Galvaninė korozija – priežastys, mechanizmas ir prevencija

Atsisiųskite aprašymą pdf formatu

Galvaninė korozija, dar vadinama kontaktine korozija, bimetaline korozija arba bimetaline korozija , yra elektrocheminės korozijos forma, atsirandanti, kai du skirtingi metalai arba lydiniai liečiasi vienas su kitu ir vienu metu yra panardinami į laidžią aplinką, t. y. elektrolitą.

Tokiomis sąlygomis jis sukuriamas galvaninis elementasViena medžiaga tampa anodu ir patiria pagreitintą koroziją, o kita veikia kaip katodas ir yra apsaugota. Galvaninė korozija yra reikšminga konstrukcijose, pagamintose iš įvairių medžiagų, ypač vandens, chemijos, jūrų, energetikos ir statybos įrenginiuose, taip pat nerūdijančio plieno ir anglinio plieno, aliuminio, vario ar kitų metalų jungtyse.

Kas yra galvaninė korozija?

Galvaninė korozija atsiranda dėl dviejų skirtingų metalų elektrocheminio potencialų skirtumo.
Jei medžiagos yra:

• elektriškai prijungtas,
• ir tuo pačiu metu jie liesis su elektrolitu,

tarp jų gali pradėti tekėti srovė.
Metalas, turintis didesnį aktyvųjį potencialą, tampa anodas ir patiria pagreitėjusį tirpimą.
Metalas tampa kilnesnis katodas ir jo korozija yra ribota.

Galvaninės korozijos atsiradimo sąlygos

Kad atsirastų tipinė galvaninė korozija, turi būti įvykdytos trys pagrindinės sąlygos:

Jei viena iš šių sąlygų pašalinama, galvaninio elemento veikimas nutraukiamas.

Kaip veikia galvaninis elementas?

Dviejų skirtingų metalų sistemoje viena medžiaga tampa anodu, o kita – katodu.
Metalo oksidacijos procesas vyksta anode:
M → Mⁿ⁺ + ne^-
Metalo atomai patenka į elektrolitą jonų pavidalu. Tai rodo tikrą medžiagos praradimą.
Elektronai teka per metalinę jungtį į katodą, kur vyksta redukcijos reakcijos.

Iš tikrųjų:

• anodas greičiau koroduoja,
• katodas yra apsaugotas.

Kas galėtų būti elektrolitas?

Elektrolitas nebūtinai turi būti agresyvi rūgštis ar stiprus cheminis tirpalas.

Praktiškai gali pakakti šių veiksmų:

• jūros vanduo,
• vandentiekio vanduo,
• technologinis vanduo,
• lietaus vanduo,
• atmosferos drėgmė,
• kondensatas,
• druskos tirpalai,
• drėgnas dirvožemis,
• cheminės aplinkos.

Ypač efektyvus elektrolitas yra vanduo, kuriame yra ištirpusių druskų.
Todėl galvaninės korozijos problema yra ypač svarbi jūrinėje aplinkoje ir esant chloridams.

Galvaninė metalų serija

Jautrumą galvaninei korozijai galima apytiksliai įvertinti remiantis galvaninė serija būdingas konkrečiai aplinkai.
Metalai, esantys aktyvesnėje serijos pusėje, turi didesnę tendenciją elgtis kaip anodai.
Tauresnės medžiagos turi didesnę tendenciją elgtis kaip katodas.
Supaprastintas medžiagų išdėstymas jūros aplinkoje gali būti pateiktas taip:

Tai yra orientacinis sąrašas. Medžiagos padėtis galvaninėje serijoje priklauso nuo aplinkos ir jos paviršiaus būklės.
Todėl galvaninės serijos nereikėtų laikyti viena universalia lentele, galiojančia visoms sąlygoms.

Nerūdijantis plienas ir anglinis plienas

Labai dažnas junginys yra tarp nerūdijančio plieno ir įprasto anglinio plieno.
Daugelyje aplinkų pasyvus nerūdijantis plienas yra kilnesnis nei anglinis plienas.
Sujungus abi medžiagas elektrolito akivaizdoje:

• nerūdijantis plienas gali veikti kaip katodas,
• Anglinis plienas gali greičiau tapti anodu ir koroduoti.

Tai nereiškia, kad kiekvienas nerūdijančio plieno ir anglinio plieno derinys automatiškai sukels stiprią koroziją.
Taip pat svarbūs yra:

• aplinkos tipas,
• elektrolitų laidumas,
• abiejų medžiagų paviršiaus santykis,
• drėkinimo laikas,
• temperatūra,
• konstrukcijos geometrija.

Nerūdijantis plienas ir aliuminis

Aliuminio ir nerūdijančio plieno derinys reikalauja ypatingo dėmesio.
Daugelyje aplinkų pasyvios būsenos nerūdijantis plienas yra daug kilnesnis nei aliuminis.
Jei aliuminis elektriškai sujungtas su nerūdijančiu plienu ir susidaro elektrolitas, aliuminis gali tapti anodu.
Rizika ypač didelė šiais atvejais:

• jūrų aplinka,
• kelių druskos buvimas,
• nuolatinės drėgmės sąlygos,
• konstrukcijos su dideliu nerūdijančio plieno ir mažu aliuminio paviršiumi.

Tokiuose sujungimuose dažnai naudojamos elektros izoliacinės medžiagos.

Nerūdijantis plienas ir varis

Nerūdijantis plienas ir varis gali būti naudojami tame pačiame įrenginyje, tačiau konkrečioje aplinkoje reikėtų įvertinti galvaninės sąveikos galimybę.
Elektros laidumo vandenyje dėl medžiagų potencialų skirtumo gali susidaryti galvaninis elementas.
Svarbiausia visų pirma yra:

• vandens sudėtis,
• temperatūra,
• elektrinis laidumas,
• medžiagų paviršiaus ploto santykis,
• srauto sąlygos.

Anodo ir katodo paviršiaus ploto santykis

Vienas iš svarbiausių veiksnių, lemiančių galvaninės korozijos greitį, yra katodo paviršiaus ploto ir anodo paviršiaus ploto santykis.
Padėtis ypač pavojinga:
mažas anodas + didelis katodas
Didelis katodinio paviršiaus plotas gali palaikyti didelę katodinę reakciją, o anodinio tirpimo procesas sutelktas mažame plote.
Dėl to susidaro labai didelis anodinės srovės tankis, kuris gali greitai ir lokaliai sunaikinti mažiau taurųjį metalą.

Mažas anodas ir didelis katodas – pavyzdys

Įsivaizduokite nedidelį anglinio plieno gabalėlį, sujungtą su dideliu nerūdijančio plieno paviršiumi.
Jei konstrukcija sudrėkinta elektrolitu:

• anglinis plienas gali tapti anodu,
• Nerūdijantis plienas gali veikti kaip didelis katodas.

Visas anodo procesas sutelkiamas į nedidelį anglies plieno plotą.
Korozija gali būti daug greitesnė nei su komponentu, pagamintu tik iš anglinio plieno.

Didelis anodas ir mažas katodas

Toks išdėstymas yra daug naudingesnis:
didelis anodas + mažas katodas
Tada anodo srovė paskirstoma per didelį paviršių.
Korozijos srovės tankis anodo ploto vienete yra mažesnis, todėl vietinis korozijos greitis gali būti daug mažesnis.

Pavyzdys – nerūdijančio plieno varžtai plieninėje konstrukcijoje

Mažas nerūdijančio plieno varžtas, sumontuotas dideliame anglinio plieno komponente, paprastai sukuria palankesnį paviršiaus ploto santykį:

• mažas katodas – nerūdijančio plieno sraigtas,
• Didelis anodas – anglinio plieno konstrukcija.

Priešinga situacija gali būti daug pavojingesnė.
Mažas anglinio plieno elementas, prijungtas prie didelio nerūdijančio plieno paviršiaus ploto, gali būti veikiamas labai intensyvios galvaninės korozijos.

Apsauginės dangos pažeidimas ir galvaninė korozija

Ypač pavojinga situacija gali susidaryti, kai mažiau kilni medžiaga padengiama apsaugine danga, tačiau danga pažeidžiama vietoje.
Jei mažas atviras medžiagos gabalėlis tampa didelio katodinio paviršiaus anodu, korozija gali susikaupti pažeidimo vietoje.
Todėl reikia atidžiai apsvarstyti apsauginių dangų dengimo būdą skirtingų metalų sistemose.

Plieno cinkavimas – naudojant galvaninį reiškinį

Galvaninis reiškinys ne visada yra nepalankus.
Jis gali būti naudojamas metalui apsaugoti.
Klasikinis pavyzdys yra cinkuotas plienas.
Cinkas yra elektrochemiškai aktyvesnis nei plienas.
Jei cinko danga pažeista lokaliai, cinkas gali elgtis kaip anodas ir koroduoti vietoj atviro plieno.
Tai yra vadinamasis aukojimo apsauga.

Aukojamieji anodai

Galvaninis reiškinys taip pat naudojamas katodinėje apsaugoje.
Prie saugomos konstrukcijos pritvirtinamas ir tyčia koroziją sukeliantis elektrochemiškai aktyvesnis metalas.
Be kita ko, naudojami šie anodai:

• cinko,
• magnio,
• aliuminio.

Tokie anodai vadinami aukojimo anodai arba galvaniniai anodai.
Jie naudojami, be kita ko, siekiant apsaugoti:

• laivų korpusai,
• vamzdynai,
• tankai,
• jūrinės konstrukcijos,
• požeminės plieno instaliacijos.

Ar dvi skirtingos nerūdijančio plieno rūšys sukelia galvaninę koroziją?

Dviejų skirtingų rūšių nerūdijančio plieno derinys nebūtinai sukelia didelę galvaninę koroziją.
Jei abi medžiagos yra pasyvios būsenos ir tam tikroje aplinkoje turi panašų potencialą, potencialų skirtumas gali būti nedidelis.
Todėl tokie ryšiai kaip:

• 304L su 316L,
• 316L su 904L,
• 316L su dvipusiu 2205

gali veikti be rimtų galvaninių problemų daugelyje aplinkų.
Tačiau situacija visada turėtų būti vertinama atsižvelgiant į realias eksploatavimo sąlygas.

Nerūdijančio plieno aktyvioji ir pasyvioji būsena

Nerūdijančio plieno atveju paviršiaus būklė yra ypač svarbi.
Pasyvios būsenos nerūdijantis plienas yra padengtas pasyviu sluoksniu ir pasižymi santykinai kilniu elektrocheminiu potencialu.
Jei pasyvusis sluoksnis sunaikinamas ir medžiaga tampa lokaliai aktyvi, jos elektrocheminis elgesys gali labai pasikeisti.
Todėl vertinant galvaninės korozijos riziką, nepakanka žinoti tik plieno rūšies pavadinimą ar numerį.

Ar potencialų skirtumas yra pakankamas korozijos greičiui numatyti?

Ne.
Didelis potencialų skirtumas tarp medžiagų rodo galvaninės korozijos galimybę, tačiau pats savaime nenulemia jos tikrojo greičio.
Taip pat svarbūs yra:

• katodinės reakcijos kinetika,
• medžiagų poliarizacija,
• elektrolitų laidumas,
• temperatūra,
• prieigą prie deguonies,
• katodo ir anodo paviršiaus plotų santykis,
• atstumas tarp elementų,
• konstrukcijos geometrija.

Todėl paprasta potencialų lentelė neturėtų būti vienintelis medžiagų pasirinkimo pagrindas.

Elektrolitų laidumo įtaka

Kuo didesnis aplinkos elektrinis laidumas, tuo lengviau srovei tekėti galvaniniame elemente.
Todėl ypač pavojinga jūros vandens, kuris dėl didelio ištirpusių druskų kiekio yra geras elektrolitas.
Vandenyje, kurio laidumas labai mažas, galvaninė sąveika gali būti daug silpnesnė ir labiau ribota erdvėje.

Galvaninė korozija jūros vandenyje

Jūrinė aplinka sukuria labai geras sąlygas galvaninių elementų susidarymui.
Ten vienu metu vyksta šie dalykai:

• didelis elektrolitų laidumas,
• chloridai,
• nuolatinis arba periodinis sąlytis su vandeniu,
• didelis kiekis įvairių statybinių medžiagų.

Todėl jūrinėse konstrukcijose ypač atidžiai analizuojama kontakto galimybė:

• nerūdijantis plienas su angliniu plienu,
• nerūdijantis plienas su aliuminiu,
• plienas su variu ir jo lydiniais,
• įvairūs aliuminio lydiniai,
• įvairių rūšių nerūdijančio plieno.

Kaip išvengti galvaninės korozijos?

Svarbiausi galvaninės korozijos mažinimo metodai yra šie:

• vengiant nepalankių skirtingų metalų derinių,
• medžiagų, kurių galvaninis potencialas tam tikroje aplinkoje yra panašiausias, pasirinkimas,
• įvairių metalų elektrinė izoliacija,
• poveržlių, įvorių ir izoliacinių tarpiklių naudojimas,
• konstrukcijos sąlyčio su elektrolitu ribojimas,
• tinkamų apsauginių dangų naudojimas,
• vengiant mažo anodo – didelio katodo konfigūracijos,
• tinkamas jungčių projektavimas,
• katodinės apsaugos naudojimas,
• aukojimo anodų naudojimas.

Įvairių metalų elektros izoliacija

Vienas efektyviausių galvaninės korozijos prevencijos būdų yra nutraukti elektrinį kontaktą tarp skirtingų medžiagų.
Be kita ko, galima naudoti:

• izoliacinės pagalvėlės,
• plastikinės įvorės,
• izoliacinės tarpinės,
• nelaidžios dangos,
• tarpikliai, pagaminti iš izoliacinių medžiagų.

Jei elektronai negali tekėti tarp metalų, klasikinis galvaninis elementas negali tinkamai veikti.

Galvaninė korozija ir plyšinė korozija

Galvaninė ir plyšinė korozija yra skirtingi mechanizmai, tačiau jie gali vykti vienu metu tuo pačiu deriniu.

Galvaninė korozija ir taškinė korozija

Galvaninė korozija taip pat nėra tas pats reiškinys kaip taškinė korozija.
Dėl vietinio pasyvaus sluoksnio pažeidimo, ypač esant chloridams, vienoje medžiagoje gali atsirasti taškinė korozija.
Galvaninė korozija atsiranda dėl įvairių medžiagų, elektriškai sujungtų elektrolitu, elektrocheminės sąveikos.
Tačiau praktiniuose projektuose abu mechanizmai gali vykti vienu metu.

Dažniausios projektavimo klaidos

Iš pažiūros nedidelės projektavimo klaidos dažnai sukelia galvaninės korozijos problemas.
Jiems priklauso:

• aliuminio tiesioginis sujungimas su nerūdijančiu plienu jūrinėje aplinkoje,
• mažų anglinio plieno elementų su dideliu nerūdijančio plieno paviršiaus plotu naudojimas,
• nėra elektros izoliacijos tarp skirtingų metalų,
• vandens sulaikymo zonų projektavimas,
• apsauginių dangų pažeidimai,
• netinkamų tvirtinimo detalių naudojimas,
• neatsižvelgimas į realias eksploatavimo sąlygas.

Galvaninė korozija – svarbiausios išvados

Galvaninė korozija atsiranda, kai dvi skirtingos metalinės medžiagos vienu metu kontaktuoja elektra ir yra elektrolito aplinkoje.
Aktyvesnė medžiaga tampa anodu ir patiria pagreitintą koroziją, o tauresnė medžiaga veikia kaip katodas.
Sistema yra ypač pavojinga mažas anodas – didelis katodas, nes korozijos procesas sutelktas nedideliame anodo medžiagos plote.
Projektuojant nerūdijančio plieno jungtis, ypatingas dėmesys turėtų būti skiriamas sąlyčiui su aliuminiu, angliniu plienu, variu ir kitais metalais.
Rizika priklauso ne tik nuo jungiamų medžiagų rūšies, bet ir nuo to, jų paviršiaus ploto santykį, elektrolito tipą, temperatūrą, aplinkos laidumą ir konstrukcijos geometriją.
Veiksmingiausi galvaninės korozijos ribojimo būdai yra tinkamas medžiagų pasirinkimas, elektros kontakto nutraukimas, elektrolito patekimo ribojimas ir tinkamas anodo ir katodo paviršiaus ploto santykio projektavimas.

Korozija gali vykti įvairiais mechanizmais, priklausomai nuo medžiagos, aplinkos ir eksploatavimo sąlygų. Sužinokite apie kitus korozijos tipus:

Plieno ir metalų korozijos tipai

Vienoda plieno ir metalų korozija
Nerūdijančio plieno taškinė korozija
Nerūdijančio plieno plyšinė korozija
Nerūdijančio plieno tarpkristalinė korozija
Įtempio korozijos įtrūkimai SCC
Galvaninė korozija
Erozinė korozija
Kavitacijos korozija
Korozinis nuovargis
Frikcinė korozija
Mikrobiologinės korozijos MIK
Aukštos temperatūros korozija

Korozijos skirstymas pagal aplinką

Jūrinė korozija – plieno ir metalų korozija jūros vandenyje
Atmosferos korozija
Grunto korozija
Korozija gėlame ir pramoniniame vandenyje
Korozija chloridų aplinkoje
Korozija rūgštinėje aplinkoje
Korozija šarminėje aplinkoje
Dujų ir išmetamųjų dujų korozija
Korozija nuotekų ir kanalizacijos sistemose
Korozija cheminėje ir naftos chemijos aplinkoje

Susijusios temos

CPT – nerūdijančio plieno ir nikelio lydinių kritinė taškinės korozijos temperatūra
PREN – nerūdijančio plieno atsparumo taškinei korozijai indeksas
CCT – Nerūdijančio plieno ir nikelio lydinių kritinė plyšinės korozijos temperatūra