Havadaki nem oranı %30'un altında ise normal veya normalin altındaki sıcaklıklarda korozyon önemsenmeyecek kadar azdır. Korozyonun, rutubeti giderme yoluyla engellenmesi buna dayanır. Bütün metal yapılar doğal çevrede belli derecelerde korozyona uğrar. Tunç, prinç, paslanmaz çelik , çinko ve alüminyum koruma olmaksızın uzun süre dayanacakları umulan kullanım koşulları altında çok yavaş bir korozyona uğrarlar. Demirin ve çeliğin yapısal korozyonu, metal gerektiği ölçüde korunmazsa hızla ilerler. Demir ve çeliğin bu korozif hassasiyeti önemli bir ilgi odağıdır. Çünkü uygun maliyetleri ve fiziksel özellikleri gözönüne alındığında çok büyük miktarlar kullanılmaktadır. ABD'de çeliğin korozyonundan dolayı yıllık kayıp 70 milyar dolara yakın bir değere ulaşmaktadır. Demir ve çeliğin korozyona karşı korunması bakım mühendislerinin

vazgeçilmez

bir

alanıdır.

www.kimyamuhendisi.com

2 . KOROZYONUN MEKANİZMASI Islak atmosferde, yeraltında, beton içinde yada su altında metallerdeki korozyon; bir metalden diğerine,aynı metalin yüzeyinden bir noktadan diğer bir noktaya geçen galvanik akımlarından kaynaklanır. Bu elektrik akımlarının gerçekleşebilmesi için elektrik akımının geçişine izin veren ortamda ıslak bir iletken veya elektrolit olmak zorundadır. Korozyonun görülebilmesi için elektrolitin varlığı vazgeçilmez bir koşuldur. Sulu ortam özellikle de tuzlu su mükemmel bir elektrolittir . Metaller üzerinde belirtilen korozyon tipleri aşağıdaki gibidir: •

Uniform (homojen dağılımlı ) korozyon

•

Yerel (delinme) tipi korozyon

•

Galvanik korozyon

•

Gerilimli korozyon

•

Erozyon korozyonu

•

Yorulmalı korozyon

www.kimyamuhendisi.com

3 . KOROZYON REAKSİYONLARI Metaller nötr haldeki atomlarının en dış kabuğundaki serbest elektronlarını vererek iyon oluşturmak eğilimi gösterirler . Korozyonun sebebi, kararsız haldeki metalin serbest elektronlarını vererek pozitif iyon oluşturması, elektronları alan mukabil malzemenin ise negatif iyon oluşturması neticesinde pozitif iyonlarla negatif iyonlar arasındaki çekim kuvveti ile iyonik bağlı kararlı bir metal bileşiğinin metalin yüzeyinde bir korozyon ürününe, yani pasa dönüşerek metali tahrip etmesidir. Korozyon reaksiyonları, bir çift anodik ve katodik reaksiyonların toplamıdır. Anodik Reaksiyon

:

Katodik Reaksiyonlar :

Fe° =>Fe++ + 2e¯ ½ O2 + H2O + 2e¯ => 2(OH)¯ 2H+ +2e¯ => H2

Toplam Reaksiyon

:

(Asitli ortamda)

Feº+½O2+H2O => Fe(OH) 2 (Pas)

4 . KOROZYONDAN KORUNMA TEKNİKLERİ •

Korozif elemanların ortamdan uzaklaştırılması

•

Ortama frenleyici ilavesi

•

Anodik frenleyiciler

•

Katodik frenleyiciler

•

Çift etkili frenleyiciler

•

Konsantrasyonun değiştirilmesi

•

Sıcaklığın değiştirilmesi

•

Korozif ortamın hızının değiştirilmesi

•

Uygun malzeme seçimi

•

Alaşım elementi ilavesi (Pasifleştirme – Nötralize etme)

www.kimyamuhendisi.com

•

Kaplama (Metalik kaplama-püskürtme , Elektrolitik kaplama , Daldırma , Difüzyonla kaplama , Organik kaplamalar , İnorganik kaplamalar )

•

İşletmede alınan tedbirler.

Tablo 1 'de korozyondan korunma teknikleri görülmektedir. Tablo 1. Korozyondan korunma teknikleri

KOROZYONDA KORUNMA TEKNİKLERİ İşletmede

Ortamda alınan

Katodik

alınan

önlemler

koruma

önlemler

Malzemede alınan önlemler Malzeme

Kaplama

seçimi

Geçici koruma

Sıcaklığın

altında

değiştirilmesi

Metal

Metal olmayan

Daldırma

Organik İnorganik

Metal Dış akım

taşıma ve

kaynaklı

depolama

katodik

sırasında

koruma

alınan

Hızın

önlemler

değiştirilmesi

dönüşümlü

Korozif

kaplamalar

Metal dışı Sementasyon

Boya

Kimyasal

Tasarım

elemanın

Met

Lastik ,

aşamasında

ortamdan

püskürtme

pist

alınan

uzaklaştırılması Cladleme

Asfalt

Seramik

kaplama

emaye

önlemler Konsantrasyonun Galvanik Alaşımlama değiştirilmesi

katodik koruma

kaplama

www.kimyamuhendisi.com

5 . KOROZYONDAN KORUNMAK İÇİN YAPILMASI GEREKENLER •

Uygun tasarım

•

Uygun malzeme seçimi

•

Yeterli yüzey kaplaması

•

Katodik koruma

•

Anodik koruma

olarak gruplandırılabilir. Bu önlemler grubundan katodik koruma dışındakiler korozyon hızını azaltan , başka bir deyimle korozyonu kısmen önleyen yöntemlerdir. Katodik koruma ise korozyonu tamamen önleyen etkili ve rakipsiz bir yöntemdir.

www.kimyamuhendisi.com

6 . KATODİK KORUMA NEDİR? Korozyona karşı önlemlerin en güçlüsü KATODİK KORUMA dır. Katodik korumanın temel ilkeleri elektro- kimyasal korozyon teorisine dayanmaktadır. Su , su altı ve toprak altı sistemlerine uygulanır. Korozyon bir elektro kimyasal bir olay olduğu için , sistemde elektron alış verişi olur. Doğada bulunan elementlerin birbirlerine göre kimyasal olarak zayıf ve kuvvetli olanları vardır. Kuvvetli elementler zayıf olan elementlerden elektron koparırlar ve böylece zayıf olan elementleri korozyona uğratırlar. Zayıf olan elementleri korozyondan korumak için kuvvetli olan elementlere dışardan elektron verilerek bu denge sağlanır veya elektron alış verişin olduğu ortam ile yapı arası polarizasyon sağlanılarak bağlantısı kesilir. Bu olaya KATODİK KORUMA denir. Dünya çapında , boru hatları ,depolama tankları, kuyu iç boruları, yapı destekleri , iletişim kabloları ve daha bir çoğu gibi yeraltı metalik yapılara çok büyük yatırımlar yapılmaktadır. Bu metalik elemanlar toprakla doğrudan temas halinde olurlarsa ve korunmamışlarsa , korozyona maruz kalırlar. Yüzeye uygulanan çok çeşitli kaplama biçimleri kullanılarak bu sorun aşılmaya çalışılmıştır. Böyle kaplamalar etkili olabilmişlerse de küçük delikler daima varolmuştur. Bu mikro delikler kaplanmamış çıplak metale geçiş imkanı sağlar ve korozyonun gerçekleşmesine izin verir. Sonradan uygulanan onarımlar fazlasıyla pahalıdır. Buna ek olarak ,ortaya çıkarılmamış zayıf noktalar (veya sızıntı ) kazalara neden olabilir veya yolların çökmesi yada petrol sızıntılarının çevreye zarar vermesi gibi tehlikelere yol açabilir. Katodik koruma ile , çıplak metaller ve kaplanmış metallerdeki korozyon tamamen önlenebilir. Uygulamada, çelik,bakır,pirinç,kurşun ve alüminyum gibi metallerle, her türlü toprakta ve hemen hemen bütün dengeli ortamlarda korozyona karşı katodik koruma ile korunabilirler. Ayrıca katodik koruma , intergranuler korozyonu ,streskorozyon çatlamasının ,pirincin çinko kaybını veya paslanmaz çeliğin deniz suyu içinde ve çeliğin yeraltında çukurlaşmasını ortadan kaldırmada da etkili olarak kullanılır. 1824'de Sir Humprey Davy, demir veya çinkoyu bakırla eşleştirerek bakırın korozyona karşı korunabileceğini kaydetti. İngiltere Deniz Kuvvetleri Komutanlığı, katodik koruma sağlamak için demir blokları , bakır-plaka kaplı geminin tekne kısmına tutturdu. Ne yazık ki , uygulanan katodik koruma sisteminin gövdeye monte edilen kısımlarından dolayı gemilerin hızını yavaşlatması deniz kuvvetleri bu uygulamadan vazgeçmeye zorladı. Ancak, bakırın korozyon hızı görülebilir bir şekilde yavaşladı. 1829'da, Davy,

www.kimyamuhendisi.com

şamandıraların demir kısımlarını korumada başarılı oldu. 1840'da Robert Maller kurbanlık anoda kısmen uyan bir çinko alaşım üretti. 1950 yılına kadar gemilerin korunumu araştırılamadı. Kanada Deniz Kuvvetleri , korozyona dirençli boyalarla birlikte kullanılan antifouiling boyaların uygun kullanımıyla geminin katodik korumasının yapılabilir ve maliyetinin düşürülebilir olduğunu tespit etti. 1910-12 yıllarında elektrik akımı vasıtasıyla katodik korumanın ilk uygulamaları İngiltere ve ABD'de yapıldı. O zamandan beri katodik korumanın kullanımı dünya çapında yaygınlaştı. Günümüzde bu uygulamalarla korunan binlerce

km

gömülü

boru

,iskele,tank,gemi

ve

kablo

vardır.

7 . KATODİK KORUMANIN UYGULAMA ALANLARI En Fazla Kullanılan Alanları: Boru hatları : İçme Suyu Boru Hatları, Doğalgaz Boru Hatları, Petrol Boru Hatları, Yangın Hidrant Boru hatları, Deniz altı Boruları, Atık Su boruları.. Deniz yapıtları : Yük Gemiler, Feribotlar, Deniz Otobüsleri, Denizatı Gemisi, Yatlar, Liman – İskele ve Platform, Kazık Ayakları, Palplanşlar, Dubalar .. Tanklar : Yer altı LPG, Akaryakıt Tankları, Atık su tankları, Yer üstü Akar yakıt tankları ( İçleri ve taban kısımları ).. Su Sistemleri : Boyler Tankları, Eşanjör soğutma ve ısıtma sistemleri, Elektrikli termosifonlar Diğer Kullanma Alanları : Buharlaştırıcıda, ısı değiştiricilerde su borularında, Kurşun kılıflı kablolarda

www.kimyamuhendisi.com

8 . KATODİK KORUMANIN ESASLARI Katodik korumanın temeli korunacak metali bir pilin katodu haline getirmektir. Bu temel prensip bir Cu-Zn pili polarizasyon diyagramında gösterilmiştir. Eğer katodun polarizasyonu, korozyon potansiyelinin ötesinde anodun açık-devre potansiyeline bir dış akım uygulanmasıyla devam ettirilirse, her iki elektrotta aynı potansiyele ulaşır, çinkonun korozyonu gerçekleşmez. Akım, yardımcı anottan korozyon hücresinin anodik ve katodik alanlarına girer, ve DC kaynağına geri döner.

Katodik koruma dıştan akım verilerek, anodun potansiyellerinin açık devre potansiyeline getirilmesi şeklinde de uygulanabilir bunun sonucu olarak metalin bütün yüzeyi aynı potansiyele ulaşır ve korozyon durur. Anodun açık-devre potansiyeli FA ötesinde polarize olursa korozyon için bu fazla akımın değeri yoktur Bu durum kaplamalara zararlı olabilir. Bundan dolayı ,asıl uygulamada bu akım kuramsal olarak minimuma yakın tutulur. Eğer akımın, komple korunma için gerekli olan seviyenin altına düşerse koruma kısmi olur, yeterli olmaz. Demir ve çelik yapıların tam olarak korunabilmesi için gerekli olan kriter şunlardır. Metalin her noktasında ölçülen potansiyel değerinin Cu/CuSO4 referans elektroduna göre -850 mV veya daha negatif olmalıdır. Çelik yapıya uygulanan akım kendiliğinden 15 sn içinde potansiyelinin 100 mV düşmesi Hiç akım uygulanmadan ölçülmüş olan doğal potansiyeline göre çelik yapının-300 mV polarize edilmesi.

İki türlü uygulanışı vardır ; Dış akımlı sistem : Alternatif akım doğru akıma çevrilerek verilir. Galvanik Usul : Elementler arasındaki EMK ( Elektro Motor Kuvvet ) den yaralanılır.

Katodik koruma,korozyona uğrayan (korozyon sisteminde anot olarak davranan) bir metalin potansiyelini değiştirerek onu katot olarak davranmaya zorlamaktadır.Çözünmeyen bir soy anot yardımıyla korunacak bir yapı devrenin negatif kutbunu oluşturacak şekilde doğru akım devresine bağlanır.Bu tip korumaya ‘’Dış Akım Kaynaklı Katodik Koruma’’denir.

www.kimyamuhendisi.com

Katodik korumanın bir başka şekli ise korunacak metalden daha aktif bir metali anot olarak kullanarak yapay bir pil devresi oluşturup,aktif metalin korozyonu ile Korozyona karşı korunacak yapıya elektron transferi sağlayarak yapıyı katot haline getirerek korumaktadır ki bu metoda ‘’Galvanik Anotlu Katodik Koruma’’denir. Galvanik anotlar koruma sırasında belirli hızlarla çözünerek ağırlıklarını kaybederler. Bunları uygun zaman aralıklarıyla yenileyerek koruma işlevine süreklilik kazandırılır. İkinci yöntemde korunan metal ve anot çiftinin akım üretir nitelikte olması gerekmez. Çünkü koruma için gerekli akım uygun bir dış kaynaktan çekilir. Yavaş çözünürlük yanında ekonomik olan malzemeler anot malzemesi olarak kullanılır. Galvanik anotlu, katodik koruma sistemlerinde kullanılan anot malzemeleri genellikle çinko, alüminyum magnezyum dur. Dış akım kaynaklı katodik koruma sistemlerinde Fe-si, Pb-Sb-Ag, Ti bazlı anotlar kullanılır. Katodik olarak korunmuş olan bir metal yapının korunup korunmadığı aşağıda belirtilen referans elektrotların karşısındaki koruma potansiyel değerlerini sağlamak gerekir.

Koruma Potansiyeli

Referans Elektrot Doygun

kalomel

(miliVolt) elektrot

(Hg2Cl2) Gümüş-Gümüş

Klorid

(Ag/AgCI)

-780 -810

Bakır-Bakır-Sülfat (Cu/CuS04)

-850

Çinko (Zn)

+250

www.kimyamuhendisi.com

Katodik korumanın amacı, belirli bir ortamda her metal için sabit bir potansiyel eşiğinin altında metali toprağa göre negatif olarak daha negatif olarak yükleyerek her tür korozyondan korumaktır.(Şekil 1)

Şekil 1 Metalin korozyonu ve katodik korunması

Sonuçta metal yapının her noktasında birim alana devamlı olarak akım gelmektedir. Bu akım yoğunluğu kaplamanın direncine, ve o bölgedeki potansiyel farkına bağlıdır. Dolayıyla, koruma için seçilen kriter, metalin toprak/deniz ile bağının kuracağı minimum potansiyelidir. Ölçümler genellikle Bakır/Bakır Sülfat elektrotu referans alınarak yapılmaktadır. Bu şartlar altında: Demir için katodik koruma -850 mili Voltun altında, Bakır için katodik koruma -250 mili Voltun altında sağlanmaktadır. Toprak/Deniz ile temas halindeki metalin her noktasında minimum potansiyele erişilmiş olması gerekir

www.kimyamuhendisi.com

9 . MİNUMUM POTANSİYEL YAKLAŞIMI Uygulanan yöntem ne olursa olsun koruma için temel şart,korozyona uğrayan metali polarize ederek potansiyelini(EM) anodik çevrelerin açık devre potansiyeli(EA) hizasına kaydırmaktadır.Bu potansiyeli minimum potansiyel (Emin) olarak adlandıracağız. Minimum potansiyel (Emin) katodik korunma yönteminin akım ihtiyacını

(I

gerek

) belirler.

Korunan metal ve galvanik anot çifti tarafından üretilen veya dış akım kaynağından verilen akım (I uyg )bu akım ihtiyacını karşılar büyüklükte olmalıdır.Tam koruma ancak bu şartla sağlanır.(Şekil 2)

www.kimyamuhendisi.com

10 . GALVANİK ANOTLU KATODİK KORUMA SİSTEMİ Korunması gereken metalden daha elektronegatif bir metal ile bir bataryada galvanik çift oluşturulur.Bu bataryada, pozitif elektrot, yani anot tahrip olurken diğeri yani katot polarizasyona maruz kalır.Bu tür korumada güç azdır ve anodun kullanım süresi sınırlıdır.Bu sebeple bu tür koruma uzun olmayan yada çok iyi yalıtılmış hatlar ile geçici korumalar için ve 10 mA civarında akım ihtiyacında kullanılır. Bu tip koruma verilen düşük akımdaki diğer şebekeleri etkilemediğinden avantajlıdır Diğer yandan potansiyel ayarlanmasına imkan tanımadığından bu konuda elverişsizdir. (Şekil 3) Şekil 3 Galvanik anotlu katodik koruma sistemi

www.kimyamuhendisi.com

Sistemin galvanik anotlu olarak belirlenmesi daha uygun olduğu koşularda , anot tipinin en ekonomik ve en uzun ömürlü olanını tercih etmek gereklidir. Aşağıda anot tipleri hakkında genel bilgiler sunulmuştur. Magnezyum Anotlar Zemin içindeki elektrot potansiyeli yüksek olduğu için, yer altı yapılarının katodik korumasında genellikle magnezyum anot kullanılır. Pratikte iki tip magnezyum anot kullanılır. Bunun biri Az-63 standardındaki magnezyum diğeri de yüksek potansiyelli magnezyum anottur. Grafit Anotlar Petrol kokunun yüksek sıcaklıkta eritilerek grafit haline getirilmesi ile Grafit anot yapısı elde edilir.Grafit anotlardan en fazla 2 mA/cm2 akım çekilebilir. Fakat zemin içinde 1mA/cm2’den fazla akım çekilmesi halinde anot 1-2 yıl içerisinde kullanılmaz hale gelir. Demir Silikon Anotlar %14-15 oranında silisyum ve % 1-2 oranında karbon ve mangan elementlerinden oluşan bu anot tipi, yüzeyinde SiO2’den bir film tabakası ile kaplanmıştır. Bu Film tabakası sayesinde pasifleşerek anot ömrü uzatılmıştır. Buna rağmen deniz suyu ve klorun iyonun bulunduğu ortamlarda yüzeydeki film tabakası kalkarak anodun kütle kaybının hızlanmasına neden olmaktadır. Alüminyum Anotlar Alüminyum anotlar genelde galvanik anot olarak kullanılmaktadırlar. Ucuz ve hafif oluşu ve korozyon ürünleri (alüminyum tuzları ) içme suyunu kirletmedikleri için su tanklarının dış akım kaynaklı katodik korumasında yardımcı anot olarak kullanılmak üzere tercih edilirler.

www.kimyamuhendisi.com

Gümüş-Kurşun Anotlar Kurşun değişik alaşımlar halinde deniz suyu içerisinde kullanılır. Kurşun anotların yüzeyleri, elektriksel iletkenliği çok yüksek olan kurşun peroksit tabakası ile kaplanmaktadır. Bu oksit tabakası anodun tahrip olmadan uzun süre yüksek performans ile çalışabilmesini sağlamaktadır. Örneğin %1-2 oranında gümüş kurşun anotlardan 300 mA/m2 akım çekilebilmektedir. Endüstride daha çok Ag + Sb + Pb alaşımları anot olarak kullanılmaktadır. 5cm çapında ve 30 cm boyundaki bir kurşun anottan deniz suyu içinde 520 amper akım çekebilmek mümkündür. Çinko Anotlar Yer altı ve sualtı yapılarında galvanik anot olarak saf çinko kullanılabilir. Deniz içinde kullanılan anotlar %0,1-0,5 oranında alüminyum içerir.

www.kimyamuhendisi.com

11 . DIŞ AKIM KAYNAKLI KATODİK KORUMA SİSTEMİ Bu sistemde sürekli akım kaynağı kullanılır.Negatif kutup, korunacak boruya pozitif kutup da zemin yatağı yada toprak plakasına bağlanır.Zemin anot yatağına karma metal oksit kaplı titanyum tüp veya şerit anotlar yerleştirilir.Anotlar kendini yok ettiğinden ve elektrik akımı yüksek olduğundan 20 yıl 'a uygun bir kullanım süresi için gerekli malzeme öngörülmektedir. 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.Bu koruma tipi büyük şebekelerde tavsiye edilir.Potansiyel uyarlamaları ile adaptasyonda elastikiyet sağlar. Fakat dağıtım şebekelerinde diğer şebekelere etkisinin engellenmesine dikkat edilmelidir(Şekil 4). Şekil 4 Dış akım kaynaklı katodik koruma sistemi

www.kimyamuhendisi.com

Katodik koruma yapılacak yüzey alanın fazlalığından veya zemin korozifliğinin fazlalığından kaynaklanan akım ihtiyaç fazlalığı galvanik anotlarla karşılanamıyorsa daha ucuz olan bir katodik koruma sistemi yöntem olan dış akım kaynaklı sistemi tercih edilir. Aynı zamanda bu sistem zemin rezistivitesinin yüksek olduğu yerlerde de galvanik anotlu sistemden daha olumlu sonuçlar verir. Dış akım kaynaklı katodik koruma sisteminin bütün bu avantajlarının yanında, diğer avantajları da ; akım ihtiyacı sonraki değişen koşulara bağlı olarak düşürülmesine veya yükseltilmesine izin vermesi ve işletmesinin kolay oluşudur. Dış akım kaynaklı sistemlerde kullanılan malzeme ve teçhizat hakkında aşağıda bilgi verilmiştir. Etüd Proje Etüd Proje için gerekli veriler: Zemin Özgül direnci Zemin Redoks Potansiyeli Yüzey Kaplaması Yüzey Alanı Katodik koruma için gerekli akım ihtiyacı boru alanı,boru kaplamasına zemin rezistivitesine göre akım ihtiyacı tespit edilir. Akım ihtiyacına sağlayabilecek T/R ünitesi ve Anot sayısı ve cinsi tespit edilir. Anotlara uygun olarak anot yatağı tasarlandıktan sonra gerekli ölçüm istasyonları (Ölçü kutuları) boru hattı üzerine 500-1000 m aralıklarla yerleşim yerleri belirlenir. Trafo Redresör Ünitesi Dış akım kaynaklı Katodik Koruma sisteminde gerekli olan doğru akım için trafo redresör ünitesi kullanılır. Trafo redresör ünitesi şebekeden aldığı alternatif akımı trafo ünitesi ile doğru akıma çevirip istenilen gerilime düşürür. Bu akım redresörden geçirilerek pozitif uç anoda negatif uç katoda bağlanır.

www.kimyamuhendisi.com

Transformatör Redresör Ünitesi Kullanıldığı iklim koşullarına veya yerine göre hava ve yağ soğutmalı olarak tasarlanılır. T/R tipinin seçimin de en önemlisi trafo ünitesinin en kolay nasıl soğutulabileceği önemlidir. T/R ünitesi aynı zamanda el ile ve otomatik olarak çalışabilmektedir. Ön gösterge panelinde Boru ile referans elektrot arasındaki potansiyeli farkı, Bağlı olan anotlardan çekilen akımı (amper) ve anot voltajını gösterir. Platin-Titanyum Anotlar Titanyum metali üzerine 5-10 mm kalımlığında platin kaplanarak 150-300 A/m2 akım üretebilen yardımcı anotlar elde edilebilmektedir. Bu anotların deniz suyu içerisinde bile kütle kayıpları çok azdır. Yaklaşık olarak 5x10-6 kg/A x yıldır. Bu anotlar genellikle deniz suyu içerisinde verimlidir. Metal Oksit Kaplanmış Titanyum Anotlar Titanyum üzerine iletkenliği çok yüksek metal oksitler kaplanarak elde edilen anotlarda kütle kaybı yok denecek kadar azdır. Anot yüzeyi polarize olmadığı için sürekli aktif halde kalır. Bu anotlar hem zemin içerisinde hem de deniz suyunda kullanılabilmektedir. Asitlere karşı tam dayanıklıdır. Deniz Suyu içerisinde 600 A/m2 akım çekebilmektedir. Yardımcı Anotlar Dış akım kaynaklı katodik koruma sistemlerinde yardımcı anot olarak çok çeşitli metaller kullanmak mümkündür.Yardımcı anotlarda aranan başlıca özellikler yüksek potansiyele ihtiyaç

duyulmadan

istenilen

akımı

verebilmesidir.

Aynı

zamanda

uzun

süre

parçalanmadan akım verebilir halde olmasıdır. Kütle kaybının az olması yanında birim yüzeyden çekilebilen akımın fazla olmasıdır.

www.kimyamuhendisi.com

TS-5141’e göre bazı yardımcı anotların özellikleri şöyledir. Zemim İçerisinde Anot Cinsi

çekilebilen maksimum 1 Amper x Yıl akım akım yoğunluğu

başına kaybı,kg

mA/cm2 Demir Silikon Anot

4

1

Grafit Anot

2

1

Alüminyum anot

2

4

Kurşun anot (%6 Sb+%1Ag )

2

Çok Az

Hurda Çelik

0,5

9

Anot Yatağı Anot Yatağı Dolgu Malzemesi:Akım sonucu meydana gelen kaybını karşılayarak anot ömrünü artırmak ve anot boyutlarını artırarak direnci düşürmek amacı ile anot yatağına dolgu malzemesi kullanılır. Genelde 40-100 Ohm.cm rezistivitesine sahip olan Kok tozu kullanılmaktadır. Anot Yatağı Tasarımı : Anot yatakları Derin Kuyu veya Yatay yatak halde tasarlanırlar. Derin kuyu Anot yatakları:Katottan en fazla 100m, en az 30 m mesafede olacak şekilde yerleştirilir. Oluşturulacak in aktif derinlik10~15 m mertebesinde olmasına dikkat edilir. İnterferans etkisi yaratıp yaratmadığı kontrol edilir ki akım kaçağı olmasın. Yatay Anot Yatakları:Yatak direncinin derin kuyuya göre daha düşük olmasına karşın, yüzeyde çok yer kaplaması nedeniyle tercih edilmemektedir. Yerin uygun olduğu boru hatlarında boru eksenine paralel olarak ve boru hattına en az 30 m en çok 100 m mesafeye yerleştirilir. Derinliği zemin rezistivitesi , nemlilik oranına ve anot tipine bağlı olarak değişir.

www.kimyamuhendisi.com

Ölçü Kutusu Dış akımlı katodik koruma sistemlerinde, özellikle boru hatlarında Boru-Zemin Potansiyeli sistemin çalışmasını gösteren en önemli bilgidir. Bu potansiyeli ölçmek amacı ile TS5141’e göre yaklaşık olarak 1 Km’ de bir ölçü kutusu yerleştirilir. Ölçü kutusunun bir ucu içerisinde , bir ucu boru üzerine katvelt kaynağı ile şöntlenmiş 1x10 mm2 NYY kablo bulunulur. Ölçü kutusunun içerisindeki bu kablo ve seyyar tip referans elektrot ile BoruZemin Potansiyeli ölçülür. Ölçü Kutusu Dış çapı 100mm olan galvaniz kaplı fırın boyalıdır.Zemine tapliye betonu ile yerleştirilirler.

Referans Elektrotlar Korunan metal (katot) 'in iyonik ortam içerisindeki potansiyel yüklemesini tespit etmek için referans olarak referans elektrot kullanılır. Örneğin; Boru Hatlarında , Boru zemin potansiyelini ölçmek amacıyla iki tip Bakır / Bakır Sülfat (Cu/CuSO4) referans elektrot kullanılmaktadır. Birincisi Trafo Redresör ünitesine bağlı sabit tip referans elektrottur. İkincisi Ölçü kutularından okuma yapmak için kullanılan seyyar tip referans elektrottur. Sıklık ile Cu/CuSO4, Ag/AgCl, Zn/ZnSO4 referans elektrotlar kullanılır.

www.kimyamuhendisi.com

12 . SİSTEMLERİN KARŞILAŞTIRILMASI Galvanik Anotlu Katodik Koruma

Dış Akım Kaynaklı Katodik Koruma

Sistemi

Sistemi

1. Dış akım kaynağına gerek yoktur. 1. Bu sistem elektrik şebekesi bulunmayan Katodik koruma için gerekli akım galvanik bölgelerde uygulanamaz. anotlardan sağlanır. 2. Bu sistemde akım maliyeti yüksektir. Bu 2. Elektrik akımı şebekeden alındığı için nedenle akım ihtiyacı yüksek olan boru ekonomiktir. Bu nedenle akım ihtiyacı için hatlarında tercih edilmez. Galvanik anotlu akım sınırı yoktur. Bu sistem, Trafo katodik koruma sistemi 0.5 ile 1.00 mA’den Redresör ünitesi sayısı artırılarak çok uzun daha az akım ihtiyacı olan boru hatlarında boru ekonomik olabilir. 3.

Galvanik

sisteminde

anotlu devre

hatlarında

ekonomik

olarak

uygulanabilir. katodik potansiyeli

koruma 3. Dış akım kaynaklı katodik koruma düşük sisteminde zemin özgül direnci ile ilgili bir

olduğundan, yüksek elektriksel özgül direnli sınır

yoktur.

Anot

yatağının

direnci

zeminler içinde bu sistemin uygulanması düşürülerek ve Trafo Redresör ünitesinin güçleşir. 5000 ohm.cm’den daha yüksek sayısı özgül

dirençli

artırılarak

istenilen

akım

zeminlerde uygulanabilir.

uygulanmamalıdır. 4. Yapımı basit ve kolaydır. İşletme 4. Proje sırasında göz önüne alınmayan sırasında hiç bir ayar gerektirmez.

faktörler nedeni ile değişimler meydana gelirse,

bunlar

işletme

sırasında

ayar

yapılarak düzeltilebilir. 5. Anotlar, boru hattı boyunca dağılmış 5. olduğundan,

işletme

sırasında

Trafo

kontrolü erişilebilecek

redresör yerlere

ünitesi

kolayca

konulduğundan,

güçtür. Arızanın belirlenmesi için her işletme sırasında sistemin kontrolü kolaydır. anodun ayrı ayrı kontrol edilmesi gerekir. 6.

Anot

/

Zemin

potansiyeli

düşük 6. Anot yatağının civarındaki metalik

olduğundan, anot yatağının çevre metalik yapılarda interferans etkisi yapabilir. Bunun yapılar üzerine interferens etkisi önemsizdir

için yapancı metal yapılar üzerinde özel önlemler alınması gerekebilir.

www.kimyamuhendisi.com

7. Anottan çekilen akım kontrol edilemez. 7. Boru akım ihtiyacı değiştikçe sisteme Borunun akım ihtiyacı polarizasyon nedeni uygulanan ile zamanla azalır.

akım

ihtiyacı

istenilen

seviyelerde ayarlanabilir.

8. Anoda yakın olan metal yüzeyinde aşırı 8. Anoda yakın olan metal yüzeyinde aşırı voltaj nedeni ile metal kaplamasında voltaj nedeni ile metal kaplamasında soyulma meydana gelmez. soyulma meydana gelebilir.

Anot İhtiyacı : 1 m2 yüzeyde yeterli katodik koruma sağlamak için gerekli akıma katodik koruma akım ihtiyacı denir. Bu akımı anot vereceğinden bu bilgilerden gerekli hesaplamalar yapılarak anodun boyutu tahmin edilen ömrü ve gerekli olan anot sayısı bulunabilir. Daha önce gösterildiği gibi galvanik anot olarak kullanılan en yaygın üç metal magnezyum, çinko ve alüminyumdur.

www.kimyamuhendisi.com

13 . KATODİK KORUMA KRİTERLERİ Normal koşullarda bir çelik yapının katodik olarak korunması için, doygun Cu/Cu(SO4)2 referans elektroduna göre - 0,85 V potansiyelden daha elektronegatif bir potansiyele kadar katodik olarak polarize edilmesi gerekir. Bu değer Ag/AgCl referans elektrotu ile - 0,80 Volt'a karşı gelir. Beton içinde yapılan katodik koruma sistemlerinde, pasiflik nedeniyle bu değere erişmek mümkün olmaz. Beton içindeki çeliğin katodik koruması için başka bir kriter uygulanır. Çeliğin korunması için katot da 100 mV luk bir polarizasyon kayması yeterlidir.

www.kimyamuhendisi.com

14 . KAPLAMALARLA BİRLİKTE KULLANMA Katodik koruma uygulanırken yalıtkan kaplama kullanmak her zaman avantajlıdır. Böyle kaplamalar koruyucu akımın dağıtılmasında , toplam akım ihtiyacının azaltılmasında ve anodun ömrünün uzatılmasına etkili olurlar. kullanışlıdır. Örneğin kaplanmış bir boru hattında akım dağılımı çıplak boru hattına göre daha düzgündür, gerekli olan anot sayısı ve toplam akım daha azdır ve bir anot boru hattının daha uzun bir kısmını daha uzun süre koruyabilir. 15 . YERALTI TANKLARINDA KATODİK KORUMA Toprak altına yerleştirilen akaryakıt tanklarında toprak ve zemin suyundan dolayı korozyona uğraması kaçınılmazdır. Çürümenin boyutu ve zamanı 1 günde veya 10 yılda belirlenebilir. Yer altı tanklarını korozyondan önlemek için ;tankın dış yüzeyi uygun bitüm-asfalt malzeme ile kaplanır ve bu kaplamanın dışına katodik koruma uygulanır.

16 . BETON İÇİ KOROZYONA KARŞI KATODİK KORUMA Son yıllarda, betonarme demirlerinin katodik olarak korunması da uygulama alanına girmiş bulunmaktadır. Betonarme demirleri, hem galvanik anot (çinko), hem de dış akım kaynaklı katodik koruma sistemleri ile korunabilmektedir. Katodik koruma için en önemli şart, betonarme demirlerinin elektriksel bağlantısının tam olmasıdır. Normal halde betonarme demirleri bir biri ile temas etmekle beraber, bu temas düşük voltajlı elektrik akımını iletmek için yeterli değildir. En iyisi betonarme demirlerinin birbirine kaynak edilmesidir. Beton içindeki betonarme demirlerinin dengeli bir şekilde katodik olarak korunabilmesi için uniform bir akım dağılımı gerekir. Bu nedenle anot biçimi ve boyutlarının seçimi büyük önem taşır. Bu amaca en uygunu, oksit kaplı titanyumdan yapılmış olan tel kafes şeklindeki anotlardır.

www.kimyamuhendisi.com

17 . GALVANİZLİ SAÇLARDA KATODİK KORUMA Korozyona karşı katodik koruma konusunda ilk akla gelen uygulamalar toprak altında bulunan tankların, boru hatlarının veya iskelelerin yada gemi gövdelerinin korunmasıdır. Hepsinin ortak özellikleri elektriksel potansiyeli yükseltilen bir gövde ve kurban edilen bir başka metalin mevcudiyetidir. Bilindiği gibi paslanma, elektron ihtiyacı içinde olan oksijen atomlarının elektron fazlası olan metaller ile reaksiyona girmek suretiyle metal oksitler oluşturması yani oksidasyon reaksiyonudur. Ortamda birden fazla metal çeşidinin bulunması halinde, oksijen atomu potansiyeli düşük olan metal ile reaksiyona girme eğilimi göstermektedir. İşte katodik koruma yönteminin dayandığı nokta budur. Korunması istenen metalin potansiyeli yükseltilir ve ortama kurban edilecek başka bir metal yerleştirilir. Ortamda birden fazla metal çeşidinin bulunduğu ancak potansiyel farkı oluşturacak gerilim kaynağı bulunmayan durumlarda metaller arası "reaksiyona girme eğilimleri" sıralaması yani "normal potansiyel" değerleri önem kazanmaktadır. Bu değerler hidrojenle karşılaştırılarak, göreceli olarak belirlenmiştir, dolayısıyla hidrojenin normal potansiyeli sıfırdır. Bu sıralamanın bir başka adı da asalet sıralamasıdır. En asil metal altındır. Asalet sıralamasına göre demir çinkodan daha asildir. Hem demir hemde çinko bulunan bir ortamda dışarıdan herhangi bir gerilim uygulanmadan çinko kendini feda eder ve beyaz toz halindeki çinko-oksitleri oluşur. Tamamen metallerin kendi aralarındaki potansiyel fark dolayısıyla katodik koruma sağlanması söz konusu potansiyel farkın büyüklüğü ile sınırlıdır. Çinko kaplı demir malzeme için bu sınır 1mm mertebesindedir. Yani arkalı önlü çinko ile kaplanmış bir plaka temiz bir şekilde kesildiğinde kesim yüzeyinde koruma sağlanabilmesi için plaka kalınlığının azami 2mm olması gerekmektedir. Galvanizli sac uygulamalarında çinkonun korozyona karşı katodik koruma etkisi, söz konusu uygulamada meydana gelebilecek çizilme, kesilme gibi durumlar için etkili ve ekonomik bir koruma sağlamaktadır. Günlük hayatta karşılaşılan en çarpıcı örnek galvanizlenmiş bir dış yüzeye sahip ev tipi LPG tüplerdir. Bunlar son tüketim noktasına ulaştırılıncaya kadar bir çok darbeye, çiziğe maruz kalırlar, ancak paslanmazlar.

www.kimyamuhendisi.com

18 . GEMİLERE KATODİK KORUMA - Gövdeyi ve bağlantı elemanlarını - Gemi içindeki tankları korumak amacı ile gerçekleştirilir. Gemi gövdeleri günümüzde yüksek performanslı boyalarla korunmaktadır. Bu boyaların katodik koruma sırasında oluşan alkali ortama dayanıklı olması gerekmektedir, zira söz konusu ortamın klor iyonu konsantresi oldukça yüksektir. Iyi boyanmış yüzeylerin katodik koruma akım ihtiyacı harcanabilir anotlarla koruma yapılması halinde yeni gemiler için 5_10mA/m2 'dir. Bu ihtiyaç zamanla ve boya kalitesindeki değişiklik nedeni ile 200 mA/m2 'ye çıkabilir. Ortalama akım ihtiyacı 10-30 mA/m2 civarındadır. Örneğin günümüzde okyanusa çıkan gemiler için 10 mA/m2 koruma akımı yeterli kabul edilmektedir. Hariçten akım uygulaması ile yapılan katodik korumada ise ıslak bölge akım ihtiyacı 25-35 mA/m2 olarak hesaplanır. Çok iyi kaplanmış yüzeylerde bu ihtiyaç azalabilir. Genel olarak gemi gövdelerinin kıç kısmındaki koruma akım ihtiyacı diğer bölgelere göre daha yüksektir. Kıç kısmındaki şiddetli su hareketi ve değişik metallerin bulunması bunun nedenidir. Gemilerin katodik koruma tasarımında tüm gemi gövdesinin katodik koruma tasarımında tüm gemi gövdesinin katodik olarak korunması dikkate alınabileceği gibi birçok halde de yalnız kıç bölgesi katodik olarak korunur, diğer bölümler korunmasız bırakılır. Tüm korunma halinde anotların %15-25 'i kıç bölgesine yerleştirilir. Pervanenin gövdeye bağlanması halinde çıplak bronz pervane için ayrıca ilave koruma akımına ihtiyaç vardır. Örneğin ticaret gemileri için ilave ortalama değer 500 mA/m2 'dir. Gemilerde tankların dahili korumalarında yalnız harcanabilir anotlarla koruma yapılır. Emniyet açısından ise hem magnezyum anotlarla hem de hariçten akım uygulaması ile koruma yapılmamaktadır. En büyük tehlike katodik koruma sırasında açığa çıkan gazların magnezyum veya koruyucu akımdan çıkacak kıvılcım ile ateşlenerek patlamasıdır. Periyodik olarak doldurulup boşaltılan tankların kısa zamanda koruyucu filmle kaplanması için genelde tankların koruma akım yoğunlukları yüksektir.

www.kimyamuhendisi.com

19 . SONUÇLAR VE TARTIŞMA Korozyonla savaşmada dünyada bir çok teknikler kullanılmaktadır. Bu teknik grubundan ; katodik koruma dışındakiler korozyon hızını azaltan , başka bir deyimle korozyonu kısmen önleyen yöntemlerdir. Katodik koruma ise korozyonu tamamen önleyen etkili ve rakipsiz bir yöntemdir

www.kimyamuhendisi.com

20 . KAYNAKLAR Jackson, C. W. 1997. "Insulation: an investment worth protecting." Insulation Outlook.

Norsworthy, R. 1998. "Coating proves effective on hot oil pipe- lines." Pipeline and Gas Journal March. Patrick J. Dunn - Richard Norsworthy - Çeviren: Mak. Müh. Zafer CEYLAN (ODE Yalıtım A.Ş.) İTÜ –Ders Ödevi - Kayihan ALTINÖZ, Melek ERTOGAN, Melih ÜZMEZ, Hakan KART http://www.argem.com.tr/katodik.htm http://www.hmkorozyon.com http://www.sanalhocam.com http://www.geocities.com/kimyacıyım/cevrevekimya/korozyon.htm http://www.makinamuhendisi.com http://petso.com.tr/banka http://www.kimyager.com http://www.ekomedikal.com http://www.gemsan.com.tr http://www.ekabin.com/td2.