Гальваническая коррозия: как она работает и роль цинконаполненных грунтовок в защите

Гальваническая коррозия возникает, когда два разнородных металла находятся в электрическом контакте в присутствии электролита, как правило воды с растворёнными ионами. Менее благородный металл корродирует преимущественно, а более благородный защищается. В промышленных и морских конструкциях гальваническая коррозия в местах соединения стали с другими металлами — частый и предсказуемый вид отказа. Тот же принцип намеренно используется в цинконаполненных грунтовках для катодной защиты стали. В этой статье объясняются механизм, факторы, определяющие её интенсивность, способы предотвращения в соединениях разнородных металлов и то, что цинконаполненным грунтовкам нужно от подготовки поверхности.

Электрохимическая основа гальванической коррозии

Когда два разнородных металла соединены в электролите, они образуют гальванический элемент: электрохимическую ячейку, в которой разность электродных потенциалов между двумя металлами вызывает ток. Металл с более низким (более отрицательным) электродным потенциалом становится анодом: он окисляется и корродирует. Металл с более высоким (более положительным, более благородным) потенциалом становится катодом и защищается. Более широкий взгляд на соотношение коррозии и ржавчины — в статье ржавчина и коррозия.

Гальванический ряд располагает металлы и сплавы в морской воде от наиболее активных (анодных) до наиболее благородных (катодных). Ключевые позиции, важные для строительных конструкций:

Точный порядок зависит от электролита и температуры, поэтому ряд в морской воде — ориентир, а не жёсткое правило для любой среды.

Что определяет интенсивность гальванической коррозии?

Разность потенциалов между двумя металлами — термодинамическая движущая сила, но скорость гальванической коррозии определяется несколькими практическими факторами:

• Электропроводность электролита: гальваническая коррозия сильнее в морской воде (высокая проводимость), чем в пресной (меньшая проводимость) или в грунте (переменная). Поэтому наиболее агрессивны морские среды и шельф.
• Соотношение площадей: соотношение площади катода и анода имеет решающее значение. Небольшой анод, соединённый с большим катодом, корродирует гораздо быстрее, чем при равных площадях, поскольку весь катодный ток концентрируется на маленьком аноде. Стальной болт в медной пластине корродирует быстро; медный болт в стальной пластине разрушает окружающую сталь гораздо медленнее. TWI рекомендует поддерживать большое соотношение площадей анода к катоду, по возможности более 10.
• Геометрия и расстояние: разрушение концентрируется в месте стыка двух металлов и ослабевает с расстоянием, особенно в электролитах с меньшей проводимостью.
• Температура: повышенные температуры, как правило, увеличивают скорость коррозии за счёт роста проводимости электролита и кинетики реакций.

Типичные сценарии гальванической коррозии в промышленных конструкциях

• Соединения сталь — алюминий: крепёж из углеродистой стали в алюминиевых элементах (или наоборот) в морской среде или на шельфе. Алюминий — анод, и он покрывается язвами вокруг стального крепежа.
• Соединения сталь — нержавеющая сталь: поручни, решётки или фитинги из нержавеющей стали, соединённые с конструкционной углеродистой сталью. Углеродистая сталь корродирует на границе — частый дефект в прибрежном строительстве.
• Заземляющие соединения сталь — медь: медные заземляющие проводники, присоединённые к стальным элементам, могут вызывать гальваническое разрушение стали в точке соединения.
• Трубопроводы сталь — медь: в инженерных системах зданий стальные трубопроводы, соединённые с медными, корродируют в месте перехода.
• Жертвенные аноды на морских опорных блоках: здесь эффект используется намеренно. Алюминиевые или цинковые аноды, соединённые с опорным блоком из углеродистой стали, корродируют преимущественно и защищают сталь.

Как цинконаполненные грунтовки используют гальваническую защиту?

Принцип, который разрушает сталь при соединении с более благородным металлом, защищает сталь при соединении с более активным металлом, а именно с цинком. Цинконаполненные грунтовки содержат очень высокую долю цинковой пыли в сухой плёнке, распределённой в органическом (обычно эпоксидном) или неорганическом (силикатном) связующем. SSPC-Paint 20 классифицирует их по содержанию цинковой пыли в сухой плёнке по массе: уровень 1 — 85% и более, уровень 2 — от 77% до менее 85%, уровень 3 («сниженное содержание цинка») — от 65% до менее 77%. ISO 12944 считает грунтовку цинконаполненной, если сухая плёнка содержит более 80% цинковой пыли.

Механизм защиты: когда покрытие нарушается из-за механического повреждения, дефекта или разрушения кромки, частицы цинка оказываются открытыми для среды и образуют со сталью гальванические пары. Цинк — анод, сталь — катод, поэтому цинк корродирует преимущественно и защищает сталь в месте нарушения и вокруг него. Эта катодная защита — определяющее свойство цинконаполненных грунтовок, отличающее их от эпоксидных грунтовок только с барьерным действием.

Именно поэтому цинконаполненные грунтовки предписывают для ответственной антикоррозионной защиты: морских конструкций, крупных мостов, башен ветрогенераторов и промышленных объектов в средах C4 и C5 по ISO 12944. Даже после механического повреждения цинконаполненная система продолжает локально защищать обнажённую сталь, не позволяя коррозии сразу начаться в месте дефекта. О месте цинковых грунтовок среди других систем см. промышленные покрытия: типы, системы и подготовка поверхности.

Требования к подготовке поверхности для цинконаполненных систем

Гальваническая защита от цинконаполненной грунтовки зависит от электрического контакта между частицами цинка и сталью. Загрязнения, нарушающие этот контакт, такие как остатки ржавчины, прокатная окалина, масло или растворимые соли, снижают защиту, которую может обеспечить грунтовка. Поэтому к подготовке поверхности цинконаполненных грунтовок предъявляются одни из самых строгих требований среди всех промышленных покрытий. Приведённые ниже значения типичны; всегда определяющими являются технический паспорт продукта (TDS) и спецификация проекта.

Органические цинконаполненные грунтовки (эпоксидное связующее)

• Типичная подготовка поверхности: абразивоструйная очистка до SSPC-SP 10 / Sa 2½ (почти белый металл). Некоторые продукты допускают другие степени для ремонта при обслуживании; проверяйте TDS.
• Профиль шероховатости (анкерный профиль): согласно TDS, как правило, острый угловатый профиль в десятки микрометров
• Эпоксидное связующее сцепляется с профилем механически, тогда как гальваническому действию необходим электрический контакт цинк-цинк и цинк-сталь через плёнку
• Нанесение органической цинконаполненной грунтовки на недостаточно подготовленную поверхность существенно сокращает период её эффективной защиты

Неорганические цинк-силикатные грунтовки

• Типичная подготовка поверхности: от SSPC-SP 10 / Sa 2½ до SSPC-SP 5 / Sa 3. Большинство производителей задают SP 10 как минимум; некоторые спецификации проектов требуют SP 5 для жёстких условий эксплуатации.
• Профиль шероховатости: согласно TDS, достигается остроугольным абразивом для максимального механического сцепления
• Силикатное связующее отверждается гидролизом и конденсацией и, как правило, описывается как химически связывающееся с чистой поверхностью стали. Загрязнение между связующим и сталью препятствует правильному образованию этой связи.
• Неорганический цинк-силикат — самая требовательная к подготовке поверхности грунтовка. При недостаточной подготовке он склонен к плохой адгезии и отслоению, теряя и барьерную, и гальваническую функции.

Пределы по растворимым солям для цинконаполненных систем

Загрязнение растворимыми солями под цинконаполненной грунтовкой может вызывать осмотическое вздутие независимо от гальванической защиты, которую обеспечивает цинк. Допустимый предел задаётся спецификацией проекта или производителем покрытия, и для эксплуатации при погружении обычно требуется более низкий предел, чем для атмосферного воздействия. Измеряйте перед грунтованием методом экстракции из накладки Бресле (ISO 8502-6) и кондуктометрического определения (ISO 8502-9), которые выражают соли в мг/м² эквивалента NaCl. Подробнее — в нашей статье о загрязнении растворимыми солями и разрушении покрытий.

Когда струйная очистка невозможна

Для ремонта цинконаполненных систем при обслуживании, когда абразивоструйная очистка исключена, допустимую альтернативную подготовку определяет производитель покрытия. Bristle blasting с помощью Bristle Blaster® обеспечивает в документированных испытаниях на стандартной стали чистоту, сопоставимую с Sa 2½ / SSPC-SP 10, и профиль шероховатости 65–85 µm Rz; результаты зависят от марки стали, степени коррозии, ленты и техники работы. Перед указанием этого метода для цинконаполненной системы согласуйте его допустимость с производителем грунтовки.

Как предотвратить гальваническую коррозию в соединениях разнородных металлов

Когда разнородные металлы необходимо соединять в агрессивных средах, основные меры снижения риска таковы:

• Электрическая изоляция: изолирующие втулки, прокладки и шайбы разрывают электрическую цепь, и гальванический элемент не может образоваться. Это очень эффективно, но должно быть заложено в проекте, а изолирующие элементы необходимо обслуживать.
• Покрывайте катод или оба металла: покрытие более благородного металла уменьшает площадь катода, способную поддерживать реакцию. Никогда не покрывайте только анод: непрокрас в таком покрытии создаёт очень маленький анод рядом с большим оголённым катодом, что концентрирует разрушение в месте дефекта. TWI отмечает, что покрытие на катоде — самое важное, и его необходимо поддерживать в хорошем состоянии.
• Жертвенные аноды: более активный металл (алюминиевые или цинковые аноды на морских конструкциях) обеспечивает катодную защиту стали без внешнего источника питания.
• Исключение электролита: герметизация соединений и организация дренажа не позволяют воде проникать в щель между металлами.
• Выбор материалов: выбор металлов, близких в гальваническом ряду, минимизирует движущую силу.

Главные выводы

• Гальваническая коррозия возникает, когда разнородные металлы электрически соединены в электролите. Анод корродирует; катод защищается. Интенсивность определяется разностью потенциалов, проводимостью электролита и соотношением площадей катода и анода.
• Цинконаполненные грунтовки намеренно используют гальванический принцип: цинк корродирует жертвенно, защищая сталь в местах дефектов покрытия. Именно это отличает их от грунтовок только с барьерным действием.
• Цинконаполненные грунтовки обычно наносят на сталь после струйной очистки, как правило, не ниже SSPC-SP 10 / Sa 2½, причём неорганические цинк-силикаты наиболее требовательны. Эти требования следуют из механизма, а не из осторожности составителей спецификаций.
• Растворимые соли под цинконаполненными грунтовками могут вызвать осмотическое вздутие, даже когда гальваническая функция цинка сохранена. Проверяйте и контролируйте уровень солей перед грунтованием.
• В соединениях разнородных металлов изолируйте металлы, покрывайте катод (или оба металла, но никогда только анод) и применяйте жертвенные аноды там, где это уместно.

Читайте также

• Полное руководство по стандартам подготовки поверхности SSPC
• Коррозионностойкие покрытия: почему подготовка поверхности определяет, будут ли они работать
• SSPC-SP10, очистка до почти белого металла: полное техническое руководство

Часто задаваемые вопросы

Что вызывает гальваническую коррозию?

Одновременно три условия: два металла с разными электродными потенциалами, электрическое соединение между ними и общий электролит, например морская вода или конденсат. Более активный металл становится анодом и корродирует быстрее, чем в одиночку, а более благородный металл защищается. Устраните любое из трёх условий — и гальванический элемент перестанет работать.

Что покрывать для предотвращения гальванической коррозии — анод или катод?

Покрывайте катод, более благородный металл, или оба металла. Покрывать только анод рискованно: любой непрокрас в таком покрытии становится очень маленьким анодом, соединённым с большим оголённым катодом, что концентрирует разрушение. TWI отмечает, что покрытие на катоде — самое важное, и его необходимо поддерживать в хорошем состоянии.

Сколько цинка содержит цинконаполненная грунтовка?

SSPC-Paint 20 классифицирует цинконаполненные грунтовки по содержанию цинковой пыли в сухой плёнке по массе: уровень 1 — 85% и более, уровень 2 — от 77% до менее 85%, уровень 3 (сниженное содержание цинка) — от 65% до менее 77%. ISO 12944 считает грунтовки цинконаполненными при содержании более 80% цинковой пыли в сухой плёнке.

Какая подготовка поверхности нужна цинконаполненным грунтовкам?

Цинконаполненные грунтовки обычно наносят на сталь после струйной очистки, как правило, не ниже Sa 2½ / SSPC-SP 10, с профилем поверхности, заданным техническим паспортом. Неорганические цинк-силикаты наиболее требовательны. Некоторые органические цинковые эпоксидные составы допускают другие степени для ремонтных работ, поэтому всегда следуйте техническому паспорту продукта и спецификации проекта.