macokren.xyz / tools / katodik-koruma

İçme suyu hattı çelik borularında korozyon mekanizması ve katodik koruma yöntemleri — animasyonlu anlatım ve iki mühendislik hesaplayıcısı. Kabul kriterleri ve tasarım formülleri için NACE SP0169 (boru hatlarında katodik koruma kriterleri) ve NACE SP0177 referans alınmıştır.

NACE SP0169 NACE SP0177 Cu/CuSO₄ ref.

01 — Temel mekanizma

Korozyonun elektrokimyası

Çelik boru toprağa veya suya gömülü olduğunda yüzeyde mikroskobik anodik ve katodik bölgeler oluşur. İkisi arasında metal içinden elektron, elektrolit (toprak/su) içinden iyon akışı bir korozyon hücresi kurar. Anodik bölgede demir çözünür — boru burada incelir ve delinir.

ELEKTROLİT · toprak / su ÇELİK BORU CİDARI (Fe) ANOT (−) Fe → Fe²⁺ + 2e⁻ KATOT (+) O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ e⁻ (metal içinde) → Fe²⁺ iyon göçü →
Elektron (e⁻) — metal içinde Fe²⁺ iyonu — elektrolitte OH⁻ / korozyon ürünü
Hazır — oynat ya da adım adım ilerle Hareket azaltma açık: parçacık animasyonu devre dışı.
  1. Korozyon hücresi kurulur. Yüzeydeki potansiyel farkları (kaynak dikişi, kaplama hasarı, farklı havalandırma) anodik ve katodik bölgeleri ayırır.
  2. Anodik reaksiyon — demir çözünür. Anotta demir atomları iyon olarak elektrolite geçer ve geride elektron bırakır.
    Fe → Fe²⁺ + 2e⁻
  3. Elektronlar metal içinde akar. Serbest elektronlar düşük dirençli çelik üzerinden anottan katoda taşınır.
  4. Katodik reaksiyon — oksijen redüksiyonu. Havalandırılmış nötr toprak/suda elektronlar çözünmüş oksijenle tüketilir.
    O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻
  5. Korozyon ürünü oluşur. Fe²⁺ ve OH⁻ birleşerek demir(II) hidroksit, sonra oksitlenip pas verir.
    Fe²⁺ + 2OH⁻ → Fe(OH)₂ → Fe(OH)₃ (pas)
Katodik korumanın özü → Tüm yüzeyi katot haline getirmek. Eğer boruya dışarıdan yeterli elektron sağlanırsa anodik reaksiyon (Fe çözünmesi) durur. Sonraki bölümler bunu nasıl ölçtüğümüzü ve iki uygulama yöntemini gösterir.

02 — Durum ölçümü

Referans elektrod ile potansiyel ölçümü ve yorumlanması

Borunun korunup korunmadığını anlamak için boru-toprak potansiyeli ölçülür. Yüksek empedanslı bir voltmetre, borunun bir ucuna ve toprağa temas eden bakır–bakır sülfat (Cu/CuSO₄, CSE) referans elektroduna bağlanır. NACE SP0169 bu ölçüme dayalı kabul kriterleri tanımlar.

TOPRAK VOLTMETRE −0.850 V − + ÇELİK BORU Cu/CuSO₄
Boru bağlantısı (−) Referans elektrod (+)

İnteraktif yorumlayıcı

Kriterler: NACE SP0169 — (a) −850 mVCSE polarize potansiyel kriteri, (c) 100 mV katodik polarizasyon kriteri. IR (toprak) düşüşünün ayrıştırılması gerekir; saha pratiğinde "instant-off" ölçümü kullanılır.

Neden negatif? Daha negatif potansiyel = daha katodik = daha korumalı. −850 mVCSE'den daha negatif değerler genellikle yeterli koruma gösterir; ancak −1200 mV'den aşırı negatif değerlerde kaplama soyulması (disbondment) ve hidrojen gevrekleşmesi riski doğar.

03 — Pasif yöntem

Galvanik (kurban anod) sistem ile koruma

Çelikten daha aktif (daha negatif) bir metal — magnezyum veya çinko — boruya bağlanır. Galvanik çiftte aktif metal anot olur ve çözünür; boru katot haline gelip korunur. Akım, anodun kendi potansiyel farkından gelir — harici güç gerekmez. Anot zamanla tükenir, bu yüzden "kurban anot" denir.

TOPRAK / SU (ELEKTROLİT) KORUNAN BORU (KATOT) Mg ANOT 100 % Mg → Mg²⁺ + 2e⁻ e⁻ →
Elektron — anottan boruya Magnezyum anot (tükenir)
Akım anottan elektrolite, elektron metal bağlantıdan boruya akar Hareket azaltma açık.
  • Sürücü kuvvet: Mg–Fe potansiyel farkı (~0.7 V). Düşük dirençli, iyi kaplamalı hatlar için idealdir.
  • Avantaj: Harici güç yok, basit, bakım az, aşırı koruma riski düşük, başka yapıları etkilemez (interference az).
  • Sınır: Sınırlı çıkış akımı ve sonlu anot ömrü. Yüksek dirençli toprakta veya kaplamasız uzun hatlarda yetersiz kalır.
Anot seçimi → Magnezyum yüksek toprak direncinde (kırsal su hatları), çinko düşük dirençli/tuzlu ortamlarda tercih edilir. Tasarım için 05 — Galvanik hesaplayıcıya geç.

04 — Aktif yöntem

Dış akım kaynaklı (impressed current) sistem

Koruma akımı bir DC güç kaynağından (rectifier) sağlanır. Akım, gömülü titanyum/MMO (karışık metal oksit) anot yatağından elektrolite, oradan boruya geçer ve borudan rectifierin negatif ucuna döner. Akım dışarıdan ayarlanabildiği için büyük, kaplamasız veya yüksek dirençli sistemlerde kullanılır.

TOPRAK / SU (ELEKTROLİT) RECTIFIER DC GÜÇ KAYNAĞI + − Ti / MMO ANOT YATAĞI KORUNAN BORU (KATOT) akım: anot → elektrolit → boru
(+) anoda — akım çıkışı (−) boruya — dönüş Elektrolitte akım yolu
Akım: rectifier (+) → anot → elektrolit → boru → rectifier (−) Hareket azaltma açık.

Galvanikten farkı

  • Pratikçe sınırsız ömür: MMO/Ti anotlar çok düşük tüketim hızıyla çalışır; akım dışarıdan beslenir.
  • Ayarlanabilir akım: Rectifier çıkışı saha koşullarına göre artırılıp azaltılabilir.
  • Yüksek kapasite: Büyük yüzey, kaplamasız veya yüksek dirençli toprak hatları için uygundur.
Dikkat → Harici güç ve düzenli bakım gerektirir; yanlış kutuplama korozyonu hızlandırır. Komşu yapılarda interference (kaçak akım) korozyonu yaratabilir. Tasarım için 06 — Dış akım hesaplayıcıya geç.

05 — Hesaplayıcı

Galvanik sistem tasarımı — magnezyum anot

Boru çapı ve hat uzunluğundan lateral yüzey alanını hesaplar; seçilen kaplama tipine göre gereken koruma akımı, anot sayısı ve sistem ömrünü verir. 17 lb standart paketli magnezyum anot esas alınmıştır.

Toplam koruma akımı
—
Gereken anot sayısı
—
Gerçekleşen sistem ömrü
—
›
›Formülleri ve birimleri adım adım göster

Formüller: NACE SP0169 / SP0177 galvanik anot tasarım pratiği. Mg pratik akım kapasitesi ~500 Ah/lb (≈1100 Ah/kg) — teorik 1000 Ah/lb değerine ~%50 verim uygulanmış tipik saha değeridir (Peabody, Control of Pipeline Corrosion). 1 yıl = 8760 saat.

06 — Hesaplayıcı

Dış akım kaynaklı sistemde akım ihtiyacı

Boru çapı ve hat uzunluğundan lateral yüzey alanını hesaplar; I = A × i × (1 − C) bağıntısıyla toplam koruma akımını ve uygun rectifier kapasitesini verir. Kaplama verimi yükseldikçe gereken akım hızla düşer.

Zemin özgül direnci bu hesaba dahil değildir. Kullanılan formül I = A × i × (1−C) — akım yoğunluğu i seçimi zaten ortam koşullarını örtük içerir. Zemin direnci çok yüksekse (>2 000 Ω·m, kuru kum/kaya), rectifier gerilimi yeterliliği ayrıca kontrol edilmelidir.
Toplam gereken akım (I)
—
Önerilen rectifier kapasitesi
—
›
›Formülleri ve birimleri adım adım göster

Formül kaynağı: NACE SP0169 / SP0177 akım ihtiyacı hesabı. I = A × i × (1 − C). Rectifier seçiminde ~%25–50 emniyet payı ve gelecekteki kaplama bozulması için yedek kapasite önerilir.