Korozyon, malzemelerin çevrelerinde bulunan diğer bileşenlerle kimyasal veya elektrokimyasal etkileşimleri sonucu daha kararlı oksit formuna dönüşmesi süreci olup, genellikle malzeme ve özellik kayıpları oluşturmaktadır. Bu nedenle, malzemelerin güvenli kullanımını engelleyen ve önlemek için enerji, finans ve emek kayıplarına neden olan bozunma çeşidi olarak da tanımlanabilmektedir.
Bozunma reaksiyonlarının doğası malzeme sınıfına bağlı olarak değişkenlik göstermektedir. Örneğin metaller için korozyon elektrokimyasal bir süreçken seramikler ise kimyasal yollarla bozunmaktadır[1]. Çeşitli uygulamalarda kullanımı bulunan metalik malzemeler, minerallerin enerji verilen metalürjik işlemlerle metalik hale getirilmelerine karşın, atmosferik koşullarda elektrokimyasal korozyona uğramakta ve kararlılıklarını kaybetmektedir. Belirtilen durumun temel nedeni, metallerin doğada mineral olarak bulundukları en düşük enerjili ve en stabil hale geri dönme isteği olup bu reaksiyon kendiliğinden gerçekleşmektedir.
Elektrokimyasal korozyon oluşumu için dört temel unsura ihtiyaç duyulmaktadır. Bu bileşenler; anot, katot, elektrolit ve elektrotlar arasında elektron transferini sağlayan bağlantıdan oluşmaktadır. Bunlardan herhangi biri eksik olduğunda elektrokimyasal korozyon gerçekleşmemektedir. Korozyon süreci anot ve katot yarı hücre reaksiyonlarının bir bütünü olup anotta metalin oksitlenmesiyle başlamakta (Reaksiyon 1) ve oluşan pozitif metal iyonlarının çözeltiye geçmesi ile devam etmektedir. Kısaca, anotta üretilen elektronlar, elektrolitin katot yüzeyindeki reaksiyonu ile tüketilmektedir. En yaygın katot tepkimeleri doğada, nötr veya bazik çözeltilerde meydana gelmekte olan çözünmüş oksijenin indirgenmesi ve asidik çözeltilerde hidrojenin indirgenmesi reaksiyonlarıdır (Reaksiyon 2)[2].
Korozyon reaksiyonlarında, sahip olunan fazla enerji açığa çıkarak reaksiyon tek yönlü ve genellikle yavaş olarak ilerlemektedir. Öte yandan korozyonun hem çevrede bulunan diğer bileşenler hem de atmosferik şartlar ile doğrudan ilişkili olması sebebiyle, oluşumunu durdurmak neredeyse imkânsızdır. Böylece öngörülemeyen korozyon tepkimeleri sonucu yaşanabilecek bozulmalar, malzeme ve özellik kayıpları kullanım alanına da bağlı olarak önemli güvenlik riskleri oluşturmaktadır. Bununla birlikte, farklı oluşum mekanizmaları nedenleri ve ilişkili önleme yöntemleri ile korozyon oldukça karmaşık bir alan olup derin uzmanlık ve kaynak gerektirmektedir. Bu nedenle korozyon yüz yılı aşkın bir süredir öncelikli araştırma konuları arasında yerini korumaktadır. Korozyon genellikle paslanma olarak nitelendirilse de malzemenin her yerinde (tek tip) paslanma, kararma ve patina oluşumuyla veya bölgesel (lokal) olarak meydana gelebilmektedir. Tek tip korozyon, malzeme yüzeyinde eşit olarak oluşması nedeniyle büyük ölçekli materyal ve mekanik mukavemet kayıplarına neden olabilmektedir. Öte yandan bu korozyon türü genellikle tahmin edilebilir ve izlenebilir olmaları ve böylece önceden alınacak düzeltici önlemler sayesinde kontrol altına alınabilmeleri nedeniyle ciddi kayıplara neden olmamaktadır[3]. Lokal korozyon ise çatlakların meydana gelmesi, çukurlaşma, taneler arası korozyon veya stres korozyon bölgelerinin oluşumu ile kendini göstermektedir. Bu tip durumlarda korozyonun ilerleyişini izlemek ve tahmin etmek oldukça zordur[4]. Örneğin, çukurlaşma korozyonunda çukurların ortaya çıkması uzun zaman almakta ve genellikle metalik malzemenin ani delinmesi ile sonuçlanmaktadır.
Korozyonu önlemek, hızını azaltmak ve oluşabilecek korozyon problemlerini minimize edebilmek amacıyla korunma yöntemlerinin uygulanması büyük önem taşımaktadır. Bu durumun esas nedeni, korozyonun bir kez başladıktan sonra kendiliğinden devam etme eğiliminde olmasıdır[5]. Ayrıca korozyon mevcudiyetinin materyal, enerji ve mali giderlere sebep olması ve çevre / insan sağlığı üzerine etkileri nedeniyle ihmal edilemeyecek kayıplar oluşturmaktadır[6].
Korozyondan korunma yöntemlerine ait sınıflandırma Tablo 1’de verilmektedir. Korozyona karşı alınabilecek önlemler elektrokimyasal yöntemler, kimyasal yöntemler ve koruyucu kaplamalar olmak üzere üç ana başlıkta sınıflandırılmakla birlikte malzeme tasarımının ve ortam koşullarının kontrolünü de kapsamaktadır.
Toplumlar her ne kadar sağlık, enerji, barınma, beslenme ve güvenlik gibi temel insan ihtiyaçlarını karşılama hususlarına odaklanmış olsa da bu gereksinimlerin malzeme sorunları, bozulması ve korunması ile yakından ilişkili olduğunu göz ardı etmektedir. Korozyon yalnızca makina ekipmanları, yapı malzemeleri, su boruları, demir yolları buhar kazanları, otomotiv parçaları ve implantlar gibi sanayiden biyomalzemelere birçok alanda materyal kaybıyla sonuçlanmamakta aynı zamanda doğrudan ve dolaylı mali kayıplara da neden olmaktadır.
Bununla birlikte, kontrol edilebilir doğası sayesinde alınabilecek çeşitli korozyon önlemleri ile emniyet, çevre ve ekonomi üzerine etkileri azaltılabilmektedir. Uygulanabilecek korozyon önlemleri ve sıklığı malzemenin maruz kaldığı ortamdaki oksijen, nem, su veya klor mevcudiyetine ve aynı zamanda, malzemenin alabileceği darbeler ve tekrarlı yükler gibi koşullara göre değişkenlik göstermektedir. Bu nedenle hükümetlerin korozyona yönelik Ar-Ge çalışmalarına ağırlık vermesi ve finansal destek sağlaması gerekmektedir.
Geçmişten günümüze korozyon sorununun, toplumlar tarafından dünya çapında kritik bir konu olarak görülmesi evrensel standartlara ve iş birliklerine duyulan ihtiyaç Dünya Korozyon Örgütünün (WCO) kurulması ile sonuçlanmıştır. Böylece toplumlar arası bilgi birikimi aktarımının sağlanması kamu güvenliğinin, malzeme performansının ve dayanımın artması ve uzun vadede daha uygun maliyetlerin elde edilmesi hedeflenmiştir.
WCO tarafından yayınlanan verilere göre küresel çapta yıllık korozyon maliyeti (doğrudan) 2,2 trilyon ABD doları ile dünya gayri safi yurtiçi hasılasının (GSYH) %3’ünün üzerinde bulunmaktadır. Öte yandan oluşan toplam gider malzeme değişimi gibi doğrudan ve üretim kesikliği, ürün kaybı kirlenme, çevresel etkiler, nakliye masrafları ve oluşabilecek güvenlik giderleri gibi dolaylı masrafları içermektedir[7].
Malzeme kaybı ve işçilik gibi doğrudan kayıpların belirlenmesi daha kolay olsa da oluşan maliyetin büyük çoğunluğu dolaylı giderlerden kaynaklanmaktadır. Türkiye Korozyon Derneğinin yayınladığı verilere göre doğrudan ve dolaylı kayıplar değerlendirildiğinde hesaplanan toplam korozyon giderleri GSYH’nin minimum %4,5’inin üzerinde yer almaktadır[8]. Yine Çin Mühendislik Akademisinin 2015 yılında yayınladığı bültende korozyon kaynaklı yıllık giderin 310 milyar Amerikan doları olarak belirlenmiştir. Belirtilen bu tutar gayri safi millî hasılanın yaklaşık %3.34’ünü oluşturmaktadır.
1950’lerden bu yana, birçok ülke korozyonun ekonomik sonuçlarını dikkate almaya ve değerlendirmeye başlamıştır. Bu süre zarfında yapılan çalışmalar, korozyonun topluma maliyetinin önemli olduğunu göstermiştir. Bu maliyete ulaşmak için kullanılan farklı yaklaşımlar şunları içeriyordu:
• Korozyon maliyetini imalat sanayileri ve korozyondan korunma önlemlerinin toplam harcaması olarak tanımlayan Uhlig yöntemi.
• Hem doğrudan korozyon maliyetini hem de karşı önlemlere yapılan harcamaları hesaba katarak, bireysel ve endüstriyel sektörler için korozyon maliyetlerini tahmin eden Hoar yöntemi. İşletme maliyetlerine ek olarak sermaye maliyeti de dâhil edilebilir.
• 1970’lerin Battelle çalışmasında kullanılan girdi çıktı(8) ekonomik modeli, endüstriler arasında yerel ticari etkileşimlerini kullanır.
• 2002 ABD FHWA (ABD Federal Otoyol İdaresi) çalışmasında geliştirilen doğrudan dolaylı maliyet modeli.
1. Uhlig Yöntemi
Uhlig yöntemi korozyon maliyetini imalat sanayileri ve korozyondan korunma önlemlerinin toplam harcaması olarak tanımlar. H.H. Uhlig’in 1949 tarihli “Amerika Birleşik Devletleri’nde Korozyon Maliyeti” çalışması, ABD ulusal korozyon maliyetini tahmin etmeye yönelik ilk çalışma olarak bilinmektedir. Bu çalışma, korozyona uğrayan yapıların hem sahibine / işletmecisine (doğrudan maliyet) hem de diğerlerine (dolaylı maliyet) olan maliyetlerini ölçmeye çalışmıştır.
Sahipler / operatörler için toplam korozyon maliyeti kaplamalar, inhibitörler, korozyona dayanıklı malzemeler ve katodik koruma (CP) gibi tüm ABD ekonomisinde kullanılan korozyon önleme ürünleri ve hizmetleri için maliyet tahminlerinin toplanmasıyla tahmin edilmekte ve bunların çarpımları işleme dâhil edilmektedir.
Özel tüketiciler için korozyon maliyetini tahmin etmeye yönelik örnek olarak üç öğe seçilmiştir; evsel su ısıtıcısının değiştirilmesi, otomobil içten yanmalı motor onarımları ve otomobil susturucularının değiştirilmesi. Doğrudan ve dolaylı maliyetler toplandığında, ABD’ye yıllık korozyon maliyetinin 5,5 milyar dolar olduğu ve bu miktarın yaklaşık olarak 1949 gayri safi millî hasılasının (GSMH) %2,1’ine denk geldiği ortaya çıkmıştır.
2. Hoar Yöntemi
Hoar yöntemi, hem doğrudan korozyon maliyetini hem de karşı önlemlere yapılan harcamaları hesaba katarak, bireysel ve endüstriyel sektörler için korozyon maliyetlerini tahmin eder. Diğer yöntemlerden farklı olarak, işletme maliyetlerine ek olarak, sermaye maliyeti de dâhil edilebilir.
Hoar yöntemi, ekonominin çeşitli endüstri sektörleri için korozyon maliyetinin belirlenmesinde kullanılabilir. Her bir endüstri sektörü için korozyon maliyeti, daha sonra, tüm Birleşik Krallık ekonomisi için toplam korozyon maliyeti tahminine ulaşmak için bir araya getirilmiştir. Sanayi sektörleri arasında inşaat, gıda, genel mühendislik, devlet daireleri ve kurumları denizcilik, metal arıtma ve yarı imalat, petrol ve kimya enerji, ulaşım ve su bulunuyordu. Şirketlerde ve ajanslarda çalışan korozyon uzmanlarıyla görüşülerek ve korozyondan korunma uygulamalarına yönelik harcamalara ilişkin anketler yapılarak bilgi toplanmıştır. Korozyon uzmanları, büyük ekonomik sektörlerle olan deneyimlerine dayanarak korozyon maliyetlerini ve potansiyel tasarrufları tahmin etmişlerdir.
Bu ve benzeri çalışmalar farklı ülkelerde belirli sıklıklar ile yapılarak, korozyonun oluşturduğu maliyet zararları kontrol edilmekte ve minimize etmek için alınması gereken önlemler üzerinde çalışmalar sürmektedir.
Her ne kadar korozyon maliyetinin tamamını ortadan kaldırmak mümkün olmasa da toplumsal bilinci arttırma optimum önlemleri belirleme, korozyon konusunda uzmanlığın arttırılması ve dünya çapında kabul edilen standartların oluşturulması ile yıllık maliyetin %15-35 arasında azaltılabileceği öngörülmektedir. Buna karşın, sanayi, ulaşım, köprü ve iskeleler gibi yüksek risk grubundaki alanlar hariç korozyona yeterli önem hâlâ verilmemektedir[9]. Bu duruma örnek olarak akışkan sıvı taşıyan bir boru incelendiğinde, öncelikle boru malzemesi tasarımında korozyon emniyet payı göz önünde bulundurularak kullanılacak malzeme miktarı ve boyutları belirlenmektedir. Korozyona dayanımın sağlanması amacıyla arttırılan et kalınlığı ise borunun iç çapını azaltmaktadır. Böylece borudan taşınacak akışkan debisinde de azalma meydana gelmekte ve elektrik enerjisi gereksinimi artmaktadır.
Bununla birlikte, zamanla boru hatlarında meydana gelen korozyon ürünlerinin taşınan sıvıya karışması sonucu oluşan ürün kaybı ve kanalizasyon borularından kaynaklanan çevresel hasarların oluşturduğu maliyet ekonominin diğer sektörleriyle kıyaslandığında çok daha yüksek olmasına rağmen yeterli önlemler hâlâ alınamamaktadır [10].
Bazı metal ve alaşımlar pasif yüzeyin bozulması ile korozyona hassas bölgeler oluşturmaktadır. Bu bölgeler anot görevi görürken, alaşımın diğer bölgeleri katot görevi görmektedir. Mikro yapısal heterojenliklere sahip bu yapılarda otokatalitik olarak gelişen ve ilerleyen çukurlaşma eğilimi sonucunda ani malzeme ve özellik kayıpları görülmektedir.
Literatürde, 1965 yılında Louisiana’da bir doğal gaz boru hattının çukurcuk korozyonu kaynaklı patlaması sebebiyle 17 kişinin can kaybı ve mali giderlerle sonuçlandığı kayıt altına alınmıştır. 1988 yılında gerçekleşen bir başka boru sızıntısında ise yaklaşık 167 kişinin hayatını kaybettiği belirtilmiştir[11].
Bu durum, korozyonun söz konusu ekonomik kayıplarla birlikte çevre ve canlı güvenliğine de ciddi etkileri bulunduğunu ortaya koymaktadır. Akpanyung ve arkadaşları gerçekleştirmiş oldukları bir çalışmada pasif film oluşturabilen alüminyum ve çelik gibi metallerin pasifliğinin bozulması sonucu maruz kaldığı çukurcuk korozyonunun ekonomik etkilerini incelemişlerdir. İlgili çalışma yalnızca gaz ve sıvı boru hatları için korozyon kazalarının yıllık doğrudan maliyetinin 471 ilâ 875 milyon dolar arasında değiştiğini ortaya koymaktadır[12].
Bahsi geçen örneklerin de ortaya koyduğu üzere korozyon malzemenin ömrünün belirlenmesi ve özelliklerinin sürdürülebilmesi, insan sağlığı, çevresel faktörler ve ekonomik kaygılar olmak üzere üç temel başlıkta önemli etkilere sahiptir. Öte yandan korozyon olgusu üzerine toplum bilincinin arttırılması, ülkeler arası iş birliklerinin kurulması ve alınabilecek etkili önlemler sayesinde korozyon kaynaklı hasarlar minimum seviyelere indirilebilir, ayrılan mali kaynaklar azaltılabilir ve böylece toplum refah seviyesi arttırılabilir.
REFERANSLAR
[1] Garche, J. Dyer, C. Moseley, P.T. Ogumi, Z. Rand, D.A. ve Scrosati, B., (2013). Encyclopedia of electrochemical power sources: Newnes.
[2] Tracton, A.A., (2006). Coatings materials and surface coatings: CRC press.
[3] Hansson, C., (2016). An introduction to corrosion of engineering materials, ed. Corrosion of Steel in Concrete Structures. Elsevier, 3-18.
[4] Sutton, I., (2014). Process risk and reliability management: Gulf Professional Publishing.
[5] Darvell, B.W., (2018). Materials science for dentistry: Woodhead publishing.
[6] Yilmaz, F. Güleç, A. Ve Akinci, A., “Demir-Çelik Ve Korozyon”.
[7] Hays, G.F., (2010). “Now is the Time”, World Corrosion Organization.
[8] Dernek, G.G. ve Organı, G.İ.İ.Y., “Korozyon ekonomisi ve demir çelik ürünlerinin korozyonu”.
[9] Nazife, Ö., “Yapı malzemelerinde korozyon ve korozyondan korunma yöntemleri”, Uludağ University Journal of The Faculty of Engineering, 26: 1159-1178.
[10] Schmitt, G., (2009). “Global needs for knowledge dissemination, research, and development in materials deterioration and corrosion control”, World Corrosion Organization, 38: 14.
[11] Heraty, M. Lisa, W. ve Lorenzo, V., (2013). “Corrosion Related Accidents in Petroleum Refineries”, JRC Scientific and Policy Report.
[12] Akpanyung, K. ve Loto, R., (2019). “Pitting corrosion evaluation: A review”: IOP Publishing.