Гальванічна корозія – причини, механізм та профілактика

Завантажити опис у форматі PDF

Гальванічна корозія, також відома як контактна корозія, біметалева корозія або біметалева корозія , — це форма електрохімічної корозії, яка виникає, коли два різні метали або сплави перебувають в електричному контакті один з одним і одночасно занурені в провідне середовище, тобто електроліт.

У таких умовах створюється гальванічний елементОдин матеріал стає анодом і зазнає прискореної корозії, тоді як інший діє як катод і захищений. Гальванічна корозія є значною в конструкціях, виготовлених з різних матеріалів, зокрема у водних, хімічних, морських, енергетичних та будівельних установках, а також у з'єднаннях між нержавіючою сталлю та вуглецевою сталлю, алюмінієм, міддю або іншими металами.

Що таке гальванічна корозія?

Гальванічна корозія виникає в результаті різниці електрохімічних потенціалів між двома різними металевими матеріалами.
Якщо матеріали такі:

• електрично з'єднані,
• і водночас вони будуть контактувати з електролітом,

між ними може почати протікати струм.
Метал з більш активним потенціалом стає анод і піддається прискореному розчиненню.
Метал стає більш благородним катод і його корозія обмежена.

Умови виникнення гальванічної корозії

Для виникнення типової гальванічної корозії необхідно виконати три основні умови:

Якщо одна з цих умов усунута, робота гальванічного елемента переривається.

Як працює гальванічний елемент?

У системі з двох різних металів один матеріал стає анодом, а інший - катодом.
Процес окислення металу відбувається на аноді:
М → Мⁿ⁺ + не^-
Атоми металу переходять в електроліт у вигляді іонів. Це являє собою справжню втрату матеріалу.
Електрони протікають через металевий контакт до катода, де відбуваються реакції відновлення.

В ефекті:

• анод швидше кородує,
• катод захищений.

Що може бути електролітом?

Електроліт не обов'язково повинен бути агресивною кислотою або сильним хімічним розчином.

На практиці може бути достатньо наступного:

• морська вода,
• водопровідна вода,
• технологічна вода,
• дощова вода,
• атмосферна волога,
• конденсат,
• сольові розчини,
• вологий ґрунт,
• хімічних середовищах.

Особливо ефективним електролітом є вода, що містить розчинені солі.
Тому проблема гальванічної корозії є особливо важливою в морському середовищі та за наявності хлоридів.

Гальванічний ряд металів

Схильність до гальванічної корозії можна приблизно оцінити на основі гальванічний ряд специфічні для конкретного середовища.
Метали на більш активній стороні послідовності мають більшу схильність поводитися як аноди.
Більш благородні матеріали мають більшу схильність поводитися як катод.
Приклад спрощеного розташування матеріалів у морському середовищі можна представити наступним чином:

Це орієнтовний список. Положення матеріалу в гальванічному ряду залежить від навколишнього середовища та стану його поверхні.
Тому гальванічний ряд не слід розглядати як одну універсальну таблицю, дійсну для всіх умов.

Нержавіюча сталь та вуглецева сталь

Дуже поширеним є з'єднання між нержавіючою сталлю та звичайною вуглецевою сталлю.
У багатьох середовищах пасивна нержавіюча сталь є більш благородною, ніж вуглецева сталь.
Після об'єднання обох матеріалів у присутності електроліту:

• нержавіюча сталь може виступати катодом,
• Вуглецева сталь може стати анодом і швидше кородувати.

Це не означає, що кожне поєднання нержавіючої та вуглецевої сталі автоматично призведе до сильної корозії.
Також важливими є:

• тип середовища,
• провідність електроліту,
• співвідношення поверхні обох матеріалів,
• час змочування,
• температура,
• геометрія конструкції.

Нержавіюча сталь та алюміній

Поєднання алюмінію та нержавіючої сталі вимагає особливої ​​уваги.
У багатьох середовищах нержавіюча сталь у своєму пасивному стані набагато благородніша за алюміній.
Якщо алюміній електрично з'єднати з нержавіючою сталлю і утвориться електроліт, алюміній може стати анодом.
Ризик особливо високий у:

• морське середовище,
• наявність дорожньої солі,
• умови постійної вологості,
• конструкції з великою поверхнею нержавіючої сталі та малою поверхнею алюмінію.

У таких з'єднаннях часто використовуються електроізоляційні матеріали.

Нержавіюча сталь та мідь

Нержавіюча сталь та мідь можуть використовуватися в одній установці, але можливість гальванічної взаємодії слід оцінювати для конкретного середовища.
У електропровідній воді різниця потенціалів між матеріалами може призвести до утворення гальванічного елемента.
Важливо, перш за все:

• склад води,
• температура,
• електропровідність,
• співвідношення площі поверхні матеріалів,
• умови потоку.

Співвідношення площі поверхні анода до катода

Одним з найважливіших факторів, що визначають швидкість гальванічної корозії, є співвідношення площі поверхні катода до площі поверхні анода.
Ситуація особливо небезпечна:
малий анод + великий катод
Велика площа катодної поверхні може підтримувати значну катодну реакцію, тоді як процес анодного розчинення зосереджений на невеликій площі.
Це спричиняє дуже високу щільність анодного струму та може призвести до швидкого локального руйнування менш благородного металу.

Малий анод і великий катод – приклад

Уявіть собі невеликий шматок вуглецевої сталі, з'єднаний з великою поверхнею нержавіючої сталі.
Якщо конструкція змочена електролітом:

• вуглецева сталь може стати анодом,
• Нержавіюча сталь може виступати в ролі великого катода.

Весь процес анодування потім зосереджений на невеликій ділянці вуглецевої сталі.
Корозія може відбуватися набагато швидше, ніж у випадку з компонентом, повністю виготовленим з вуглецевої сталі.

Великий анод і малий катод

Набагато вигідніша така схема:
великий анод + малий катод
Анодний струм потім розподіляється по великій поверхні.
Густина струму корозії на одиницю площі анода нижча, тому локальна швидкість корозії може бути значно нижчою.

Приклад – гвинти з нержавіючої сталі в сталевій конструкції

Невеликий гвинт з нержавіючої сталі, встановлений у великому компоненті з вуглецевої сталі, зазвичай створює більш сприятливе співвідношення площі поверхні:

• малий катод – гвинт з нержавіючої сталі,
• великий анод – конструкція з вуглецевої сталі.

Зворотна ситуація може бути набагато небезпечнішою.
Невеликий елемент з вуглецевої сталі, з'єднаний з великою площею поверхні нержавіючої сталі, може бути схильний до дуже інтенсивної гальванічної корозії.

Пошкодження захисного покриття та гальванічна корозія

Особливо небезпечна ситуація може виникнути, коли менш благородний матеріал покривається захисним покриттям, але покриття пошкоджується локально.
Якщо невеликий відкритий шматок матеріалу стає анодом до великої катодної поверхні, корозія може зосередитися в точці пошкодження.
Тому метод нанесення захисних покриттів у системах з різних металів слід ретельно продумати.

Оцинкування сталі – з використанням гальванічного явища

Гальванічне явище не завжди є несприятливим.
Його можна використовувати для захисту металу.
Класичним прикладом є оцинкована сталь.
Цинк є більш електрохімічно активним, ніж сталь.
Якщо цинкове покриття пошкоджено локально, цинк може поводитися як анод і кородувати замість оголеної сталі.
Це так звана жертовний захист.

Жертвенні аноди

Гальванічне явище також використовується в катодному захисті.
Більш електрохімічно активний метал прикріплений до захищеної конструкції та навмисно піддається корозії.
Серед інших використовуються такі аноди:

• цинк,
• магній,
• алюміній.

Такі аноди називаються жертовні аноди або гальванічні аноди.
Вони використовуються, серед іншого, для захисту:

• корпуси суден,
• трубопроводи,
• танки,
• морські споруди,
• підземні сталеві установки.

Чи викликають два різні сорти нержавіючої сталі гальванічну корозію?

Поєднання двох різних марок нержавіючої сталі не обов'язково викликає значну гальванічну корозію.
Якщо обидва матеріали перебувають у пасивному стані та мають подібні потенціали в даному середовищі, різниця потенціалів може бути невеликою.
Отже, такі з'єднання, як:

• 304L з 316L,
• 316L з 904L,
• 316L з дуплексом 2205

може працювати без серйозних гальванічних проблем у багатьох середовищах.
Однак ситуацію завжди слід оцінювати з урахуванням фактичних умов експлуатації.

Активний та пасивний стани нержавіючої сталі

У випадку нержавіючих сталей стан поверхні має особливе значення.
Нержавіюча сталь у пасивному стані покрита пасивним шаром і демонструє відносно благородний електрохімічний потенціал.
Якщо пасивний шар руйнується і матеріал стає локально активним, його електрохімічна поведінка може суттєво змінитися.
Тому, оцінюючи ризик гальванічної корозії, недостатньо знати лише назву або номер марки сталі.

Чи достатньо різниці потенціалів для прогнозування швидкості корозії?

ні.
Велика різниця потенціалів між матеріалами вказує на можливість гальванічної корозії, але сама по собі не визначає її фактичну швидкість.
Також важливими є:

• кінетика катодної реакції,
• поляризація матеріалів,
• провідність електроліту,
• температура,
• доступ кисню,
• співвідношення площі поверхні катода та анода,
• відстань між елементами,
• геометрія конструкції.

Тому проста таблиця потенціалів не повинна бути єдиною основою для вибору матеріалів.

Вплив провідності електроліту

Чим більша електропровідність середовища, тим легше струм протікає в гальванічному елементі.
Тому це особливо небезпечно морська вода, який завдяки високому вмісту розчинених солей є хорошим електролітом.
У воді з дуже низькою провідністю гальванічна взаємодія може бути значно слабшою та просторово обмеженою.

Гальванічна корозія в морській воді

Морське середовище створює дуже сприятливі умови для формування гальванічних елементів.
Там одночасно відбуваються такі речі:

• висока провідність електроліту,
• хлориди,
• постійний або періодичний контакт з водою,
• велика кількість різних будівельних матеріалів.

Тому в морських спорудах можливість контакту аналізується особливо ретельно:

• нержавіюча сталь з вуглецевою сталлю,
• нержавіюча сталь з алюмінієм,
• сталь з міддю та її сплавами,
• різні алюмінієві сплави,
• різні марки нержавіючої сталі.

Як запобігти гальванічній корозії?

Найважливішими методами зменшення гальванічної корозії є:

• уникаючи несприятливих комбінацій різних металів,
• вибір матеріалів з найбільш схожими гальванічними потенціалами в заданому середовищі,
• електрична ізоляція різних металів,
• використання шайб, втулок та ізоляційних прокладок,
• обмеження контакту конструкції з електролітом,
• використання відповідних захисних покриттів,
• уникнення конфігурації малий анод – великий катод,
• відповідне проектування з'єднань,
• використання катодного захисту,
• використання жертовних анодів.

Електрична ізоляція різних металів

Одним з найефективніших методів запобігання гальванічній корозії є переривання електричного контакту між різнорідними матеріалами.
Серед іншого, можна використовувати наступне:

• ізоляційні прокладки,
• пластикові втулки,
• ізоляційні прокладки,
• непровідні покриття,
• прокладки, виготовлені з ізоляційних матеріалів.

Якщо електрони не можуть проходити між металами, класичний гальванічний елемент не може функціонувати належним чином.

Гальванічна корозія та щілинна корозія

Гальванічна та щілинна корозія – це різні механізми, але вони можуть відбуватися одночасно в одній комбінації.

Гальванічна корозія та точкова корозія

Гальванічна корозія також не є тим самим явищем, що й точкова корозія.
Точкова корозія може виникати на одному матеріалі через локальне пошкодження пасивного шару, особливо за наявності хлоридів.
Гальванічна корозія виникає внаслідок електрохімічної взаємодії різних матеріалів, електрично з'єднаних у присутності електроліту.
Однак, на практиці обидва механізми можуть діяти одночасно.

Найпоширеніші помилки дизайну

Здавалося б, незначні помилки проектування часто призводять до проблем з гальванічною корозією.
До них належать:

• з'єднання алюмінію безпосередньо з нержавіючою сталлю в морському середовищі,
• використання невеликих елементів з вуглецевої сталі з великою площею поверхні з нержавіючої сталі,
• відсутність електричної ізоляції між різними металами,
• проектування зон водозатримання,
• пошкодження захисних покриттів,
• використання невідповідних кріплень,
• неврахування фактичних умов експлуатації.

Гальванічна корозія – найважливіші висновки

Гальванічна корозія виникає, коли два різних металевих матеріали перебувають в електричному контакті та одночасно в присутності електроліту.
Більш активний матеріал стає анодом і піддається прискореній корозії, тоді як більш благородний матеріал діє як катод.
Система особливо небезпечна малий анод – великий катод, оскільки процес корозії зосереджений на невеликій ділянці матеріалу анода.
При проектуванні з'єднань з нержавіючої сталі особливу увагу слід приділяти контакту з алюмінієм, вуглецевою сталлю, міддю та іншими металами.
Ризик залежить не лише від типу матеріалів, що з'єднуються, але й від їх співвідношення площі поверхні, тип електроліту, температура, провідність навколишнього середовища та геометрія конструкції.
Найефективнішими способами обмеження гальванічної корозії є правильний вибір матеріалів, переривання електричного контакту, обмеження доступу електроліту та відповідне проектування співвідношення площі поверхні анода та катода.

Корозія може виникати через різні механізми, залежно від матеріалу, навколишнього середовища та умов експлуатації. Дізнайтеся про інші типи корозії:

Види корозії сталі та металів

Рівномірна корозія сталі та металів
Точкова корозія нержавіючих сталей
Щілинна корозія нержавіючих сталей
Міжкристалічна корозія нержавіючої сталі
Корозійне розтріскування під напругою в умовах низькоміцного покриття (SCC)
Гальванічна корозія
Ерозійна корозія
Кавітаційна корозія
Корозійна втома
Фретінг-корозія
Мікробіологічна корозія MIC
Високотемпературна корозія

Поділ корозії за середовищем

Морська корозія – корозія сталі та металів у морській воді
Атмосферна корозія
Корозія ґрунту
Корозія у прісній та промисловій воді
Корозія в хлоридних середовищах
Корозія в кислому середовищі
Корозія в лужних середовищах
Корозія в газах та вихлопних газах
Корозія в каналізаційних та каналізаційних системах
Корозія в хімічному та нафтохімічному середовищі

Пов'язані теми

CPT – критична температура точкової корозії нержавіючих сталей та нікелевих сплавів
PREN – індекс стійкості до точкової корозії нержавіючої сталі
CCT – Критична температура щілинної корозії нержавіючих сталей та нікелевих сплавів