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.