Coroziunea galvanică – cauze, mecanism și prevenire

Descărcați descrierea în format pdf

Coroziunea galvanică, cunoscută și sub denumirea de coroziune de contact, coroziune bimetalică sau coroziune bimetalică , este o formă de coroziune electrochimică ce apare atunci când două metale sau aliaje diferite sunt în contact electric unul cu celălalt și sunt simultan imersate într-un mediu conductiv, adică un electrolit.

În astfel de condiții, se creează celulă galvanicăUn material devine anod și suferă o coroziune accelerată, în timp ce celălalt acționează ca un catod și este protejat. Coroziunea galvanică este semnificativă în structurile realizate din diverse materiale, în special în instalațiile de apă, chimice, marine, energetice și de construcții, precum și în conexiunile dintre oțelul inoxidabil și oțelul carbon, aluminiu, cupru sau alte metale.

Ce este coroziunea galvanică?

Coroziunea galvanică apare ca urmare a unei diferențe de potențial electrochimic între două materiale metalice diferite.
Dacă materialele sunt:

• conectate electric,
• și, în același timp, vor fi în contact cu electrolitul,

curentul poate începe să curgă între ele.
Metalul cu un potențial mai activ devine anod și suferă o dizolvare accelerată.
Metalul devine mai nobil catod iar coroziunea sa este limitată.

Condiții pentru apariția coroziunii galvanice

Pentru ca o coroziune galvanică tipică să apară, trebuie îndeplinite trei condiții de bază:

Dacă una dintre aceste condiții este eliminată, funcționarea celulei galvanice este întreruptă.

Cum funcționează o celulă galvanică?

Într-un sistem format din două metale diferite, un material devine anod, iar celălalt catod.
Procesul de oxidare a metalelor are loc la anod:
M → Mⁿ⁺ + ne^-
Atomii metalici trec în electrolit sub formă de ioni. Aceasta reprezintă o pierdere reală de material.
Electronii trec prin joncțiunea metalică către catod, unde au loc reacții de reducere.

In efect:

• anodul se corodează mai repede,
• catodul este protejat.

Ce ar putea fi un electrolit?

Electrolitul nu trebuie să fie un acid agresiv sau o soluție chimică puternică.

În practică, următoarele pot fi suficiente:

• apă de mare,
• apă de la robinet,
• apă tehnologică,
• apa de ploaie,
• umiditatea atmosferică,
• condensat,
• soluții saline,
• sol umed,
• medii chimice.

Un electrolit deosebit de eficient este apa care conține săruri dizolvate.
Prin urmare, problema coroziunii galvanice este deosebit de importantă în mediile marine și în prezența clorurilor.

Seria galvanică a metalelor

Susceptibilitatea la coroziunea galvanică poate fi evaluată aproximativ pe baza serie galvanică specific unui anumit mediu.
Metalele din partea mai activă a seriei au o tendință mai mare de a se comporta ca anozi.
Materialele mai nobile au o tendință mai mare de a se comporta ca un catod.
Un exemplu de aranjament simplificat al materialelor în mediul marin poate fi prezentat după cum urmează:

Aceasta este o listă orientativă. Poziția unui material în seria galvanică depinde de mediul înconjurător și de starea suprafeței sale.
Prin urmare, seria galvanică nu trebuie tratată ca un tabel universal valabil pentru toate condițiile.

Oțel inoxidabil și oțel carbon

O legătură foarte comună este între oțelul inoxidabil și oțelul carbon obișnuit.
În multe medii, oțelul inoxidabil pasiv este mai nobil decât oțelul carbon.
După combinarea ambelor materiale în prezența unui electrolit:

• oțelul inoxidabil poate acționa ca un catod,
• Oțelul carbon poate deveni anod și se poate coroda mai repede.

Aceasta nu înseamnă că fiecare combinație de oțel inoxidabil și oțel carbon va duce automat la coroziune severă.
De asemenea, importante sunt:

• tipul de mediu,
• conductivitatea electrolitului,
• raportul de suprafață al ambelor materiale,
• timpul de udare,
• temperatură,
• geometria structurii.

Oțel inoxidabil și aluminiu

Combinația dintre aluminiu și oțel inoxidabil necesită o atenție deosebită.
În multe medii, oțelul inoxidabil în starea sa pasivă este mult mai nobil decât aluminiul.
Dacă aluminiul este conectat electric la oțelul inoxidabil și se formează un electrolit, aluminiul poate deveni anod.
Riscul este deosebit de mare în:

• mediul marin,
• prezența sării de drum,
• condiții de umiditate constantă,
• structuri cu o suprafață mare de oțel inoxidabil și o suprafață mică de aluminiu.

Materialele izolatoare electric sunt adesea folosite în astfel de conexiuni.

Oțel inoxidabil și cupru

Oțelul inoxidabil și cuprul pot fi utilizate în aceeași instalație, dar posibilitatea interacțiunilor galvanice trebuie evaluată pentru mediul specific.
În apa conductoare electric, diferența de potențial dintre materiale poate duce la formarea unei celule galvanice.
Ceea ce este important în primul rând este:

• compoziția apei,
• temperatură,
• conductivitatea electrică,
• raportul suprafețelor materialelor,
• condiții de curgere.

Raportul suprafeței anod-catod

Unul dintre cei mai importanți factori care determină rata coroziunii galvanice este raportul suprafeței catodice față de suprafața anodică.
Situația este deosebit de periculoasă:
anod mic + catod mare
Suprafața catodică mare poate susține o reacție catodică semnificativă, în timp ce procesul de dizolvare anodică este concentrat într-o zonă mică.
Aceasta provoacă o densitate de curent anodic foarte mare și poate duce la distrugerea rapidă și locală a metalului mai puțin nobil.

Anod mic și catod mare – exemplu

Imaginați-vă o mică bucată de oțel carbon conectată la o suprafață mare de oțel inoxidabil.
Dacă structura este umezită cu electrolit:

• oțelul carbon poate deveni un anod,
• Oțelul inoxidabil poate acționa ca un catod mare.

Întregul proces de anodizare este apoi concentrat pe o mică suprafață de oțel carbon.
Coroziunea poate fi mult mai rapidă decât în ​​cazul unei componente fabricate în întregime din oțel carbon.

Anod mare și catod mic

Următorul aranjament este mult mai avantajos:
anod mare + catod mic
Curentul anodic este apoi distribuit pe o suprafață mare.
Densitatea curentului de coroziune pe unitatea de suprafață a anodului este mai mică, astfel încât rata locală de coroziune poate fi mult mai mică.

Exemplu – șuruburi din oțel inoxidabil într-o structură de oțel

Un șurub mic din oțel inoxidabil montat într-o componentă mare din oțel carbon creează de obicei un raport al suprafeței mai favorabil:

• catod mic – șurub din oțel inoxidabil,
• anod mare – construcție din oțel carbon.

Situația opusă poate fi mult mai periculoasă.
Un element mic din oțel carbon conectat la o suprafață mare de oțel inoxidabil poate fi supus unei coroziuni galvanice foarte intense.

Deteriorarea stratului protector și coroziunea galvanică

O situație deosebit de periculoasă poate apărea atunci când un material mai puțin nobil este acoperit cu un strat protector, dar stratul este deteriorat local.
Dacă o mică bucată de material expusă devine anod pentru o suprafață catodică mare, coroziunea se poate concentra în punctul de deteriorare.
Prin urmare, metoda de aplicare a acoperirilor protectoare în sistemele din diferite metale trebuie luată în considerare cu atenție.

Galvanizarea oțelului – folosind fenomenul galvanic

Fenomenul galvanic nu este întotdeauna nefavorabil.
Poate fi folosit pentru protejarea metalului.
Un exemplu clasic este stal ocynkowana.
Zincul este mai activ electrochimic decât oțelul.
Dacă stratul de zinc este deteriorat local, zincul se poate comporta ca un anod și se poate coroda în locul oțelului expus.
Aceasta este așa-numita protecție sacrificială.

Anozi sacrificiali

Fenomenul galvanic este utilizat și în protecția catodică.
Un metal mai activ electrochimic este atașat de structura protejată și corodat intenționat.
Printre altele, se utilizează următorii anozi:

• zinc,
• magneziu,
• aluminiu.

Astfel de anozi sunt denumiți anozi sacrificiali sau anozi galvanici.
Acestea sunt folosite, printre altele, pentru a proteja:

• carene de nave,
• conducte,
• tancuri,
• structuri marine,
• instalații subterane de oțel.

Două grade diferite de oțel inoxidabil cauzează coroziune galvanică?

Combinarea a două grade diferite de oțel inoxidabil nu provoacă neapărat o coroziune galvanică semnificativă.
Dacă ambele materiale se află într-o stare pasivă și au potențiale similare într-un mediu dat, diferența de potențial poate fi mică.
Prin urmare, conexiuni precum:

• 304L cu 316L,
• 316L cu 904L,
• 316L cu duplex 2205

poate funcționa fără probleme galvanice grave în multe medii.
Totuși, situația ar trebui întotdeauna evaluată în lumina condițiilor reale de funcționare.

Stările active și pasive ale oțelului inoxidabil

În cazul oțelurilor inoxidabile, starea suprafeței este de o importanță deosebită.
Oțelul inoxidabil în stare pasivă este acoperit cu un strat pasiv și prezintă un potențial electrochimic relativ nobil.
Dacă stratul pasiv este distrus și materialul devine activ local, comportamentul său electrochimic se poate schimba semnificativ.
Prin urmare, atunci când se evaluează riscul de coroziune galvanică, nu este suficient să se cunoască doar denumirea sau numărul clasei de oțel.

Este diferența de potențial suficientă pentru a prezice viteza de coroziune?

Nu.
O diferență mare de potențial între materiale indică posibilitatea coroziunii galvanice, dar nu determină în sine rata reală a acesteia.
De asemenea, importante sunt:

• cinetica reacției catodice,
• polarizarea materialelor,
• conductivitatea electrolitului,
• temperatură,
• acces la oxigen,
• raportul dintre suprafețele catodului și anodului,
• distanța dintre elemente,
• geometria structurii.

Prin urmare, un tabel simplu de potențial nu ar trebui să fie singura bază pentru selectarea materialelor.

Influența conductivității electroliților

Cu cât conductivitatea electrică a mediului este mai mare, cu atât este mai ușor ca curentul să circule într-o celulă galvanică.
Prin urmare, este deosebit de periculos apa de mare, care, datorită conținutului ridicat de săruri dizolvate, este un bun electrolit.
În apa cu conductivitate foarte scăzută, interacțiunea galvanică poate fi mult mai slabă și mai limitată spațial.

Coroziunea galvanică în apa de mare

Mediul marin creează condiții foarte bune pentru formarea celulelor galvanice.
Următoarele se întâmplă acolo simultan:

• conductivitate electrolitică ridicată,
• cloruri,
• contact constant sau periodic cu apa,
• un număr mare de materiale de construcție diferite.

Prin urmare, în structurile marine, posibilitatea contactului este analizată cu deosebită atenție:

• oțel inoxidabil cu oțel carbon,
• oțel inoxidabil cu aluminiu,
• oțel cu cupru și aliajele sale,
• diverse aliaje de aluminiu,
• diferite grade de oțel inoxidabil.

Cum se poate preveni coroziunea galvanică?

Cele mai importante metode pentru reducerea coroziunii galvanice sunt:

• evitarea combinațiilor nefavorabile de diferite metale,
• selectarea materialelor cu cele mai similare potențiale galvanice într-un mediu dat,
• izolarea electrică a diferitelor metale,
• utilizarea șaibelor, bucșelor și distanțierelor izolatoare,
• limitarea contactului structurii cu electrolitul,
• utilizarea unor straturi de protecție adecvate,
• evitând configurația anod mic - catod mare,
• proiectarea adecvată a conexiunilor,
• utilizarea protecției catodice,
• utilizarea anozilor sacrificiali.

Izolația electrică a diferitelor metale

Una dintre cele mai eficiente metode de prevenire a coroziunii galvanice este întreruperea contactului electric dintre materiale diferite.
Printre altele, se pot folosi următoarele:

• plăcuțe izolatoare,
• bucșe din plastic,
• garnituri izolatoare,
• acoperiri neconductoare,
• distanțiere din materiale izolante.

Dacă electronii nu pot circula între metale, o celulă galvanică clasică nu poate funcționa corect.

Coroziune galvanică și coroziune prin fisuri

Coroziunea galvanică și cea în fisuri sunt mecanisme diferite, dar pot apărea simultan în aceeași combinație.

Coroziune galvanică și coroziune prin pitting

Coroziunea galvanică nu este același fenomen ca și coroziunea prin pitting.
Coroziunea prin pitting poate apărea pe un material din cauza deteriorării locale a stratului pasiv, în special în prezența clorurilor.
Coroziunea galvanică rezultă din interacțiunea electrochimică a diferitelor materiale conectate electric în prezența unui electrolit.
Totuși, în proiectele practice, ambele mecanisme pot apărea simultan.

Cele mai frecvente erori de proiectare

Erorile de proiectare aparent minore duc adesea la probleme de coroziune galvanică.
Acestea includ:

• îmbinarea directă a aluminiului cu oțelul inoxidabil în mediu marin,
• utilizarea unor elemente mici din oțel carbon cu o suprafață mare de oțel inoxidabil,
• fără izolație electrică între diferite metale,
• proiectarea zonelor de retenție a apei,
• deteriorarea straturilor de protecție,
• utilizarea unor elemente de fixare nepotrivite,
• neluarea în considerare a condițiilor reale de funcționare.

Coroziunea galvanică – cele mai importante concluzii

Coroziunea galvanică apare atunci când două materiale metalice diferite sunt în contact electric și simultan în prezența unui electrolit.
Materialul mai activ devine anod și suferă o coroziune accelerată, în timp ce materialul mai nobil acționează ca și catod.
Sistemul este deosebit de periculos anod mic – catod mare, deoarece procesul de coroziune este concentrat pe o suprafață mică a materialului anodic.
La proiectarea conexiunilor din oțel inoxidabil, trebuie acordată o atenție deosebită contactului cu aluminiul, oțelul carbon, cuprul și alte metale.
Riscul depinde nu numai de tipul de materiale conectate, ci și de raportul suprafeței lor, tipul de electrolit, temperatura, conductivitatea mediului și geometria construcției.
Cele mai eficiente metode de limitare a coroziunii galvanice sunt selecția corectă a materialelor, întreruperea contactului electric, limitarea accesului la electrolit și proiectarea adecvată a raportului dintre suprafața anodului și cea a catodului.

Coroziunea poate apărea prin diverse mecanisme, în funcție de material, mediu și condiții de funcționare. Aflați despre alte tipuri de coroziune:

Tipuri de coroziune a oțelului și metalelor

Coroziunea uniformă a oțelului și metalelor
Coroziunea prin pitting a oțelurilor inoxidabile
Coroziunea în fisuri a oțelurilor inoxidabile
Coroziunea intergranulară a oțelului inoxidabil
Fisurarea prin coroziune sub tensiune (SCC)
Coroziune galvanică
Coroziune erozivă
Coroziunea cavitațională
Oboseala prin coroziune
Coroziune prin frecare
Coroziune microbiologică MIC
Coroziune la temperaturi ridicate

Împărțirea coroziunii în funcție de mediu

Coroziune marină - coroziunea oțelului și a metalelor în apa de mare
Atmosferă de corozie
Coroziunea solului
Coroziune în apă dulce și industrială
Coroziune în medii cu clorură
Coroziune în medii acide
Coroziune în medii alcaline
Coroziunea gazelor și a gazelor de eșapament
Coroziune în sistemele de canalizare și canalizare
Coroziune în medii chimice și petrochimice

Subiecte conexe

CPT – temperatura critică de coroziune prin pitting a oțelurilor inoxidabile și a aliajelor de nichel
PREN – indice de rezistență la coroziune prin pitting pentru oțel inoxidabil
CCT – Temperatura critică de coroziune în fisuri a oțelurilor inoxidabile și a aliajelor de nichel