خوردگی گالوانیک

خوردگی گالوانیک، که به عنوان خوردگی دو فلزی نیز شناخته می شود. این نوع خوردگی، یک حالت رایج از تخریب خوردگی است که در بیشتر موارد با طراحی مناسب خوردگی کاملاً قابل پیشگیری است.

تعاریف برخی سازمان ها از خوردگی گالوانیک:

کمیته بین المللی ASTM G01، خوردگی گالوانیک را  خوردگی تسریع شده فلز به دلیل تماس الکتریکی با فلز نجیب‌­تر یا رسانای غیر فلزی در محیط خورنده تعریف می­‌کند.

سازمان بین‌المللی NACE خوردگی گالوانیک را خوردگی مرتبط با جریان ناشی از اتصال الکتریکی الکترودهای متفاوت در یک الکترولیت (رسانای یونی) معرفی می‌کند.

سازمان بین المللی استاندارد (ISO) خوردگی گالوانیک را اینگونه تعریف می­‌کند: خوردگی ناشی از عملکرد سل خوردگی (ترکیبی از اتصال کوتاه الکترودهای مختلف که به صورت سری با یک رسانای یونی متصل شده اند).

سازمان‌های دیگری تعاریف خاصی برای خوردگی دارند. این سازمان‌ها شامل انجمن الکتروشیمی، انجمن آب آمریکا، انجمن شیمی آمریکا هستند.

وجه اشتراک این تعاریف این است که خوردگی گالوانیک شامل برهم کنش الکتریکی حداقل دو فلز مختلف یا رسانای غیر فلزی در محیطی است. که خوردگی حداقل یکی از آن‌ها را تسریع می‌­کند.

اطلاعات بیشتر خوردگی گالوانیک:

عوامل متداول عبارتند از فلزات غیرمشابه­، تماس الکتریکی و الکترولیت رسانا در تماس با آن­‌ها. در صورت عدم وجود هر یک از این عوامل، خوردگی گالوانیکی ایجاد نمی‌شود.

خوردگی گالوانیک، خوردگی طبیعی یک فلز را در یک الکترولیت تسریع می کند. حتی بدون خوردگی گالوانیکی، فلزات ممکن است دچار خوردگی یکنواخت، خوردگی شیاری، حفره دار شدن یا سایر انواع خوردگی شوند.

خوردگی گالوانیک بر سایر اشکال خوردگی تأثیر شتاب دهندگی دارد و در برخی موارد باعث ایجاد نوعی خوردگی می‌شود. که در غیر این صورت دیده نمی­‌شود.

کاشف خوردگی گالوانیک:

دویست سال پیش، لوئیجی گالوانی و الساندرو ولتا پدیده‌ای را که به خوردگی گالوانیک معروف است کشف کردند.

در جایی که تماس الکتریکی بین فلزات متفاوت وجود دارد که علاوه بر این با محیط رسانای مشابه (الکترولیت) در تماس هستند، فلز کمتر نجیب (آند) مورد حمله قرار می‌­گیرد.فلز دیگر، کاتد، با این محافظت می‌­شود. این اصل حفاظت کاتدی از فلزات است.

در عمل، هنگام انتخاب مصالح برای تأسیسات، قوانین استفاده از فلزات غیرمتعارف به طور مرتب نادیده گرفته می‌شود، بنابراین خوردگی گالوانیک یک پدیده خوردگی رایج است.

اگر شرایط زیر برآورده شود، خوردگی گالوانیک ممکن است رخ دهد:

• الکترولیت با هر دو فلز در تماس است

لازم نیست این الکترولیت همیشه نسبت به هر فلز تهاجمی باشد. ممکن است به شکل مقداری مایع باشد که هر دو فلز در آن غوطه ور هستند ، اما به همان اندازه یک فیلم متراکم یا یک ماده جامد مرطوب ، مانند خاک ، رسوبات نمک یا محصولات خوردگی، می تواند به عنوان یک الکترولیت عمل کند.

• یک اتصال الکتریکی بین دو فلز وجود داشته باشد

به طور کلی، این به معنای تماس فیزیکی مستقیم بین فلزات نیست. تا زمانی که جریان از فلزی به فلز دیگر عبور کند، این امر غیر ضروری است. خود اتصال لزوماً نباید در الکترولیت غوطه ور شود.

• تفاوت بالقوه کافی بین دو فلز وجود داشته باشد

تفاوت بالقوه کافی بین دو فلز وجود داشته باشد، به طوری که یک جریان گالوانیک با شدت خاصی رخ دهد.

رفتار خوردگی یک زوج دو فلزی با پتانسیل خوردگی هر فلز به طور جداگانه در الکترولیت موجود تعیین می‌شود. بر این اساس، مجموعه­‌های گالوانیکی گردآوری شده‌اند که در آن فلزات و آلیاژهای فلزی از نجیب به ناهموار در محیط معین، عموما آب دریا طبقه بندی می­‌شوند. با این حال، تفسیر این سری گالوانیک نیازمند کمی احتیاط است.

 میزان تفاوت احتمالی به هیچ وجه بر سرعت انجام واکنش­ها تأثیر نمی­گذارد زیرا این امر به عوامل دیگری بستگی دارد.

• اثر پلاریزاسیون
• ترکیب الکترولیت
• هوادهی و سرعت جریان
• نسبت سطح

با قطبی شدن هر پدیده‌ای که مانع یا بطور کامل مانع از حرکت خارجی یون‌های فلزی از آند یا الکترون­‌ها از کاتد شود، شناخته می­‌شود.

به عنوان مثال، رسوب هیدروکسید روی روی یک آند روی و تشکیل یک پوست اکسید غیر فعال بر روی فولاد ضد زنگ یا تیتانیوم که به عنوان کاتد عمل می‌­کند. جذب هیدروژن باعث قطبی شدن کاتد می‌شود.

متداول‌ترین شکل پلاریزاسیون، پلاریزاسیون غلظتی است که ناشی از افزایش غلظت یون فلز در آند یا افزایش غلظت ^–OH (افزایش pH) در کاتد است. افزایش اخیر می‌­تواند منجر به رسوب سختی شود، در نتیجه، خوردگی با تشکیل یک فیلم محافظتی از زنگ گچ  مهار می‌شود.

 در موارد اتصال گالوانیک، پلاریزاسیون واکنش احیا در کاتد غالب است.

ترکیب الکترولیت بر میزان خوردگی گالوانیک تأثیر زیادی می‌گذارد. رسانایی بالا تمایل به ترویج آن دارد، در حالی که pH پایین باعث تشکیل هیدروژن در کاتد می­‌شود.

در آب خالص (مقطر یا معدنی)، خوردگی دو فلزی به ندرت مشکلی ایجاد می‌کند. همچنین، اندازه منطقه آسیب دیده بستگی به هدایت محلول دارد.

در مجاورت سطح مشترک دو فلز، اثر خوردگی گالوانیک عموما شدیدترین است. با افزایش فاصله از این نقطه ، شدت حمله کاهش می‌یابد. در محلول‌های با رسانایی کم، خوردگی به شیار تیز در سطح مشترک محدود می‌شود.

در خوردگی گالوانیک، واکنش کاتدی به طور کلی شامل احیای اکسیژن محلول است. درست مانند خوردگی یک فلز. خوردگی گالوانیک تا حدی به میزان رسیدن اکسیژن از سطح الکترولیت به سطح فلز بستگی دارد.

این انتشار (و در نتیجه خوردگی) با افزایش سرعت جریان تسریع می­‌شود، که باعث افزایش شدت الکترولیت حاوی اکسیژن است.

در الکترولیت‌­های خنثی، خوردگی تک فلزی و خوردگی دو فلزی را اغلب می­‌توان با حذف اکسیژن سرکوب کرد. در چنین شرایط بی هوازی، با این حال، دپلاریزاسیون کاتدی و در نتیجه خوردگی، می­‌تواند در اثر باکتری­‌های کاهنده سولفات رخ دهد (SRB).

در فلزات و آلیاژهای خاص، سرعت جریان تأثیر دیگری دارد که به وضوح در آب دریا قابل مشاهده است. این اثر می‌تواند در دو جهت عمل کند: با افزایش سرعت جریان، مس و کاپرونیکل فعال­تر می‌شوند و بیشتر دچار خوردگی می­‌شوند. در حالی که موادی مانند فولادهای ضد زنگ نجیب تر شده و بنابراین خوردگی کمتری دارند.

 توضیح این است که مواد اخیر در محلول‌­های خوب هوادهی و روان منفعل می‌­شوند و آنها را در برابر خوردگی مقاوم می‌کند. آلومینیوم، فولاد ضد زنگ و تیتانیوم دارای پوست اکسیدی پایدار بوده و تمایل به قطبی شدن دارند.

در محلول‌های هوادهی جاری، فیلم اکسید ضخیم­‌تر می‌شود، به طوری که خوردگی گالوانیک فلز جفت شده همچنان بیشتر کاهش می‌­یابد.

 در مس و فلزات نجیب مانند پلاتین و نقره، لایه اکسید طبیعی تشکیل شده بسیار نازک تر است. به سرعت به فلز تبدیل می‌شود، که در آن به عنوان یک کاتد کارآمد بدون پولاریزاسیون عمل می­‌کند و در نتیجه باعث خوردگی گالوانیک می‌شود.

اقدامات مورد استفاده برای جلوگیری از خوردگی گالوانیک برای حذف المان‌هایی است که مسئول تشکیل آن هستند. با این حال، این اقدامات متقابل زمانی بسیار موثر هستند که در مراحل اولیه طراحی پروژه اجرا شوند.

خوردگی گالوانیک (که به آن خوردگی دو فلزی یا خوردگی فلزات غیر مشابه نیز گفته می‌شود) یک فرایند تخریب الکتروشیمیایی است. این خوردگی هنگامی رخ می‌دهد که دو فلز متفاوت در حضور الکترولیت با یکدیگر در تماس باشند.

این نوع خوردگی با خوردگی سریع یک فلز مشخص می‌شود، در حالی که فلز دیگر عمدتا تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد. به عبارت دیگر، یک فلز به آند تبدیل می‌شود و ترجیحاً دچار خوردگی می‌شود. بنابراین خود را فدا می‌کند در حالی که از فلز دیگر، که کاتد است محافظت می‌کند.

خوردگی گالوانیکی نسبتاً تهاجمی است و سالانه میلیون‌ها دلار خسارت وارد می‌کند. اقدامات متقابل برای جلوگیری از شکل گیری آن باید در مراحل مفهومی یا اولیه مراحل طراحی مورد توجه قرار گیرد.

(در مفاهیم کنترل خوردگی در فرایند طراحی تجهیزات به تفصیل مورد بحث قرار گرفته است.) علل بسیار متفاوت است و می‌تواند شامل چندین نوع واکنش شیمیایی مختلف باشد. بنابراین ضروری است که درک درستی از مکانیزم‌های زمینه‌ای و عوامل موثر بر توسعه این نوع خوردگی داشته باشیم.

نیروی محرکه اصلی در خوردگی گالوانیک، خاصیتی است که با عنوان اختلاف پتانسیل شناخته می‌شود.

هنگامی که یک فلز در یک الکترولیت غوطه ور می‌شود، از پتانسیل الکترود استفاده می‌کند. مقدار پتانسیل الکترود برای فلزات مختلف در جدولی معروف به سری گالوانیک نشان داده شده است. بنابراین اختلاف پتانسیل بین دو فلز، تفاوت بین پتانسیل الکترود مربوطه آن‌هاست که در سری گالوانیک تعریف شده است.

هنگامی که دو فلز با یکدیگر در تماس هستند در حالی که در حضور یک الکترولیت هستند، اختلاف پتانسیلی که بین آن‌ها وجود دارد باعث می‌شود که الکترون‌ها از آند (فلز با الکترونگاتیو بیشتر) به کاتد (فلز با الکتروپوزیتوی بیشتر) منتقل شوند.

این انتقال الکترون‌ها منجر به یک سری واکنش‌های اکسیداسیون و کاهش می‌شود، که باعث ایجاد خوردگی گالوانیکی آند می‌شود.

اقدامات با هدف جلوگیری از خوردگی گالوانیک عموماً بر مبنای حذف المان اساسی ایجاد کننده آن است. که بیشتر شامل انسداد مسیر الکتریکی در قسمت‌های فلزی یا الکترولیت سیستم، حذف اکسیژن از الکترولیت و معرفی بازدارنده‌های خوردگی می‌شود.

یکی از موثرترین روش‌های قطع مسیر الکتریکی در پیل الکتروشیمیایی، قرار دادن یک ماده غیر رسانا بین نقاط تماس فلزات متصل به یکدیگر است.

خوردگی گالوانیک به این دلیل رخ می‌دهد که الکترون‌ها از آند به سمت کاتد حرکت کرده و جریان الکتریکی گالوانیکی را در سیستم ایجاد می‌کنند.

مواد عایق جریان الکترون‌ها را مسدود می‌کند، بنابراین از بروز واکنش‌های اکسیداسیون و کاهش جلوگیری می‌کند. در عمل، عایق سازی معمولاً با استفاده از بوش‌ها، واشرها و روکش‌های پایه پلیمر یا الاستومر انجام می‌شود.

به عنوان مثال، در صنعت نفت و گاز، واشرهای اپوکسی تقویت شده با شیشه غیر رسانا (GRE) معمولاً بین فلنج لوله‌های اتصال دهنده قرار می‌گیرند تا هدایت الکتریکی بین خطوط لوله مجاور را مختل کنند.

(نحوه استفاده از واشرها در نحوه تأثیرگذاری روش‌های جدید استخراج و انتقال نفت و گاز بر خوردگی خطوط لوله مورد بحث قرار گرفته است.)

یکی از المان‌های اصلی لازم برای ایجاد خوردگی گالوانیک، الکترولیت است. الکترولیت حاوی یون‌هایی است که واکنش‌های اکسیداسیون و کاهش در پیل گالوانیک را تسهیل می‌کند. بنابراین، اقداماتی شامل جداسازی فلزات متصل به یکدیگر و الکترولیت می‌تواند در جلوگیری از خوردگی گالوانیک موثر باشد.

این امر با استفاده از ترکیبات دافع آب که به عنوان مانع بین بستر فلزی و محلول الکترولیت عمل می‌کنند به دست می‌آید. رنگ‌ها، روکش‌ها، روغن‌ها و گریس‌ها همگی در صنایع متعددی به طور چشمگیری مورد استفاده قرار گرفته اند.

همچنین می‌توان با به حداقل رساندن اختلاف پتانسیل بین فلزات از خوردگی گالوانیک جلوگیری کرد. همانطور که قبلاً ذکر شد، الکترون‌ها به دلیل اختلاف پتانسیل، از آند به کاتد جریان می‌یابند، که به عنوان نیروی محرک عمل می‌کند. هرچه اختلاف پتانسیل بیشتر باشد، جریان گالوانیک القایی بیشتر و نرخ خوردگی شدیدتر است.

 بر عکس این امر فلزاتی هستند که اختلاف پتانسیل کمی بین آن‌ها وجود دارد و هدف این است که فلزات متصل به یکدیگر با پتانسیل الکترودهای مشابه، یعنی فلزاتی که در سری گالوانیک به یکدیگر نزدیک هستند، انتخاب شود تا احتمال خوردگی گالوانیک کاهش یابد.

بازدارنده‌های خوردگی ترکیباتی (معمولاً مایع) هستند که برای سرکوب واکنش‌های شیمیایی که باعث خوردگی گالوانیک می‌شوند، به الکترولیت اضافه می‌شوند.

بازدارنده‌ها به روش‌های مختلف کار می‌کنند که بیشتر شامل فرایندهای شیمیایی پیچیده هستند. با این حال، بازدارنده‌هایی که در برابر خوردگی گالوانیک موثرتر هستند، آن‌هایی هستند که اکسیژن محلول را از محلول الکترولیت حذف می‌کنند.

حذف اکسیژن باعث کاهش احتمال به وقوع پیوستن واکنش احیا در آند می‌شود. از آنجا که واکنش‌های کاتدی وابسته به واکنش‌های آندی هستند، روند گالوانیک متوقف می‌شود.

چندین مطالعه مشخص کرده‌اند که میزان و شدت خوردگی گالوانیک تحت تأثیر نسبت ناحیه کاتد به ناحیه آند است.

 هر چه سطح کاتد نسبت به آند بیشتر باشد (یعنی نسبت کاتد به آند بیشتر باشد)، میزان احیا در آند بیشتر است. بنابراین خوردگی گالوانیکی شدیدتر خواهد بود. در مقابل، هر چه کاتد نسبت به ناحیه آند کوچکتر باشد، متعاقبا کمتر مضر است.

در مراحل اولیه طراحی، باید اطمینان حاصل شود که سطح فلز آندی تا حد امکان نسبت به کاتد ساخته شده بیشتر است. به عنوان مثال، اتصال دهنده‌های فولادی در یک صفحه آلومینیومی نتایج بهتری نسبت به اتصال دهنده‌های آلومینیومی در یک صفحه فولادی خواهند داشت.

جلوگیری از خوردگی گالوانیک معمولاً شامل اعمال اقدامات متقابل در مراحل اولیه طراحی پروژه است. درک مکانیزم‌های دخیل در این واکنش الکتروشیمیایی برای انتخاب مناسب‌ترین و موثرترین اقدامات پیشگیرانه برای یک موقعیت معین، کلیدی است.

همچنین لازم به ذکر است که چندین روش حفاظتی را می‌توان به طور همزمان برای افزایش حفاظت و سطوح بالاتر کارایی اجرا کرد.