Galvanická koroze – příčiny, mechanismus a prevence

Stáhněte si popis ve formátu PDF

Galvanická koroze, známá také jako kontaktní koroze, bimetalická koroze nebo bimetalická koroze , je forma elektrochemické koroze, ke které dochází, když jsou dva různé kovy nebo slitiny v elektrickém kontaktu a jsou současně ponořeny do vodivého prostředí, tj. elektrolytu.

Za takových podmínek se vytváří galvanický článekJeden materiál se stává anodou a podléhá zrychlené korozi, zatímco druhý funguje jako katoda a je chráněn. Galvanická koroze je významná u konstrukcí vyrobených z různých materiálů, zejména ve vodním, chemickém, námořním, energetickém a stavebním průmyslu, a také ve spojení mezi nerezovou ocelí a uhlíkovou ocelí, hliníkem, mědí nebo jinými kovy.

Co je galvanická koroze?

Galvanická koroze vzniká v důsledku elektrochemického rozdílu potenciálů mezi dvěma různými kovovými materiály.
Pokud jsou materiály:

• elektricky připojené,
• a zároveň budou v kontaktu s elektrolytem,

mezi nimi může začít protékat proud.
Kov s aktivnějším potenciálem se stává anoda a podléhá zrychlenému rozpouštění.
Kov se stává ušlechtilejším katoda a jeho koroze je omezená.

Podmínky pro vznik galvanické koroze

Pro vznik typické galvanické koroze musí být splněny tři základní podmínky:

Pokud je jedna z těchto podmínek odstraněna, provoz galvanického článku se přeruší.

Jak funguje galvanický článek?

V systému dvou různých kovů se jeden materiál stává anodou a druhý katodou.
Proces oxidace kovu probíhá na anodě:
M → Mⁿ⁺ + ne^-
Atomy kovu přecházejí do elektrolytu jako ionty. To představuje skutečnou ztrátu materiálu.
Elektrony proudí kovovým spojem ke katodě, kde probíhají redukční reakce.

V podstatě:

• anoda koroduje rychleji,
• Katoda je chráněna.

Co by mohlo být elektrolytem?

Elektrolyt nemusí být agresivní kyselina ani silný chemický roztok.

V praxi může stačit následující:

• mořská voda,
• voda z kohoutku,
• technologická voda,
• dešťová voda,
• atmosférická vlhkost,
• kondenzát,
• solné roztoky,
• vlhká půda,
• chemickém prostředí.

Obzvláště účinným elektrolytem je voda obsahující rozpuštěné soli.
Problém galvanické koroze je proto obzvláště důležitý v mořském prostředí a za přítomnosti chloridů.

Galvanická řada kovů

Náchylnost ke galvanické korozi lze zhruba posoudit na základě galvanická řada specifické pro konkrétní prostředí.
Kovy na aktivnější straně série mají větší tendenci chovat se jako anody.
Ušlechtilejší materiály mají větší tendenci chovat se jako katoda.
Příklad zjednodušeného uspořádání materiálů v mořském prostředí lze znázornit následovně:

Toto je orientační seznam. Pozice materiálu v galvanické řadě závisí na prostředí a stavu jeho povrchu.
Galvanická řada by proto neměla být považována za jednu univerzální tabulku platnou pro všechny podmínky.

Nerezová ocel a uhlíková ocel

Velmi časté je spojení mezi nerezovou ocelí a běžnou uhlíkovou ocelí.
V mnoha prostředích je pasivní nerezová ocel ušlechtilejší než uhlíková ocel.
Po smíchání obou materiálů za přítomnosti elektrolytu:

• nerezová ocel může sloužit jako katoda,
• Uhlíková ocel se může stát anodou a rychleji korodovat.

To neznamená, že každá kombinace nerezové a uhlíkové oceli automaticky povede k silné korozi.
Důležité jsou také:

• typ prostředí,
• vodivost elektrolytu,
• poměr povrchů obou materiálů,
• doba smáčení,
• teplota,
• geometrie konstrukce.

Nerezová ocel a hliník

Kombinace hliníku a nerezové oceli vyžaduje zvláštní pozornost.
V mnoha prostředích je nerezová ocel v pasivním stavu mnohem ušlechtilejší než hliník.
Pokud je hliník elektricky spojen s nerezovou ocelí a vytvoří se elektrolyt, může se hliník stát anodou.
Riziko je obzvláště vysoké v:

• mořské prostředí,
• přítomnost posypové soli,
• podmínky stálé vlhkosti,
• konstrukce s velkým povrchem nerezové oceli a malým povrchem hliníku.

V takových spojích se často používají elektricky izolační materiály.

Nerezová ocel a měď

Nerezová ocel a měď mohou být použity ve stejné instalaci, ale možnost galvanických interakcí by měla být posouzena pro konkrétní prostředí.
V elektricky vodivé vodě může rozdíl potenciálů mezi materiály vést ke vzniku galvanického článku.
Důležité je především:

• složení vody,
• teplota,
• elektrická vodivost,
• poměr povrchů materiálů,
• podmínky proudění.

Poměr plochy povrchu anody a katody

Jedním z nejdůležitějších faktorů určujících rychlost galvanické koroze je poměr plochy povrchu katody k ploše povrchu anody.
Situace je obzvláště nebezpečná:
malá anoda + velká katoda
Velká katodická povrchová plocha může udržet významnou katodickou reakci, zatímco anodický rozpouštěcí proces je soustředěn v malé oblasti.
To způsobuje velmi vysokou hustotu anodického proudu a může vést k rychlému, lokálnímu zničení méně ušlechtilého kovu.

Malá anoda a velká katoda – příklad

Představte si malý kus uhlíkové oceli spojený s velkým povrchem nerezové oceli.
Pokud je konstrukce smáčena elektrolytem:

• uhlíková ocel se může stát anodou,
• Nerezová ocel může sloužit jako velká katoda.

Celý anodový proces je pak soustředěn na malou plochu uhlíkové oceli.
Koroze může být mnohem rychlejší než u součásti vyrobené výhradně z uhlíkové oceli.

Velká anoda a malá katoda

Následující uspořádání je mnohem výhodnější:
velká anoda + malá katoda
Anodový proud je pak rozložen po velkém povrchu.
Hustota korozního proudu na jednotku plochy anody je nižší, takže lokální rychlost koroze může být mnohem nižší.

Příklad – šrouby z nerezové oceli v ocelové konstrukci

Malý šroub z nerezové oceli namontovaný ve velké součásti z uhlíkové oceli obvykle vytváří příznivější poměr povrchové plochy:

• malá katoda – šroub z nerezové oceli,
• velká anoda – konstrukce z uhlíkové oceli.

Opačná situace může být mnohem nebezpečnější.
Malý prvek z uhlíkové oceli spojený s velkou plochou nerezové oceli může být vystaven velmi intenzivní galvanické korozi.

Poškození ochranného povlaku a galvanická koroze

Obzvláště nebezpečná situace může nastat, když je méně ušlechtilý materiál pokryt ochranným povlakem, ale tento povlak je lokálně poškozen.
Pokud se malý odkrytý kus materiálu stane anodou k velkému katodovému povrchu, může se koroze koncentrovat v místě poškození.
Proto je třeba pečlivě zvážit způsob nanášení ochranných povlaků v systémech z různých kovů.

Zinkování oceli – využití galvanického jevu

Galvanický jev není vždy nepříznivý.
Lze jej použít k ochraně kovu.
Klasickým příkladem je galvanizovaná ocel.
Zinek je elektrochemicky aktivnější než ocel.
Pokud je zinkový povlak lokálně poškozen, může se zinek chovat jako anoda a korodovat místo obnažené oceli.
Toto je tzv. obětní ochrana.

Obětní anody

Galvanický jev se využívá také v katodické ochraně.
Na chráněnou konstrukci je připojen elektrochemicky aktivnější kov a záměrně zkorodován.
Používají se mimo jiné následující anody:

• zinek,
• hořčík,
• hliník.

Takové anody se označují jako obětní anody nebo galvanické anody.
Používají se mimo jiné k ochraně:

• trupy lodí,
• potrubí,
• tanky,
• námořní struktury,
• podzemní ocelové instalace.

Způsobují dva různé druhy nerezové oceli galvanickou korozi?

Kombinace dvou různých druhů nerezové oceli nemusí nutně způsobit významnou galvanickou korozi.
Pokud jsou oba materiály v pasivním stavu a mají v daném prostředí podobné potenciály, může být rozdíl potenciálů malý.
Proto spojení jako například:

• 304L s 316L,
• 316L s 904L,
• 316L s duplexní tiskárnou 2205

může fungovat bez vážných galvanických problémů v mnoha prostředích.
Situace by však měla být vždy posouzena s ohledem na skutečné provozní podmínky.

Aktivní a pasivní stavy nerezové oceli

V případě nerezových ocelí je stav povrchu obzvláště důležitý.
Nerezová ocel je v pasivním stavu pokryta pasivní vrstvou a vykazuje relativně ušlechtilý elektrochemický potenciál.
Pokud je pasivní vrstva zničena a materiál se stane lokálně aktivním, může se jeho elektrochemické chování výrazně změnit.
Proto při posuzování rizika galvanické koroze nestačí znát pouze název nebo číslo jakosti oceli.

Je rozdíl potenciálů dostatečný k předpovědi rychlosti koroze?

Ne.
Velký potenciální rozdíl mezi materiály naznačuje možnost galvanické koroze, ale sám o sobě neurčuje její skutečnou rychlost.
Důležité jsou také:

• kinetika katodické reakce,
• polarizace materiálů,
• vodivost elektrolytu,
• teplota,
• přístup k kyslíku,
• poměr povrchové plochy katody a anody,
• vzdálenost mezi prvky,
• geometrie konstrukce.

Jednoduchá tabulka potenciálů by proto neměla být jediným základem pro výběr materiálů.

Vliv vodivosti elektrolytu

Čím větší je elektrická vodivost prostředí, tím snadněji proud v galvanickém článku protéká.
Proto je obzvláště nebezpečný mořská voda, který je díky vysokému obsahu rozpuštěných solí dobrým elektrolytem.
Ve vodě s velmi nízkou vodivostí může být galvanická interakce mnohem slabší a prostorově omezenější.

Galvanická koroze v mořské vodě

Mořské prostředí vytváří velmi dobré podmínky pro vznik galvanických článků.
Současně se tam dějí následující věci:

• vysoká vodivost elektrolytu,
• chloridy,
• neustálý nebo pravidelný kontakt s vodou,
• velké množství různých stavebních materiálů.

Proto je v námořních konstrukcích možnost kontaktu obzvláště pečlivě analyzována:

• nerezová ocel s uhlíkovou ocelí,
• nerezová ocel s hliníkem,
• ocel s mědí a jejími slitinami,
• různé hliníkové slitiny,
• různé druhy nerezové oceli.

Jak zabránit galvanické korozi?

Nejdůležitější metody pro snížení galvanické koroze jsou:

• vyhýbání se nepříznivým kombinacím různých kovů,
• výběr materiálů s nejpodobnějšími galvanickými potenciály v daném prostředí,
• elektrická izolace různých kovů,
• použití podložek, pouzder a izolačních distančních podložek,
• omezení kontaktu struktury s elektrolytem,
• použití vhodných ochranných nátěrů,
• vyhýbání se konfiguraci malá anoda – velká katoda,
• vhodný návrh spojů,
• použití katodické ochrany,
• použití obětních anod.

Elektrická izolace různých kovů

Jednou z nejúčinnějších metod prevence galvanické koroze je přerušení elektrického kontaktu mezi různými materiály.
Mimo jiné lze použít:

• izolační podložky,
• plastové pouzdra,
• izolační těsnění,
• nevodivé povlaky,
• distanční podložky vyrobené z izolačních materiálů.

Pokud elektrony nemohou proudit mezi kovy, klasický galvanický článek nemůže správně fungovat.

Galvanická koroze a štěrbinová koroze

Galvanická a štěrbinová koroze jsou sice odlišné mechanismy, ale mohou probíhat současně ve stejné kombinaci.

Galvanická koroze a bodová koroze

Galvanická koroze také není stejný jev jako bodová koroze.
K bodové korozi může docházet na jednom materiálu v důsledku lokálního poškození pasivní vrstvy, zejména v přítomnosti chloridů.
Galvanická koroze vzniká elektrochemickou interakcí různých materiálů elektricky spojených za přítomnosti elektrolytu.
V praktických provedeních však mohou oba mechanismy probíhat současně.

Nejčastější chyby v návrhu

Zdánlivě drobné konstrukční chyby často vedou k problémům s galvanickou korozí.
Patří mezi ně:

• spojování hliníku přímo s nerezovou ocelí v mořském prostředí,
• použití malých prvků z uhlíkové oceli s velkým povrchem z nerezové oceli,
• žádná elektrická izolace mezi různými kovy,
• navrhování oblastí pro zadržování vody,
• poškození ochranných nátěrů,
• použití nevhodných spojovacích prvků,
• nezohlednění skutečných provozních podmínek.

Galvanická koroze – nejdůležitější závěry

Galvanická koroze nastává, když dva různé kovové materiály jsou v elektrickém kontaktu a současně v přítomnosti elektrolytu.
Aktivnější materiál se stává anodou a podléhá urychlené korozi, zatímco ušlechtilejší materiál působí jako katoda.
Systém je obzvláště nebezpečný malá anoda – velká katoda, protože proces koroze je soustředěn na malou plochu materiálu anody.
Při navrhování spojů z nerezové oceli je třeba věnovat zvláštní pozornost kontaktu s hliníkem, uhlíkovou ocelí, mědí a dalšími kovy.
Riziko závisí nejen na typu spojovaných materiálů, ale také na jejich poměr povrchové plochy, typ elektrolytu, teplota, vodivost prostředí a konstrukční geometrie.
Nejúčinnějšími způsoby, jak omezit galvanickou korozi, jsou správný výběr materiálů, přerušení elektrického kontaktu, omezení přístupu elektrolytu a vhodný návrh poměru plochy povrchu anody a katody.

Koroze může probíhat různými mechanismy v závislosti na materiálu, prostředí a provozních podmínkách. Seznamte se s dalšími typy koroze:

Druhy koroze oceli a kovů

Rovnoměrná koroze oceli a kovů
Bodová koroze nerezových ocelí
Štěrbinová koroze nerezových ocelí
Mezikrystalová koroze nerezové oceli
Korozní praskání v napěťovém sušení (SCC)
Galvanická koroze
Erozivní koroze
Kavitační koroze
Únava z koroze
Koroze třením
Mikrobiologická koroze MIC
Vysokoteplotní koroze

Rozdělení koroze podle prostředí

Mořská koroze – koroze oceli a kovů v mořské vodě
Atmosférická koroze
Koroze země
Koroze ve sladké a průmyslové vodě
Koroze v chloridovém prostředí
Koroze v kyselém prostředí
Koroze v alkalickém prostředí
Koroze v plynech a výfukových plynech
Koroze v kanalizaci a stokových systémech
Koroze v chemickém a petrochemickém prostředí

Související témata

CPT – kritická teplota bodové koroze nerezových ocelí a niklových slitin
PREN – index odolnosti proti bodové korozi pro nerezovou ocel
CCT – Kritická teplota štěrbinové koroze nerezových ocelí a niklových slitin