Гальваническая коррозия – причины, механизмы и профилактика.

Скачать описание в формате PDF

Гальваническая коррозия, также известная как контактная коррозия, биметаллическая коррозия или биметаллическая коррозия , представляет собой форму электрохимической коррозии, которая возникает, когда два разных металла или сплава находятся в электрическом контакте друг с другом и одновременно погружены в проводящую среду, то есть в электролит.

В таких условиях он создается. гальванический элементОдин материал становится анодом и подвергается ускоренной коррозии, в то время как другой действует как катод и защищен. Гальваническая коррозия имеет важное значение в конструкциях из различных материалов, особенно в системах водоснабжения, химической промышленности, судостроении, энергетике и строительстве, а также в соединениях между нержавеющей сталью и углеродистой сталью, алюминием, медью или другими металлами.

Что такое гальваническая коррозия?

Гальваническая коррозия возникает в результате электрохимической разности потенциалов между двумя различными металлическими материалами.
Если материалы:

электрически соединены,
и одновременно они будут контактировать с электролитом.

Между ними может начать протекать ток.
Металл с более активным потенциалом становится анод и подвергается ускоренному растворению.
Металл становится более благородным катод и его коррозия ограничена.

Условия возникновения гальванической коррозии

Для возникновения типичной гальванической коррозии необходимо соблюдение трех основных условий:

Условие	Знакение
Различные металлические материалы	В данной среде различные материалы обладают разными электрохимическими потенциалами.
Электрический контакт	Позволяет электронам перемещаться между металлами.
электролит	Это обеспечивает транспорт ионов и замыкание электрохимической цепи.

Если одно из этих условий будет устранено, работа гальванического элемента прервется.

Как работает гальванический элемент?

В системе из двух разных металлов один материал становится анодом, а другой — катодом.
Процесс окисления металла происходит на аноде:
М → Мⁿ⁺ + не^-
Атомы металла переходят в электролит в виде ионов. Это представляет собой истинную потерю материала.
Электроны текут через металлический контакт к катоду, где происходят реакции восстановления.

Как результат:

Анод корродирует быстрее.
Катод защищен.

Что может быть электролитом?

В качестве электролита не обязательно использовать агрессивную кислоту или концентрированный химический раствор.

На практике может быть достаточно следующего:

морская вода,
водопроводная вода,
технологичная вода,
дождевая вода,
атмосферная влажность,
конденсат,
солевые растворы,
влажная почва,
химическая среда.

Особенно эффективным электролитом является вода, содержащая растворенные соли.
Поэтому проблема гальванической коррозии особенно важна в морской среде и в присутствии хлоридов.

Гальванический ряд металлов

Восприимчивость к гальванической коррозии можно приблизительно оценить на основе следующих критериев: гальванический ряд специфично для конкретной среды.
Металлы, находящиеся в более активной части ряда, имеют большую склонность выступать в качестве анодов.
Более благородные материалы имеют большую склонность вести себя как катод.
Пример упрощенного расположения материалов в морской среде можно представить следующим образом:

материал	Электрохимическая природа
Магний	очень активный
Цинк	активный
алюминий и его ноги	относительно активный
углеродистая сталь	активный
Медь и ее ноги	более благородный
Нержавеющие стали в пассивном состоянии	благородный
титан	очень благородный в пассивном состоянии

Это ориентировочный список. Положение материала в гальваническом ряду зависит от окружающей среды и состояния его поверхности.
Следовательно, гальванический ряд не следует рассматривать как единую универсальную таблицу, действительную для всех условий.

нержавеющая сталь и углеродистая сталь

Наиболее распространенным способом соединения является соединение нержавеющей стали и обычной углеродистой стали.
Во многих условиях пассивная нержавеющая сталь обладает более высокими свойствами, чем углеродистая сталь.
После соединения обоих материалов в присутствии электролита:

Нержавеющая сталь может выступать в качестве катода.
Углеродистая сталь может стать анодом и быстрее подвергаться коррозии.

Это не означает, что любое сочетание нержавеющей стали и углеродистой стали автоматически приведет к сильной коррозии.
Также важны следующие факторы:

тип окружающей среды,
электропроводность,
соотношение поверхностных поверхностей обоих материалов,
время смачивания,
температура,
геометрия конструкции.

нержавеющая сталь и алюминий

Сочетание алюминия и нержавеющей стали требует особого внимания.
Во многих средах нержавеющая сталь в пассивном состоянии обладает гораздо более высокими свойствами, чем алюминий.
Если алюминий электрически соединен с нержавеющей сталью и образуется электролит, то алюминий может стать анодом.
Риск особенно высок в следующих случаях:

морская среда,
наличие дорожной соли,
условия постоянной влажности,
конструкции с большой поверхностью из нержавеющей стали и малой поверхностью из алюминия.

В таких соединениях часто используются электроизоляционные материалы.

нержавеющая сталь и медь

В одной и той же установке можно использовать нержавеющую сталь и медь, но при этом следует оценить возможность гальванических взаимодействий в конкретных условиях окружающей среды.
В электропроводящей воде разность потенциалов между материалами может привести к образованию гальванического элемента.
Важнее всего следующее:

состав воды,
температура,
электропроводность,
Соотношение площадей поверхности материалов,
Условия потока.

Соотношение площади поверхности анода и катода

Одним из важнейших факторов, определяющих скорость гальванической коррозии, является отношение площади поверхности катода к площади поверхности анода.
Ситуация особенно опасна:
малый анод + большой катод
Большая площадь катодной поверхности позволяет протекать значительной катодной реакции, в то время как процесс анодного растворения сосредоточен на небольшой площади.
Это приводит к очень высокой плотности анодного тока и может вызвать быстрое локальное разрушение менее благородного металла.

Пример: малый анод и большой катод.

Представьте себе небольшой кусок углеродистой стали, соединенный с большой поверхностью из нержавеющей стали.
Если конструкция смачивается электролитом:

Углеродистая сталь может стать анодом.
Нержавеющая сталь может выступать в качестве большого катода.

Весь процесс анодирования затем концентрируется на небольшом участке углеродистой стали.
Коррозия может происходить гораздо быстрее, чем в случае детали, полностью изготовленной из углеродистой стали.

Большой анод и малый катод

Следующий вариант гораздо выгоднее:
большой анод + малый катод
Затем анодный ток распределяется по большой поверхности.
Плотность коррозионного тока на единицу площади анода ниже, поэтому локальная скорость коррозии может быть значительно ниже.

Пример – винты из нержавеющей стали в стальной конструкции.

Небольшой винт из нержавеющей стали, установленный в крупную деталь из углеродистой стали, обычно обеспечивает более выгодное соотношение площади поверхности:

малый катод – винт из нержавеющей стали,
Большой анод – конструкция из углеродистой стали.

Обратная ситуация может быть гораздо опаснее.
Небольшой элемент из углеродистой стали, соединенный с большой поверхностью из нержавеющей стали, может подвергаться очень интенсивной гальванической коррозии.

Повреждение защитного покрытия и гальваническая коррозия

Особенно опасная ситуация может возникнуть, когда менее благородный материал покрывается защитным слоем, но этот слой локально повреждается.
Если небольшой открытый участок материала становится анодом для большой катодной поверхности, коррозия может концентрироваться в точке повреждения.
Поэтому способ нанесения защитных покрытий в системах из различных металлов следует тщательно продумать.

Цинкование стали – с использованием гальванического явления

Гальваническое явление не всегда является неблагоприятным.
Его можно использовать для защиты металла.
Классический пример: сталь оцинкована.
Цинк обладает большей электрохимической активностью, чем сталь.
Если цинковое покрытие повреждено локально, цинк может действовать как анод и корродировать вместо открытой стали.
Это так называемый жертвенная защита.

Жертвенные аноды

Гальваническое явление также используется в катодной защите.
К защищаемой конструкции прикрепляется более электрохимически активный металл, который намеренно подвергается коррозии.
В качестве анодов используются, помимо прочих, следующие:

цинк,
магний,
алюминий.

Такие аноды называются жертвенные аноды или гальванические аноды.
Они используются, помимо прочего, для защиты:

корпуса кораблей,
трубопроводы,
танки,
морские сооружения,
Подземные стальные конструкции.

Вызывают ли гальваническую коррозию два разных сорта нержавеющей стали?

Сочетание двух разных марок нержавеющей стали не обязательно приводит к значительной гальванической коррозии.
Если оба материала находятся в пассивном состоянии и имеют схожие потенциалы в данной среде, то разность потенциалов может быть невелика.
Следовательно, существуют такие связи, как:

304L с 316L,
316L с 904L,
316L с дуплексной системой 2205

Может работать без серьезных гальванических проблем во многих условиях.
Однако ситуацию всегда следует оценивать с учетом фактических условий эксплуатации.

Активное и пассивное состояния нержавеющей стали

В случае нержавеющих сталей состояние поверхности имеет особое значение.
Нержавеющая сталь в пассивном состоянии покрыта пассивным слоем и обладает относительно благородным электрохимическим потенциалом.
Если пассивный слой разрушается и материал становится локально активным, его электрохимическое поведение может значительно измениться.
Поэтому при оценке риска гальванической коррозии недостаточно знать только название или номер марки стали.

Достаточно ли разности потенциалов для прогнозирования скорости коррозии?

Нет.
Большая разница потенциалов между материалами указывает на возможность гальванической коррозии, но сама по себе не определяет ее фактическую скорость.
Также важны следующие факторы:

кинетика катодной реакции,
поляризация материалов,
электропроводность,
температура,
доступ к кислороду,
соотношение площадей поверхности катода и анода,
расстояние между элементами,
геометрия конструкции.

Следовательно, простая таблица потенциалов не должна быть единственным основанием для выбора материалов.

Влияние электропроводности электролита

Чем выше электропроводность окружающей среды, тем легче протекает ток в гальваническом элементе.
Поэтому это особенно опасно. морская водаБлагодаря высокому содержанию растворенных солей, он является хорошим электролитом.
В воде с очень низкой проводимостью гальваническое взаимодействие может быть значительно слабее и более ограничено в пространстве.

Гальваническая коррозия в морской воде

Морская среда создает очень благоприятные условия для образования гальванических элементов.
Там одновременно происходят следующие события:

высокая электропроводность,
хлориды,
постоянный или периодический контакт с водой,
большое количество различных строительных материалов.

Поэтому в морских сооружениях возможность контакта анализируется особенно тщательно:

нержавеющая сталь с углеродистой сталью,
нержавеющая сталь с алюминием,
сталь с медью и ее сплавами,
различные алюминиевые сплавы,
различные марки нержавеющей стали.

Как предотвратить гальваническую коррозию?

Наиболее важными методами снижения гальванической коррозии являются:

избегая неблагоприятных сочетаний различных металлов.
выбор материалов с наиболее схожими гальваническими потенциалами в данной среде,
электрическая изоляция различных металлов,
использование шайб, втулок и изоляционных прокладок.
ограничение контакта конструкции с электролитом,
использование соответствующих защитных покрытий,
избегая конфигурации с малым анодом и большим катодом.
надлежащая конструкция соединений,
использование катодной защиты,
использование жертвенных анодов.

Электроизоляция различных металлов

Одним из наиболее эффективных методов предотвращения гальванической коррозии является прерывание электрического контакта между разнородными материалами.
В качестве альтернативы можно использовать следующие методы:

изоляционные прокладки,
пластиковые втулки,
изоляционные прокладки,
непроводящие покрытия,
прокладки из изоляционных материалов.

Если электроны не могут перемещаться между металлами, классический гальванический элемент не сможет нормально функционировать.

Гальваническая коррозия и щелевая коррозия

Гальваническая и щелевая коррозия — это разные механизмы, но они могут возникать одновременно в одной и той же комбинации.

Характерная черта	Гальваническая коррозия	Щелевая коррозия
главная причина	контакт различных материалов с различными потенциалами	локальные химические условия внутри трещины
Вам нужны два разных металла?	Да, в классической гальванической ячейке.	отнесенные к другим категориям
Необходим ли электролит?	Tak	Tak
Типичное место	контакт двух различных материалов	под прокладкой, шайбой, отложениями или в узком зазоре.

Гальваническая коррозия и точечная коррозия

Гальваническая коррозия — это не то же самое явление, что и точечная коррозия.
Точечная коррозия может возникать на одном материале из-за локального повреждения пассивного слоя, особенно в присутствии хлоридов.
Гальваническая коррозия возникает в результате электрохимического взаимодействия различных материалов, электрически соединенных в присутствии электролита.
Однако в практических конструкциях оба механизма могут действовать одновременно.

Наиболее распространенные ошибки проектирования

Казалось бы, незначительные конструктивные ошибки часто приводят к проблемам гальванической коррозии.
К ним относятся:

Прямое соединение алюминия с нержавеющей сталью в морских условиях.
использование мелких элементов из углеродистой стали с большой площадью поверхности из нержавеющей стали.
Отсутствие электрической изоляции между различными металлами.
проектирование зон водосбора,
повреждение защитных покрытий,
использование неподходящих крепежных элементов,
неспособность учесть фактические условия эксплуатации.

Гальваническая коррозия – наиболее важные выводы

Гальваническая коррозия возникает, когда Два различных металлических материала находятся в электрическом контакте и одновременно в присутствии электролита..
Более активный материал становится анодом и подвергается ускоренной коррозии, в то время как более благородный материал выступает в роли катода.
Эта система особенно опасна. малый анод – большой катод, потому что процесс коррозии сосредоточен на небольшой площади материала анода.
При проектировании соединений из нержавеющей стали особое внимание следует уделять контакту с алюминием, углеродистой сталью, медью и другими металлами.
Риск зависит не только от типа соединяемых материалов, но и от их соотношение площадей поверхности, тип электролита, температура, проводимость окружающей среды и геометрия конструкции.
Наиболее эффективными способами ограничения гальванической коррозии являются правильный выбор материалов, прерывание электрического контакта, ограничение доступа электролита и соответствующее проектирование соотношения площадей поверхности анода и катода.

Коррозия может происходить по различным механизмам в зависимости от материала, окружающей среды и условий эксплуатации. Узнайте о других типах коррозии:

Виды коррозии стали и металлов

Классификация коррозии по условиям окружающей среды

Связанные темы

CPT – критическая температура питтинговой коррозии нержавеющих сталей и никелевых сплавов.
PREN – индекс стойкости к точечной коррозии нержавеющей стали
CCT – Критическая температура щелевой коррозии нержавеющих сталей и никелевых сплавов.