Galvanska korozija – vzroki, mehanizem in preprečevanje

Prenesite opis v pdf formatu

Galvanska korozija, znana tudi kot kontaktna korozija, bimetalna korozija ali bimetalna korozija , je oblika elektrokemične korozije, ki nastane, ko sta dve različni kovini ali zlitini v električnem stiku druga z drugo in sta hkrati potopljeni v prevodno okolje, tj. elektrolit.

V takih pogojih se ustvari galvanska celicaEn material postane anoda in je podvržen pospešeni koroziji, drugi pa deluje kot katoda in je zaščiten. Galvanska korozija je pomembna v konstrukcijah iz različnih materialov, zlasti v vodnih, kemičnih, pomorskih, energetskih in gradbenih instalacijah, pa tudi v povezavah med nerjavnim jeklom in ogljikovim jeklom, aluminijem, bakrom ali drugimi kovinami.

Kaj je galvanska korozija?

Galvanska korozija nastane kot posledica elektrokemične potencialne razlike med dvema različnima kovinskima materialoma.
Če so materiali:

• električno povezan,
• in hkrati bodo v stiku z elektrolitom,

med njima lahko začne teči tok.
Kovina z bolj aktivnim potencialom postane anoda in se pospešeno raztaplja.
Kovina postane bolj plemenita katoda in njegova korozija je omejena.

Pogoji za pojav galvanske korozije

Za pojav tipične galvanske korozije morajo biti izpolnjeni trije osnovni pogoji:

Če se eden od teh pogojev odpravi, se delovanje galvanske celice prekine.

Kako deluje galvanska celica?

V sistemu dveh različnih kovin ena snov postane anoda, druga pa katoda.
Proces oksidacije kovine poteka na anodi:
M → Mⁿ⁺ + ne^-
Atomi kovin prehajajo v elektrolit kot ioni. To predstavlja resnično izgubo materiala.
Elektroni tečejo skozi kovinski stik do katode, kjer potekajo redukcijske reakcije.

V bistvu:

• anoda hitreje korodira,
• Katoda je zaščitena.

Kaj bi lahko bil elektrolit?

Elektrolit ni nujno agresivna kislina ali močna kemična raztopina.

V praksi je lahko zadostno naslednje:

• morska voda,
• voda iz pipe,
• tehnološka voda,
• deževnica,
• atmosferska vlaga,
• kondenzat,
• raztopine soli,
• vlažna tla,
• kemičnih okoljih.

Posebej učinkovit elektrolit je voda, ki vsebuje raztopljene soli.
Zato je problem galvanske korozije še posebej pomemben v morskem okolju in v prisotnosti kloridov.

Galvanska serija kovin

Občutljivost na galvansko korozijo je mogoče grobo oceniti na podlagi galvanska serija specifičen za določeno okolje.
Kovine na bolj aktivni strani serije imajo večjo nagnjenost k obnašanju kot anode.
Plemenitiji materiali imajo večjo nagnjenost k delovanju kot katoda.
Primer poenostavljene razporeditve materialov v morskem okolju lahko predstavimo na naslednji način:

To je okvirni seznam. Položaj materiala v galvanski seriji je odvisen od okolja in stanja njegove površine.
Zato galvanske serije ne smemo obravnavati kot eno univerzalno tabelo, veljavno za vse pogoje.

Nerjaveče jeklo in ogljikovo jeklo

Zelo pogosta povezava je med nerjavnim jeklom in navadnim ogljikovim jeklom.
V mnogih okoljih je pasivno nerjavno jeklo plemenitejše od ogljikovega jekla.
Po združitvi obeh materialov v prisotnosti elektrolita:

• nerjaveče jeklo lahko deluje kot katoda,
• Ogljikovo jeklo lahko postane anoda in hitreje korodira.

To ne pomeni, da bo vsaka kombinacija nerjavečega in ogljikovega jekla samodejno povzročila hudo korozijo.
Pomembni so tudi:

• vrsta okolja,
• prevodnost elektrolitov,
• razmerje površin obeh materialov,
• čas vlaženja,
• temperatura,
• geometrija strukture.

Nerjaveče jeklo in aluminij

Kombinacija aluminija in nerjavečega jekla zahteva posebno pozornost.
V mnogih okoljih je nerjaveče jeklo v pasivnem stanju veliko plemenitejše od aluminija.
Če je aluminij električno povezan z nerjavnim jeklom in se tvori elektrolit, lahko aluminij postane anoda.
Tveganje je še posebej veliko pri:

• morsko okolje,
• prisotnost cestne soli,
• pogoji stalne vlage,
• konstrukcije z veliko površino iz nerjavečega jekla in majhno površino iz aluminija.

V takšnih povezavah se pogosto uporabljajo električno izolacijski materiali.

Nerjaveče jeklo in baker

Nerjaveče jeklo in baker se lahko uporabljata v isti namestitvi, vendar je treba možnost galvanskih interakcij oceniti za specifično okolje.
V električno prevodni vodi lahko potencialna razlika med materiali povzroči nastanek galvanske celice.
Pomembno je predvsem:

• sestava vode,
• temperatura,
• električna prevodnost,
• razmerje površin materialov,
• pretočni pogoji.

Razmerje med površino anode in katode

Eden najpomembnejših dejavnikov, ki določajo hitrost galvanske korozije, je razmerje med površino katode in površino anode.
Razmere so še posebej nevarne:
majhna anoda + velika katoda
Velika katodna površina lahko vzdržuje znatno katodno reakcijo, medtem ko je proces anodnega raztapljanja koncentriran na majhnem območju.
To povzroča zelo visoko gostoto anodnega toka in lahko privede do hitrega, lokalnega uničenja manj plemenite kovine.

Majhna anoda in velika katoda – primer

Predstavljajte si majhen kos ogljikovega jekla, povezan z veliko površino nerjavečega jekla.
Če je struktura zmočena z elektrolitom:

• ogljikovo jeklo lahko postane anoda,
• nerjaveče jeklo lahko deluje kot velika katoda.

Celoten postopek anodiranja se nato osredotoči na majhno površino ogljikovega jekla.
Korozija je lahko veliko hitrejša kot pri komponenti, ki je v celoti izdelana iz ogljikovega jekla.

Velika anoda in majhna katoda

Naslednja ureditev je veliko bolj ugodna:
velika anoda + majhna katoda
Anodni tok se nato porazdeli po veliki površini.
Gostota korozijskega toka na enoto površine anode je nižja, zato je lahko lokalna hitrost korozije precej nižja.

Primer – vijaki iz nerjavečega jekla v jekleni konstrukciji

Majhen vijak iz nerjavečega jekla, nameščen v veliki komponenti iz ogljikovega jekla, običajno ustvari ugodnejše razmerje med površinami:

• majhna katoda – vijak iz nerjavečega jekla,
• velika anoda – konstrukcija iz ogljikovega jekla.

Nasprotna situacija je lahko veliko bolj nevarna.
Majhen element iz ogljikovega jekla, povezan z veliko površino nerjavečega jekla, je lahko podvržen zelo intenzivni galvanski koroziji.

Poškodba zaščitnega premaza in galvanska korozija

Posebej nevarna situacija lahko nastane, ko je manj žlahten material prekrit z zaščitnim premazom, vendar je premaz lokalno poškodovan.
Če majhen izpostavljen kos materiala postane anoda na veliki katodni površini, se lahko korozija koncentrira na mestu poškodbe.
Zato je treba skrbno pretehtati način nanašanja zaščitnih premazov v sistemih iz različnih kovin.

Pocinkanje jekla – z uporabo galvanskega pojava

Galvanski pojav ni vedno neugoden.
Lahko se uporablja za zaščito kovine.
Klasični primer je stal ocynkowana.
Cink je elektrokemično bolj aktiven kot jeklo.
Če je cinkova prevleka lokalno poškodovana, se lahko cink obnaša kot anoda in korodira namesto izpostavljenega jekla.
To je tako imenovani žrtvena zaščita.

Žrtvene anode

Galvanski pojav se uporablja tudi pri katodni zaščiti.
Na zaščiteno strukturo je pritrjena bolj elektrokemično aktivna kovina, ki je namerno korodirana.
Med drugim se uporabljajo naslednje anode:

• cink,
• magnezij,
• aluminij.

Takšne anode se imenujejo žrtvene anode ali galvanske anode.
Med drugim se uporabljajo za zaščito:

• ladijski trupi,
• cevovodi,
• tanki,
• morske strukture,
• podzemne jeklene instalacije.

Ali dve različni vrsti nerjavečega jekla povzročata galvansko korozijo?

Kombinacija dveh različnih vrst nerjavečega jekla ne povzroči nujno znatne galvanske korozije.
Če sta oba materiala v pasivnem stanju in imata v danem okolju podobne potenciale, je lahko potencialna razlika majhna.
Zato povezave, kot so:

• 304L z 316L,
• 316L z 904L,
• 316L z dupleksom 2205

lahko deluje brez resnih galvanskih težav v mnogih okoljih.
Vendar je treba situacijo vedno oceniti glede na dejanske obratovalne pogoje.

Aktivno in pasivno stanje nerjavečega jekla

Pri nerjavnih jeklih je stanje površine še posebej pomembno.
Nerjaveče jeklo je v pasivnem stanju prekrito s pasivno plastjo in kaže relativno plemenit elektrokemijski potencial.
Če se pasivna plast uniči in material postane lokalno aktiven, se lahko njegovo elektrokemijsko obnašanje znatno spremeni.
Zato pri ocenjevanju tveganja galvanske korozije ni dovolj poznati le ime ali številko razreda jekla.

Ali je potencialna razlika zadostna za napoved hitrosti korozije?

ne.
Velika potencialna razlika med materiali kaže na možnost galvanske korozije, vendar sama po sebi ne določa njene dejanske hitrosti.
Pomembni so tudi:

• kinetika katodne reakcije,
• polarizacija materialov,
• prevodnost elektrolitov,
• temperatura,
• dostop do kisika,
• razmerje površin katode in anode,
• razdalja med elementi,
• geometrija strukture.

Zato preprosta tabela potencialov ne sme biti edina osnova za izbiro materialov.

Vpliv prevodnosti elektrolitov

Večja kot je električna prevodnost okolja, lažje teče tok v galvanskem členu.
Zato je še posebej nevarno morska voda, ki je zaradi visoke vsebnosti raztopljenih soli dober elektrolit.
V vodi z zelo nizko prevodnostjo je lahko galvanska interakcija veliko šibkejša in prostorsko bolj omejena.

Galvanska korozija v morski vodi

Morsko okolje ustvarja zelo dobre pogoje za nastanek galvanskih členov.
Tam se hkrati dogaja naslednje:

• visoka prevodnost elektrolitov,
• kloridi,
• stalen ali občasen stik z vodo,
• veliko število različnih gradbenih materialov.

Zato je v morskih strukturah možnost stika še posebej skrbno analizirana:

• nerjaveče jeklo z ogljikovim jeklom,
• nerjaveče jeklo z aluminijem,
• jeklo z bakrom in njegovimi zlitinami,
• različne aluminijeve zlitine,
• različne vrste nerjavečega jekla.

Kako preprečiti galvansko korozijo?

Najpomembnejše metode za zmanjšanje galvanske korozije so:

• izogibanje neugodnim kombinacijam različnih kovin,
• izbira materialov z najpodobnejšimi galvanskimi potenciali v danem okolju,
• električna izolacija različnih kovin,
• uporaba podložk, puš in izolacijskih distančnikov,
• omejevanje stika strukture z elektrolitom,
• uporaba ustreznih zaščitnih premazov,
• izogibanje konfiguraciji majhna anoda - velika katoda,
• ustrezno načrtovanje povezav,
• uporaba katodne zaščite,
• uporaba žrtvenih anod.

Električna izolacija različnih kovin

Ena najučinkovitejših metod za preprečevanje galvanske korozije je prekinitev električnega stika med različnimi materiali.
Med drugim se lahko uporabijo:

• izolacijske blazinice,
• plastične puše,
• izolacijska tesnila,
• neprevodni premazi,
• distančniki iz izolacijskih materialov.

Če elektroni ne morejo teči med kovinami, klasična galvanska celica ne more pravilno delovati.

Galvanska korozija in korozija v špranjah

Galvanska in špranjska korozija sta različna mehanizma, vendar se lahko pojavita hkrati v isti kombinaciji.

Galvanska korozija in jamkasta korozija

Galvanska korozija tudi ni isti pojav kot jamkasta korozija.
Do jamkaste korozije lahko pride na enem materialu zaradi lokalne poškodbe pasivne plasti, zlasti v prisotnosti kloridov.
Galvanska korozija nastane zaradi elektrokemične interakcije različnih materialov, ki so električno povezani v prisotnosti elektrolita.
Vendar pa se v praktičnih zasnovah lahko oba mehanizma pojavita hkrati.

Najpogostejše napake pri oblikovanju

Na videz manjše napake pri načrtovanju pogosto vodijo do težav z galvansko korozijo.
Należą do njih:

• spajanje aluminija neposredno z nerjavnim jeklom v morskem okolju,
• uporaba majhnih elementov iz ogljikovega jekla z veliko površino iz nerjavečega jekla,
• brez električne izolacije med različnimi kovinami,
• načrtovanje območij za zadrževanje vode,
• poškodbe zaščitnih premazov,
• uporaba neprimernih pritrdilnih elementov,
• neupoštevanje dejanskih obratovalnih pogojev.

Galvanska korozija – najpomembnejši sklepi

Galvanska korozija nastane, ko dva različna kovinska materiala sta v električnem stiku in hkrati v prisotnosti elektrolita.
Bolj aktiven material postane anoda in pospešeno korodira, medtem ko bolj plemenit material deluje kot katoda.
Sistem je še posebej nevaren majhna anoda – velika katoda, ker je proces korozije koncentriran na majhnem območju anodnega materiala.
Pri načrtovanju priključkov iz nerjavečega jekla je treba posebno pozornost nameniti stiku z aluminijem, ogljikovim jeklom, bakrom in drugimi kovinami.
Tveganje ni odvisno le od vrste materialov, ki se povezujejo, temveč tudi od njihovo razmerje površin, vrsta elektrolita, temperatura, prevodnost okolja in geometrija konstrukcije.
Najučinkovitejši načini za omejevanje galvanske korozije so pravilna izbira materialov, prekinitev električnega stika, omejitev dostopa elektrolita in ustrezna zasnova razmerja med površino anode in katode.

Korozija se lahko pojavi prek različnih mehanizmov, odvisno od materiala, okolja in obratovalnih pogojev. Spoznajte druge vrste korozije:

Vrste korozije jekla in kovin

Enakomerna korozija jekla in kovin
Jamkasta korozija nerjavnih jekel
Špražna korozija nerjavnih jekel
Medkristalna korozija nerjavečega jekla
Razpoke v SCC-ju zaradi napetostne korozije
Galvanska korozija
Erozijska korozija
Kavitacijska korozija
Korozijska utrujenost
Korozija s trenjem
Mikrobiološka korozija MIC
Visokotemperaturna korozija

Delitev korozije glede na okolje

Morska korozija – korozija jekla in kovin v morski vodi
Atmosferska korozija
Korozija tal
Korozija v sladki in industrijski vodi
Korozija v kloridnih okoljih
Korozija v kislem okolju
Korozija v alkalnih okoljih
Korozija v plinih in izpušnih plinih
Korozija v kanalizacijskih in kanalizacijskih sistemih
Korozija v kemičnem in petrokemičnem okolju

Sorodne teme

CPT – kritična temperatura jamkaste korozije nerjavnih jekel in nikljevih zlitin
PREN – indeks odpornosti proti koroziji z jamičasto korozijo za nerjaveče jeklo
CCT – Kritična temperatura špranjske korozije nerjavnih jekel in nikljevih zlitin