Kaçak Akım Korozyonu ve Katodik Koruma

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. Su içindeki metalik yapılarda, yeraltı metro tünellerinde en önemli konu korozyona karşı alınan tedbirlerdir. Bu nedenle daha inşaata başlanırken bunun için gerekli işlemler yapılmaya başlanır. 

Endüstride birçok korozyon çeşidi bulunmaktadır. Bu yazımızda sizlere kaçak akım korozyonundan, oluşma nedeninden, alınacak önlemlerden ve yapılan örnek projelerden bahsedeceğiz.

Kaçak Akım Korozyonu Nedir?

Kaçak akım elektrikle çalışan sistemlerde devreyi tamamlayarak akan akımın bir kısmının sızıntı şeklinde toprağa akmasıdır. Bu sızıntı yapıda birçok probleme neden olmaktadır (dokunma gerilimi, korozyon vb.). Korozyon kelime anlamı olarak günlük yaşamda kireçlenme, paslanma vb. denilen, madenlerin elektriksel, kimyasal ya da mekanik nedenlerle aşınmasıdır. Kaçak akımdan dolayı inşanın yapısında meydana gelen elektrokimyasal hasara kaçak akım korozyonu denmektedir. Korozyonu durdurmak mümkün değildir. Ancak alınacak tedbirlere kaçak akım korozyonunun hızını azaltabiliriz.

Kimyasal Olarak Korozyon Nedir?

Korozyonun kimyasal olarak nasıl gerçekleştiğini incelediğimiz takdirde ileride bahsedeceğimiz katodik korumayı anlamak gayet kolay olacaktır. Korozyon halk arasında pastır. Kimyasal olarak indirgenme ve yükseltgenme reaksiyonları ile gerçekleşir.

Anodik reaksiyon: Fe0 → Fe+2 + 2e – 

Katodik reaksiyon: ½ O2 + H2O + 2e – → 2(OH) – 2H+ + 2e → H2

Toplam reaksiyon: Fe0 + ½ O2 + H2O → Fe(OH)2 (Pas)

Korozyon bu üç işlem sonucunda oluşur. Anodik reaksiyon sonucunda meydana gelen elektronlar katodik reaksiyonların ilerlemesine sebebiyet verir. Eğer bu üretilen elektronlar katodik reaksiyonda tepkimeye girmezse anotta reaksiyon durmuş olur. Aynı zamanda ortamda oksijenin de bulunmaması bu reaksiyonu durdurur. Bahsettiğimiz elektronlar ve oksijen elementi koyu olarak yukarıdaki denklemlerde işaretlenmiştir. Tüm bu işlemlerin yapılmadığını ve sürecin doğal şekilde işlediğini varsayalım, bu durumda demirin iyonlaşmasıyla üretilen elektronlar, oksijen ve suyla tepkimeye girer, ve anotta korozyon (pas) oluşumuna neden olurlar.

Katodik Koruma Nedir?

Korozyon olayını yukarıda bahsetmiş olduğum tepkimeleri önleyerek durduracağız. Yani yapılan tüm hesaplamalar bu denklemlerin üzerinde ilerliyor. Katodik koruma, korunması istenilen metalin bir elektrokimyasal hücrenin katodu haline getirilmesi suretiyle metal yüzeyindeki anodik akımların giderilmesi işlemidir.

1. Galvanik Anotlu Katodik Koruma
   Galvanik anotlu koruma korunacak olan metale kendinden daha aktif olan kurban bir anot bağlanması ilkesine dayanır. Bu durumda iyonlaşma tepkimesi daha aktif yapıda olan kurban anotta gerçekleşerek korunması gereken metalde herhangi bir tepkime olmayacaktır. Galvanik anotta kurban anodun belirli bir ömrü vardır, bu belirli aralıklarla değiştirilmelidir. Kurban anotlar çoğunlukla magnezyum, çinko veya alüminyum alaşımından yapılır.
   
   Galvanik Anotlu Koruma’nın Avantajları ve Dezavantajları
   + Dış akım kaynağına ihtiyaç yoktur. Akım kurban anot vasıtasıyla sağlanmış olur.
   + Karmaşık hesaplara gerek yoktur, basittir.
   -  Büyük sistemlerde tercih edilmez, çünkü büyük akımlar gerekmektedir.
   -  Kurban anotun ömrü bittikçe değiştirilmesi gerekmektedir.
   -  Çevredeki yapılarda elektromanyetik girişim etkisi söz konusu değildir.
    
2. Dış Akım Kaynaklı Katodik Koruma
   Dış akım kaynaklı katodik korumada inert anotlar kullanılmaktadır. Bu durumda sisteme dıştan bir doğru akımın uygulanması gerekir. Bu sistemlerde korunacak yapı çevresinde elektrolit içine anotlar yerleştirilir ve redresörün + ucuna bağlanır, korunacak yapı ise – ucuna bağlanır. Şekilde görüldüğü gibi bir elektroliz hücresi elde edilmiş olur. İnert anot “Sistem potansiyeline cevap veren fakat hücre reaksiyonunda yer almayan elektrot” demektir. İnert anotlar herhangi bir akım üretme görevi taşımadığından daha uzun süreli ömürlere sahiptir. Bu anotlar, grafit, dökme demir, karışık metal oksit kaplı titanyum veya platin-niyobyum kaplı metallerden yapılabilir. En yaygın DC akım kaynağı bir doğrultucu olmasına rağmen gelişen teknolojiyle güneş enerjisi sistemleri gibi diğer kaynaklarda kullanılmaktadır.
   
   Dış Akım Kaynaklı Koruma’nın Avantajları ve Dezavantajları
   + Elektrik akımının maliyeti galvanik anoda göre daha uygundur.
   + Projenin herhangi bir değişikliğine göre akımın artırılıp, azaltılmasıyla anında cevap verebilir.
   - Elektrik akımı kullanılması dolayısıyla yapının çevresindeki diğer yapılarda elektromanyetik   girişim etkisi meydana gelebilir.
   - Elektrik olmayan yerlerde sistem uygulanamaz.

Not: Dış akım kaynaklı sistemlerde aşırı koruma yapılırsa H2 çıkışı fazla olacaktır. Hidrojen gazı yapının metal yüzeyinin kaplamasının soyulmasına neden olur. Bu nedenle yapılan hesaba göre en uygun seçim yapılmalıdır.

Büyük elektrikli sistemler dış akım kaynaklı katodik koruma yapılmaktadır. Katodik korumadan önce kaçak akım minimize etme çalışmaları inşaatın ilk başladığı andan itibaren yapılmaktadır. Katodik korumada günümüzde en çok tercih edilmeye başlanan anod çeşidi “Karma Metal Oksit Kaplı Titanyum Anotlar”dır. Bu tip anotlar anot reaksiyonun sonucunda meydana gelen kimyasal bileşiklerden hiç etkilenmeyip, kütle kaybı minimumumdur.

İstanbul Fatih’te bulunan Hariç Metro Köprüsü’nün ayakları denizin içindedir. Yani suyla direk temas halinde olan bu yapının ayaklarının uzun ömürlü olması ve sudan etkilenmemesi için katodik koruma daha da yüksek önemlerle yapılmıştır. 
 

Korozyon Hızını Etkileyen Faktörler Nelerdir?

• Ortam: Yukarıda suyun içinde meydana gelecek olan bir korozyon söz konusudur. Suyun durgun olup, olmamasına göre bile korozyon hızı değişebilir.
• Sıcaklık: Sıcaklık artışı korozyon hızını negatif yönde etkilir. Sıcaklık azaldıkça korozyon hızı azalır.
• Kimyasal Yapı: Korozyon kimyasal bir süreç olduğundan dolayı maddelerin özellikleri de bu sürecin hızını belirler.
• Toprak Özgül Direnci: Toprak özgül direncinin düşük olması akımın daha kolay akmasına sebebiyet vererek korozyon hızını artırır.
• Oksijen Yoğunluğu: O2 korozyon tepkimelerinin ana kaynaklarından biridir. Oksijenin miktarı da korozyon hızını etkiler.
• Malzeme Seçimi: Bir mühendislik işi olan katodik korumada malzeme seçimi önemlidir. Birbiriyle etkileşimi uygun olan malzemeler seçilmezse korozyon hızının artışı kaçınılmaz olacaktır.
• Sistem Tasarımı: Yanlış tasarlanmış bir sistem, maalesef korozyonu engeleyemez. Hesaplar en doğru şekilde yapılmalı ve kontrol edilmelidir.