Galvanik Anotlar: Tanımı, Türleri, Teknik Özellikleri ve Uygulamaları

Galvanik Anot Nedir? Korozyon Korumasındaki Rolü

Galvanik anot, bir diğer adıyla fedakarlık anot, katodik koruma sistemlerinde metallerin korozyondan korunması için kullanılan temel bileşenlerdendir. Galvanik anotlar, korunacak metalden daha elektronegatif (yani galvanik seride daha aktif) bir metal alaşımından üretilir. Yapıya elektriksel olarak bağlandıklarında, ortamdaki elektrolit (örneğin toprak veya su) içerisinde yapı ve anot arasında bir galvanik hücre oluşur. Bu hücrede anot olarak davranan daha aktif metal, korunan metal yerine oksitlenerek (çözünerek) kendini feda eder ve böylece korunan metal üzerinde katodik yönde koruyucu bir akım oluşmasını sağlar. Bu sayede asıl yapıda oluşacak korozyon reaksiyonları, galvanik anoda kaydırılmış olur.

Galvanik anotlar kullanıldıkça kütle kaybeder ve zamanla tükenirler. Dolayısıyla belirli aralıklarla yenileriyle değiştirilmesi gerekir. Tipik bir galvanik anodik koruma sistemi, yaklaşık 20 yıl tasarım ömrüne sahip olacak şekilde planlanır. Galvanik anotla koruma yöntemi, dış akım kaynaklı katodik koruma (ICCP) sistemlerinden farklı olarak harici bir güç kaynağı gerektirmez; anot malzemesinin doğal potansiyel farkı yeterlidir. Bu durum, galvanik anotlu sistemleri özellikle bakımın zor olduğu ortamlarda (örneğin denizaltı yapılarında veya enerji erişimi olmayan uzak tesislerde) tercih edilen, basit ve güvenilir bir koruma yöntemi yapar. Ancak galvanik anodun sağlayabileceği sürücü potansiyeli sınırlı olduğu için, çok yüksek dirençli ortamlarda veya çok büyük yapılar için bazen yeterli koruma akımını sağlamakta yetersiz kalabilirler. Bu gibi durumlarda tasarımcılar, galvanik anot yerine veya onunla birlikte dış akımlı sistemlere başvurur.

Yaygın Galvanik Anot Türleri

Galvanik anodun performansı, imal edildiği metal alaşımına bağlıdır. Korozyon kontrolünde en yaygın kullanılan galvanik anot malzemeleri çinko, alüminyum ve magnezyum alaşımlarıdır. Her biri farklı elektrokimyasal özelliklere sahip bu anot tipleri, farklı ortamlar ve uygulama alanları için optimize edilmiştir. Ayrıca, belirli ihtiyaçlara yönelik geliştirilmiş özel hibrit alaşımlar da mevcuttur. Aşağıda bu anot türleri ve temel özellikleri açıklanmaktadır:

Çinko Anotlar

Çinko (Zn) anotlar, galvanik katodik koruma tarihindeki en eski ve en yaygın malzemelerdendir. Özellikle deniz suyunda ve nispeten düşük dirençli ortamlarda, çelik yapıları korumak için uzun yıllardır başarıyla kullanılmaktadır. Saf çinko, teorik olarak yaklaşık 820 A·h/kg elektrik kapasitesine sahiptir (1 kg çinko 1 A akım sağlarsa 820 saatte tamamen çözünür)​. Pratikte çinko anotlar yaklaşık %95 akım verimliliğiyle çalışır ve yaklaşık 780 A·h/kg faydalı kapasite sunarlar​. Çinko anotların açık devre potansiyeli bakır/ bakır sülfat (Cu/CuSO₄) referans elektroduna karşı yaklaşık -1.10 V mertebesindedir (göreceli olarak daha asil olan çeliğe göre ~0.5 V daha negatiftir)​. Bu potansiyel seviyesi, deniz suyu gibi iletken elektrolitlerde çeliği katodik korumaya yeterli bir sürücü voltaj sağlar, ancak çok yüksek dirençli ortamlarda sınırlı kalabilir.

Çinko anotlar genellikle döküm halat, plaka veya şerit (ribbon) formunda üretilir. Standart çinko anot alaşımları, bir miktar alüminyum (örn. %0.1-0.5) ve geleneksel olarak küçük bir kadmiyum ilavesi içerir​. Alüminyum ilavesi, tane yapısını iyileştirip verimi artırırken; kadmiyum ise anotun homojen çözünmesini destekler. Ancak kadmiyumun toksik etkileri nedeniyle günümüzde kadmiyum içermeyen çinko alaşımları geliştirilmiştir. Örneğin, indiyum ve kalay ilaveli çevre dostu çinko anot alaşımları, kadmiyum kullanılmadan benzer performans sağlar​. Bu özel alaşımlı “eko-anot” çinkoların açık devre potansiyeli standart tipten biraz daha düşük olabilse de (ör. Ag/AgCl’ye karşı -0.94 V gibi​), çevresel yönetmeliklere uyum açısından tercih edilmektedir.

Avantajları: Çinko anotlar, deniz suyu ve acı su (tuzlu-su karışımı) ortamlarında kararlı performans gösterir. Orta mertebedeki sürücü voltajı sayesinde, korunan yapıyı aşırı katodik polarizasyona uğratma riski düşüktür. Ayrıca çinko anotlar çoğunlukla %90’ın üzerinde verimle çalıştığından, kendi kütlelerini büyük ölçüde koruma akımı üretmeye harcarlar​. Uzun yıllar boyunca denenmiş ve standartlara girmiş olması (ör. ABD askeri standardı MIL-A-18001 ve benzeri) tasarım ve uygulamada güvenilir veri tabanının bulunması anlamına gelir.

Sınırlamaları: Çinkonun özgül ağırlığı yüksektir (~7.1 g/cm³), ayrıca elektro-kimyasal kapasitesi alüminyum gibi hafif metallerden düşüktür. Bu nedenle aynı koruma ihtiyacı için daha fazla kütle gerekebilir, bu da yapıya ek ağırlık getirebilir. Yüksek ortam direnci durumlarında çinko anotlar yeterli akımı veremez; örneğin toprak resistivitesi ~1500 Ω·cm üzerinde olan ortamlarda çinko anotlar genellikle tavsiye edilmez​. Ayrıca yüksek sıcaklıklı sularda çinko anotların performansı düşer: ~60 °C üzerindeki sıcak sularda yüzeylerinde pasif bir tabaka oluşarak çıkış potansiyeli ~-0.95 V seviyelerine kadar gerileyebilir​. Bu nedenle sıcak su tankları veya jeotermal su ortamlarında çinko yerine magnezyum anotlar kullanılır. Çok düşük sıcaklıklarda ise (örneğin donma noktasına yakın deniz suyunda) çinko anotların aktivasyonunda sorunlar yaşanabileceği, anot üzerindeki reaksiyon hızlarının yavaşlayabileceği gözlemlenmiştir. Genel olarak çinko anotlar tatlı su gibi klorür içermeyen ortamlarda da verimli değildir; yüksek potansiyel farkı oluşturamadıkları ve pasifleşebildikleri için tatlı suda koruma amaçlı tercih edilmezler.

Alüminyum Anotlar

Alüminyum (Al) anotlar, özellikle deniz suyu ve tuzlu ortamlar için geliştirilmiş yüksek performanslı galvanik anot malzemeleridir. Saf alüminyum termodinamik olarak çok aktif bir metal olmasına rağmen (yaklaşık -1.66 V standart elektrot potansiyeli, Cu/CuSO₄’ye karşı ~-1.90 V​), hemen yüzeyinde güçlü bir oksit filmi oluşturarak pasif hale gelir ve bu nedenle saf haliyle bir anot olarak kullanılamaz​. Bu sorunu aşmak için alüminyum çeşitli elementlerle alaşımlandırılır. Al-Zn-In alaşımları, modern alüminyum anotların en yaygın tipidir: %2-6 Zn ve ~%0.02 indiyum içererek alüminyum yüzeyindeki oksit filminin kırılmasını ve anotun aktif kalmasını sağlar​. Tarihsel olarak cıva (Hg) da alüminyum anot aktivasyonu için kullanılmışsa da, çevresel kaygılar nedeniyle günümüzde cıvalı alaşımlar büyük ölçüde terk edilmiş ve yerini indiyumlu alaşımlar almıştır​. Standart alüminyum anot alaşımları, DNV RP B401 gibi endüstri standartlarında tanımlanmıştır​. Örneğin DNV standardı, alüminyum anotların içinde Zn, In, Fe, Cu gibi elementlerin hangi aralıklarda olacağını belirleyerek tutarlı bir performans sağlanmasını güvence altına alır.

Alüminyum anotların en belirgin avantajı, yüksek elektro-kimyasal kapasitesidir. İyi tasarlanmış bir Al-Zn-In anot, %90’dan yüksek akım verimliliği ile yaklaşık 2500 A·h/kg kapasite verebilir​. Bu değer, birim kütle başına çinkonun üç katından fazla, magnezyumunkine yakın bir koruma süresi anlamına gelir. Nitekim 1 A akımı 1 yıl boyunca sağlamak için gerekli anot kütlesi alüminyum için yaklaşık 3,3 kg/A·yıl civarındayken​, aynı iş için çinko ~11,2 kg, magnezyum ise 7-8 kg gerektirir (aşağıdaki tabloya bakınız). Alüminyum anotların açık devre potansiyeli Cu/CuSO₄ elektroduna karşı ortalama -1.15 V mertebesindedir (Ag/AgCl’ye karşı ~-1.10 V)​. Bu açıdan alüminyumun sürücü voltajı çinkoya benzer düzeydedir ve deniz suyundaki çelik için yeterli koruma potansiyeli sağlar. Tipik kapalı devre (çalışma sırasında) potansiyeli ise biraz daha pozitife kayarak ~-1.10 V (Ag/AgCl’ye karşı -1.05 V) dolayındadır​.

Avantajları: Alüminyum anotlar, deniz suyu ortamlarında en çok tercih edilen anod türüdür. Gemi gövdelerinden açık deniz platformlarına, şamandıralardan denizaltı boru hatlarına kadar geniş bir uygulama yelpazesinde kullanılmaktadır. Yüksek kapasitesi sayesinde eşdeğer koruma süresi için çok daha hafif bir anot kütlesi yeterli olur – bu da özellikle gemiler gibi ağırlık kritik yapılarda büyük bir avantajdır. Örneğin, alüminyum anotların tüketim hızı yaklaşık 7 lb/Ay (3,2 kg/A·yıl) gibi düşüktür, bu nedenle uzun süreli koruma için idealdir​. Ayrıca alüminyum ham madde olarak çinkoya kıyasla genellikle daha ekonomik olup, üretim ve nakliye maliyetlerini de düşürebilir. Kimyasal aktivasyonu doğru şekilde yapıldığında (indiyum katkısıyla) kararlı ve uniform çözünme gösterir, yüzeyinde zararlı pasif tabakalar oluşmaz. Orta düzey negatif potansiyeli, hem kaplamasız çelik yapıları korumaya hem de aşırı hidrojen gelişimini sınırlamaya yeterli ideal bir dengededir.

Sınırlamaları: Alüminyum anotlar, korozif klorür iyonlarının olmadığı tatlı su veya çok yüksek dirençli ortamlarda etkili değildir. Örneğin içme suyu depolarında veya çok düşük tuzluluğa sahip ortamlarda alüminyum anot, oksitlenip pasifleşerek akım vermeyi durdurabilir. Bu nedenle tatlı suda genellikle magnezyum anot tercih edilir. Toprak altı yapılar için de alüminyum anodun uygulanması yaygın değildir; toprak elektrolitinin direnci genelde yüksek olduğundan, gerekli akımı sağlamakta zorlanabilir. Alüminyum anotların açık devre potansiyeli magnezyum kadar negatif olmadığından, çok yüksek dirençli elektrolitlerde (örneğin tatlı suda veya kuru toprakta) yapıyı polarize edecek yeterli “itiş” voltajını üretemeyebilir. Bununla birlikte, özellikle acı su (brackish) gibi orta iletkenlikteki ortamlarda bazen hem çinkoya hem magnezyuma alternatif olarak özel alüminyum alaşımları kullanılabilir – örneğin daha düşük indiyumlu, daha yüksek aktivasyonlu alaşımlar acı suya uyarlanmıştır. Son olarak, alüminyum anodun koruyucu akım üretirken tükettiği malzeme, alüminyum hidroksit gibi reaksiyon ürünleri oluşturur. Deniz suyunda bu ürünler genelde “kalamar” adı verilen beyaz birikintiler olarak gözlenir. Açık ortamlarda bu birikintiler kolayca dağılırken, kapalı devre soğutma suyu devreleri gibi alanlarda tortu oluşturma riski olabilir.

Magnezyum Anotlar

Magnezyum (Mg) anotlar, galvanik anotlar arasında en elektronegatif (aktif) olanıdır ve en yüksek sürücü potansiyele sahip anot tipidir. Özellikle toprak altı ve tatlı su uygulamalarında, diğer anotların sağlayamayacağı kadar yüksek bir potansiyel farkı gerektiğinde magnezyum bir tercih haline gelir. Yüksek saflıktaki magnezyum anotların Cu/CuSO₄ elektroduna karşı açık devre potansiyeli yaklaşık -1.75 ile -1.80 V gibi çok negatif bir değere ulaşır​. Bu, çelik yapı ile arasında ~0.9-1.0 V gibi büyük bir voltaj farkı oluşturabileceği anlamına gelir ki yüksek dirençli ortamlarda bile koruma akımının akmasını sağlar. Magnezyum anotların bu “itici gücü”, kapalı devre durumda dahi genellikle -1.5 V civarında bir potansiyeli koruyabilmelerini sağlar. Ancak magnezyumun teorik elektro-kimyasal kapasitesi yüksek olmakla birlikte (yaklaşık 2200 A·h/kg teorik), pratik akım verimliliği düşüktür. Magnezyum anotlar genellikle verim %50-60 aralığında çalışır​, yani kendi kütlelerinin yarısı kadarı efektif koruma akımına harcanabilir, kalanı kendiliğinden oluşan yan reaksiyonlarla (ör. hidrojen gazı gelişimi) ziyan olur. Bu nedenle tipik magnezyum anot alaşımları 1100–1300 A·h/kg aralığında kapasite sunar​.

Magnezyum anotlar, farklı alaşım saflıklarına göre sınıflandırılır. İki temel sınıf öne çıkar: yüksek potansiyelli (High Potential) magnezyum ve standart potansiyelli (AZ63 tipi) magnezyum anotlar. Yüksek potansiyelli magnezyum anotlar, %99’dan fazla saf Mg içerir (ASTM B843’te M1C alaşımı olarak tanımlanır) ve maksimum -1.75…-1.80 V gibi potansiyellere çıkabilir​. Standart magnezyum anotlar ise bileşiminde %3-6 Al ve %2-3 Zn bulunduran AZ63 alaşımıdır​. Bu alaşımın açık devre potansiyeli biraz daha düşüktür (tipik olarak Cu/CuSO₄’ye karşı ~-1.55 V civarı) ve verimi bir miktar daha yüksektir (yaklaşık %55). Örneğin AZ63 anotlarının kapasitesi test ortamına bağlı olarak ~1230 A·h/kg ölçülmüştür​. Bu değer, saf magnezyumun 1100 A·h/kg değerine kıyasla hafif daha yüksektir; zira alaşımdaki Al/Zn eklenmesi potansiyeli azaltıp kendiliğinden tüketimi bir miktar azaltır.

Avantajları: Magnezyum anotların en büyük avantajı, yüksek sürücü voltajı sayesinde yüksek dirence sahip ortamlarda bile koruma akımı sağlayabilmeleridir. Örneğin kuru ve dirençli bir toprağa gömülü boru hattını korumak için magnezyum anotlar ilk akla gelen çözümdür; zira çinko anotlar ~1500 Ω·cm altındaki topraklar için uygun görülürken, magnezyum anotlar ~10.000 Ω·cm seviyelerine kadar toprak dirençlerinde dahi kullanılabilir​. Bu yüksek potansiyel farkı, korunan metal yüzeyini hızlı bir şekilde polarize ederek korozyon potansiyelinin emniyetli seviyelere çekilmesini sağlar. Özellikle yeni kurulmuş yapılar için, magnezyum anotlar ilk birkaç aylık dönemde yüksek akım vererek yapıyı kısa sürede koruma altına alabilir. Ayrıca tatlı su tankları, su ısıtıcıları gibi klorürün bulunmadığı ortamlarda çalışan hemen hemen tek pratik galvanik anot seçeneği magnezyumdur – alüminyum ve çinko bu ortamlarda pasif kalacağından, magnezyumun aktifliği sayesinde koruma mümkün olur​. Magnezyum anotlar genellikle önceden paketlenmiş olarak (toz alçı, bentonit ve sodyum sülfat karışımlı bir dolgu içinde) sunulur. Bu arka dolgu malzemesi, anotun toprakla temas direncini düşürür ve anotun akım verme kapasitesini artırır. Paketlenmiş anotlar, özellikle yeraltı uygulamalarında standarttır ve verimi artırır. Magnezyum ayrıca nispeten hafif bir metaldir (yoğunluğu ~1.8 g/cm³), bu nedenle aynı hacimde çinkodan çok daha az ağırlıktadır – taşıma ve montaj açısından avantaj sağlar.

Sınırlamaları: Magnezyum anotların dezavantajlarının başında, düşük akım verimlilikleri nedeniyle hızlı tüketimleri gelir. Bir magnezyum anot, bir çinko anot ile aynı akımı sağlamak için kütlece daha fazla tükenecektir. Örneğin 1 A akım çeken bir magnezyum anot yaklaşık 7-8 kg/yıl tüketim gösterirken, aynı akımda bir alüminyum anot yalnız ~3.3 kg/yıl kaybeder (çinkoda ~11.2 kg/yıl) – bu da magnezyumun aslında kapasite açısından arada bir performansa sahip olduğunu gösterir (Tablo 1)​. Bu yüksek tüketim oranı, uzun tasarım ömrü gereken sistemlerde çok sayıda magnezyum anot kullanılmasını gerektirebilir. Ayrıca, magnezyum anotların çok negatif potansiyeli her durum için uygun olmayabilir: aşırı katodik polarizasyon bazı yapılarda istenmeyen etkilere yol açabilir (örneğin yüksek mukavemetli çeliklerde hidrojen gevrekleşmesi riski, kaplamalı yüzeylerde kaplama altında gaz kabarcığı oluşumu gibi). Bu nedenle magnezyum anotlar, yüksek sürücü voltajına ihtiyaç duyulmayan düşük dirençli ortamlarda gereksiz yere tercih edilmez; aksi halde hızla tükenerek ekonomik olmayacaktır. Örneğin deniz suyunda magnezyum anot kullanımı, yapıyı hızla -1.1 V’un çok altına polarize edeceği ve bol miktarda hidrojen gazı çıkaracağı için genellikle önerilmez; bunun yerine deniz ortamında alüminyum veya çinko anotlar yeterlidir. Magnezyum anotlar ayrıca anot-potansiyelinin çok negatif olması nedeniyle referans elektrotların okumasını etkileyebilir; tasarım ve izleme aşamasında bu durum göz önünde bulundurulmalıdır.

Hibrit ve Özel Alaşımlı Anotlar

Standart çinko, alüminyum ve magnezyum alaşımlarının yanı sıra, belirli koşullar veya performans gereksinimleri için geliştirilmiş özel galvanik anot alaşımları da bulunmaktadır. Bu kategoride, alaşım bileşimi standardın dışında optimize edilmiş veya iki farklı metalin özelliklerini birleştirmeye çalışan “hibrit” çözümler yer alır.

• Yüksek Sıcaklık Alaşımları: Çinko anotların 50-60 °C üzerindeki ortamlarda pasifleşme sorunu olduğunu belirtmiştik. Bu sorunu azaltmak için formülasyona çok küçük oranlarda ilave elementler eklenerek yüksek sıcaklık performansı iyileştirilmiş çinko anotlar geliştirilmiştir. Örneğin iz miktarda magnezyum ve indiyum içeren bir çinko alaşımı, 80-90 °C’ye kadar sularda daha aktif kalabilmektedir. Bu tip “HT-anot” çinko alaşımlarının 20 °C’de ~800 A·h/kg kapasite ve -1.03 V (Ag/AgCl) potansiyeli, 80-90 °C’de ise ~750 A·h/kg kapasite ve -0.95 V potansiyele düştüğü testlerle görülmüştür​. Bu veriler, özel alaşımın yüksek sıcaklıkta standart çinkoya kıyasla daha az pasifleşme gösterdiğine işaret eder.

• Çevre Dostu Alaşımlar: Galvanik anot endüstrisinde bir diğer eğilim, insan ve çevre sağlığına zararlı elementleri alaşımlardan çıkarmaktır. Örneğin, cıvasız alüminyum alaşımları (indiyum ile aktifleştirilen) artık gemi ve deniz yapılarında standart hale gelmiştir. Benzer şekilde kadmiyumsuz çinko alaşımları da geliştirilmiştir. Bu “çevreci” anotlar, performanstan büyük ödün vermeden toksik element içermezler. Yukarıda değinilen indiyum ve kalay katkılı çinko anot (örneğin Eco-Anode ticari ismiyle anılan) %0.001’den az Cd içerirken, laboratuvar testlerinde ~800 A·h/kg kapasite elde edilmiştir – yani kadmiyumlu muadiline yakın bir değerdir.

• Branş ve Form Faktörü İyileştirmeleri: Bazı özel anotlar, belirli uygulamalara uyum sağlamak üzere farklı formlarda sunulur. Çinko şerit anotlar, kapasitör bankları veya uzun boru hatlarında sürekli şerit halinde döşenerek kullanılabilir. Anotlu kaplamalar veya galvanizleme de aslında bir tür galvanik koruma sunar: örneğin çelik üzerine kaplanan çinko tabakası (galvaniz) hem bariyer tabakası oluşturur hem de çizik veya hasar durumunda alttaki çeliği galvanik olarak korur​. Betonarme yapıların tamirinde kullanılan çinko anotlu yamalar, beton içine gömülen çinko peletleri vasıtasıyla bölgesel korozyonu engelleyen özel uygulamalardır – bunlar da galvanik anot prensibinin yapısal onarımda kullanımına örnektir.

• Hibrit Katodik Koruma Sistemleri: Bazı mühendislik yaklaşımları, galvanik anotlar ile dış akım sistemlerini bir arada kullanarak her ikisinin avantajlarını “hibrit” bir şekilde sunmayı hedefler. Örneğin, yeni bir yapının ilk polarizasyonunu hızlandırmak için başlangıçta kısa süreliğine dış akımlı (impressed current) koruma uygulanıp, sonrasında uzun vadede galvanik anotlara geçiş yapılabilir. Bu yöntemde başlangıçta yüksek akım gerektiğinde enerji harcanır, ancak sistem devreye alındığında bakım gerektirmeyen galvanik anotlar devralır. Bu tür hibrit stratejiler özellikle betonarme yapı korumasında denenmiştir. Yine de, bu bir alaşım değil bir sistem tasarımı yaklaşımıdır ve yaygın uygulamada görece yenidir.

Sonuç olarak, galvanik anot alaşımlarında yapılan özel geliştirmeler, genellikle daha yüksek verim, daha kararlı performans, özel çevre koşullarına uyum veya çevresel regülasyonlara uygunluk amaçlarını taşır. Bu özel anotların teknik özellikleri, üretici teknik föylerinde ve uluslararası standartlarda detaylandırılmaktadır. Örneğin ASTM B843 standardı farklı magnezyum alaşım tiplerini (AZ63, AZ31, M1C gibi) tanımlar; DNV RP B401 açık deniz yapıları için önerilen alüminyum ve çinko anot kompozisyonlarını ve performans kriterlerini ortaya koyar​. Mühendisler, uygulamaya en uygun anot malzemesini seçerken bu standartlardaki verilere ve üretici test sonuçlarına dikkat ederek, gerektiğinde hibrit ve özel alaşım opsiyonlarını da değerlendirmelidir.

Anot Tiplerinin Teknik Özelliklerinin Karşılaştırılması

Yukarıda anlatılan çinko, alüminyum ve magnezyum anotların temel teknik karakteristikleri Tablo 1’de özetlenmiştir. Bu tabloda anot alaşımlarının yaklaşık açık devre potansiyeli (Cu/CuSO₄ referans elektroduna göre) ve elektrokimyasal kapasitesi (pratik akım verimi göz önüne alınmış gerçek kapasite) karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Değerler tipik standart alaşım içindir; özel alaşımlarda bu değerler bir miktar değişebilir.

Tablo 1. Yaygın galvanik anot malzemelerinin yaklaşık açık devre potansiyeli ve elektrokimyasal kapasite karşılaştırması​.

Tablodaki potansiyel değerleri, deniz suyu ortamındaki tipik açık devre (boşta) potansiyelleri temsil eder. Kapasite değerleri, pratik akım verimliliği dikkate alınarak anotların 1 kg’ının sağlayabildiği amp-saat cinsinden yük kapasitesidir. Örneğin 780 Ah/kg’lık bir çinko anot, 1 A akım çekerse ~780 saat (32.5 gün) içinde 1 kg’ını tüketir; 0.1 A çekerse ~7800 saat (~0.89 yıl) içinde 1 kg tüketir. Benzer şekilde 2500 Ah/kg kapasiteli bir alüminyum anot, 0.1 A akım ile ~25.000 saat (~2.85 yıl) dayanır. Magnezyum anotlar yüksek sürücü voltajına rağmen düşük verimleri nedeniyle kütlece daha hızlı tükenirler.

Tablo 1’den görüldüğü üzere alüminyum anotlar birim kütle başına en yüksek akım kapasitesini sunmaktadır, bu da geniş yüzeylerin uzun süre korunmasında toplam anot kütlesini en aza indirir. Magnezyum anotlar ise en yüksek potansiyel farkını sağlar, ancak aynı akımı sağlamak için çinkodan bile daha fazla kütle tüketebilirler (örneğin 1 A-yıl koruma için magnezyum ~8 kg gerekirken, çinko ~11 kg, alüminyum ~3.3 kg tüketir). Çinko anotlar potansiyel ve kapasite bakımından orta seviyede kalarak, deniz suyu gibi ortamlarda yeterli performansı güvenli bir şekilde sunar. Bu farklar uygulama seçiminde belirleyicidir: Örneğin bir deniz platformu tasarımında alüminyum anotlar, yüzlerce ton yerine birkaç on ton anotta aynı ömrü sağlayarak yapısal yükü azaltır. Öte yandan yüksek dirençli bir toprakta küçük bir depolama tankını korumak için magnezyum anot gerekebilir, zira çinko o ortamda akım üretemez.

Teknik özelliklerin yanı sıra anotların fiziksel boyutları ve şekli de performansı etkiler. Büyük yüzey alanlı anotlar (örneğin geniş alüminyum anot blokları) aynı alaşım olsalar bile küçük anotlardansa daha düşük yüzey akım yoğunluğuyla çalışıp daha yüksek verim gösterebilir. Bu nedenle kapasite değerleri üretici kataloglarında genellikle nominal değerler olarak verilir ve tasarım mühendisi, kullanılacak anot boyutuna, ortam koşullarına ve istenen ömre göre gerçek çıkış kapasitesini hesaplar. Yine de, Tablo 1’deki değerler genel malzeme kıyaslaması yapabilmek için faydalıdır ve uluslararası standartlarda (örneğin DNV, NACE önerileri) da benzer aralıklar kabul görmüştür​.

Galvanik Anotların Uygulama Alanları

Galvanik anotlar, endüstride çok çeşitli yapılarda korozyon koruması amacıyla kullanılır. Aşağıda en yaygın uygulama alanlarından bazıları ve bu alanlarda hangi tip anotların tercih edildiği özetlenmiştir:

• Gemi Gövdeleri: Gemilerin ve teknelerin su altındaki çelik gövdeleri, pervaneleri, dümenleri ve diğer donanımları galvanik anotlarla korunur. Tarihsel olarak çinko anotlar (“zinc” ler), deniz araçlarında en sık kullanılan tür olmuştur​. Gövdeye kaynakla veya civata ile tutturulan çinko anotlar, gemi sacını koruyarak özellikle liman-sahil sularında korozyonu engeller. Günümüzde ticari gemilerde ve açık deniz platformlarında ise alüminyum anotlar ağırlık avantajı ve yüksek kapasiteleri nedeniyle yaygınlaşmıştır. Gemi klas kuruluşları (IMO, IACS vb.) gemi katodik koruması için alüminyum anotların kullanılmasını teşvik etmektedir. Gemi gövdelerinde anotlar genellikle belirli aralıklarla dizilir ve gemi bakım için karaya alındığında tükenen anotlar yenilenir. Özellikle sevk zinciri, pervane/şaft gibi kısımlarda da küçük çinko anotlar (torpil şeklinde) yaygındır. Yat ve tekne gibi küçük deniz araçlarında ise hala çinko anota sıkça rastlanır, zira bu araçlar çoğunlukla kadmiyumlu çinko anotların çevreye etkisinin görece önemsiz olduğu marinalarda bulunur. Alüminyum anotlar, alüminyum gövdeli teknelerde de kullanılır çünkü potansiyel uyumu iyidir (alüminyum gövdeye çinko takmak fazla asil kalabilir).

• Yeraltı Boru Hatları: Toprağa gömülü çelik boru hatları (doğal gaz, petrol, su iletim hatları vb.), korozyondan korunmak için sıklıkla magnezyum anotlu katodik koruma sistemleriyle donatılır. Boru hattı genellikle iyi bir polimer kaplama ile yalıtılır; kaplamadaki kaçınılmaz gözenek ve hataları (holiday) korumak için ise belirli aralıklarla magnezyum anotlar gömülür. Bu anotlar çoğu zaman önceden paketlenmiş magnezyum anot şeklindedir (civatasıyla birlikte gelen torba içerisindeki anotlar). Magnezyumun yüksek voltajı, toprak direnci yüksek olsa bile boru hattının potansiyelini -0.85 V (Cu/CuSO₄) altına çekmeye yeter​. Standartlara göre (ör. NACE SP0169, ISO 15589-1) boru hatlarında -0.85 V ya da daha negatif potansiyel ölçümü korozyonun durduğunun kriteridir. Magnezyum anotlar, boru hattının bu kritere ulaşmasına yardımcı olur. Özellikle kısa veya orta uzunluktaki boru hatlarında, galvanik anot sistemi ekonomik ve bakım gerektirmemesi nedeniyle tercih edilir. Çok uzun veya kaplaması zayıf hatlarda ise anot ihtiyacı fazla olacağından dış akımlı sistem alternatif olabilir. Kentsel gaz dağıtım şebekeleri gibi karmaşık ağlarda da magnezyum anotlar kritik bağlantı ve dönüş noktalarında kullanılır. Bunun yanı sıra toprak altındaki vana, tank ve benzeri ekipmanların korunmasında da yaygın olarak magnezyum anot uygulanır. Bazı durumlarda çinko şerit anotlar da toprakta kullanılabilir (örneğin kapasitif AC enterferans engelleme ve minör katodik koruma için), ancak esas koruyucu olarak toprakta magnezyum esastır.

• Su Isıtıcıları ve Tanklar: Ev tipi boyler (su ısıtıcı) tankları, sıcak su hazırlarken tank iç yüzeyinin korozyondan zarar görmemesi için fabrika çıkışı bir adet magnezyum anot çubuğu ile donatılır. Bu anot, tankın içinde dikey olarak asılı duran bir çubuk formundadır ve zamanla eriyerek tankın ömrünü uzatır​. Sıcak su tanklarında magnezyumun kullanılma sebebi, suyun genellikle klorür içermeyen tatlı su olması ve ısı nedeniyle çinkonun pasifleşecek olmasıdır. Magnezyum anot, suyun iletkenliğine bağlı olarak 3-5 yıl içinde önemli ölçüde tüketilir ve bakım amaçlı değiştirilmesi tank imalatçılarınca tavsiye edilir. Bazı durumlarda magnezyum anotlar su kalitesiyle etkileşip kükürt kokusuna (hidrojen sülfür) yol açabildiğinden, alüminyum anot çubuklar alternatif olarak kullanılmaktadır – örneğin su yumuşatıcı kullanılan evlerde alüminyum anot, magnezyuma göre daha az koku yapabilir. Boyler dışında, büyük sıcak su depolama tankları, termik santral kazan besi suyu tankları gibi ekipmanlarda da magnezyum veya alüminyum anotlar asılarak iç yüzeylerin korunması sağlanır. Yerüstü su depoları (örneğin itfaiye suyu veya içme suyu depoları) içerisinde asılı magnezyum anotlar yaygındır; bu anotlar periyodik olarak kontrol edilip yenilenir. Yüksek hacimli tanklarda galvanik anot yeterli gelmezse, düşük voltajlı bir DC güç kaynağı ile donatılmış hibrit anot sistemleri de kullanılabilir (gelişmiş su depolarında). Akaryakıt depolama tanklarının içi genelde ürüne temas ettiği için galvanik koruma içeriden uygulanmaz (çünkü petrol damıtıkları ile magnezyum etkileşebilir). Ancak bu tankların taban plakaları dıştan toprağa maruzdur ve toprak altı tarafına yine magnezyum anotlar yerleştirilerek korozyona karşı korunur (veya alternatif olarak dış akımlı sistemler kullanılır).

• Rüzgar Türbinleri ve Offshore Yapılar: Açık deniz (offshore) yapıları, örneğin denizüstü rüzgar türbinleri, petrol platformları, üretim kuyusu başlıkları (wellhead), açık deniz şamandıra ve iskele yapıları, sürekli olarak deniz suyuna maruz kaldıkları için korozyon konusunda en zorlu ortamlardır. Bu yapıların sualtı kısımları tipik olarak alüminyum galvanik anotlarla kaplanır. Örneğin tek kolonlu sabit rüzgar türbinlerinin çelik monopile kazıkları üzerinde, çeşitli kotlarda yüzlerce alüminyum anot bloğu kaynaklı olarak bulunur. Bu anotlar, türbin ve temelini 20-25 yıllık tasarım ömrü boyunca koruyacak şekilde boyutlandırılır. DNV gibi kuruluşların kuralları, belirli yüzey alanı başına gereken akım değerlerini ve anot boyutlandırma yöntemlerini sunar; bunlara göre mühendisler, kullanılan anotların toplam kapasitesini ve dağılımını hesaplar. Petrol platformları ve sondaj kulelerinde de benzer şekilde, sualtı jacket çerçevesine ve diğer elemanlara alüminyum anotlar takılır. 20+ yıl deniz ortamında kalacak bu yapılarda alüminyum anotlar güvenilirlikleri nedeniyle tercih edilir (dış akıma göre daha bakım gerektirmeden çalışırlar). Liman yapıları ve gemi yanaşma iskeleleri gibi yarı veya tam daldırma halindeki sabit tesislerde de galvanik anotlar (hem çinko hem alüminyum) yaygın kullanımdadır – örneğin iskele kazıklarına cıvatalı çinko anotlar bağlanarak gelgit etkisi altındaki bölgeler korunur. Denizaltı kabloları ve yapay resif gibi özel uygulamalarda da anotlar bulunur; bunlar ya kablo zırhını korumak için (çinko şeritler) ya da biyofouling önleme ile birlikte korozyon kontrolü için (alüminyum anotlu kılıflar) uygulanır.

• Endüstriyel Altyapı ve Depolama Tankları: Rafineriler, kimya tesisleri, enerji santralleri gibi endüstriyel ortamlarda hem yer üstü hem yer altı metalik yapılar galvanik anotlarla korunabilir. Örneğin büyük yerüstü depolama tanklarının taban plakaları, toprağa karşı genellikle galvanik anotlu bir katodik koruma sistemine sahiptir. Tank temelinin altına radyal olarak dizilen magnezyum anotlar, tank tabanını korozyondan korur; API 651 standardı bu konuda yönlendiricidir. Çelik boru demetleri, ısı değiştiriciler, kondansörler gibi ekipman da soğutma suyu devrelerinde çinko veya alüminyum anot bulundurur. Su soğutmalı bir kondansörün su kutusunda (water box) genellikle 1-2 adet çinko ya da alüminyum “takoz” anot bulunur ve bunlar düzenli bakımda değiştirilerek cihazın ömrü uzatılır. Yangın sprinkler sistemleri ve gömülü tesisatlarda da küçük çinko anotlar korozyona karşı bir önlem olarak kullanılabilir. Betonarme endüstriyel yapıların (örneğin köprülerin) onarımında, mevcut donatı korozyonunu durdurmak için galvanik çinko anot patch sistemleri uygulanır – bu yöntemde onarım harcı içine yerleştirilen küçük çinko anotlar, katodik koruma prensibiyle yakındaki donatıyı korur. Bu tarz uygulamalar, galvanik anot teknolojisinin farklı mühendislik dallarında yenilikçi kullanımına örnektir.

Yukarıdaki uygulamalarda, doğru anot tipinin seçimi ortamın karakterine bağlıdır. Özetle, deniz suyu ve tuzlu suya maruz yapılar için alüminyum veya çinko anotlar tercih edilirken, toprak altı ve tatlı su uygulamalarında magnezyum anodun yeri doldurulamaz. Karma ortamlarda (örneğin kısmen toprak, kısmen suya maruz yapılar) ise bazen farklı anot tiplerinin kombinasyonu kullanılır veya en zorlu kısma göre seçim yapılır. Tasarımcılar, her bir bölge için uygun malzemeyi belirler ve anotların düzenini, sayısını buna göre planlar.

Galvanik Anot Seçiminde Mühendislik Parametreleri

Bir katodik koruma sistemi tasarlanırken, kullanılacak galvanik anotların tipi, boyutu ve adedi birçok mühendislik parametresine bağlı olarak belirlenir. Doğru anot seçimi, hem yapının güvenle korunması hem de sistemin ekonomik ve uzun ömürlü olması açısından kritik bir adımdır. Aşağıda galvanik anot seçimi ve tasarımında göz önünde bulundurulması gereken başlıca parametreler açıklanmaktadır:

• Elektrolit Direnci ve İletkenliği: Korunacak yapının bulunduğu ortamın elektriksel direnci (rezistivitesi), hangi tip anotun uygun olacağını büyük ölçüde belirler. Düşük rezistiviteye sahip ortamlarda (ör. deniz suyu, iletken kil topraklar) anot ile yapı arasındaki devre direnci düşük olacağından, çinko veya alüminyum gibi düşük sürücü voltajlı anotlar bile yeterli akımı sağlayabilir. Buna karşın yüksek rezistivite (örn. kuru kumlu toprak, tatlı su) ortamlarında anot ile yapı arasındaki devre direnci yüksektir ve akım akışı kısıtlanır. Bu durumda daha yüksek potansiyel farkı sunabilen anotlara ihtiyaç duyulur – örneğin NACE yayınlarına göre çinko anotlar genellikle toprak rezistivitesi <1500 Ω·cm olan ortamlarda verimli olurken, magnezyum anotlar 1000–10.000 Ω·cm aralığında tercih edilir​aucsc.com. Eğer çevre rezistivitesi bu aralıkların çok üzerindeyse (örneğin 20.000 Ω·cm gibi), galvanik anotlarla yeterli akımı elde etmek pratik olmayabilir ve dış akım sistemleri düşünülmelidir. Örneğin kapalı ve dirençli bir beton kütle içine gömülü bir yapıda, çinko veya magnezyum anotlar akım vermekte zorlanacağı için, harici bir doğru akım kaynağı ile desteklenmiş hibrit sistemler kullanılır. Toprak ve suyun iletkenliği ayrıca anotun dağıtım mesafesini de etkiler; yüksek dirençli ortamda akım yayılımı daha kısa mesafede kalacağından, anodu korunan yüzeye daha yakın veya daha sık yerleştirmek gerekebilir. Bu parametre, CP tasarımında “anot yerleşim planı”nı belirlerken kritik önemdedir.

• Koruma Akım İhtiyacı ve Anot Yüzey Alanı: Korunacak yapının büyüklüğü, geometrisi, kaplama durumu ve malzemesi, gereken koruma akımının miktarını belirler. Örneğin çıplak çelik yüzeylerin korunması için deniz suyunda yaklaşık 10 mA/m², toprakta 1 mA/m² mertebesinde akım yoğunluğu gerekebilir; eğer yüzey boyalıysa bu ihtiyaç, kaplamadaki kusur oranına göre çok daha düşüktür (genelde iyi kaplı yüzeyler için %1-5’i açıktaymış gibi hesap yapılır). Toplam yüzey alanı ile bu birim akım yoğunluğu çarpılarak korunması gereken toplam katodik akım hesaplanır. Anot tasarımında, sistemin bu akımı başta sağlayıp sağlayamayacağı ve ömür boyu sürdürebileceği kontrol edilir. Her bir anot, kendi boyutu ve alaşımına bağlı olarak belirli bir maksimum akım çıkışı verebilir. Örneğin küçük bir çinko anot bloğu, yüzey alanı az olduğu için belli bir akımdan fazlasını veremez (aksi halde yüzey akım yoğunluğu artarak anotun potansiyelini yükseltir ve akımı sınırlar). Bu nedenle istenen toplam akım, tek bir büyük anoda yüklenmek yerine, birden fazla anoda paylaştırılarak karşılanır. Anot sayısını ve tek tek anotların boyutunu belirlemek için, literatürde Dwight’s formülü gibi anot-toprak direnç hesaplamaları kullanılır. Bu hesaplar, anotun geometrisine ve ortamın rezistivitesine göre bir anotun kaç amper akım verebileceğini öngörmeye yarar. Mühendislikte güvenlik payıyla birlikte, bir anotun üzerinde çalışacağı anot akım yoğunluğu (A/m²) değerinin çok yüksek olmaması istenir; yüksek akım yoğunluğu anot verimini düşürür ve lokal polarizasyon sorunlarına yol açabilir. Dolayısıyla, tasarımcı hem anot adedini hem de her bir anodun optimum yüzey alanını seçerek, sistemin akım ihtiyacını karşılarken her anodu verimli bir aralıkta çalıştırmayı hedefler. Bir diğer husus da, yapının farklı bölgelerinde farklı akım ihtiyaçları olabileceğidir – örneğin gemi gövdesinin omurga bölgesi akım gölgesinde kalıyorsa oraya ekstra anot konur veya tankların köşeleri daha zor korunuyorsa o bölgeye yakın anot yerleştirilir. Bu şekilde anot yerleşimi optimize edilir.

• Anot Verimliliği ve Tüketim Oranı: Her anot malzemesinin akım verimliliği, yani verdiği akımın kendi teorik kapasitesine oranı farklıdır. Tasarımda, anotların zamanla tükeneceği dikkate alınarak yeterli kütle sağlanmalıdır. Anot tüketim oranı genellikle kg/A-yıl cinsinden ifade edilir; bu değer, 1 amperlik akımı 1 yıl boyunca sağlamak için kaç kg anotun tüketileceğini gösterir. Örneğin çinko anotlar için ~11.2 kg/A-yıl, alüminyum için ~3.3 kg/A-yıl, yüksek saflık magnezyum için ~7.9 kg/A-yıl tüketim gerçekleşir (Tablo 1 verilerinden türetilmiştir)​. Bu farklar, farklı verimliliklerin sonucudur – çinko ~%95 verimliyken magnezyum ~%50 verimlidir, bu nedenle magnezyumun kapasitesi teorik potansiyeline rağmen efektif olarak daha düşüktür​. Tasarımcılar, hedef koruma süresi (tasarım ömrü, örneğin 20 yıl) boyunca anotların tamamen tükenmeyeceği şekilde yeterli toplam anot kütlesini sisteme dahil etmelidir. Bu, genellikle “Faraday’ın yasası” kullanılarak hesaplanır: Toplam ihtiyaç duyulan Ah (amper-saat), anotun kapasitesine (Ah/kg) bölünerek gerekli kg bulunur ve uygun şekilde anoda bölüştürülür. Örneğin 0.5 A gerektiren ve 10 yıl ömür istenen bir sistemde, ihtiyaç 0.524365*10 = 43,800 Ah’tir; eğer alüminyum anot kullanılırsa 2500 Ah/kg ile ~17.5 kg anot yeterliyken, çinko anotla 780 Ah/kg ile ~56 kg gerekecektir. Aradaki fark dramatiktir. Bu nedenle büyük yapılar uzun ömür isterse alüminyum anotlar çok avantajlı hale gelir. Anotların verimliliği ayrıca çalışma ortamına da bağlı olabilir; örneğin alüminyum anotlar düşük akım yoğunluklarında verim kaybedebilir (pasif tabaka oluşumu), magnezyum anotlar çok yüksek akım çekerse verimi artabilir (çünkü yüzeydeki hidrojen gelişimi azalarak daha fazla akım metal çözünmesine harcanır). Bu karmaşık etkenler nedeniyle, tasarım standartları belirli tasarım verimlilikleri öngörür (örn. DNV-RP-B401, alüminyum için %90, çinko için %90, magnezyum için %50 gibi değerlerle hesap yapılmasını önerir). Anot tüketimi, sistem devredeyken periyodik olarak da izlenir; örneğin bir depolama tankında birkaç yıl sonra anotların ne kadar kaldığı ölçülerek, koruma akımı beklendiği gibi mi kontrol edilir. Anot dağılımı da tüketimi etkiler: Akım daha çok çeken bölgelerdeki anotlar daha hızlı tükenir. Bu yüzden, kritik bölgelere hem yeterli sayıda anot koymak hem de aşırı korunma olabilecek yerlere belki daha az anot koymak dengesi kurulmalıdır. Tüm bu faktörler, tecrübeli korozyon mühendislerinin analiziyle, gerektiğinde korozyon modelleme yazılımları yardımıyla optimize edilir.

Özetlemek gerekirse, galvanik anot seçim ve tasarım süreci çok boyutlu bir optimizasyondur. Ortam koşulları (deniz, toprak, sıcaklık, akış), korunan yapının gereksinimleri (malzeme, kaplama, boyut) ve anot malzemesinin karakteristiği bir arada değerlendirilir. Uygun malzeme belirlendikten sonra, standartlar ve deneyimler ışığında yeterli sayıda ve boyutta anot yerleştirilerek, yapının hedef ömrü boyunca korozyondan korunması sağlanır. Doğru şekilde tasarlanıp uygulanan bir galvanik anot sistemi, çoğu zaman bakım gerektirmeden yıllarca çalışarak kritik altyapı ve ekipmanların dayanıklılığını artırır, korozyon kaynaklı kazaları ve ekonomik kayıpları önler. Bu nedenle, hem malzeme bilgisi hem de mühendislik hesaplamalarını harmanlayan bir yaklaşım, galvanik anot uygulamalarının başarısında anahtar rol oynar.