電偶腐蝕－原因、機制和預防

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電偶腐蝕，又稱接觸腐蝕、雙金屬腐蝕或雙金屬腐蝕，是一種電化學腐蝕，當兩種不同的金屬或合金相互電接觸並同時浸入導電環境（即電解質）中時就會發生。

在這種情況下，它就產生了 原電池一種材料成為陽極並發生加速腐蝕，而另一種材料則作為陰極並受到保護。電偶腐蝕在各種材料製成的結構中都十分常見，尤其是在水處理、化學、海洋、能源和建築設施中，以及不銹鋼與碳鋼、鋁、銅或其他金屬的連接處。

什麼是電偶腐蝕？

電偶腐蝕是由於兩種不同金屬材料之間存在電化學電位差而引起的。
如果材料是：

• 電氣連接，
• 同時它們也會與電解液接觸。

它們之間可以開始流動。
具有更活躍電位的金屬會變成 陽極 並發生加速溶解。
金屬變得更貴金屬。 陰極 而且其腐蝕程度有限。

電偶腐蝕發生的條件

典型的電偶腐蝕要發生，必須滿足三個基本條件：

如果這些條件中的任何一個被消除，原電池的運作就會中斷。

原電池的工作原理是什麼？

在兩種不同金屬組成的系統中，一種材料成為陽極，另一種材料成為陰極。
金屬氧化過程發生在陽極：
M → Mⁿ⁺ + ne ^-
金屬原子以離子的形式進入電解液。這代表著物質的實際損失。
電子通過金屬結流向陰極，在那裡發生還原反應。

有效：

• 陽極腐蝕速度更快。
• 陰極受到保護。

電解質可能是什麼？

電解液不必是強酸或強化學溶液。

實際上，以下方法可能就足夠了：

• 海水，
• 自來水，
• 技術水，
• 雨水，
• 大氣濕度
• 冷凝液，
• 鹽溶液
• 濕潤的土壤，
• 化學環境。

一種特別有效的電解質是含有溶解鹽的水。
因此，電偶腐蝕問題在海洋環境和氯化物存在的情況下尤其重要。

金屬的電化學序列

可根據以下幾點粗略評估對電偶腐蝕的敏感度： 電化學序列 特定於特定環境。
位於該系列中活性較高的金屬更傾向於作為陽極。
較貴重的材料更傾向於表現為陰極。
例如，可以如下簡化顯示海洋環境中物質的分佈：

這是一份範例清單。 材料在電化學序列中的位置取決於環境及其表面狀況。
因此，不應將電化學序列視為適用於所有情況的通用表格。

不銹鋼和碳鋼

不銹鋼和普通碳鋼之間是一種非常常見的連接方式。
在許多環境下，惰性不銹鋼比碳鋼更具優勢。
將兩種材料在電解質存在下混合後：

• 不銹鋼可以當作陰極，
• 碳鋼會變成陽極，腐蝕速度更快。

但這並不意味著不銹鋼和碳鋼的每種組合都會自動導致嚴重的腐蝕。
同樣重要的是：

• 環境類型
• 電解質電導率
• 兩種材料的表面積比，
• 潤濕時間，
• 溫度，
• 結構的幾何形狀。

不銹鋼和鋁

鋁和不銹鋼的組合需要特別注意。
在許多環境下，處於鈍化狀態的不銹鋼比鋁更具優勢。
如果鋁與不銹鋼電連接並形成電解質，則鋁可以成為陽極。
以下情況風險尤其高：

• 海洋環境
• 道路鹽的存在
• 恆定濕度條件
• 結構中大面積為不銹鋼，小面積為鋁。

此類連接中通常會使用電絕緣材料。

不銹鋼和銅

不銹鋼和銅可以在同一裝置中使用，但應針對特定環境評估電化學反應的可能性。
在導電的水中，物質之間的電位差會導致原電池的形成。
最重要的是：

• 水的成分
• 溫度，
• 導電性
• 材料的表面積比
• 流動條件。

陽極與陰極表面積比

決定電偶腐蝕速率最重要的因素之一是 陰極表面積與陽極表面積之比.
情況尤其危險：
小陽極 + 大陰極
較大的陰極表面積可以維持顯著的陰極反應，而陽極溶解過程則集中在一個較小的區域內。
這會導致極高的陽極電流密度，並可能導致活性較低的金屬快速局部破壞。

小陽極和大陰極——範例

想像一下，一小塊碳鋼連接到一大塊不銹鋼表面。
如果結構被電解液潤濕：

• 碳鋼可以作為陽極，
• 不銹鋼可以作為大型陰極。

整個陽極加工過程隨後集中在一小塊碳鋼上。
與完全由碳鋼製成的部件相比，腐蝕速度可能會快得多。

大陽極和小陰極

以下安排更為有利：
大陽極 + 小陰極
陽極電流隨後分佈在一個較大的表面上。
陽極單位面積的腐蝕電流密度較低，因此局部腐蝕速率可以低得多。

例如—鋼結構中的不銹鋼螺絲

安裝在大型碳鋼部件中的小型不銹鋼螺絲通常會形​​成更有利的表面積比：

• 小陰極 – 不鏽鋼螺絲，
• 大型陽極－碳鋼結構。

反過來則可能更加危險。
連接到大面積不銹鋼表面的小型碳鋼元件可能會發生非常嚴重的電偶腐蝕。

保護塗層受損和電偶腐蝕

當一種不太優良的材料被保護塗層覆蓋，但塗層局部受損時，就會出現特別危險的情況。
如果一小塊裸露的材料成為大面積陰極表面的陽極，腐蝕可能會集中在損壞點。
因此，在不同金屬體系中應用保護塗層的方法需要仔細考慮。

鋼材鍍鋅－利用電化學現象

電流現象並非總是不利的。
可用於保護金屬。
一個經典的例子是 鍍鋅鋼.
鋅的電化學活性比鋼高。
如果鋅塗層局部受損，鋅可能會充當陽極，而不是裸露的鋼材腐蝕。
這就是所謂的 犧牲保護.

犧牲陽極

電流現像也用於陰極保護。
將電化學活性更高的金屬連接到受保護的結構上，並故意使其腐蝕。
使用的陽極材料包括但不限於以下幾種：

• 鋅
• 鎂，
• 鋁。

這種陽極被稱為 犧牲陽極 或電化學陽極。
它們主要用於保護：

• 船體，
• 管道，
• 坦克，
• 海洋結構物
• 地下鋼結構設施。

兩種不同等級的不銹鋼會發生電偶腐蝕嗎？

兩種不同等級不銹鋼的組合不一定會造成嚴重的電偶腐蝕。
如果兩種材料都處於鈍化狀態，並且在給定的環境中具有相似的電位，則電位差可能很小。
因此，諸如此類的連接包括：

• 304L 和 316L，
• 316L 和 904L，
• 316L 帶雙聯 2205

在許多環境下均可正常運行，不會有嚴重的電化學問題。
但是，始終應該根據實際運行情況來評估形勢。

不銹鋼的活性和鈍化狀態

對於不銹鋼而言，表面狀況尤其重要。
處於鈍化狀態的不銹鋼表面覆蓋著一層鈍化層，表現出相對較高的電化學電位。
如果鈍化層被破壞，材料局部活性增強，其電化學行為會顯著改變。
因此，在評估電偶腐蝕風險時，僅僅知道鋼材牌號或編號是不夠的。

電位差是否足以預測腐蝕速率？

聶。
材料間較大的電位差表示可能發生電偶腐蝕，但這本身並不能決定電偶腐蝕的實際速率。
同樣重要的是：

• 陰極反應動力學，
• 材料的極化，
• 電解質電導率
• 溫度，
• 獲得氧氣的機會
• 陰極和陽極表面積比，
• 元素之間的距離
• 結構的幾何形狀。

因此，簡單的位能表不應成為選擇材料的唯一依據。

電解質電導率的影響

環境的導電性越強，電流就越容易在原電池中流動。
因此，它尤其危險。 海水由於其溶解鹽含量高，因此是一種良好的電解質。
在電導率很低的水中，電偶相互作用可能會弱得多，而且空間範圍也更有限。

海水中的電偶腐蝕

海洋環境為原電池的形成創造了非常好的條件。
以下事件同時發生在那裡：

• 高電解質電導率，
• 氯化物，
• 與水持續或週期性接觸，
• 大量不同的建築材料。

因此，在海洋結構中，接觸的可能性需要特別仔細的分析：

• 不銹鋼與碳鋼
• 不銹鋼與鋁
• 含銅及其合金的鋼
• 各種鋁合金，
• 各種等級的不銹鋼。

如何防止電偶腐蝕？

減少電偶腐蝕最重要的方法有：

• 避免不同金屬的不利組合，
• 在給定環境下選擇具有最相似電化學電位的材料，
• 各種金屬的電氣隔離
• 使用墊圈、襯套和絕緣墊片，
• 限制結構與電解質的接觸，
• 使用合適的防護塗層，
• 避免採用小陽極-大陰極配置，
• 連接件的合理設計
• 採用陰極保護，
• 使用犧牲陽極。

各種金屬的電絕緣

防止電偶腐蝕最有效的方法之一是中斷不同材料之間的電接觸。
除其他方法外，還可以使用以下方法：

• 絕緣墊片
• 塑膠襯套，
• 絕緣墊片
• 非導電塗層，
• 由絕緣材料製成的間隔物。

如果金屬之間無法流動電子，經典的原電池就無法正常運作。

電偶腐蝕和縫隙腐蝕

電偶腐蝕和縫隙腐蝕是不同的腐蝕機制，但它們可以同時發生。

電偶腐蝕和點蝕

電偶腐蝕與點蝕也不是同一種現象。
點蝕可能發生在一種材料上，這是由於鈍化層局部受損所致，尤其是在氯化物存在的情況下。
電偶腐蝕是由於各種電連接材料在電解質存在下發生電化學相互作用而引起的。
然而，在實際設計中，這兩種機制可以同時發生。

最常見的設計錯誤

看似微小的設計錯誤往往會導致電偶腐蝕問題。
Należą do nich:

• 在海洋環境下將鋁直接連接到不銹鋼上
• 採用小尺寸碳鋼元件搭配大面積不鏽鋼元件，
• 不同金屬之間沒有電絕緣。
• 設計蓄水區，
• 保護塗層受損
• 使用不合適的緊固件，
• 未能考慮實際運轉條件。

電偶腐蝕－最重要的結論

當……時，就會發生電偶腐蝕。 兩種不同的金屬材料處於電接觸狀態，並且同時處於電解質環境中。.
活性較高的材料成為陽極，並發生加速腐蝕，而惰性​​較高的材料則作為陰極。
該系統尤其危險。 小陽極 – 大陰極因為腐蝕過程集中在陽極材料的一小塊區域內。
設計不銹鋼連接件時，應特別注意與鋁、碳鋼、銅和其他金屬的接觸。
風險不僅取決於連接材料的類型，還取決於 它們的表面積比、電解質類型、溫度、環境電導率和結構幾何形狀.
限制電偶腐蝕最有效的方法是正確選擇材料、中斷電接觸、限制電解液的接觸、合理設計陽極和陰極的表面積比。

腐蝕可透過多種機制發生，具體取決於材料、環境和運作條件。了解其他類型的腐蝕：

鋼鐵和金屬的腐蝕類型

鋼和金屬的均勻腐蝕
不銹鋼的點蝕
不銹鋼縫隙腐蝕
不銹鋼的晶間腐蝕
應力腐蝕開裂 (SCC)
電偶腐蝕
侵蝕性腐蝕
空化腐蝕
腐蝕疲勞
微動腐蝕
微生物腐蝕 (MIC)
高溫腐蝕

根據環境對腐蝕進行分類

海洋腐蝕－海水中鋼鐵和金屬的腐蝕
大氣腐蝕
地面腐蝕
淡水和工業水中的腐蝕
氯化物環境中的腐蝕
酸性環境中的腐蝕
鹼性環境下的腐蝕
氣體和廢氣中的腐蝕
污水和下水道系統的腐蝕
化學和石油化學環境中的腐蝕

相關主題

CPT－不銹鋼和鎳合金的臨界點蝕溫度
PREN – 不銹鋼抗點蝕指數
CCT – 不銹鋼和鎳合金的臨界縫隙腐蝕溫度