Makale. Ark Sprey Metalik Kaplamalar İle Rüzgar Türbinlerinde Korozyon Önleyici Faaliyetler. Dr. Ekrem Altuncu. Dr. Fatih Ustel

Transkript

1 1-2 Dr. Ekrem Altuncu 2 Dr. Fatih Ustel 1 Kocaeli Üniversitesi Makine-Metal Teknolojisi 2 Sakarya Üniversitesi, Metalurji ve Malz. Müh. Termal Sprey Teknolojileri Araştırma Lab. Ark Sprey Metalik Kaplamalar İle Rüzgar Türbinlerinde Korozyon Önleyici Faaliyetler ile korozyonu kontrol altında tutmaya çalışmaktadır. Bu amaçla polimerik, metalik kaplamalar ve boyalar kullanılmaktadır. Korozyon ile mücadelede önleyici faaliyetlerin birlikte kullanılması veya birbirini tamamlaması kaplamanın koruyuculuk etkisini ve kullanım ömrünü artırmakta, bakım maliyetlerini ve kayıpları ve hasar riskini azaltmaktadır. 18 Rüzgar Türbinleri, Geleceğin En Önemli Yenilenebilir Enerji Kaynaklarıdır Giriş: Korozyon ile ilişkili önlemler genellikle üretimin ve tasarımın son aşamasında göz önüne alınmakta veya servis koşullarında yaşanan problemler ile ve artan bakım-yenileme maliyetleri ile birlikte düşünülmeye başlamaktadır. Korozyonu önleme çalışmalarında öncelikli olarak korozyonun türü, ortamı ve korozyonun ilerleme hızı üzerinde durulması gereken konulardır. Çelik esaslı konstrüksiyonlar için korozyon emniyet dayanımının azalması nedeni ile kaçınılmaz bir problem olup gerek atmosferik, gerek deniz etkisi atmosferi veya toprak altı atmosferik bölgelerde farklı koruyucu önlemlere gereksinim duyulmaktadır. Metalik iş parçalarının ortam ile etkileşimi, korozyonun türünü ve hızını (ağırlık değişimi/ süre veya kesit değişimi/ süre) belirlemektedir. Korozyon hızını etkileyen temel faktörler arasında: sıcaklık, Cl iyonu, O 2 konsantrasyonu, akışkan hızı, asidik derece, elektrolit iletkenlik, atmosferik kirlilik, mikro organizmalar bulunmaktadır. Buna karşın korozyonu önleyici faaliyetler 4 ana grupta toplanmaktadır. Bunlar: tasarım çözümleri, ortam kontrolü, malzeme seçimi ve malzeme-ortam etkileşimini kontrol altına alınmasıdır. Yüzeyde koruyucu kaplamalar metalik parça ile atmosferi arasında bariyer görevi yapmakta ve etkileşimi azaltmak, geciktirmek veya yönlendirmek kaydı Dünyada ve ülkemizde hızla yaygınlaşan temiz ve yenilenebilir enerji talebi kapsamında rüzgar türbinlerinin sayısı her geçen yıl artmaktadır. Türbinlerden en az 20 yıl optimum enerji verimliliğinde ve güvenilirlikte faydalanılması yönünde tasarımcılar çalışmalar sürdürmektedir. Rüzgar türbinlerinin çok büyük boyutlara ve tonajlara sahip olması nedeniyle kurulumu ve montajı öncesinde koruyucu yüzey uygulamasının önemi bakım maliyetleri ve servis maliyetleri açısından üzerinde durulması gerekmektedir. Tipik çinko banyosunda (galvanizleme) metalik Zn kaplama uygulamaları boyutsal ve tonaj nedenlerinden dolayı gerek uygulamada gerekse montaj hattına taşınmasında ek maliyetler ortaya koymaktadır. Bunun yanında yüzeyde boya uygulamaları ise agresif ortam koşullarına karşı sınırlı bir dayanım göstermektedir. Rüzgar türbinleri için çinko esaslı kaplamaların galvanizleme tekniği yerine ark sprey ile uygulamalarının avantajları ön plana çıkmaktadır. Özellikle atmosferik ortama maruz kalan türbin kesitinde ark sprey Zn kaplama üzerine epoksi reçine esaslı tıkama (seal) astarı, bunun üzerine 2 kat sıvı epoksi kaplama ve son 1 veya 2 kat son kaplama uygulanmaktadır. Su altında kalan bölgede katodik koruma ve epoksi kaplaması bilinen uygulama şeklidir. Su ile temas eden bölgede ise ark sprey ile Al kaplama ve polimerik (polyester) kaplama uygulaması yapılmaktadır. Deniz Aşırı (Off Shore) Rüzgar Türbinleri İçin En Büyük Riskler: Deniz atmosferi kaynaklı korozyon, klor içerikli deniz suyu dalgalarının yüzeyde meydana getirdiği erozyon, özellikle kış aylarda yüzeylerde donma çözülme problemleri ve kar yükünün oluşturduğu mekanik yüklemeler ve bunun yanı sıra su ile temas eden bölgelerde biyolojik kabuklu canlıların oluşturduğu olumsuz yüzey özellikleri ve korozif etkiler olmak üzere 4 ana grupta toplanabilir. Şekil 1 de türbinin yapısal bileşenleri ve ortalama korozyon hızı gösterilmektedir.

2 Tablo 1. Korumasız çelik yapıların korozyon hızları (mm/yıl) ISO e göre su ile temas bölgesi için korozyon hızı 0.3 mm/yıl, su altında kalan bölgede 0.1 mm/yıl kabul edilmiştir. Türbinin 20 yıllık kullanımı süresince su ile temas eden bölgede korozyon hızı 6mm (0.30 mm/yıl), sualtında kalan bölgede ise 2mm (0.1 mm/yıl) olarak belirlenmiştir. Şekil 1. Deniz Aşırı Türbin yapısı (off shore) Su ile temas eden veya su altında kalan bölge için deniz suyu içeriğindeki Cl - etkisi ile oldukça korozif bir ortam oluşturmakta ve elektrokimyasal korozyon meydana gelmektedir. Deniz suyu çok iyi iletken bir elektrolit özelliği taşımaktadır. Korozyon hızı; tuz oranına, oksijen miktarına, su sıcaklığına ve su hareketine bağlı olarak değişmektedir. Korozyonu önleme etkinliği korozyon hızının kritik bir değeri aşaması ile azalmaktadır. Korozyon hızı teorik olarak hiçbir zaman sıfıra ulaşmamaktadır. Bu nedenle 0.01mm/yıl korozyon hızı düşük bir hız olarak göz önüne alınmaktadır. Korumasız türbin kesitinde alaşımsız veya düşük alaşımlı çelik parçaların korozyon hızları Tablo 1 de sergilenmektedir. Şekil 2. Korozyona uğramış rüzgar türbini parçaları Türbinin maruz kaldığı atmosferik koşullara bağlı olarak koruyucu önlemler değişmektedir. Aşağıda Tablo 2 de çalışma bölgeleri için önerilen kaplama kalınlıkları ve servis ömrü belirtilmektedir. Şekil 3 te taşıyıcı sistemlerde koruyucu metalik kaplama uygulamalarına örnekler görülmektedir. Avrupa da rüzgar çiftliklerinde termal sprey ile metalik kaplamalı uygulamalar başarılı sonuçlar vermiştir 19

3 Tablo 2. Rüzgar türbini kule gövdesi için koruyucu kaplamalar ve kalınlıkları/ uygulama örnekleri Atmosferik ve marina ortam koşullarında termal sprey prosesi ile Zn ve Zn-Al esaslı metalik kaplamalar üretilebilmektedir. Her iki tel hem alev tel sprey hem de elektrik ark sprey tekniği ile püskürtülebilmektedir. Bu kaplamalar çelik esaslı yapıları kurban anot görevi yaparak galvanik korozyona karşı korumaktadır. Galvanizleme yöntemine nazarana birçok açıdan daha elverişli bir prosestir. Zn-Al (%85-15) alaşımı kaplamaların korozyon direnci saf Zn ve saf Al (%99.9) kaplamalara göre üstündür. Asidik ortamlarda Zn-Al kaplamalar diğer kaplamara göre daha dayanıklı ve uzun ömürlüdür. 20

4 Elektrik ark sprey Alev tel sprey Şekil 3. Taşıyıcı sistemlerde koruyucu metalik kaplama uygulamalarına örnekler Yüzeyde Zn/Al esaslı metalik kaplamalar ile korozyon koruma uygulamaları, yüksek kullanım ömrü sağlamaktadır. Şekil 4 te korozyon problemlerine karşı uygulanan termal sprey prosesleri ve ekipmanları sergilenmektedir. Ark sprey ve alev sprey prosesleri en yaygın kullanılan proseslerdir. Tel ve/veya toz formunda malzeme elektrik arkı veya alev ısısı içerisinde eritilerek yüzeye püskürtülmektedir. Farklı atmosferik koşullar için farklı çaplarda Al/Zn/Mg esaslı teller mevcuttur. Atmosferik koşullarda kaplama yapılabilmektedir. Bakım maliyeti ve tamir maliyetleri diğer uygulamalara göre daha hızlı ve pratik şekilde yapılabilmektedir. Şekil 4. Korozyona karşı uygulanan termal sprey prosesleri Elde edilen sonuçlar doğrultusunda ark sprey tekniği ile üretilen Al, Zn kaplama kalınlığının artması korozyonu önemli oranda yavaşlatmaktadır. Kaplama işlemi sonrası uygulanan seal malzemesi de korozyonun yavaşlatılmasında önemli rol almaktadır. Bu bağlamda Tablo 3 te farklı seal malzeme uygulanmış yüzeylerin korozyon testi sonrası yüzey görüntüleri sergilenmektedir. Görüleceği üzere şiddetli korozyon ortamında seal malzeme kaplama ile birlikte korozyon hızını azaltmakta ve yüzeyde korozyon ürünleri önemli ölçüde azaltılabilmektedir. Tablo 3. Farklı seal uygulanmış kaplamaların korozyon tuz testi sonrası yüzey görünümü 21

5 İlgili Standartlar DIN EN ISO 12944: Corrosion protection of steel structures by protective paint systems ISO 20340: Paints and varnishes. Performance requirements for protective paint systems for offshore and related structures, ISO 19902: Petroleum and naturel gas industries, fixed steel offshore structures, NORSOK M 503: Cathodic protection, Rev NACE Standard RP0176, Corrosion control of steel fixed offshore structures associated with petroleum production, AWS C2.23M/C2.23: NACE No. 12, SSPC-CS 23-00: Specification for the Application of Thermal Spray Coatings (Metallizing) of Aluminium, Zinc, and Their Alloys and Composites for the Corrosion Protection of Steel BS EN ISO 14713, Protection against corrosion of iron and steel in structures. Zn and Al coatings. Guidelines Referanslar Lossin M., Corrosion protection of offshore wind turbines, Recommendations for Design of Offshore Wind Turbines financially supported by the European Community (contract no. ENK5-CT , acronym RECOFF) a Fifth Framework Programme ( ). Meijer M.H., Corrosion in Off Shore Wind Energy, TNO,Netherland, Rasmussen S. N., Corrosion protection of Offshore Wind Turbines, HEMPEL, Copenhagen, Hogg P., Durability of wind turbine materials in off-shore environments, SUPERGEN WIND. University of Manchester, Altuncu E., Rüzgar Türbin Kanatlarının Korunması için Ark Sprey Kaplamaların Avantajları, Metal Dünyası, 228, 72-75, S. Kuroda, J. Kawakita, M. Komatsu, T. Aoyaggi, and H. Saitoh, Characterization of thermal sprayed Zn and Al coatings after 18 years exposure in marine environment, Adv. the Sci. & Applying the Technology. ASM International USA. pp , R. A. Kogler, D. Brydl, and C. Highsmith, Recent FHWA experience with metallized coatings for steel bridges, Mat. Perf., vol. 38, no. 4, pp , 1999 R. R. M. H. Pombo, R. S. C. Paredes, S. H. Wido, and A. Calixto, Comparison of aluminum coatings deposited by flame spray and by electric arc spray, Surf. Coat. Tech., vol. 202, no. 1, pp , S. Orlando, T. De Rincón Oladis, R. Álvaro, et al., Thermal sprayed Zn/Al double layer: a protection alternative against steel corrosion in tropical marine atmospheres, (NACE 08), S. Kuroda, J. Kawakita, and M. Takemoto (2006) An 18-Year Exposure Test of Thermal-Sprayed Zn, Al, and Zn-Al Coatings in Marine Environment. Corrosion: Vol. 62, No. 7, pp ,2006. Min-Su HAN, Yong-Bin WOO, Seok-Cheol KO, Young-Jae JE- ONG, Seok-Ki JANG, Seong-Jong KIM, Effects of thickness of Al thermal spray coating for STS 304, Trans. Nonferrous Met. Soc. China 19, , Orlando Salas, Oladis Troconis de Rinc on, Daniela Rojas, Adriana Tosaya, Nathalie Romero, Miguel S anchez, and- William Campos, Six-Year Evaluation of Thermal-Sprayed Coating of Zn/Al in TropicalMarine Environments Int. J. Corrosion Volume