Alternatif Akım Kaynaklı Gömülü Boru Hattı Korozyonu
- Hüseyin GÜZEL
- May 7
- 8 min read
Gömülü boru hatlarının güzergahı, yüksek voltajlı alternatif akım (HVAC) havai elektrik iletim hatları için tahsis edilmiş ortak kullanım koridorlarından sıklıkla istifade etmektedir. Kamusal arazinin müşterek hizmetler maksadıyla bu şekilde kullanımı, gerek havai gerekse yeraltı altyapı projelerinin planlanması ve hayata geçirilmesi sürecinde çeşitli avantajlar sunmaktadır. Söz konusu durum, yüksek düzeyde sanayileşmiş veya yoğun yapılaşmaya sahip kentsel ve yakın kentsel sahalar için bilhassa geçerlidir.
Bununla birlikte, kamu hizmetlerinin aynı geçiş hakkı üzerinde tesis edilmesi, enerjinin komşu boru hattına iletimini mümkün kılar. Bu iletim, iletken kuplaj (özellikle arıza koşullarında), kapasitif kuplaj ve endüktif kuplaj olarak adlandırılan üç olası mekanizma aracılığıyla meydana gelebilir. Meydana gelen indüklenmiş AC voltajı (kaçak akım), boru hattı işleticileri için potansiyel sorunlar teşkil edebilir.
Bu bağlamda öncelikli hedefimiz, bahsi geçen fenomeni etraflıca tartışmak ve bunun, etkileşimde bulunduğu boru hatlarının yapısal bütünlüğünü ne şekilde etkileyebileceğini irdelemektir. Müteakiben, bu müdahale sorununa yönelik bazı çözüm yaklaşımlarını kısa bir şekilde sunacağız.
AC Güç Hatları ve Boru Hatları Arasındaki Paraziti Etkileyen Faktörler
Yüksek voltajlı elektrik iletim hatları ile paralel güzergahlarda bulunan boru hatları arasındaki potansiyel etkileşim, karmaşık bir olgudur ve bu etkileşimin derecesi ve biçimi, aşağıda belirtilen bir dizi faktör tarafından belirlenir:
Boru hattı ile yüksek voltaj iletim hattı arasındaki paralellik uzunluğu. Paralellik uzunluğu ne kadar büyük olursa, boru hatları üzerindeki indüklenen voltaj da o kadar büyük olur.
İletim hattı voltajı ve akımı. Voltaj ne kadar yüksekse, boru hatlarındaki indüklenen voltaj da o kadar büyük olur.
Boru hatları ve iletim hatları arasındaki yanal mesafe. Mesafe arttıkça indüklenen voltaj azalır.
Boru hattı kaplama tipi, dielektrik mukavemeti ve kaplama verimliliği.
Müdahale Yöntemleri
Yukarıda belirtildiği gibi, elektrik enerjisi havai bir elektrik hattından yakındaki bir boru hattına üç yöntemle aktarılabilir. Bunlar:
İletken kaplin (arıza koşulları sırasında)
Kapasitif bağlantı
Endüktif bağlantı
Aşağıdaki bölümlerde, her bir müdahale yönteminin komşu bir boru hattına nasıl oluştuğunu açıklayacağız.
İletken (Dirençli) Kavrama
İletken kuplaj, bir fazdan toprağa veya fazlar arası bir toprak arızası meydana geldiğinde ortaya çıkar. Bu tür bir arıza sırasında, elektrik hattından yüksek miktarda akım toprağa akar. Bu arıza akımı, kaynağına geri dönebilmek için mevcut tüm yolları kullanır. Bu yollar arasında elektrik hattının koruma teli, toprak ve komşu boru hatları gibi yer altındaki metalik yapılar da bulunur.
Dirençli kuplaj olgusu, güç sistemlerinde meydana gelen kısa devre arızaları sırasında maksimum seviyeye ulaşır. Bu tür durumlarda, enerji iletim kulesi, direği veya trafo merkezinin topraklama sistemi üzerinden yeryüzüne yüksek bir arıza akımı deşarj olur. Bu akım akışı, toprağın yerel potansiyelini, referans uzak toprağa göre önemli ölçüde (tipik olarak kilovoltlar mertebesinde) yükseltir. Meydana gelen bu yüksek potansiyel gradyanı, komşu boru hatlarının dielektrik kaplaması üzerinde aşırı bir elektriksel stres yaratır ve bu da kaplama hasarına veya yapısal bütünlüğü tehlikeye atan ark olaylarına sebep olabilir. İlave olarak, bu yüksek potansiyel farkı, topraklanmış yapıya temas halinde elektrik şoku riskini beraberinde getirir.
Dirençli kuplaj etkileri, aşağıdakiler de dahil olmak üzere çeşitli faktörlere bağlıdır:
Kısa devre akımı büyüklüğü
Elektrik hattı havai topraklama kablosu tipi ve uzunluğu kaynağa geri döndü
Arıza akımının içinden aktığı direklerin, trafo merkezlerinin veya kulelerin temel ve topraklama sisteminin boyutu
Derinliğe göre toprak elektrik direnci
Etkilenen metalik yapı ile güç sistemi arasındaki ayırma mesafesi
Elektrostatik (Kapasitif) Kaplin
Elektrik alan prensiplerine göre, yalıtkan bir maddeyle ayrılmış her türlü iki iletken yapı bir kapasitör gibi davranır. Buradaki özel senaryomuzda kapasitif kuplaj, bir havai enerji nakil hattının altında, yalıtılmış destekler üzerinde bekleyen bir yer üstü boru hattının bulunmasıyla tetiklenir. Bu durum, özellikle yeni inşa edilen ve henüz birleştirilmemiş boru hatlarının geçici olarak sahaya yerleştirilmesi sırasında yaygındır. Bu durumda, elektriksel olarak seri bağlanmış iki kapasite söz konusudur. Bunlardan ilki, havanın yalıtım sağladığı, havai hat ile boru arasındaki kapasitedir. Diğeri ise, borunun kendisi ile toprak arasındaki kapasitedir, çünkü toprak da (metal olmasa bile) elektriği iletebilen bir katmandır. (Detaylı bilgi için: Başıboş Akım Korozyonu ve Önleyici Tedbirler.) Bu konfigürasyon aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
Yapı tarafından havai elektrik hatlarından alınan voltaj miktarı, aşağıdakiler gibi çeşitli faktörlere bağlıdır:
Yapının büyüklüğü
Elektrik hatlarına yakınlığı
Güç iletkeninin voltaj seviyesi ve geometrik düzenlemesi
Yüksek voltajlı enerji nakil hatlarının varlığı, topraktan yalıtılmış bir boru hattı segmentinde teorik olarak çok yüksek potansiyel farklılıklarının (binlerce volt) oluşmasına yol açabilir. Ne var ki, gerçek senaryolarda boru hatları ile enerji hatları arasındaki kapasitif etkileşim oldukça zayıftır; bu da çok düşük kapasitans değerlerine (pikofaradlar civarında) karşılık gelir. Bu düşük kapasitans, elektriksel olarak yüksek bir dirence (kapasitif reaktans, giga-ohm mertebesinde) tekabül eder. Bu nedenle, kapasitif kuplaj mekanizması üzerinden boru hattına aktarılan enerji miktarı pratik uygulamada genellikle önemsizdir.
Elektrostatik kuplaj mekanizmasıyla boru hattına geçen enerji miktarı ihmal edilebilir düzeyde olsa da, bu durum elektrik çarpması oluşturacak bir akım akışına neden olmaz. Ancak, bu etkileşim, çalışanlar tarafından statik elektrik şokuna benzer şekilde algılanabilecek rahatsız edici voltajların oluşmasına yol açabilir. Özellikle boru hattı projelerinde çalışan personelin bu tür bir duyuma karşı göstereceği ani ve kontrolsüz bir tepki, ikincil bir güvenlik sorununa dönüşebilir. Örneğin, bir aletin düşürülmesi veya dengenin kaybedilmesi gibi durumlar yaşanabilir.
Endüktif Kavrama
Elektromanyetik indüksiyonun temel prensibi şudur: Bir elektrik iletkeni ile bir manyetik alan arasında herhangi bir göreceli hareket söz konusu olduğunda, bu iletken üzerinde bir voltaj (elektromotor kuvvet) indüklenir. Bu göreceli hareket, ya iletkenin sabit bir manyetik alan içinde fiziksel olarak hareket etmesiyle (elektrik jeneratörlerinde olduğu gibi) ya da sabit duran bir iletkenin çevresindeki manyetik alanın zamanla değişmesiyle (transformatörlerde olduğu gibi) meydana gelebilir.
Bizim özel senaryomuzda, toprak altında sabit duran bir elektrik iletkeni (boru hattı) ve komşu elektrik iletim hattından kaynaklanan, zamanla değişen (dönen) bir manyetik alan söz konusudur. Bu değişken manyetik alan, boru hattı üzerinde bir voltajın indüklenmesine neden olur. Bu indüklenen voltajın büyüklüğü ise çeşitli faktörlere bağlıdır. Bunların en önemlileri şunlardır:
Boru hattı ile elektrik hattı arasındaki ayırma mesafesi
Boru hattı ile elektrik hattı arasındaki maruz kalma uzunluğu (paralellik)
Güç hattı akımı büyüklüğü
Gömülü boru hattının kaplama direnci
Boru hattının topraklanması
Derinliğin bir fonksiyonu olarak toprak direnci
Endüktif bağlantının, boru hatlarına önemli ölçüde elektrik gücü transfer edebildiği kritik bir noktadır. Bu enerji transferi, normal çalışma şartlarında komşu boru hatlarında onlarca ila yüzlerce amper arasında değişen akımlara yol açabilir. Elektrik sisteminde bir arıza meydana geldiğinde ise bu indüklenen akımlar binlerce ampere ulaşabilir. İndüklenmiş akımın en yüksek değerlerine genellikle boru hatları ve elektrik iletim hatlarının geometrisinde ani değişimlerin olduğu bölgelerde, özellikle hatların birbirine yaklaştığı, uzaklaştığı veya kesiştiği noktalarda rastlanır.
AC Korozyon
Alternatif akım ve korozyon ilişkisi: Gömülü boru hatlarının korozyon sürecinde AC akımının etkisi, 1916 yılından beri bilimsel çevrelerde tartışılan bir konu olmuştur. Başlangıçtaki genel kanı, AC akımının korozyon üzerindeki etkisinin, DC akımının bilinen güçlü etkisi yanında ihmal edilebilir olduğu yönündeydi. Ne var ki, 1990'lara gelindiğinde, katodik koruma sistemleriyle donatılmış bazı boru hatlarında meydana gelen beklenmedik arızaların, yeraltındaki boru hatlarından sızan alternatif akımlardan kaynaklandığı ortaya çıktı. Bu önemli bulgu, AC akımının da boru hattı korozyonunda aktif bir rol oynayabileceği ve boru hatlarının uzun ömürlülüğü için bir tehdit oluşturabileceği yönündeki farkındalığı artırmıştır.
Sabit haldeki alternatif akımın boru hatlarında korozyona sebep olduğu temel mekanizmalar, devam eden araştırmaların odak noktası olmaya devam etmektedir. Şu ana kadar elde edilen bulgular, boru hattı yüzeyindeki AC akım yoğunluğunun artmasıyla korozyon hızının da arttığını göstermektedir. Dahası, yapılan detaylı incelemeler, korozyonun gözlemlenebilir hale gelmesi için belirli bir AC akım yoğunluğu sınırının aşılması gerektiğini ortaya koymuştur.
AC Akım Yoğunluğu (A/m²) --> Korozyon Oranı (mm/yıl)
|
|
| Eşik Değer
+--------------------->
Bu basit grafik, belirli bir eşik değerin üzerinde AC akım yoğunluğu arttıkça korozyon oranının da arttığını göstermektedir.
Bu ilişki matematiksel veya grafiksel olarak şu şekilde ifade edilebilir:
iac < 20 A/m2 ——————————————-> Korozyon yok
20 A/m2 <iac < 100 A/m2 —————————–> Korozyon tahmin edilemez
iac > 100 A/m2 ——————————————-> Korozyon bekleniyor
NACE standart uygulaması SP21424 -2018'de sunulan daha yeni bir çalışma, AC korozyonunun beklenip beklenmediğini belirlemek için farklı kriterler göstermiştir. Bu çalışmada AC akım yoğunluğu, katodik koruma sistemlerinden gelen DC akım yoğunluğu ile aşağıdaki gibi ilişkiliydi:
DC akım yoğunluğu 1A/m2'yi aşarsa iac < 30 A/m2
DC akım yoğunluğu 1A/m2'den azsa iac < 100 A/m2
Dairesel bir tatilde AC akım yoğunluğu (iac), boru hattında indüklenen AC voltajının (Vac), toprak direncinin ⍴ (Ω.cm) ve tatil çapı d'nin (cm) bir fonksiyonudur. AC akım yoğunluğu şu şekilde hesaplanabilir:
Iac = 8Vac / (ρπd)
Burada:
Iac ———> AC akım yoğunluğu (A/m2)
Vac ———> Boru hattında indüklenen voltaj (V)
⍴ ———–> Toprak direnci (Ω.m)
D ———–> Tatil çapı (m)
Yukarıdaki denklemden, tatil çapı azaldıkça AC akım yoğunluğunun arttığı sonucuna varabiliriz. Bu nedenle, AC korozyonunun büyük kusurlardan ziyade iğne deliklerinde meydana gelme olasılığının yüksek olduğunu söyleyebiliriz. Aslında tatil boyutlarının azalmasıyla korozyon oranlarının arttığı fark edildi. Bu eğilim, tatil büyüklüğü yaklaşık 1 cm2 olana kadar doğru olmaya devam edecektir. Tatil boyutu 1 cm2'den küçükse, AC korozyonu sorun olmaz.
Bir vaka çalışmasında, AC korozyonunun resimleri, katodik olarak korunan bir boru hattında bir tatilde bir anormallik gösterdi. Anomali bölgesi yaklaşık -1170 mVCSE'lik polarize bir potansiyel ve 12'den büyük bir pH gösterdi. Anormallik korozyon ürünlerinden temizlendiğinde, boru hattı ölçülen borudan toprağa potansiyellere göre iyi korunmuş gibi görünse de bir korozyon çukuru keşfedildi. Tatil çapına (0,01 m), toprak direncine (16 Ω.m) ve AC kaynaklı boru hattı voltajına (50 V) dayanarak, AC akım yoğunluğu 800 A/m2 olarak hesaplandı ve böylece AC korozyonu sonucuna varıldı.
AC Girişiminin Boru Hatları Üzerindeki Etkisi Nasıl Azaltılır
AC parazitinin etkileri temel olarak iki aşamada incelenebilir. İlk aşama, kapasitif ve dirençli kuplaj mekanizmaları aracılığıyla boru hattına önemli miktarda akımın aktarılmasıyla ilgilidir. Bu durum, boru hattının elektriksel potansiyelinde istenmeyen ve tehlikeli bir artışa neden olabilir. Özellikle katodik koruma (CP) araştırmaları sırasında potansiyel ölçümleri alınırken test terminallerine dokunulması halinde, bu potansiyel artışı elektrik çarpmasına ve hatta ölümcül sonuçlara yol açabilir. Bu tehlikeli potansiyel farkı "dokunma potansiyeli" olarak adlandırılır.
Bir güç sisteminde arıza meydana gelmesi durumunda ortaya çıkan bir diğer kritik güvenlik hususu, arıza akımının komşu bir yapıya iletilmesidir. Bu akım, yeryüzünde bir potansiyel gradyanı oluşturarak, enerjili yapıya temas etmeyen bir bireyin ayakları arasında bir voltaj farkına (adım potansiyeli) neden olabilir. Bu potansiyel fark, elektrik çarpması riskini beraberinde getirir. Hem adım potansiyeli hem de dokunma potansiyeli kavramları, bu potansiyel dağılımını ve ilgili riskleri görsel olarak açıklayan aşağıdaki şemada sunulmuştur.
AC parazitinin neden olduğu ikinci temel sorun, daha önce detaylandırdığımız AC korozyonunun ortaya çıkmasıdır. Bu makalenin temel odak noktası AC korozyonu olduğu için, bundan sonraki bölümlerde gömülü boru hatlarında AC korozyonunun oluşumunu en aza indirmek amacıyla kullanılan çeşitli azaltma yöntemlerini açıklamaya çalışacağız. Adım ve dokunma potansiyeli gibi diğer güvenlik konularına yönelik azaltma yöntemleri ise bu makalenin kapsamı dışındadır.
AC Korozyonunun Azaltılması
AC korozyonunu hafifletmenin temel yollarından biri, özellikle havai enerji hatlarının etkisi altındaki boru hatlarının topraklanmasıdır. Bu işlem, boru hattı kaplamasının elektriksel direncini azaltarak, boru hattı üzerinde indüklenen AC voltajlarının düşmesine yardımcı olur.
Boru hattı topraklaması farklı malzemelerle gerçekleştirilebilir. Örneğin, önceden paketlenmiş kurban anotlar veya özel bir dolgu malzemesi içine yerleştirilmiş şerit şeklinde kurban anotlar kullanılabilir. (İlgili okuma için: Katodik Koruma ve Anot Dolguları.) Bunlara ek olarak, bakır topraklama çubukları veya kablolar gibi geleneksel topraklama malzemeleri de seçenekler arasındadır.
Ancak, bakır topraklama çubukları gibi katodik malzemelerin doğrudan boru hattına bağlanması, eğer boru hattında bir katodik koruma (CP) sistemi varsa bu sistemin verimliliğini düşürebilir. Bu nedenle, geleneksel topraklama malzemelerini kullanmayı tercih edersek, boru hattından doğru akım (DC) yönünde elektriksel olarak izole edilmeleri gerekmektedir. Bu izolasyon, bir polarizasyon hücresi veya günümüzde daha yaygın olarak kullanılan katı hal polarizasyon hücreleri aracılığıyla sağlanır.
Polarizasyon hücrelerinin çeşitli kullanımları vardır, ancak bizim durumumuzda bunu daha katodik topraklama malzemesini boru hattından ayırmak için kullanırken aynı zamanda boru hatlarına indüklenen AC voltajlarının zemine akışına izin veriyoruz. Bu, CP sistemini etkilemeden geleneksel topraklama malzemeleri ve boru hatları arasındaki bağlantıya izin verecektir.
Diğer azaltma yöntemleri SP21424-2018-SG, "Katodik Olarak Korunan Boru Hatlarında Akım Korozyonunun Alternasyonu: Risk Değerlendirmesi, Azaltma ve İzleme"de aşağıdaki gibi sunulmuştur:
Katodik koruma koşulunun kontrolü. Yukarıda gösterildiği gibi, AC korozyonuna neden olabilecek AC akım yoğunluğu, CP sistemlerinden kaynaklanan DC akım yoğunluğu ile ilgilidir. Bu nedenle, AC korozyonunu azaltmak için boru hattı boyunca tek tip bir CP seviyesinin korunması gereklidir. CP güç kaynağı konumları, CP seviyesi ne aşırı ne de yetersiz olacak şekilde optimize edilmelidir, çünkü her iki durum da AC akım yoğunlukları AC korozyonuna neden olabilecek eşik seviyeleri içindeyse AC korozyonunun başlatılmasına yol açabilir.
DC girişim akımlarının kontrolü. Anodik ve katodik DC paraziti, NACE SP0169, "Yeraltı veya Batık Metalik Boru Sistemlerinde Dış Korozyonun Kontrolü"nde belirtildiği gibi kontrol edilmeli ve hafifletilmelidir. AC korozyonu, anodik girişim alanlarında olduğu gibi yetersiz CP seviyelerinden veya katodik girişim alanlarındaki aşırı CP seviyelerinden muzdarip alanlarda beklenir.
Sonuç
Yeraltı boru hatlarının elektrik hatlarından uzağa yerleştirilmesi, AC parazitinin oluşumunu önlemek için en iyi çözüm olarak kabul edilir. Bununla birlikte, boş alan eksikliği ve yol hakkını verimli bir şekilde kullanma arzusu bu ideal çözümü neredeyse imkansız hale getirdi. Bugün, boru hattı sahipleri kendilerini boru hatlarını elektrik hatlarına yakın yerleştirmek zorunda buluyorlar. Bu, personel güvenliği ve boru hattının bütünlüğü üzerindeki tehlikeli etkileriyle AC paraziti sorununu artırmıştır.
Bu nedenle, boru hattı tasarımcılarının AC parazitinin varlığını dikkate almaları ve boru hatları toprağa gömülmeden ve hizmete girmeden önce uygulanacak bir azaltma yöntemi tasarlamaları son derece önemlidir. Boru hattı sahipleri ve operatörleri ayrıca AC parazitinin varlığını izlemeli ve ölçümler AC korozyonunun bir sorun olabileceğini ortaya çıkarırsa hızlı bir şekilde harekete geçmelidir.
by Mohamed Adel Mohamadein | Corrosionpedia
コメント