Ăn mòn điện hóa – nguyên nhân, cơ chế và biện pháp phòng ngừa

Tải xuống mô tả dưới dạng PDF

Ăn mòn điện hóa, còn được gọi là ăn mòn tiếp xúc, ăn mòn lưỡng kim loại , là một dạng ăn mòn điện hóa xảy ra khi hai kim loại hoặc hợp kim khác nhau tiếp xúc điện với nhau và đồng thời được nhúng trong môi trường dẫn điện, tức là chất điện giải.

Trong những điều kiện như vậy, nó được tạo ra. pin điện hóaMột vật liệu trở thành cực dương và bị ăn mòn nhanh hơn, trong khi vật liệu kia đóng vai trò là cực âm và được bảo vệ. Ăn mòn điện hóa là hiện tượng đáng kể trong các cấu trúc được làm từ nhiều loại vật liệu khác nhau, đặc biệt là trong các công trình thuộc lĩnh vực nước, hóa chất, hàng hải, năng lượng và xây dựng, cũng như trong các mối nối giữa thép không gỉ và thép cacbon, nhôm, đồng hoặc các kim loại khác.

Ăn mòn điện hóa là gì?

Ăn mòn điện hóa xảy ra do sự chênh lệch điện thế giữa hai vật liệu kim loại khác nhau.
Nếu các vật liệu là:

• được kết nối điện,
• Đồng thời, chúng sẽ tiếp xúc với chất điện giải.

Dòng điện có thể bắt đầu chảy giữa chúng.
Kim loại có điện thế hoạt động mạnh hơn sẽ trở thành cực dương và trải qua quá trình hòa tan nhanh.
Kim loại trở nên quý hơn. cực âm và khả năng chống ăn mòn của nó bị hạn chế.

Các điều kiện dẫn đến ăn mòn điện hóa

Để hiện tượng ăn mòn điện hóa điển hình xảy ra, ba điều kiện cơ bản phải được đáp ứng:

Nếu một trong những điều kiện này bị loại bỏ, hoạt động của pin điện hóa sẽ bị gián đoạn.

Pin điện hóa hoạt động như thế nào?

Trong một hệ thống gồm hai kim loại khác nhau, một kim loại trở thành cực dương và kim loại kia trở thành cực âm.
Quá trình oxy hóa kim loại diễn ra tại cực dương:
M → Mⁿ⁺ + ne^-
Các nguyên tử kim loại đi vào chất điện giải dưới dạng ion. Điều này thể hiện sự mất mát vật chất thực sự.
Các electron di chuyển qua mối nối kim loại đến cực âm, nơi diễn ra các phản ứng khử.

Có hiệu lực:

• Anode bị ăn mòn nhanh hơn.
• Cực âm được bảo vệ.

Chất điện giải có thể là gì?

Chất điện giải không nhất thiết phải là axit mạnh hoặc dung dịch hóa chất đậm đặc.

Trên thực tế, những điều sau đây có thể là đủ:

• nước biển,
• nước máy,
• nước công nghệ,
• nước mưa,
• hơi ẩm trong khí quyển,
• nước ngưng tụ,
• dung dịch muối,
• đất ẩm,
• môi trường hóa học.

Nước có chứa các muối hòa tan là một chất điện giải đặc biệt hiệu quả.
Do đó, vấn đề ăn mòn điện hóa đặc biệt quan trọng trong môi trường biển và khi có mặt các clorua.

Dãy điện hóa của kim loại

Khả năng bị ăn mòn điện hóa có thể được đánh giá sơ bộ dựa trên các yếu tố sau: chuỗi điện hóa Đặc thù cho một môi trường cụ thể.
Các kim loại ở phía hoạt động mạnh hơn của dãy này có xu hướng hoạt động như cực dương nhiều hơn.
Các vật liệu có tính chất quý hơn có xu hướng hoạt động như một cực âm mạnh hơn.
Một ví dụ, cách bố trí đơn giản các vật liệu trong môi trường biển có thể được trình bày như sau:

Đây chỉ là danh sách mang tính chất tham khảo. Vị trí của một vật liệu trong dãy điện hóa phụ thuộc vào môi trường và điều kiện bề mặt của nó.
Do đó, dãy điện hóa không nên được coi là một bảng duy nhất có giá trị trong mọi điều kiện.

Thép không gỉ và thép cacbon

Một mối liên hệ rất phổ biến là giữa thép không gỉ và thép cacbon thông thường.
Trong nhiều môi trường, thép không gỉ thụ động có tính chất bền bỉ hơn thép cacbon.
Sau khi kết hợp cả hai vật liệu với sự có mặt của chất điện giải:

• Thép không gỉ có thể đóng vai trò là cực âm.
• Thép cacbon có thể trở thành cực dương và bị ăn mòn nhanh hơn.

Điều này không có nghĩa là mọi sự kết hợp giữa thép không gỉ và thép cacbon đều tự động dẫn đến hiện tượng ăn mòn nghiêm trọng.
Những yếu tố quan trọng khác bao gồm:

• loại môi trường,
• độ dẫn điện của chất điện giải,
• tỷ lệ diện tích bề mặt của cả hai vật liệu,
• thời gian làm ướt,
• nhiệt độ,
• Hình học của cấu trúc.

Thép không gỉ và nhôm

Sự kết hợp giữa nhôm và thép không gỉ đòi hỏi sự chú ý đặc biệt.
Trong nhiều môi trường, thép không gỉ ở trạng thái thụ động có tính chất cao hơn nhiều so với nhôm.
Nếu nhôm được nối điện với thép không gỉ và tạo thành chất điện phân, nhôm có thể trở thành cực dương.
Nguy cơ đặc biệt cao trong các trường hợp sau:

• môi trường biển,
• sự hiện diện của muối rải đường,
• điều kiện độ ẩm không đổi,
• Các cấu trúc có bề mặt lớn bằng thép không gỉ và bề mặt nhỏ bằng nhôm.

Các vật liệu cách điện thường được sử dụng trong các mối nối như vậy.

Thép không gỉ và đồng

Thép không gỉ và đồng có thể được sử dụng trong cùng một hệ thống lắp đặt, nhưng cần đánh giá khả năng tương tác điện hóa tùy thuộc vào môi trường cụ thể.
Trong nước dẫn điện, hiệu điện thế giữa các vật liệu có thể dẫn đến sự hình thành pin điện hóa.
Điều quan trọng nhất là:

• thành phần nước,
• nhiệt độ,
• độ dẫn điện,
• tỷ lệ diện tích bề mặt của vật liệu,
• điều kiện dòng chảy.

Tỷ lệ diện tích bề mặt cực dương so với cực âm

Một trong những yếu tố quan trọng nhất quyết định tốc độ ăn mòn điện hóa là tỷ lệ diện tích bề mặt catốt so với diện tích bề mặt anốt.
Tình hình đặc biệt nguy hiểm:
cực dương nhỏ + cực âm lớn
Diện tích bề mặt catốt lớn có thể duy trì phản ứng catốt đáng kể, trong khi quá trình hòa tan anot tập trung ở một khu vực nhỏ.
Điều này gây ra mật độ dòng điện anot rất cao và có thể dẫn đến sự phá hủy nhanh chóng, cục bộ của kim loại kém quý hơn.

Ví dụ: Anode nhỏ và catốt lớn

Hãy tưởng tượng một mảnh thép cacbon nhỏ được gắn vào một bề mặt lớn bằng thép không gỉ.
Nếu cấu trúc được làm ướt bằng chất điện giải:

• Thép cacbon có thể trở thành cực dương.
• Thép không gỉ có thể hoạt động như một cực âm lớn.

Toàn bộ quy trình anot sau đó được tập trung vào một diện tích nhỏ của thép cacbon.
Quá trình ăn mòn có thể diễn ra nhanh hơn nhiều so với trường hợp linh kiện được làm hoàn toàn bằng thép cacbon.

Anode lớn và catốt nhỏ

Cách bố trí sau đây có nhiều ưu điểm hơn:
cực dương lớn + cực âm nhỏ
Dòng điện cực dương sau đó được phân bố trên một bề mặt rộng.
Mật độ dòng điện ăn mòn trên mỗi đơn vị diện tích của cực dương thấp hơn, do đó tốc độ ăn mòn cục bộ có thể thấp hơn nhiều.

Ví dụ – ốc vít bằng thép không gỉ trong kết cấu thép

Một con vít nhỏ bằng thép không gỉ được gắn vào một chi tiết lớn bằng thép cacbon thường tạo ra tỷ lệ diện tích bề mặt tiếp xúc tốt hơn:

• Cực âm nhỏ – vít bằng thép không gỉ,
• Anode lớn – kết cấu thép carbon.

Tình huống ngược lại có thể nguy hiểm hơn nhiều.
Một chi tiết thép cacbon nhỏ được gắn vào một bề mặt thép không gỉ có diện tích lớn có thể bị ăn mòn điện hóa rất mạnh.

Hư hỏng lớp phủ bảo vệ và ăn mòn điện hóa

Một tình huống đặc biệt nguy hiểm có thể xảy ra khi một vật liệu kém bền được phủ một lớp bảo vệ, nhưng lớp phủ đó bị hư hại cục bộ.
Nếu một mảnh vật liệu nhỏ bị hở trở thành cực dương của một bề mặt cực âm lớn, sự ăn mòn có thể tập trung tại điểm hư hỏng.
Do đó, phương pháp ứng dụng lớp phủ bảo vệ trong các hệ thống kim loại khác nhau cần được xem xét cẩn thận.

Mạ kẽm thép – sử dụng hiện tượng điện hóa

Hiện tượng điện hóa không phải lúc nào cũng có hại.
Nó có thể được dùng để bảo vệ kim loại.
Một ví dụ điển hình là thép mạ kẽm.
Kẽm có hoạt tính điện hóa cao hơn thép.
Nếu lớp mạ kẽm bị hư hại cục bộ, kẽm có thể hoạt động như một cực dương và bị ăn mòn thay vì phần thép tiếp xúc.
Đây là cái gọi là sự bảo vệ hy sinh.

Anode hy sinh

Hiện tượng điện hóa cũng được sử dụng trong bảo vệ catốt.
Một kim loại có hoạt tính điện hóa cao hơn được gắn vào cấu trúc được bảo vệ và được cố ý ăn mòn.
Ngoài các loại điện cực dương khác, người ta còn sử dụng các loại sau:

• kẽm,
• magie,
• nhôm.

Các cực dương như vậy được gọi là cực dương hy sinh hoặc cực dương mạ điện.
Chúng được sử dụng, trong số những mục đích khác, để bảo vệ:

• thân tàu,
• đường ống,
• xe tăng,
• các công trình biển,
• Các công trình thép ngầm.

Liệu hai loại thép không gỉ khác nhau có gây ra hiện tượng ăn mòn điện hóa không?

Việc kết hợp hai loại thép không gỉ khác nhau không nhất thiết gây ra hiện tượng ăn mòn điện hóa đáng kể.
Nếu cả hai vật liệu đều ở trạng thái thụ động và có điện thế tương tự nhau trong một môi trường nhất định, thì hiệu điện thế có thể nhỏ.
Do đó, các mối liên hệ như sau:

• 304L với 316L,
• 316L với 904L,
• 316L với cửa sổ đôi 2205

có thể hoạt động mà không gặp các vấn đề điện hóa nghiêm trọng trong nhiều môi trường.
Tuy nhiên, tình hình luôn cần được đánh giá dựa trên điều kiện hoạt động thực tế.

Trạng thái chủ động và thụ động của thép không gỉ

Đối với thép không gỉ, điều kiện bề mặt có tầm quan trọng đặc biệt.
Thép không gỉ ở trạng thái thụ động được phủ một lớp thụ động và thể hiện điện thế điện hóa tương đối cao.
Nếu lớp thụ động bị phá hủy và vật liệu trở nên hoạt động cục bộ, hành vi điện hóa của nó có thể thay đổi đáng kể.
Do đó, khi đánh giá rủi ro ăn mòn điện hóa, chỉ biết tên hoặc số hiệu của mác thép là chưa đủ.

Liệu hiệu điện thế có đủ để dự đoán tốc độ ăn mòn không?

Không.
Sự chênh lệch điện thế lớn giữa các vật liệu cho thấy khả năng xảy ra ăn mòn điện hóa, nhưng bản thân nó không quyết định tốc độ ăn mòn thực tế.
Những yếu tố quan trọng khác bao gồm:

• động học phản ứng catốt,
• sự phân cực của vật liệu,
• độ dẫn điện của chất điện giải,
• nhiệt độ,
• tiếp cận oxy,
• Tỷ lệ diện tích bề mặt cực âm và cực dương,
• khoảng cách giữa các phần tử,
• Hình học của cấu trúc.

Do đó, bảng điện thế đơn giản không nên là cơ sở duy nhất để lựa chọn vật liệu.

Ảnh hưởng của độ dẫn điện của chất điện giải

Môi trường càng có độ dẫn điện cao thì dòng điện càng dễ chảy trong pin điện hóa.
Do đó, nó đặc biệt nguy hiểm. nước biểnNhờ hàm lượng muối hòa tan cao, nó là một chất điện giải tốt.
Trong nước có độ dẫn điện rất thấp, tương tác điện hóa có thể yếu hơn nhiều và bị giới hạn hơn về mặt không gian.

Ăn mòn điện hóa trong nước biển

Môi trường biển tạo ra những điều kiện rất thuận lợi cho sự hình thành các tế bào điện hóa.
Những sự việc sau đây xảy ra đồng thời tại đó:

• độ dẫn điện cao của chất điện giải,
• clorua,
• tiếp xúc thường xuyên hoặc định kỳ với nước,
• Một số lượng lớn các vật liệu xây dựng khác nhau.

Do đó, trong các công trình biển, khả năng tiếp xúc được phân tích đặc biệt kỹ lưỡng:

• thép không gỉ với thép carbon,
• thép không gỉ với nhôm,
• thép với đồng và hợp kim của nó,
• các loại hợp kim nhôm khác nhau,
• các loại thép không gỉ khác nhau.

Làm thế nào để ngăn ngừa ăn mòn điện hóa?

Các phương pháp quan trọng nhất để giảm ăn mòn điện hóa là:

• tránh kết hợp không thuận lợi giữa các kim loại khác nhau,
• Lựa chọn các vật liệu có điện thế điện hóa tương tự nhau nhất trong một môi trường nhất định.
• cách điện các kim loại khác nhau,
• sử dụng vòng đệm, ống lót và miếng đệm cách điện.
• hạn chế sự tiếp xúc của cấu trúc với chất điện giải,
• sử dụng các lớp phủ bảo vệ thích hợp,
• tránh cấu hình cực dương nhỏ - cực âm lớn,
• thiết kế kết nối phù hợp,
• sử dụng bảo vệ catốt,
• sử dụng cực dương hy sinh.

Vật liệu cách điện của các kim loại khác nhau

Một trong những phương pháp hiệu quả nhất để ngăn ngừa ăn mòn điện hóa là ngắt sự tiếp xúc điện giữa các vật liệu khác nhau.
Ngoài ra, có thể sử dụng những phương pháp sau:

• tấm cách nhiệt,
• ống lót bằng nhựa,
• gioăng cách điện,
• lớp phủ không dẫn điện,
• Các miếng đệm được làm bằng vật liệu cách điện.

Nếu các electron không thể di chuyển giữa các kim loại, pin điện hóa cổ điển sẽ không thể hoạt động đúng cách.

Ăn mòn điện hóa và ăn mòn khe hở

Ăn mòn điện hóa và ăn mòn khe hở là hai cơ chế khác nhau, nhưng chúng có thể xảy ra đồng thời trong cùng một tổ hợp.

Ăn mòn điện hóa và ăn mòn rỗ

Ăn mòn điện hóa cũng không phải là hiện tượng giống với ăn mòn rỗ.
Ăn mòn rỗ có thể xảy ra trên một vật liệu do hư hại cục bộ lớp thụ động, đặc biệt là khi có mặt clorua.
Ăn mòn điện hóa là kết quả của sự tương tác điện hóa giữa các vật liệu khác nhau được kết nối điện với nhau trong môi trường chất điện giải.
Tuy nhiên, trong các thiết kế thực tế, cả hai cơ chế này có thể xảy ra đồng thời.

Những lỗi thiết kế phổ biến nhất

Những lỗi thiết kế tưởng chừng nhỏ nhặt thường dẫn đến các vấn đề ăn mòn điện hóa.
Chúng bao gồm:

• Nối trực tiếp nhôm với thép không gỉ trong môi trường biển.
• việc sử dụng các chi tiết thép cacbon nhỏ với diện tích bề mặt lớn bằng thép không gỉ,
• Không có lớp cách điện giữa các kim loại khác nhau.
• thiết kế các khu vực trữ nước,
• hư hại lớp phủ bảo vệ,
• sử dụng các loại ốc vít không phù hợp,
• Không tính đến điều kiện hoạt động thực tế.

Ăn mòn điện hóa – những kết luận quan trọng nhất

Ăn mòn điện hóa xảy ra khi Hai vật liệu kim loại khác nhau tiếp xúc điện với nhau và đồng thời có mặt chất điện giải..
Vật liệu có tính hoạt động mạnh hơn sẽ trở thành cực dương và bị ăn mòn nhanh hơn, trong khi vật liệu có tính kim loại quý hơn sẽ đóng vai trò là cực âm.
Hệ thống này đặc biệt nguy hiểm Anode nhỏ – catốt lớnVì quá trình ăn mòn tập trung vào một khu vực nhỏ của vật liệu cực dương.
Khi thiết kế các mối nối bằng thép không gỉ, cần đặc biệt chú ý đến sự tiếp xúc với nhôm, thép cacbon, đồng và các kim loại khác.
Rủi ro không chỉ phụ thuộc vào loại vật liệu được kết nối mà còn phụ thuộc vào... tỷ lệ diện tích bề mặt, loại chất điện giải, nhiệt độ, độ dẫn điện của môi trường và hình dạng cấu trúc..
Các biện pháp hiệu quả nhất để hạn chế ăn mòn điện hóa là lựa chọn vật liệu phù hợp, ngắt tiếp xúc điện, hạn chế sự tiếp xúc của chất điện giải và thiết kế tỷ lệ diện tích bề mặt cực dương và cực âm thích hợp.

Sự ăn mòn có thể xảy ra thông qua nhiều cơ chế khác nhau, tùy thuộc vào vật liệu, môi trường và điều kiện hoạt động. Tìm hiểu thêm về các loại ăn mòn khác:

Các loại ăn mòn của thép và kim loại

Sự ăn mòn đồng đều của thép và kim loại
Ăn mòn rỗ trên thép không gỉ
Ăn mòn khe hở của thép không gỉ
Ăn mòn giữa các hạt của thép không gỉ
Nứt ăn mòn do ứng suất (SCC)
Ăn mòn điện hóa
Ăn mòn do xói mòn
ăn mòn do xâm thực
Mỏi do ăn mòn
Ăn mòn do ma sát
Ăn mòn vi sinh vật (MIC)
Ăn mòn ở nhiệt độ cao

Phân loại sự ăn mòn theo môi trường

Ăn mòn trong môi trường biển – sự ăn mòn của thép và kim loại trong nước biển
Ăn mòn khí quyển
ăn mòn đất
Sự ăn mòn trong nước ngọt và nước công nghiệp
Ăn mòn trong môi trường clorua
Ăn mòn trong môi trường axit
Ăn mòn trong môi trường kiềm
Sự ăn mòn trong khí và khí thải
Sự ăn mòn trong hệ thống nước thải và cống rãnh
Sự ăn mòn trong môi trường hóa chất và hóa dầu

Các chủ đề liên quan

CPT – nhiệt độ ăn mòn rỗ tới hạn của thép không gỉ và hợp kim niken
PREN – chỉ số khả năng chống ăn mòn rỗ của thép không gỉ
CCT – Nhiệt độ ăn mòn khe hở tới hạn của thép không gỉ và hợp kim niken