1.1 KOROZYON Korozyon, metal erin içinde bulundukları ortam ile kimyasal veya elektro kimyasal reaksiyonlara girerek metalik özel iklerini kaybetmeleri olayıdır. Metal erin büyük bir kısmı su ve atmosfer etkisine dayanıklı olmayıp normal koşul ar altında bile korozyona uğrayabilir. Endüstrinin temel yapı malzemesi olan demir ve çelik sulu ortamlarda ve atmosferde korozyona dayanıksız bir metaldir Korozyon olayı endüstrinin her bölümünde kendini gösterir. Açık atmosferde bulunan tanklar, depolar, direkler, korkuluklar, taşıt araçları, yeraltı boru hatları, betonarme demirleri, iskele ayakları, gemiler, fabrikalarda kimyasal madde doldurulan kaplar, borular, depolar ve bir çok makina parçası korozyon olayı ile karşı karşıyadır. Bütün bu yapılar korozyon nedeniyle beklenenden daha kısa sürede işletme dışı kalmakta ve büyük ekonomik kayıplar meydana gelmektedir. Korozyon kayıpları ülkelerin gayri safi mil i hasılasının yaklaşık % 3,5-4,5 u kadardır. 1976 yılında Amerika Birleşik Devletindeki korozyon kaybı 70 milyar dolar / yıl, 2001 yılında 300 milyar dolar / yıl olarak hesaplanmıştır.bu değerin korozyonla mücadelenin henüz yetersiz olduğu ülkemizde daha büyük olması beklenebilir. Korozyon olaylarının tam olarak yok edilebildiği kabulüne dayandığı için bu değerler tam doğru olmayabilir. Gerçekte korozyon kayıplarının ancak bel i bir yüzdesini (yaklaşık % 30 unu) önleyebilmek mümkün olabilir. Hangi yöntem uygulanırsa uygulansın korozyon kayıplarının maliyetinin hesabı çok zordur. Bu zorluk korozyon nedeniyle meydana gelen malzeme ve işçilik kaybı yanında gözle görülmeyen bazı yan kayıpların belirlenmesinden kaynaklanır. Korozyonun doğrudan neden olduğu malzeme ve işçilik kaybına, korozyon nedeniyle ortaya çıkan diğer kayıpların da dahil edilmesi gerekir. Korozyonun neden olduğu dolaylı kayıpları beş maddede toplayabiliriz. 1 -Tesisin servis dışı kalması: Korozyon sonucu meydana gelen arızanın tamiri için geçen süre içinde tesis devre dışı kalması ile meydana gelen kayıplar hesap edilemeyecek kadar büyüktür. 2 -Ürün kaybı: Bir deponun, tankın veya boru hattının korozyon sonucu delinmesi halinde, olayın farkına varılıncaya kadar geçen süre içinde ürün kaybı söz konusu olur. Bu kayıplara korozyon kaybı olarak bakmak gerekir. 3 -Ürün kirlenmesi: Çözünen korozyon ürünleri, elde edilen kimyasal madde içine karışarak onun kirlenmesine neden olur. 4 - Boya ve kaplamalar: Metal eri korozyondan korumak üzere kul anılan boyalar, kalay ve çinko ile yapılan kaplamalar da korozyon kaybı olarak kabul edilmelidir. 5 -Korozyon için alınan aşırı önlemler: Çoğu zaman korozyon hızının ne büyüklükte olacağı başlangıçta tam olarak bilinemediği için, tasarım sırasında gereğinden kalın malzemeler veya çok pahalı malzemelerin kul anılması yoluna gidilmektedir. Bu harcamalar da görünmez korozyon kaybı olarak kabul edilmelidir.
1.2 KOROZYON ÇEŞİTLERİ ve GALVANİK KOROZYON Değişik metal er, içinde bulundukları ortamın özel iklerine göre çeşitli şekil erde korozyona uğrarlar. Başlıca korozyon tipleri pratik olarak on dört grup altında toplanabilir. Üniform korozyon Galvanik korozyon Çatlak korozyonu Filiform korozyon Çukur korozyonu Taneler arası korozyon Seçimli korozyon Erozyonlu korozyon Aşınmalı korozyon Stres korozyonu Yorulmalı korozyon Hidrojen kırılganlığı Mikrobiyolojik korozyon Yüksek sıcaklık korozyonu 1.2.1 Galvanik Korozyon İki farklı metal bir korozif ortama daldırılır ve elektriksel bir bağ ile birbirine bağlanırsa, bir pil oluşur. Bu metal erden elektrot potansiyeli daha elektronegatif olan metal anot olarak korozyona uğrar. Korozyon hızı iki metal arasında oluşan potansiyel farkına bağlıdır. Metal erden hangisinin anot olacağı elektrot potansiyeli göz önüne alınarak anlaşılabilir. Bu konuda Standard Elektromotor Kuvveti Serisi iyi bir fikir verir. Daha önce açıklanmış olduğu üzere, bir metalin kendi iyonlarının 1 molar konsantrasyonundaki çözeltisi içinde 25 C de gösterdiği potansiyele standart elektrot potansiyeli denir. Metal erin standart elektrot potansiyel erine göre sıralanarak elde edilmiş olan standart EMF serisi aşağıda verilmiştir. Bu listede üst sırada bulunan bir metal, kendinden daha aşağıda olan metal ere göre anot olur. STANDARD ELEKTROMOTOR KUVVETİ SERİSİ Elektrot Reaksiyonu K = K+ + e- Ca = Ca 2+ + 2 e- Na = Na+ + e- Mg = Mg 2+ + 2 e- Al = Al 3+ + 3 e- Mn = Mn 2+ 4 2 e- Zn = Zn 2+ + 2 e- Cr = Cr 3+ + 3 e- Fe = Fe 2+ + 2 e- Cd = Cd 2+ + 2 e- In = In 3 + + 3 e- Co = Co2+ + 2e- Ni = Ni 2+ + 2e- Sn = Sn 2 + 2e- Pb = Pb2+ + 2e- H 2 = 2 H++ 2 e- Cu = Cu2+ + 2e- Hg = Hg2++ 2 e- Ag = Ag+ + e- Au = Au+ + e- Standard elektrot potansiyeli 25 Co, Volt - 2,92-2,87-2,71-2,34-1,67-1,05-0,76-0,71-0,44-0,40-0,34-0,28 0,25 0,14 0,13 0,00 + 0,345 + 0,799 + 0,800 + 1,680
Ne var ki, korozyon olaylarında metaler hiç bir zaman kendi iyonları ile denge halinde bulunmaz. Bu nedenle galvanik korozyon olaylarında standart elektrot potansiyel eri yerine, galvanik seride yer alan deniz suyu içindeki potansiyel erinin alınması daha uygundur. Galvanik bir hücrede korozyon hızı, yürütücü kuvvet olan anot ve katot arasındaki potansiyel farkına bağlıdır. Ancak bu fark, polarizasyon nedeniyle zamanla azalır. Polarizasyon genellikle katot bölgesinde görülür. Galvanik korozyon hızına ayni zamanda,çevre elektrolitin iletkenliği ve katot/anot yüzey alanı oranı da etki yapar. Eğer elektrolitin iletkenliği yüksek ise korozyon geniş bir alanda kendini gösterir. İletkenliğin düşük olması halinde iki metalin temas ettiği bölgede dar bir alanda şiddetli olarak ortaya çıkar. Katot/anot yüzey alanı oranı da pratikte büyük önem taşır. Bu oranın büyük olması yani büyük bir katot yüzeyine karşı anot yüzey alanının küçük olması, anot akım yoğunluğunun artmasına ve dar bir bölgede şiddetli korozyon oluşmasına neden olur. Bunun tipik örneği, çelik plakaya yapılmış bakır perçin ile, bakır plaka üzerine yapılmış çelik perçinde görülür Her ikisi de deniz suyu içine daldırıldığında, çelik perçinler çok kısa sürede tam olarak korozyona uğradığı halde, bakır perçinlerin katodik etkinliğinin, geniş bir çelik yüzey üzerindeki korozyon etkisinin önemsiz olduğu görülür. Bu durum farklı iki metalin temas etmesi halinde anot bölgesinin değil katot bölgesinin boyanarak kaplanmasının daha etkili olacağını ortaya koyar. a) Küçük katot -büyük anot ve elektrolit iletkenliği yüksek b) Küçük katot -büyük anot ve fakat elektrolit iletkenliği düşük c ) Büyük katot-küçük anot Galvanik korozyona bir başka tipik örnek de, daha soy olan metal iyonlarını taşıyan suların aktif bir metal üzerine doğru akmasıdır. Örneğin çıplak bakır metali ile temas eden sular çelik üzerine doğru akarsa, suda az miktarda çözünen bakır iyonları çeliğin korozyona uğramasına neden olur. Galvanik korozyona karşı şu önlemler alınabilir: Galvanik seride birbirinden uzak konumda olan metal erin teması önlenmelidir. Eğer bu iki metalin bir arada kul anılması zorunlu ise, büyük katot-küçük anot yüzeyinden kaçınılmalıdır. İki metal arasındaki bağlantılar izole flanşlarla elektriksel olarak yalıtılmalıdır. Metal yüzeyleri boya veya kaplama yapılarak izole edilmelidir. Eğer kapalı bir sistem söz konusu ise inhibitör kul anılmalıdır. Tasarım sırasında anot olan parçanın daha kolayca yenisi ile değiştirilebilmesi için önlem alınmalıdır. Veya bu parça daha kalın olarak imal edilmelidir. Veya sisteme her iki metalden de daha anodik karakterde olan üçüncü bir metal bağlanmalıdır. 1.3 ZEMİN İÇERİSİNDE KOROZYON Korozyon olayları metal yüzeylerinde oluşan korozyon hücrelerinin anot ve katodunda meydana gelen elektrokimyasal reaksiyonlar ile yürür. Bir korozyon hücresinin oluşması için şu üç koşulun bir arada bulunması gerekir. 1. İyon içeren bir sulu çözelti (elektrolit) 2. Yeteri kadar negatif potansiyel i bir anot 3. Anottan daha pozitif potansiyel i bir katot. Bu üç koşuldan birinin bulunmaması halinde korozyonun oluşmayacağı kesin olarak söylenebilir. Ancak bazı halde bu üç koşulun bulunması halinde bile, eğer kinetik koşular mevcut değilse, örneğin elektrolit direnci çok yüksek veya anot-katot arasındaki potansiyel farkı çok düşük ise, korozyon olayı pratik olarak yine de gerçekleşmeyebilir.
1.3.1 Zemin İçerisinde Korozyonun Oluşumu Yeraltına konulmuş olan metal erin korozyonunda zemin elektrolit rolü oynar. Zemin boşlukları içinde az veya çok su bulunur. Bu su içinde başta klorür ve sülfat tuzları olmak üzere çeşitli iyonlar çözünmüş haldedir. Ayrıca çözünmüş veya gaz halinde oksijen de bulunur. Böyle bir elektrolit içinde korozyonun yürümesi için mutlaka iki ayrı metalin bulunması şart değildir. Metal yapısında veya elektrolitte bulunan bazı farklılıklar nedeniyle meydana gelen potansiyel farkı, mikro veya makro korozyon hücreleri oluşturabilir. Bunun sonucu olarak, metal yüzeyinin bazı bölgeleri katot, bazı bölgeleri de anot olur. Elektron akımı metal üzerinden gerçekleşir. Korozyon hücresinin elektroliti doğal su veya zemin olduğunda katot reaksiyonu genel ikle oksijen redüksiyonu ile gerçekleşir. Korozyon olayı metalin iyon haline yükseltgenmesi ile anot bölgelerinde meydana gelir. Anotta metal iyon halinde çözeltiye geçer. Bu iyonlar alkali ortamlarda yüzeyin yakınında su ile hidroliz olarak hidroksit halinde çökelir. Me = Me2+ + 2e- Me2+ + 2 H2O = Me (OH)2 + 2 H+ Korozyon olayında katot reaksiyonu ortam koşul arına bağlıdır. Katotda herhangi bir redüksiyon olayı meydana gelebilir. Katot reaksiyonu elektrolit ortamının ph ına ve çözünmüş oksijenin konsantrasyonuna bağlıdır. Doğal elektrolitler içinde yürüyen korozyon olaylarında başlıca aşağıdaki iki katot reaksiyonu söz konusu olur. a) Asidik ortamlarda katot reaksiyonu hidrojen iyonu indirgenmesi ve hidrojen çıkışı ile gerçekleşir. 2H+ + 2 e- = H 2 b) Nötral ve çözünmüş oksijenin bulunduğu ortamlarda katot reaksiyonu su içinde çözünmüş olan oksijenin elektron alarak hidroksil iyonu haline dönüşmesi şeklinde yürür. Doğal sular içinde ph genel ikle 7 den daha yüksektir. Bu nedenle doğal sular ve zemin içindeki korozyon olayı genel ikle (b) de olduğu gibi katotta oksijen redüksiyonu ile gerçekleşir. Bu durumda yeraltı ve sualtı korozyonu hızını elektrolit içinde çözünmüş oksijen konsantrasyonu kontrol eder. 1.3.2 Zemin İçerisinde Korozyonun Oluşum Nedenleri Zemin içinde bulunan bir çelik yapı çok çeşitli nedenlerle korozyona uğrayabilir. Bunlardan en önemlileri şunlardır: 1. Metal yüzeyinde yerel farklılıklar oluşması, 2. Zemin cinsi veya yapısının değişmesi, 3. Metal cinsi veya yapısının değişmesi, 4. Farklı havalanma. 5. Kaçak Akım ve interferans 1- Metal Yüzeyindeki Farklılıklar Nedeniyle Oluşan Korozyon Korozyon hücreleri ancak bir potansiyel farkı bulunduğu zaman oluşabilir. Yeraltında bulunan bir boru yüzeyinde kaplama bozukluğu veya metalürjik yapıda herhangi bir fark bulunması, boru/zemin potansiyelinin yer yer değişmesine neden olur. Hatta boru yüzeyinde oluşan heterojen kabuklar da korozyon hücresine yetecek ölçüde potansiyel farkı yaratabilir. Örneğin kumlu bir zemin içinde bulunan kaplamasız bir
boru yüzeyine yapışan kil topakları o bölgenin daha az oksijen almasına ve korozyona uğramasına neden olabilir. Buna benzer şekilde kaplamalı bir boruda, kaplamanın bozuk olduğu küçük bir bölge anot olarak korozyona uğrar. Bu durumda katot/anot yüzey alanı oranı çok büyük olduğundan kaplamanın bozuk olduğu çok küçük bir bölge şiddetli korozyon etkisinde kalır. 2 -Zemin Cinsi ve Yapısının Değişmesi İle Oluşan Korozyon Zemin heterojen yapıda bir elektrolittir. Zeminin fiziksel ve kimyasal yapısı kısa mesafeler içinde değişebilir. Yeraltında bulunan bir boru hattı az korozif bir zeminden çok korozif bir zemine girdiği anda boru/zemin potansiyelinde kısa mesafe içinde büyük bir değişim meydana gelir. Borunun korozif karakterdeki zemin içinde kalan bölgesinde boru/zemin potansiyeli daha negatiftir. Bu bölge anot olarak korozyona uğrar. Boru /zemin potansiyelizemini içinde - 0,5 Volt, zemini içinde -0,40 Volt olarak ölçülmüştür. Bu durumda (A) zemini içinde kalan boru parçası anot olarak korozyona uğrayacak ve boru üzerinde katottan anoda doğru bir akım akacaktır. Boru hatları zemin içinde yatay olarak değişik zeminlerden geçer. Uzun mesafeler içinde kil, kum, kalker vb. çeşitli cinste zeminler bulunabilir. Zemin cinsi değiştikce boru/zemin potansiyelinde de değişme olur. Örneğin kalker içinden geçen bir boru hattı kil i bir zemine girdiğinde bu bölgede boru/zemin potansiyeli daha negatif bir değer alır. Bu durumda boru hattının kil içinde kalan bölgelerinin anot, kalker içinde kalan bölgelerinin katot olduğu makro ölçüde bir galvanik pil oluşur. Bu iki bölge arasında boru üzerinde katotdan anoda doğru bir akım geçişi olur. Yalnız zemin cinsinin değil, zemin rezistivitesinin değişmesi halinde de boru hattında potansiyel farkı doğabilir. Boru hattı kısa bir bölgede yeraltı suyu tablasının yüksek olduğu bir zemin içinden geçmektedir. Boru hattının bu bölgesi anot olarak korozyona uğrayabilir. Elektrolit cinsinin değişmesinden ileri gelen benzer bir korozyon olayı da zemin içinden geçerek betona giren boru hatlarında görülür. Beton içindeki bölgede boru potansiyeli zemin içindeki potansiyele göre çok düşüktür. Bu durumda borunun beton içinde kalan bölümü katot olurken, zemin içinde kalan kısım anot olarak korozyona uğrar. En şiddetli korozyon olayı borunun zeminden betona girdiği bölgede görülür. 3- Farklı Metallerin Bağlantısından Oluşan Korozyon Ayni elektrolit içinde bulunan farklı iki metalin bağlantısı galvanik bir hücre yaratacağından korozyon açısından son derece tehlikelidir. Bu nedenle pik, çelik ve paslanmaz çelik borular hiçbir zaman birbirine bağlanarak kul anılmamalıdır. Hatta farklı cinste kaplama yapılmış borularda bile etkili bir korozyon olayı görülebilir. Pratikte sık raslanan bir olay, tamir sırasında yeni takılan boru ile eski borular arasında meydana gelen korozyondur. Burada daha negatif potansiyel i yeni boru anot olarak korozyona uğrar. 4-Farklı Havalanmadan İleri Gelen Korozyon Zemin içinde bulunan bir metal yüzeyinin her bölgesi ayni derecede oksijen almıyabilir. Atmosferden zemin içine oksijen difüzyon hızı zeminin granülometrik yapısına, yoğunluğuna ve özel ikle rutubet derecesine bağlıdır. Yer yüzünden yeraltında bulunan boruya kadar olan mesafede oksijen transferi üç ayrı mekanizma ile gerçekleşir. Farklı havalanma nedeniyle oluşan korozyon olayına diğer bir örnek de, yeraltına hendek içine konulan boruların alt kısımlarında oluşan korozyondur. Bunun nedeni, montaj sırasında boru üst kısmına yapılan dolgu ile hendek kenarlarında bulunan bozulmamış haldeki doğal zeminin oksijen geçirgenliği arasındaki farktır. Boru hendeğe konulduktan sonra üst kısım yumuşak ve üniform yapıda bir malzeme ile doldurulur. Bu dolgu doğal zemine göre daha geçirgendir. Dolayısı ile borunun üst kısımları bol oksijen
alırken alt kısımlar çok az oksijen alabilir. Taban bölgesi anot olarak korozyona uğrar. Boru hatlarında delinmelerin genel ikle taban bölgesinde meydana gelmiş olması, borununatmosfere yakın olan üst bölgesi ile zemine oturmuş olduğu alt bölgesi arasında oluşan oksijen konsantrasyon pili ile açıklanmaktadır. 5 - Kaçak Akım Korozyonu Doğru akım ile çalışan raylı taşıt araçları, doğru akım taşıyan yüksek voltajlı elektrik hatları ve kaynak makinaları zemin içine kaçak akım yayarlar. Bu kaçak akımlar çevrede bulunan metalik yapılara girerek korozyona neden olurlar. Örneğin bir yeraltı tren hattına paralel giden boru hattında kaçak akım korozyonu meydana gelebilir. Trenin bulunduğu noktada akımın bir kısmı zemine kaçarak yakında bulunan boru hattına girer. Akımın boru hattına girdiği noktalar katot olur. Bu noktalarda korozyon söz konusu olmaz. Boru üzerinden bir süre akan akım, yeniden zemine girerek oradan trafo istasyonuna döner. Korozyon olayı akımın borudan çıktığı bölgelerde görülür.dış akım kaynaklı katodik koruma sistemlerinde de kaçak akım söz konusu olur. Bu nedenle katodik koruma sistemleri çevre yapılar üzerinde interferans korozyonuna neden olabilir. Katodik koruma sistemleri akımı yayıcı ve toplayıcı olarak iki yönlü çalışır. Anot yatağından çevrede bulunan metalik yapılara akım kaçağı olur. Akımın yapıya girmiş olduğu nokta katodik olarak korunur. Fakat akımın metali terkederek yeniden zemine girdiği bölgelerde korozyon olayı görülür. 2. KATODİK KORUMANIN TEORİK İLKELERİ Katodik koruma ilk olarak 1824 yılında Sir Humpry Davy tarafından Samarang isimli bir harp gemisi üzerinde denenmiştir. Geminin bakır kaplı gövdesi çinko anotlarla korunmuştur. Ne yazık ki bu ilk uygulama başarısızlıkla sonuçlanmıştır. Başarısızlığın katodik koruma uygulamasının yanlışlığından ileri gelmediği sonradan anlaşılmıştır. Davy tarafından bilimsel yöntemlerle yapılmış olan bu uygulamada katodik koruma ile bakırın korozyonu tam olarak önlenmiştir. Fakat koruma sonucu bakır iyonlarının toksik etkisi de kalmadığından gemi gövdesi deniz canlıları ve yosundan oluşan bir kabuk ile kaplanmıştır. Bu görüntü katodik korumanın etkisiz kaldığı şeklinde yorumlanmış ve katodik koruma uygulamasından vazgeçilmiştir. Bu başarısız uygulamadan yaklaşık yüz yıl sonra, bu asrın başlarında uzak mesafelere boru hatları ile petrol taşınması zorunlu hale gelince, yeraltı boru hatlarındaki korozyonu önlemek amacıyla katodik koruma uygulamalarına yeniden başlanmıştır. Önceleri boru hatları üzerinde başlayan katodik koruma uygulamaları 1950 li yıl ardan sonra, tanklar, gemiler, su depoları, baraj kapakları, iskele ayakları, betonarme demirleri ve daha bir çok metalik yapıya yaygın biçimde uygulanmaya başlanmıştır. Günümüzde teknolojik gelişmelere paralel olarak, özel ikle yüksek performanslı yeni anotların bulunması ile katodik koruma korozyonla mücadelede en güvenilir ve de en ekonomik bir yöntem haline gelmiştir. 2.1 KATODİK KORUMANIN TEORİSİ Katodik koruma, korunacak metali oluşturulacak bir elektrokimyasal hücrenin katodu haline getirerek 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 : O2 + 2 H2O + 4 e- = 4 OH- Korozyon olayı bu iki reaksiyonun bir arada yürümesi ile gerçekleşir. Elektronlar anottan katoda doğru metal üzerinden akar. Katot reaksiyonu anottan gelen bu elektronlarıkul anarak yürüyebilir. Eğer katotda bu elektronlar kul anılamaz ise, bu durumda anottaki oksidasyon reaksiyonu da yürüyemez. Yani katot bölgesinde yeterli oksijen bulunmazsakorozyon meydana gelmez. Diğer taraftan eğer katot reaksiyonu için gerekli elektronlar bir dış kaynaktan verilecek olursa, anot reaksiyonu ile elektron üretilemez. Bu durumda anotta yürüyen korozyon olayı da durmuş olur. Dış akım kaynaklı katodik koruma ile korozyonun önlenmesi bu elektrokimyasal ilkeye dayanır. Metale dıştan uygulanan akım ile verilen elektronlar, metal yüzeyinde yürümekte olan anodik reaksiyonları tam olarak durdururken, katodik reaksiyonun hızını da artırır. Anot reaksiyonları artık korunmakta olan metal yüzeyinde değil, katodik koruma devresinde bulunan yardımcı anotta yürür. Korunmakta olan metal yüzeyi ise artık tam olarak katot olur. Korozyona uğramakta olan bir metale kendinden daha aktif bir metal (galvanik anot) bağlanacak olursa, bu durumda katot reaksiyonu için gerekli olan elektronlar galvanik anot olarak bağlanan metalin kendiliğinden yürüyen yükseltgenme reaksiyonu ile karşılanır.böylece korunan metal yüzeyindeki bütün anodik reaksiyonlar tam olarak durur. Galvanikanotlu katodik koruma da bu temel ilkeye dayanır. 2.2 DIŞ AKIM KAYNAKLI KATODİK KORUMA Dış akım kaynaklı katodik koruma metale dıştan bir doğru akım uygulanarak yapılır. Bir transformatör redresör sisteminden elde edilen doğru akımın (-) ucu korunacak olan metale, (+) ucu da bir yardımcı anoda bağlanır. Uygulanacak olan katodik koruma akımının şiddeti korunacak metalin yüzey alanına ve metalin içinde bulunduğu ortamın koroziflik derecesine bağlıdır. Katodik koruma uygulamalarında en önemli konu, korunacak yapının katodik koruma akım ihtiyacınınbelirlenmesidir. Metali tam olarak korumak için gerekli olan minimum akım şiddeti, katot ve anot reaksiyonlarının polarizasyon eğrileri çizilerek teorik olarak belirlenebilir. Örnek olarak demirin asidik bir çözelti içindeki korozyonunu ele alalım. Asidik bir ortamda çeliğin korozyonunda katodik reaksiyon hidrojen çıkışı, anodik reaksiyon ise demirin iyon haline geçmesi şeklinde yürür. Denge halinde çeliğin potansiyeli Ecor değerini alır. Korozyon hızı, anodik ve katodik polarizasyon eğrilerinin kesim noktasına karşı gelen icor dır. Görüldüğü üzere denge halinde demirin korozyon potansiyeli E cor = -250 mv ve korozyon hızı da i cor = 103 A /cm2 ( 1 ma/cm2 ) dir. Böyle asidik ortamda korozyona uğrayan bir çeliğe katodik bir dış akım uyguladığımızı düşünelim. Katodik koruma sonucu çeliğin potansiyeli negatif yönde 120 mv artarak - 370 mv a düşmüş olsun. Şekilden görüleceği üzere, katodik koruma sonucu çeliğin korozyon hızı başlangıçtaki korozyon hızının binde birine, yani 1 A/cm2 ye düşürülmüş olur. Bunu sağlamak için çeliğe iapp = 104 A/cm2 kadar bir dış akım uygulanmıştır. Uygulanan dış akım ile korozyon hızının ne derece azalacağı, anodik polarizasyon eğrisinin eğimine, yani a değrine bağlıdır. Bu örnekten, katodik koruma akım ihtiyacının yalnız anodik polarizasyon eğrisi ile değil, katodik polarizasyon eğrisinin eğimi ile de ilgili olduğu açıkca görülmektedir. Asitli bir ortam için verilmiş olan bu örnekte, çeliğin katodik korumasını sağlamak için i = 10-2 A/cm2 lik bir dış akım uygulanması gerekmiştir. Yani asitli ortamda bulunan 1 m2 lik çıplak çelik yüzeyini katodik olarak korumak için 100 A bir dış akıma ihtiyaç vardır. Bu kadar yüksek bir akım uygulanarak yapılan katodik koruma ekonomik olmaz. Bu nedenle pratikte asidik çözeltiler içinde katodik koruma uygulanması yoluna gidilmez. Eğer mutlaka gerekli ise, metal yüzeyine uygun bir kaplama yapılarak akım ihtiyacı azaltılır. Bir doğru akım kaynağından alınan yeterli şiddet ve potansiyeldeki doğru akım boru hattına uygulanarak, boru hattı katot haline getirilebilir. Doğru akım genel ikle bir şebekeden alınan alternatif akım, bir transformatör-redresör ünitesinden geçirilerek
elde edilir. Transformatör redresör ünitesinden çıkan doğru akımın (+) ucu anot yatağına, (-) ucu da korunacak olan boru hattına bağlanır. Dış akım kaynaklı katodik koruma sistemlerinde, galvanik anotlu katodik koruma sistemlerinden farklı olarak akım ve potansiyel istenildiği kadar artırılabilir. Bu nedenle bir anot yatağı ile çok uzun boru hatları korunabilir. Ancak aşırı korumaya neden olmaması için boru/zemin potansiyelinin akım uygulanan noktada bel i bir değerin üzerine çıkarılmaması gerekir. Bir noktadan korunabilen boru uzunluğu, borunun cinsine (çapına ve boru et kalınlığına), kaplama kalitesine ve katodik koruma akım ihtiyacına bağlıdır. Transformatör - Redresör Üniteleri Katodik koruma sistemlerinde kul anılan transformatör-redresör üniteleri ile şebekeden alınan tri faze veya monofaze alternatif akım önce bir transformatörden geçirilerek potansiyeli istenilen seviyelere düşürülür. Daha sonra bu düşük potansiyel i alternatif akım bir redresörden geçirilerek doğru akım haline dönüştürülür. Elde edilen doğru akım potansiyelini istenilen düzeye ayarlayabilmek için TR ünitesinde değişik potansiyel kademeleri bulunur. Alternatif akımı doğru akıma çeviren redresörlerde yarı iletken olarak silisyum veya selenyum diodlar kul anılır. Bu redresörler alternatif akımı yarım dalga veya tam dalga olarak doğru akım haline çevirirler. Silisyum diodlar hem verimleri yüksek olduğu, hem de daha az yer kapladıkları için tercih edilmektedir. Silisyum diodların verimi selenyum diodlara göre yaklaşık % 10 daha fazladır. Bir alternatif akım saniyede 50 kez yön değiştirir. Bu nedenle redresör çıkışındaki doğru akım potansiyelinde sinüzoidal bir dalga meydana gelir. Buna ripple denir. Bu dalgalı akım katodik koruma potansiyelinde de kendini gösterir. Ancak bu potansiyel değişimi hem çok küçük, hem de saniyenin yüzde biri kadar kısa sürede gerçekleştiğinden pratikte bir sakınca oluşturmaz. Doğru akım çıkış gücü, doğru akım çıkış voltajı ile potansiyeli çarpılarak Watt cinsinden bulunur. Alternatif akım giriş gücü ise, girişte alternatif akım için konulan wattmetre den (elektrik saati) ölçülebilir. Örneğin yarım saat içinde 0,2 kw.saat elektrik enerjisi harcanmış ise, alternatif akım giriş gücü = 0,2 kw.saat / 0,5 saat = 0,4 kw = 400 Watt dır. Bu süre içinde transformatör-redresör ünitesinden 15 Volt potansiyelinde 20 Amper doğru akım çekilmiş ise, bu ünitenin doğru akım çıkış gücü = 20 A x 15 V = 300 Watt dır. Bu durumda transformatör redresör verimi = 300 / 400 = 0,75 olacaktır 2.3 GALVANİK ANOTLU KATODİK KORUMA Bir çelik boru hattını galvanik anotlarla katodik olarak korumak için, boru hattına kendinden daha aktif bir metal, örneğin mağnezyum bağlanarak bir galvanik hücre oluşturulur. Böylece oluşturulan galvanik pilde mağnezyum anot, çelik de katot olur. Anotta mağnezyum çözünerek elektron açığa çıkarır. Bu elektronlar katodik reaksiyonun elektron ihtiyacını karşılar. Katodik koruma devresinden akım geçebilmesi için anot ve katot arasında devre direncini yenebilecek kadar bir potansiyel farkının olması gerekir. Kaplamanın Katodik Korumaya Etkisi Katodik olarak korunacak metal yapının yüzeyi uygun bir malzeme ile kaplanarak akım ihtiyacı azaltılabilir. Kaplama yapılmak suretiyle katot bölgesine oksijen difüzyon hızı azaltılmış olur. Böylece katodun koruma potansiyeline kadar polarize edilmesi, yani katodik korumayı sağlamak için daha az akım harcanması gerekir. Kaplama yapılarak katodik korumanın hem ilk tesis, hem de işletme maliyeti büyük ölçülerde azaltılabilir. Pratikte kaplama ve katodik koruma genel ikle birlikte uygulanır. Kaplamasız halde katodikkoruma uygulanması ekonomik olmadığından, katodik
korumasız kaplama da emniyetli olmadığından tercih edilmez. Endüstriyel koşul arda yapılmış olan en mükemmel kaplamalarda bile daima mikro delikler ve işcilik hatalarından ileri gelen bozukluklar bulunabilir. Kaplamada bulunan bu küçük delikler korozyon açısından son derece tehlikelidir. Küçük anot/büyük katot etkisi ile bu delik noktalarda korozyon akım yoğunluğu anormal değerlere ulaşabilir. Bu tehlikeli durumun önlenmesi için kaplama ile birlikte katodik koruma da uygulanması gerekir. Olaya bu açıdan bakıldığında, yapılacak kaplamanın çok mükemmel olmasına gerek duyulmaz. En ekonomik çözüm, akım ihtiyacını yeteri kadar azaltacak kalitede bir kaplama + katodik korumadır. 2.4 KATODİK KORUMA KRİTERLERİ Bir çelik yapının katodik olarak korunması için, metal potansiyelinin katodik yönde bel i bir değere kadar polarize edilmesi gerekir. Bunu belirlemek amacıyla pratikte aşağıdaki dört farklı kriter kul anılır. 1) - 850 mv kriteri Kolaylığı nedeniyle pratikte genel ikle - 850 mv kriteri kul anılmaktadır. Buna göre korunmakta olan çelik yapının doygun bakır / bakır sülfat referans elektroduna göre akım altında ölçülen potansiyeli - 850 mv veya daha negatif bir değerde olmalıdır. Eğer anaerobik bir zemin söz konusu ise, bu değerin -950 mv veya daha negatif olması gerekir. Boru/zemin potansiyeli yapıya yeterli bir süre (en az dört saat) akım uygulandıktan sonra ve yapı akım altında iken ölçülür. Bu nedenle ölçüm devresinde oluşan IR omik potansiyeldüşüşünün de göz önüne alınarak düzeltme yapılması gerekir. Bu durum, -850 mv kriterinin gerçeklere tam olarak uymadığı konusunda kuşkular yaratır. Özel ikle yüksek rezistiviteli zeminlerde (IR) potansiyel düşüşünden kaynaklanan potansiyel farkının 200-300 mv a ulaşması söz konusudur. Bu durumda zemin yüzeyine konulan referans elektrot ile ölçülen boru / zemin potansiyeli güvenilir olmaktan çıkmaktadır. Görüldüğü üzere, boru yüzeyinde -900 mv olan potansiyel, zemin üstündeki referans elektrot ile yapılan ölçümde - 1,2 Volt olarak okunmaktadır. Pratikte referans elektrodun yeraltında bulunan borunun yüzeyine konulması mümkün olmamakta ve ölçümler görüldüğü gibi boru hattının üzerinde yer yüzünde ve yaklaşık olarak 1m uzaklıktaki referans elektrot ile yapılmaktadır. Bu durumda, - 850 mv kriterinin sağlanması için uzaktan ölçülen potansiyel değerinin daha yüksek olması gerekmektedir. Bu değer, boru ile referans elektrodun konulduğu nokta arasındaki mesafeye ve zeminin rezistivitesine göre değişmektedir. Boru yüzeyinde potansiyel değerinin - 850 mv olmalıdır. Örneğin, = 5000 Ohm.cm olan bir zemin içinde bulunan bir boruda -850 mv koruma potansiyelini tutturabilmek için, boru yüzeyi ile referans elektrot arasında 50 cm mesafe varsa voltmetrede en az - 1,2 Volt, 100 cm mesafe varsa en az - 1,5 Volt okunmalıdır. 2) 300 mv potansiyel kayması Çelik yapının potansiyelinde katodik koruma akımı uygulanırken, statik potansiyelinden (akım uygulamadan önce ölçülen denge potansiyeli) negatif yönde 300 mv bir kayma sağlanmalıdır. Bu kriter de akım altında yapılan ölçüme dayanmış olduğundan IR omik potansiyel düşüşü söz konusudur. Bu kriterin birinci kriterden farkı, statik potansiyelin -550 mv dan daha küçük olması halinde katodik korumanın -850 mv dan daha küçük bir potansiyelde gerçekleşebileceğini kabul etmesidir. 3) 100 mv polarizasyon kayması Çelik yapıda en az 100 mv değerinde bir polarizasyon sapması sağlanmalıdır. Bu değer yapıya en az dört saat katodik yönde bir akım uygulandıktan sonra ölçülen (off) potansiyel değeri ile yapının akım uygulanmadan önceki denge potansiyeli arasındaki fark alınarak bulunur. Bu ölçümde IR omik düşüşü bulunmaz. Teorik yönden en güvenilir kriter budur.
4) Tafel bölgesi başlama noktası Katodik korumanın gerçekleşmiş olduğu potansiyel ( E-log i ) grafiği çizilerek Tafel lineer bölgesinin başlamış olduğu noktaya karşı gelen potansiyel olarak belirlenebilir. Bilimsel temeli çok sağlam olan bu kriteri arazi koşul arında uygulamak son derece güçtür. Pratikte kolaylığı bakımından birinci kriter tercih edilmektedir. Ancak burada IR omik düşüşünün elimine edilmesi zorunludur. Diğer taraftan bu kriter ancak nötral veya nötrale yakın ph derecelerinde ve yüksek olmayan sıcaklıklarda güvenilir sonuçlar verebilir. Omik düşüş etkisi bulunmayışı nedeniyle - 100 mv luk polarizasyon kayması değeri daha güvenilir bir kriterdir. E-log i ölçümleri ile hem minimum koruma akım ihtiyacı, hem de koruma potansiyeli belirlenebilir. Ancak bir laboratuvar deneyi olan bu deneyi arazide gerçekleştirmek bir çok güçlük yaratır.