Elektroķīmiskā korozija

Korozija jau izsenis ir viena no visbiežāk sastopamajām problēmām metālu konstrukcijās. Korozijas risku neizvērtēšana projektēšanas procesā var radīt virkni problēmu nākotnē, ekspluatējot un apkopjot visa veida iekārtas un strukturālas inženierbūves. 

Koroziju pēc tās izcelsmes cēloņiem un procesa norises var iedalīt divās grupās no kurām viena ir ķīmiskā korozija. Tā notiek metāla virsmai tieši reaģējot ar agresīvo aktīvo vidi, bez elektrolīta klātbūtnes. Normālos apstākļos (zemās temperatūrās) šīs korozijas ātrums nav liels. Pret to metāliskos elementus ir iespējams pasargāt, lietojot virsmas aizsardzības metodes – cinkošanu, krāsošanu, utml.

Šajā rakstā gan vairāk pievērsīsimies otra korozijas veida – elektroķīmiskās korozijas, apskatīšanai, kas ir daudz agresīvāka. Lai no tās izvairītos, jāpievērš liela uzmanība materiālu izvēlei projektēšanas procesā.

Pēc būtības elektroķīmisko koroziju vislabāk apzīmē tās otrs nosaukums – bimetālu korozija. Lai tā rastos ir jāizpildās diviem nosacījumiem:

• Saskaras divu metālu ar atšķirīgu elektrisko potenciālu virsmas;
• Saskares vietā ir klātesošs elektrolīts.

Korozijas radītās problēmas

Ir dažādi iemesli, kādēļ korozija iedzen bailes kā inženieros, tā klientos, kuru ekspluatācijā iekārta ir nodota. No inženieru skata punkta, primāri, korozija izmaina konstrukcijas strukturālo noturību, līdz ar to radot drošības riskus. No klienta puses raugoties – korozija ietekmē iekārtas vizuālo tēlu, kas ir īpaši svarīgi, teiksim, atrakciju iekārtās, ko redz ne tikai darbinieki, bet arī apmeklētāji. Kā arī, protams, kādam šie defekti ir jānovērš, tātad jātērē papildus līdzekļi iekārtu apkopjot vai remontējot.

No drošības viedokļa, bez šaubām, inženieri, aprēķinu procesā paredz vietu materiālu rezervēm, taču pēc noteikta laika korozija var izmainīt metāliska materiāla struktūru tik tālu, ka pat materiāla rezerves var tikt izsmeltas. Īpaši bīstami tas ir savienojumu vietās, jo korodējot stiprinājuma elementiem, kas, salīdzinot pret konstrukcijas gabarītiem, ir sīkas metāliskas detaļas, konstrukcija var ātri palikt nedroša.

Nepamatots ir uzskats, ka par korozijas riskiem jādomā ir tikai konstrukcijām, kas ilgstoši atrodas ārpus telpām. Protams, lietus un apkārt esošie netīrumi visagresīvāko vidi rada āra apstākļos – it īpaši piejūras reģionos. Taču korozijai labvēlīga vide var būt arī iekštelpās, teiksim noliktavās ar augstu gaisa mitruma koncentrāciju.

Katram projektam ir atsevišķas prasības pret iekārtas ilgmūžību un vizuālā stāvokļa saglabāšanos. Tomēr par korozijas novēršanu būtu jādomā arī projektējot iekārtas, kas atradīsies šķietami neagresīvā vidē. Tas tādēļ, ka gaisa mitrumam sajaucoties ar gaisā izšķīdušajām gāzēm arī veidojas elektrolīts un rada elektroķīmiskajai korozijai labvēlīgu vidi.

Elektroķīmiskās korozijas rašanās cēloņi

Elektroķīmisko koroziju dēvē arī par galvanisko koroziju vai bimetālu koroziju. Tā izpaužas vietās kur saskaras divi metāli ar dažādiem elektriskajiem potenciāliem un ir klātesošs elektrolīts.

Potenciālu starpību mēra voltos (V), un katram metālam is savs anodiskais indekss ar nominālo potenciālu. Indeksus savstarpēji salīdzinot iegūst relatīvu skalu, pēc kuras nosaka vai metaliskie elementi ir savietojami tā, lai nerastos elektroķīmiskā korozija.

Pieļaujamās potenciālu starpības ir aptuveni:

• 0.5V vidēs ar kontrolētiem apstākļiem;
• 0.25V normālos āra apstākļos;
• 0.15V koroziju veicinošās vidēs (piejūras reģioni, vietās saskarē ar mēslojumu, utt.);

Dažādu virsmas elektrisko potenciālu var radīt arī atšķirīga skābekļa koncentrācijas klātbūtne divās blakus esošās vietās uz vienas detaļas, teiksim, ja krāsotai detaļai kādā punktā tiek defektēts krāsas slānis. Šādā gadījumā defektētajā vietā veidojas metāla oksīds, taču blakus atrodas tīrs metāls – līdz ar to tas vairs nav viens, bet ir divi dažādi metāli. Elektrisko potenciālu starpība arī šajā gadījumā ir pietiekama, lai ievērojami paātrinātu detaļas stāvokļa degradēšanos.

Jo lielāka ir metālisko materiālu potenciālu starpība, jo agresīvāk notiks korozijas process katodam (tabulas apakšā) “apēdot” anodu (tabulas augšā). Zemāk pieejama tabula ar biežāk lietoto metālisko elementu izvietojumu uz relatīvas skalas. Jo tālāk tabulā viens no otra atrodas materiāli, jo lielāka ir elektrisko potenciālu starpība. Izšķiroša ietekme ir arī savienoto detaļu izmēriem. Dēļ savstarpēji kardināli atšķirīgajiem gabarītiem parasti tiek apskatīts “detaļa – stiprinājuma elements (skrūve)” savienojums, izvērtējot elektroķīmiskās korozijas riskus.

Piemēram, ja lielā katodā tiek ievietots mazs anods – anods ļoti strauji tiks degradēts. Taču ja lielā anodā tiek ievietots mazs katodisks stiprinājums, galvaniskās korozijas process būs daudz lēnāks. 

Piemērs

Nerūsējošā tērauda skrūve alumīnija konstrukcijā ļoti lēnām korodēs alumīnija detaļu. Taču alumīnija kniede nerūsējošā tērauda panelī oksidēsies un zaudēs stiprību pāris nedēļu laikā.

Izvairīšanās no elektroķīmiskās korozijas metāliskās struktūrās

Kā stūrakmeni biežāk lietoto konstruciju metālu saderības novērtēšanai var izmantot augstāk atrodamo tabulu. Jo tuvāk elementi atrodas viens otram, jo mazāka elektroķīmiskās korozijas iespēja. Ja kādā gadījumā jālieto stiprinājums no atšķirīga metāla kā bāzes materiāls, tas jāizvēlas tāds kas ir iespējami tuvāk, taču tabulā zem bāzes materiāla.

Viena no visbiežāk pieļautajām kļūdām, ko var manīt nepareizas meteriālu izvēles sakarā ir nerūsējošā tērauda detaļu stiprināšana ar cinkotām skrūvēm, tādējādi ietaupot līdzekļus uz stiprinājumiem. Taču ņemot vērā, ka no nerūsējošā tērauda bieži izgatavo detaļas, kas pilda arī kosmētisku funkciju, rezultāts sanāk neapmierinošs, jo vizuāli pievilcīga nerūsējošā tērauda detaļa ir notecējusi ar “rūsu” no cinkotajiem stiprinājumiem.

Pārsvarā no galvaniskās korozijas cenšas izvairīties stiprinot detaļas ar tāda paša metāla stiprinājumiem, kā bāzes materiāls. Teiksim:

• Karsti cinkotas detaļas stiprina ar karsti cinkotiem stiprinājumiem;
• Nerūsējošā tērauda detaļas stiprina ar nerūsējošā tērauda stiprinājumiem.

Taču gadījumos, kad no nesavietojamu metālu savstarpējas savienošanas nav iespējams izvairīties, ir vairākas opcijas, kā korozijas procesu ierobežot vai palēnināt. Dažas no tām uzskaitītas zemāk:

• Elektriski izolējot vienu materiālu no otra, piemēram, Izmantojot polimēru materiāla, teiksim – neilona, paplāksnes un starplikas, lai mehāniski atdalītu nesavietojamos metālus.
• Nepieļaujot elektrolīta nokļūšanu starp detaļām ar atšķirīgu elektrisko potenciālu. To iespējams darīt vairākos variantos:
  • Detaļu krāsošana. Ja nav iespējams krāsot abas detaļas, ieteicams krāsot detaļu, kas ir no cēlākā no diviem metāliem (tālāk uz katoda galu tabulā).
  • Izmantojot ūdeni atgrūdošus smērus, lai iekonservētu savienojuma vietu.
• Galvanizējot detaļas, kas ir tuvāk anodu galam tabulā ar cēlāku metālu pārklājumu – hroma, niķeļa, utml. 
• Galvanizējot tērauda detaļas ar cinka pārklājumu. Tādā veidā cinks noārdās pasargajot tēraudu. Šo sauc arī par “aktīvo aizsardzību”.
• Konstrukcijās, kas ir tiešā saskarē ar ūdeni var izmantot “katodisko aizsardzību”. Divu elementu savienojumā, kur abi elementi jāpasargā pret koroziju pievienojot vēl vienu anjonu, kura potenciāls ir vēl negatīvāks par pārējo abu elementu.
• Katodiskā aizsardzība var tikt izmantota arī pievienojot līdzstrāvu savienojumam, tādējādi pagriežot elektrisko plūsmu pretēji galvaniskās korozijas elektriskās plūsmas virzienam.

Neņemot vērā galvaniskās korozijas iespējamību un neietverot aizsardzības pasākumus projektēšanas procesos ir liela iespējamība, ka gala produkts ļoti ātri zaudēs gan savas stiprības gan vizuālās pievilcības īpašības.