Katodik Koruma Nedir ? | Metalurji & Malzeme Bilimi
Metalurji ve Malzeme Mühendisliği 9 Eylül 2019 0 admin
Katodik koruma yeraltına gömülü metalik yapıları korozyondan koruma amacıyla geliştirilmiş bir korozyondan koruma yöntemidir. Katodik koruma sistemi, sistemde oluşturulan veya sisteme dışardan verilen elektrik akımı yardımı ile korunacak yapıyı katot haline getirme prensibine dayanır. Diğer bir deyişle katodik koruma, normalde anot gibi davranan ve korozyona uğrayan bir metali katot gibi davranan ve korozyona uğramayan bir metal yaparak korozyonun önlenmesidir.
Temel olarak, katodik koruma korozyon hücresindeki anotu önceden belirler veya diğer küçük korozyon hücrelerinin üstesinden gelmek için büyük bir korozyon hücresi oluşturur. Katodik koruma işleminde bu, iki temel yoldan biriyle gerçekleştirilir.
Kurban Anotlu Katodik Koruma
Katodik koruma yönteminde anodun önceden belirlenmesinde ilk yol galvanik olarak daha aktif bir metal seçmek, bu metali elektrolite monte etmek ve korunacak yapıyla metalik bir bağlantı sağlamaktır. Bu yönteme kurban anotlu katodik koruma veya galvanik katodik koruma denir. Galvanik olarak daha aktif metal (anot), yapının (katot) korunması için kendini feda eder. Gerilim (ve meydana gelen akım) sadece iki farklı metal türünün potansiyel farkıdır.
Katodik Koruma ve Anot Tipleri
Genellikle galvanik anotlar olarak kullanılan üç malzeme vardır: magnezyum, alüminyum alaşımı ve çinko.
Magnezyum, gömülü yapıların korunmasında en yaygın kullanılan anot materyalidir. Magnezyum anotlar ayrıca su depolarının ve ısıtıcıların iç kısımlarının, ısı eşanjörlerinin ve kondansatörlerin ve su kenarındaki yapıların korunmasında kullanılır. Magnezyum anotlar, çok çeşitli şekil ve ağırlıklarda, döküm ve ekstrüzyon halinde mevcuttur. Magnezyum anotlar ayrıca şerit anot olarak da mevcuttur. İki farklı anot bileşimi yaygın olarak kullanılır. Bunlar standart alaşım ve ticari olarak saf veya “yüksek potansiyelli” alaşımdır. Yüksek saflıktaki alaşım, herhangi bir kurban anot için mevcut en yüksek elektrik potansiyeline sahiptir. Standart alaşım bir sonraki en yüksek elektrik potansiyeline sahiptir. Alaşımların bileşimi aşağıdaki Tablo’da verilmiştir. Sistemin tasarımı, kullanılan anot malzemesine bağlı olduğundan, sistemin tamamı değiştirilmediği sürece, değiştirilen anotlarının orijinalleri ile aynı tipte olması önemlidir. Yanlış türde anotlar yetersiz korumaya yol açabilir.
Çinko anotlar genellikle levhalar ve çubuklar halinde değişik ağırlıkta bulunur. Çinko ayrıca galvanizli çelik tel çekirdekli şerit anotları olarak da mevcuttur. Çinko anotlar en yaygın olarak tatlı veya tuzlu su içine daldırılan uygulamalarda kullanılır. Bununla birlikte, zaman zaman özel koşullarla karşılaşıldığında gömülü yapıların korunmasında da kullanılırlar. İki çinko anot bileşimi yaygın olarak bulunur. Tatlı suda ve toprakta kullanım için formüle edilmiş standart bir alaşım ve deniz suyunda kullanım için özel olarak formüle edilmiş bir alaşımdır. Bu alaşımların bileşimi Tablo 6’da verilmiştir. Magnezyum alaşımlı anotlarda olduğu gibi, tükenen çinko anotların tümü, anot sisteminin tamamı değiştirilmediği sürece, orijinal olarak takılanlarla aynı tip ve boyutta çinko anotlarla değiştirilmelidir. Yanlış türde anotlar yetersiz korumaya yol açabilir.
Alüminyum galvanik anotlar, çinko veya magnezyum alaşımlarına göre yeni geliştirilmiş anotlardır. Temel kullanım alanları deniz suyunda bulunan yapıların korunmasıdır. Ancak, zaman zaman tatlı suda veya toprakta da kullanılmıştır. Kurban anot olarak kullanılmak üzere erken dönem alüminyum alaşımları cıva içermekteydi. Alaşımın içerdiği cıva miktarı az olsa da, anot kütlesinin tüketilmesinden sonra cıva, kalan anot koçanları üzerinde yoğunlaşma eğilimindedir. Aluminyum anotların bileşimi Tablo 7’de verilmektedir. Sistemin tasarımı kullanılan anot malzemesine bağlı olduğundan, değiştirilen anotlarının orijinalleri ile aynı tipte olması önemlidir. Bununla birlikte, Tip III anotlar şimdi neredeyse yalnızca cıvanın zararlı etkilerinden kaçınmak için kullanılmaktadır.
Galvanik Elektrotların Yapıya Bağlanması
Gömülü yapıları korumak için kullanılan galvanik anotlar normalde yapıya yakın bir mesafede gömülür ve yalıtımlı bir bakır tel kullanılarak yapıyla teması sağlanır. Kimyasal dolgu malzemesi hemen hemen her zaman topraktaki kurban anotların çevresinde kullanılır. Özel dolgu maddesi, düzgün bir elektrolit sağlamak, nemi korumak ve anotun gerekli elektrik akımını verimli ve güvenilir bir şekilde üretmesini sağlamak için toprağa olan direnci düşürmek için kullanılır. Bu dolgu normalde yüzde 75 alçı, yüzde 20 bentonit ve yüzde 5 sodyum sülfattır. Şekil 20, dolgu maddesi olan kurban anotların yerleştirilmesinin istenen sonucunu göstermektedir. Tüketilen anotları çıkarmak normalde gerekli değildir.
Daldırma uygulamalarında kullanılan galvanik anotlar genellikle korunan yüzeye doğrudan bağlanır veya bitişik olarak askıya alınır. Bu tür anotların değiştirilmesi gerektiğinde, başlangıçta kullanılanlarla aynı anotlar kullanılarak değiştirilmeleri gerekir. Anotların yerinde sağlam olarak durduğundan ve elektrik temasının sağlandığından emin olmak için tüm montaj donanımı gerektiği gibi kontrol edilmeli ve onarılmalı veya değiştirilmelidir.
Galvanik anotlar ve korunmakta olan yapı arasındaki elektriksel temas yapının korunmasında hayati öneme sahiptir. Doğrudan takılan sistemlerde, bu temas montaj sistemi ile sağlanır. Anotlar yapıya doğrudan kaynaklanır veya cıvatalanır. Suya asılan anotlar için, yapı ile temas ya montaj sistemi aracılığıyla ya da hem anot çekirdeğine hem de korunan yapıya kaynaklanmış yalıtılmış bakır bağlantı telleri vasıtasıyla sağlanır. Anotların korunan yapıya doğrudan monte edilmediği sistemlerde, normal olarak yalıtılmış bir bakır tel kullanılarak bağlantı sağlanır. Tel imalat sırasında anot içine dökülür veya anot çekirdeğine kaynaklanır. Yapıya bağlantı genellikle telin yapıya kaynaklanmasıyla sağlanır. Bağlantı için ilave tel gerektiğinde, genellikle TW tipi yalıtımlı uygun boyutta tel kullanılır.
Yapıya monte edildiğinde ekonomik olarak uygulanabilir.
Çok az işletme veya bakım gereksinimi (çok erken arıza olasılığı)
Son derece küçük bir aşırı koruma olasılığı (kaplama hasarına veya hidrojen gevrekleşmesine neden olabilir).
Diğer metalik (yabancı) yapılarda hasara neden olan küçük kaçak akım olasılığı.
Küçük itici voltaj sağlaması (sınırlı potansiyel farkı).
Daha yüksek özdirençli elektrolitlerde son derece küçük akım sağlaması.
Var olan büyük yapılara anot yerleştirmenin veya değiştirmenin ekonomik olarak uygun olmaması.
Harici Akımlı Katodik Koruma
İkinci temel katodik koruma metodu, akımı sisteme monte edilen bir anottan yapıya akmaya zorlayan ve tüm yapının bir katot olmasına neden olan bir DC akım kaynağı uygulamaktır. Bu yönteme harici akım kaynaklı katodik koruma denir. Devreye bir redresör, güneş pili, akü, jeneratör veya başka bir DC güç kaynağı takılır. Anot malzemesinin galvanik olarak daha aktif olması gerekmez. Anot malzemesinin katodik koruma işlemi sırasında düşük ağırlık kaybı göstermesi yeterlidir. Katodik koruma için gereken akım, korunmakta olan metal ve ortama bağlıdır. Belirli bir yapıyı korumak için gereken akımın miktarı, elektrolite maruz kalan yapı alanıyla orantılıdır. Bu nedenle, mevcut gereksinimler genellikle maruz kalan yüzeyin metre karesinde amper veya miliamper cinsinden akım yoğunluğu olarak verilir.
Kullanılan Anot Malzemeleri
Harici akım kaynaklı sistemin anotları, koruyucu akımın elektrolite girdiği kısımlardır. Anotlar sistemin aşınan kısmını oluşturduğundan, en iyi malzeme amper yılda düşük bir ağırlık kaybı oranına sahip malzemedir (Tablo 11). Harici akım kaynaklı sistemlerin anotları için en yaygın kullanılan malzemeler grafit ve yüksek silikonlu dökme demirdir. Alüminyum bazen su depolama tanklarında kullanılır. Ağır buzlanmanın sorun olmadığı bölgelerde, düşük ve uzun vadeli maliyet için alüminyum yerine yüksek silikonlu dökme demir anotlar kullanılır. Platin kaplı titanyum veya niyobyum anotlar ve karışık metal oksit anotlar, harici akım kaynaklı sistemlerde anot materyali olarak daha yaygın hale gelmektedir.
Yüksek Si Alaşımlı Dökme Demir
Dökme demir anotları, klorürlü topraklarda ve sudaki ömrünü iyileştirmek için iki tip alaşım olarak üretilir. Tablo 12, iki alaşımın metalurjik bileşimini göstermektedir.
Üstün dökme demir performansının temel nedeni, anot yüzeyinde oksidasyon oranını düşüren ve tüketim oranını yavaşlatan bir silikon oksit (Si02) filminin oluşumudur. Anotlar iyi elektriksel özelliklere sahiptir. Topraklarda başarılı olabilmek için anotların çevresine, anot direncini azaltmak ve etkili anot yüzey alanını artırmak için metalurjik veya petrol kok külü doldurulur. Anotlar kok külü dolu kaplarda önceden paketlenmiş olsalar bile, kutu ve toprak arasındaki boşluğu ilave kok külü ile doldurmak önerilen bir uygulamadır. Deniz suyunda dolgu malzemesi gerekli değildir. Dökme demir anot üreticilerinin geliştirdiği kablo-anot bağlantı yöntemleri nedeniyle bağlantı hatası görülme sıklığı grafit anotlara göre düşüş göstermiştir. Anotlar üstün iletkenlik gösterir ve anot zarar görmediği sürece zamanla dirençte çok az değişiklik yaşar. Dökme demir anotlar çok çeşitli ebat, şekil ve ağırlıklarda üretilmektedir.
Grafit çubuklar, yıllardır harici akım kaynaklı katodik koruma sistemlerinde kullanılmış bir malzemedir. Temel yapı olarak, toz halinde petrol koku ve kömür katranı reçinesi karışımından üretilen yuvarlak veya kare çubuklardan oluşur. Grafit parçacıklarını bir arada tutmak için bir bağlayıcı madde olarak kömür katranı kullanılır ve daha sonra karışımı kaynaştırmak için yüksek sıcaklıklarda bir ay boyunca pişirilir. Bu işlem oksidasyona ve daha sonra bozulmaya karşı direnci arttırır. Birçok türde grafit bileşimi vardır ve katodik koruma amaçlı yer altı yatakları için kullanılan tip en gözenekli olanlardan biridir.
Porozite, nemin nüfuz etmesinin nihayetinde bağlantıya geçmesine izin vererek kablo bağlantısında bozulmaya neden olur. Daha yoğun bir anot pahalıdır; bu nedenle, porozite, çubukların pahalı olmayan bir keten tohumu yağı dolgusu, mikro kristalli balmumu veya fenolik bazlı bir reçine ile emprenye edilmesiyle azaltılır.
Herhangi bir anot malzemesi için uygun bir anot – kablo bağlantısının olması çok önemlidir. Yıllarca, grafit anot üreticileri, uygun bir anot-kablo bağlantısı için bir spesifikasyona sahip değildi. Bu durum, çeşitli nedenlerden dolayı sayısız hataya yol açmıştır. Birçok kullanıcı, grafit anotlarını özelleştiren ve sonuçta, olduğundan daha pahalı bir ürün yapan kendi montaj standartlarını geliştirmiştir.
Grafit, toprakta metre kare başına 10.76 amper veya suda metre kare başına 2.70 amperden fazla akım yoğunluklarda kullanılmamalıdır. Grafit yapısal olarak kırılgan olup, çıplak veya paketlenmiş olarak taşıma sırasında kolayca zarar görebilir. Çatlama ve kırılmayı önlemek için özel teknikler gereklidir.
Aluminyum bazen, su tanklarının içini korumak için harici akımlı katodik koruma sistemlerinde anot olarak kullanılır. Harici akım kaynaklı katodik koruma sistemlerinde kullanılan anot malzemeleri ile karşılaştırıldığında nispeten ucuz olduğundan alüminyum anotlar,Ø12,7 mm çapında ve 305 mm uzunluğunda vidalı çubuk olarak temin edilebilir. Bunlar, mevsimsel buzlanmanın genellikle anot-kablo bağlantısını tahrip ettiği ve yıllık değişim gerektiren tanklarda kullanım içindir. Bu tip anot sistemi içme suyunu kirletmez, ancak amper-yılda 4.1 kilogram tüketim oranı, diğer anot sistemlerine kıyasla hizmet yılı başına oluşan maliyet açısından maliyet etkinliğini sınırlar.
Kurşun – Gümüş
Kurşun alaşımlı anotlar yalnızca serbest akan deniz suyu uygulamalarında kullanılır ve antimon kurşun, kalay ve % 1 veya % 2 gümüş gibi çeşitli metaller içerebilir. Yaygın olarak 10 inç uzunluğunda 1,5 inç çapa sahip çubuk veya şerit formunda tedarik edilirler, kullanım ömrünü ikiye katlayan yüzde 2 gümüş alaşımlı anot Avrupa’da yaygın olarak kullanılmaktadırlar. İlk çalıştırmada, tüketim hızı amper yılda yaklaşık 1300 gram ve sonunda, anot yüzeyinin ömrünü uzatan, sonuçta amper yıl başına 90 gram tüketim ile sonuçlanan siyah, pasif bir kurşun peroksit filmi oluşuyor. Normal akım yoğunluğu metre kare başına 30 ila 267 amper arasındadır. Alüvyon içinde veya düşük klorür koşullarında, bu oksit filmi oluşmaz ve anot hızlı bir şekilde tükenir.
Kablo bağlantıları, bir delik delinerek ve kurşun telin delik dibinde lehimlenmesiyle yapılır. Bağlantı boşluğu daha sonra nemin girmesini önlemek için epoksi ile doldurulur. Montaj, anotları bir yapıdan, rıhtım veya iskeleden, delikli bir FRP boru içine asarak veya konumunu korumak için bir destek cihazı ile gerçekleştirilir. Bu destek buz hasarını ve anotların çamur veya alüvyon ile temas etmesini önlemek için önemlidir.
Platin, neredeyse her tür katodik koruma tesisatı için anot kaplama olarak kullanılabilir. Yeraltı, açık deniz, beton, enerji santralleri ve boruların, tankların ve makinelerin iç kısımları gibi çok çeşitli ortamlardaki yapılar katodik koruma sistemleri için platin kullanmıştır. Saf platin, kendi başına çok pahalı olurdu. Platin normal olarak titanyum ve niyobyum gibi asil metaller üzerine kaplanır. Anotlar tel ve çubuk şeklinde olduğunda, titanyum ve niyobyum, bakır ile karşılaştırıldığında nispeten zayıf elektrik iletkenleri olduğundan, 7.5 metreyi aşan uzunluklarda iletkenliği artırmak için bakır bir çekirdek olabilir.
Platin birçok teknik kullanılarak baz metaller üzerine kaplanmaktadır. Baz metal ile platin kaplamanın oksijensiz bir ortamda vakum altında sıkıştırılarak metalürjik olarak bağlanmış olan anotlarda daha az hatayla karşılaştığını görülmüştür. Bu uygulama, metaller arasında oksitsiz, düşük dirençli ve tam bir bağlanma sağlayarak tasarım ömrünü uzatmaktadır.
Anot-kablo bağlantısı kritiktir ve uygun olmayan bağlantılar erken hasara neden olabilir. Kullanıcılar, anotların şartnamelerine uygun olarak, kalifiye personel tarafından üretildiğinden emin olmalıdır. Platinin en büyük dezavantajı statik elektrolitler, dalgalı doğru akım ve yarım dalgalı redresörlerde anot asidi oluşumuna karşı zayıf direncidir. Deniz suyu sistemlerinde trifaze bir transformatör redresörünün kullanımı, DC çıkışındaki dalgalanmayı azaltarak platin anotların ömrünü iki katına çıkardığı bilinmektedir.
Avrupa’da, 1960’lı yılların başında endüstriyel klor ve kostik soda üretiminde kullanılmak üzere karışık metal oksit anotları geliştirilmiştir. Bu anotlar, çok yüksek yoğunlukta akım sağlarken uygun tasarım ömrü özellikleri sergiler. Oksit film, diğer değerli metal anotlarda olduğu gibi anot asidi oluşumu, dalgalı doğru akım veya yarım dalgalı redresörlerden dolayı hızlı bozulmaya duyarlı değildir.
Topraktaki veya çamurdaki anotların çevresi, azami ömür ve performans için ince, düşük dirençli, kalsine edilmiş petrol kok külü ile doldurulmalıdır. Anot petrol kokuyla önceden paketlenmiş olsa bile, anot paketinin doğal toprağı doldurmadan önce metalurjik kok ile çevrelenmesi tavsiye edilir. Bu yoğunluklardaki tüketim oranları, deniz suyunda amp yılda yıllık 0,5 miligram ile, kok külünde, tatlı suda ve deniz çamurunda amp yılda yılda 5 miligram arasında değişmektedir. Herhangi bir anotta olduğu gibi, bağlantı nem geçirmez, su geçirmez ve 0,001 ohm’dan daha fazla direnç göstermeyecek şekilde yapılmalıdır. Karışık metal oksit anotlarının avantajları:
Hafif ve kırılmaz
İhmal edilebilir tüketim oranı
Asit oluşumuna etkisiz
Yüksek akım yoğunluğu çıkışı
1982 yılında, yeni bir anot malzemesi geliştirildi. Materyal, boru iç yüzeyleri, ısı eşanjörleri, kullanım kanalları ve geleneksel topraklama akımından korunan alanlar gibi sınırlı alanlarda küçük miktarda akım sağlar. Materyal elektrik kablosunu andırsa da, gerçekte ekstrüzyon ile kaplanmış, iletken bir polietilen ceketi olan çok telli bir bakır iletkenden oluşmaktadır. Bu kavram, yeraltı konsantrik güç kablolarında, topraklama kablolarının etrafında iletken bir kalkan olarak kullanılır. Anot çevresi, maksimum anot ömrü için karbonlu kok külü ile doldurulmalıdır. Hali hazırda, dört farklı çap ve doğrusal metre başına 9.8 ila 29.5 miliamper arasında akım çıkışına sahip malzeme mevcuttur.
Mevcut yapılara monte edildiğinde ekonomik olarak uygulanabilir.
Mevcut büyük voltaj (yalnızca güç kaynağının boyutuyla sınırlı potansiyel fark).
Çok yüksek dirençli elektrolitlerde bile mevcut yüksek akım.
Çok büyük, kaplansı zayıf veya kaplanmamış yapıları korumak için yeterli akım sağlayabilir.
Gerektiğinde anot sistemini değiştirmek ekonomik olarak mümkündür.
Önemli işletme ve bakım gereksinimleri.
Nispeten büyük erken bozulma veya bozulma olasılığı.
Diğer metalik (yabancı) yapılarla etkileşimden dolayı diğer yapılarda hasar oluşturan kaçak akım olasılığı.
Paslanmaz Çelikler ile ilgili yazımız için bu bağlantıyı inceleyebilirsiniz.