Korozja galwaniczna: kiedy spotykają się różne metale

Co to jest korozja galwaniczna?

Zainstalowałeś-w swoim zakładzie chemicznym zupełnie nowy rurociąg ze stali nierdzewnej, łącząc go za pomocą mosiężnych złączek i miedzianych śrub. Wszystko na początku wyglądało idealnie. Jednak zaledwie sześć miesięcy później zauważyłeś, że miedziane elementy zmieniły kolor na zielony, mosiężne złączki były popękane, a co najgorsze, - w drogiej rurze ze stali nierdzewnej w pobliżu punktów połączeń utworzyły się dziwne wżery.

Co poszło nie tak? Odpowiedzią jest zjawisko zwane korozją galwaniczną -, jedną z najpowszechniejszych i najbardziej kosztownych form degradacji materiałów w warunkach przemysłowych. Dzieje się tak, gdy dwa różne metale są połączone elektrycznie i zanurzone w roztworze przewodzącym (takim jak woda morska, kwaśna woda, a nawet wilgotne powietrze). W prostych słowach: kiedy dwa różne metale stykają się ze sobą i zamoczą, jeden metal zaczyna tracić elektrony na rzecz drugiego. Metal, który traci elektrony, nazywany jest anodą, - ulega korozji. Metal, który przyjmuje elektrony, nazywany jest katodą, - jest chroniony.

Proces ten został nazwany na cześć Luigiego Galvaniego, włoskiego fizyka, który odkrył to zjawisko w latach osiemdziesiątych XVIII wieku. Badając żabie udka drgające pod wpływem prądu elektrycznego, przypadkowo odkrył jedną z najważniejszych zasad elektrochemii, na której inżynierowie nadal polegają.

Korozja galwaniczna (zwana także korozją bimetaliczną) to proces elektrochemiczny, w którym jeden metal koroduje preferencyjnie, gdy znajduje się w kontakcie elektrycznym z innym metalem w obecności elektrolitu. Bardziej aktywny metal (większa skłonność do korozji) staje się anodą i koroduje szybciej niż sam. Mniej aktywny metal staje się katodą i koroduje wolniej - lub wcale.

Korozja galwaniczna jest szczególnie niebezpieczna, ponieważ może powodować szybkie, zlokalizowane uszkodzenia. Podczas gdy korozja ogólna rozprzestrzenia się równomiernie na powierzchni, korozja galwaniczna atakuje jeden konkretny obszar - połączenie dwóch metali - ze skoncentrowaną intensywnością. Złącze, które powinno wytrzymać 20 lat, może ulec uszkodzeniu w ciągu 2 lat, jeśli zostaną połączone niewłaściwe metale. Branże najbardziej dotknięte to:

Inżynieria morska i offshore (woda morska jest doskonałym elektrolitem)

Zakłady przetwórstwa chemicznego i petrochemicznego

Instalacje do wytwarzania energii i odsalania

Architektura i budownictwo (różne metalowe pokrycia dachowe i systemy mocowania)

Rurociągi i systemy magazynowania ropy i gazu

Seria galwaniczna: ranking aktywności metali

Seria galwaniczna (zwana także serią EMF lub tabelą kompatybilności galwanicznej) klasyfikuje metale i stopy na podstawie ich potencjału elektrochemicznego w wodzie morskiej. Metale na górze (bardziej ujemny potencjał) są anodowe (korodują). Metale na dole (bardziej dodatni potencjał) są katodowe (będą chronione). Im większa odległość pomiędzy dwoma metalami połączonymi szeregowo, tym szybciej nastąpi korozja galwaniczna, gdy zostaną one połączone.

Oto uproszczona seria galwaniczna odnosząca się do branży stali nierdzewnej i stopów niklu:

Ttabela 1: Uproszczona seria galwaniczna w wodzie morskiej (odniesienie do nasyconej elektrody kalomelowej) - Źródło: Dane dotyczące korozji ASTM G82 i NACE

Praktyczna zasada:Wybierając pary metali, wybierz metale, które sąsiadują ze sobą w szeregu galwanicznym (w promieniu 100 mV od siebie), aby zminimalizować ryzyko korozji galwanicznej. Odległość większa niż 300 mV wskazuje na kombinację-wysokiego ryzyka.

Cztery kluczowe czynniki przyspieszające korozję galwaniczną

Rola elektrolitu

Elektrolit to ciecz lub wilgoć, która przewodzi jony pomiędzy anodą i katodą. Im bardziej przewodzący jest elektrolit, tym szybciej postępuje korozja galwaniczna. Woda morska jest najbardziej agresywnym elektrolitem -, a jej wysokie zasolenie (około 3,5% soli) czyni ją doskonałym przewodnikiem. Dlatego środowiska morskie są najbardziej wymagające w przypadku połączeń z różnych metali. Inne powszechnie stosowane elektrolity to: woda słodka (umiarkowana przewodność), roztwory kwaśne (silnie przewodzące i powodujące korozję), wilgotne powietrze (tworzy cienką warstwę elektrolitu) i beton (alkaliczna woda porowa przyspiesza osadzoną korozję stali).

Stosunek powierzchni

Względne pola powierzchni anody i katody mają ogromne znaczenie. Mała anoda połączona z dużą katodą to niebezpieczne połączenie. Dlaczego? Ponieważ ta sama ilość prądu korozyjnego jest rozprowadzana na mniejszym obszarze anody, powodując bardziej skoncentrowane i szybkie uszkodzenia.

I odwrotnie, duża anoda z małą katodą rozprzestrzenia korozję na większym obszarze, zmniejszając stopień uszkodzeń. Przykład: mała śruba (katoda) ze stali nierdzewnej wkręcona w dużą płytkę aluminiową (anodę) powoduje szybką korozję aluminium na styku gwintu. Jednak duża cynkowa anoda protektorowa przymocowana do stalowej konstrukcji koroduje powoli i chroni stal przez lata.

Temperatura

Wyższe temperatury generalnie przyspieszają reakcje elektrochemiczne. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta przewodność wody, jony przemieszczają się szybciej i wzrasta szybkość korozji. Istnieje jednak godny uwagi wyjątek: w niektórych systemach pasywowanej stali nierdzewnej szybkość korozji może spaść w bardzo wysokich temperaturach ze względu na zmiany w stabilności warstwy tlenku. Zawsze zapoznaj się z arkuszem danych materiału, aby poznać zachowanie-w specyficznej temperaturze.

Konstrukcja mechaniczna i wpływ mikrobiologiczny

Zła konstrukcja mechaniczna może zatrzymywać wilgoć i tworzyć szczeliny, w których gromadzi się elektrolit. Te strefy korozji szczelinowej stają się-samonapędzające się,- a elektrolit wewnątrz staje się z czasem coraz bardziej stężony i powoduje korozję. Ponadto korozja mikrobiologiczna (MIC) może przyspieszyć atak galwaniczny, gdy w szczelinach tworzą się kolonie bakterii, tworząc miejscowe środowisko kwaśne.

Studia przypadków w przemyśle metalowym

Awaria morskiego wymiennika ciepła

W przybrzeżnej instalacji odsalania zastosowano rury tytanowe w płaszczu ze stopu miedzi-niklu (Cu-Ni). Chociaż oba materiały wybrano ze względu na ich odporność na wodę morską, pomiędzy tytanem i Cu-Ni utworzyła się para galwaniczna. W ciągu 18 miesięcy w powłoce Cu-Ni rozwinęła się silna korozja żłobkowa na styku arkusza rury. Podstawowa przyczyna: tytan jest znacznie bardziej katodowy niż Cu-Ni w wodzie morskiej (+200 mV vs +50 mV), tworząc silną galwaniczną siłę napędową. Rozwiązanie: zainstalowanie-przewodzącej uszczelki pomiędzy ścianą sitową a płaszczem przerwało obwód elektryczny i wyeliminowało parę galwaniczną.

Incydent ze zbiornikiem chemikaliów

Zakład chemiczny wykorzystywał zbiornik ze stali nierdzewnej 316L do przechowywania roztworu kwasu solnego (HCl). Zbiornik został wyposażony w nogi podporowe ze stali węglowej. Kwaśny elektrolit z roztworu HCl wypełnił połączenie pomiędzy stalą węglową (anoda) a stalą nierdzewną 316L (katoda). Nogi ze stali węglowej skorodowały w ciągu zaledwie 8 miesięcy, stwarzając poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa. Rozwiązanie: wymiana nóg ze stali węglowej na wsporniki ze stali nierdzewnej 316L i dodanie powłoki ochronnej w celu odizolowania wszelkich pozostałych elementów ze stali węglowej rozwiązało problem.

Historia rurociągu podmorskiego

Na morskiej platformie wiertniczej zastosowano kołnierze z superaustenitycznej stali nierdzewnej 254 SMO połączone śrubami Hastelloy C-276 w środowisku pracy z wodą morską. Na pierwszy rzut oka oba są stopami-bardzo odpornymi na korozję. Jednakże 254 SMO znajduje się wyżej w szeregu galwanicznym niż Hastelloy C-276, co czyni 254 SMO anodą. Śruby Hastelloy C-276 (katoda) zostały zabezpieczone, ale drogie kołnierze 254 SMO uległy selektywnej korozji na stykach otworów na śruby. Rozwiązanie: przejście na połączenie śrubowe ze stopu 625 (galwanicznie bliższego 254 SMO) zatrzymało korozję i wydłużyło żywotność o około 15 lat.

Jak zapobiegać korozji galwanicznej?

Strategia wyboru materiału

Najskuteczniejsza strategia zapobiegania zaczyna się już na etapie projektowania. Skorzystaj z następujących ram decyzyjnych:

Tabela 2: Wytyczne dotyczące oceny i działania ryzyka galwanicznego - Na podstawie norm NACE SP0177 i ASTM G82

Izolacja i izolacja

Instalowanie-materiałów nieprzewodzących pomiędzy różnymi metalami jest jedną z najbardziej skutecznych i ekonomicznych metod zapobiegania. Typowe rozwiązania obejmują:

Podkładki termoplastyczne (nylon, PTFE/teflon) pomiędzy kołnierzami

Gumowe uszczelki na złączach rur

Nieprzewodzące wieszaki i zaciski do rur-

Powłoki epoksydowe lub polimerowe na jednej lub obu powierzchniach metalowych

Złączki dielektryczne w instalacjach rurowych

Ochrona katodowa

W przypadku konstrukcji zakopanych lub zanurzonych ochrona katodowa jest-standardowym rozwiązaniem branżowym. Stosowane są dwa podejścia:

System anod protektorowych: przymocuj do konstrukcji bardziej aktywny metal (cynk, magnez lub stop aluminium). Anoda protektorowa koroduje zamiast chronionej konstrukcji. Powszechnie spotykane w przypadku platform wiertniczych, zbiorników na wodę i rurociągów podziemnych.

System prądu pod wrażeniem: Użyj zewnętrznego źródła zasilania, aby przyłożyć ochronny prąd stały do ​​konstrukcji, przesuwając ją do stanu katodowego (chronionego). Stosowany do dużych konstrukcji, takich jak kadłuby statków i rurociągi o dużej-średnicy.

Zasady projektowania

Dobry projekt może wyeliminować korozję galwaniczną bez użycia specjalnych materiałów. Kluczowe zasady:

Unikaj małych anod sąsiadujących z dużymi katodami. - używaj dużych anod protektorowych lub powierzchni równoważących.

Projekt drenażu: Upewnij się, że woda nie gromadzi się na metalowych złączach.

Pozwól na kontrolę: Nie zakopuj różnych połączeń metalowych w niedostępnych miejscach.

Jeśli to możliwe, używaj materiałów-tej samej rodziny: śruby ze stali nierdzewnej z kołnierzami ze stali nierdzewnej.

Nakładaj powłoki-do zastosowań morskich (epoksydowe, poliuretanowe lub aluminium natryskiwane termicznie) na elementy ze stali węglowej w środowisku morskim.

Przewodnik doboru materiałów dla użytkowników stali nierdzewnej i stopów niklu

Dla profesjonalistów pracujących zstal nierdzewnai produktów ze stopów niklu, poniższa tabela zawiera praktyczne wskazówki dotyczące łączenia w oparciu o doświadczenie branżowe i dane dotyczące korozji:

Tabela 3: Przewodnik doboru materiałów do zastosowań przemysłowych - Do stosowania jako ogólne wytyczne; Zawsze konsultuj się ze specjalistą ds. materiałów, aby uzyskać szczegółowe informacje na temat warunków świadczenia usług

Streszczenie

Tabela 4: Najważniejsze wnioski z tego artykułu

Wniosek

Korozja galwaniczna jest zjawiskiem przewidywalnym, możliwym do uniknięcia i kontrolowanym. Nie musi to być tajemnica ani nieuniknione zagrożenie. Rozumiejąc serię galwaniczną, znając swoje środowisko, stosując zasady inteligentnego projektowania i wybierając kompatybilne kombinacje materiałów, możesz znacznie wydłużyć żywotność swojego sprzętu i zmniejszyć kosztowne awarie.

Na Jinie Technology (Jiangsu) Co., Ltd., mamy ponad 15-letnie doświadczenie w pomaganiu klientom w wyborze odpowiednich materiałów do wymagających zastosowań. Nasz zespół techniczny rozumie niuanse kompatybilności galwanicznej w środowisku wody morskiej, kwaśnym i-o wysokiej temperaturze. Niezależnie od tego, czy potrzebujesz rur ze stali nierdzewnej 316L, złączek Hastelloy C276 czy kołnierzy super duplex, zapewniamy nie tylko produkty -, ale także wiedzę specjalistyczną, która gwarantuje ich niezawodne działanie w określonych warunkach pracy.

Jeśli masz konkretne wyzwanie materiałowe lub potrzebujesz wskazówek technicznych dotyczących doboru materiałów do środowiska korozyjnego, nasi inżynierowie Ci pomogągotowy do pomocy.

Skontaktuj się z nami:Market@jnalloy.com|+86 1933 990 0211|www.jnalloys.com