Galvanische Korrosionsprävention: Mischung ungleicher Metalle bei Befestigungsmitteln

Galvanische Korrosion ist ein elektrochemischer Prozess, der auftritt, wenn zwei ungleiche Metalle in elektrischem Kontakt in Gegenwart eines Elektrolyten (Wasser, Salzsprühnebel, Feuchtigkeit) stehen. Das unedlere (anodischere) Metall korrodiert mit beschleunigter Geschwindigkeit, während das edlere (kathodische) Metall geschützt wird. Verbindungselemente sind besonders anfällig, da ihre Oberfläche in der Regel kleiner ist als die der zu verbindenden Komponenten — wenn ein Verbindungselement die Anode in einem galvanischen Paar ist, kann die Korrosionsrate 10- bis 100-mal höher sein als bei gleichmäßiger Korrosion.

Die galvanische Reihe ordnet Metalle nach ihrem Elektrodenpotenzial in Meerwasser. Der Anodenindex ist eine vereinfachte und normalisierte Version (gemessen in Volt gegen die Kalomel-Elektrode in Meerwasser), die von Schraubeningenieuren zur schnellen Bewertung des bimetallischen Korrosionsrisikos verwendet wird. Je größer die Anodenindex-Differenz zwischen zwei Kontaktmetallen, desto höher das Risiko beschleunigter Korrosion.

Drei Bedingungen müssen gleichzeitig vorliegen: (1) zwei Metalle mit unterschiedlichen Elektrodenpotenzialen, (2) elektrische Kontinuität zwischen ihnen, und (3) ein vorhandener Elektrolyt. Beseitigen Sie eine davon, stoppt die Korrosion.

Für Schraubeningenieure ist die Konsequenz einfach: Materialauswahlentscheidungen, die in der Konstruktionsphase getroffen werden, bestimmen, ob eine Baugruppe Jahrzehnte hält oder nach Monaten versagt. Das Mischen von Edelstahl und Aluminium ohne Isolierung, die Verwendung von Kohlenstoffstahlschrauben mit Kupferarmaturen oder das versehentliche Überschreiten von Gruppen der galvanischen Reihe sind die Hauptursachen für vorzeitiges Versagen von Verbindungselementen in Marine-, Bau- und Energieerzeugungsanwendungen.

Die zuverlässigste Methode zur Verhinderung galvanischer Korrosion ist die Verwendung desselben Metalls für Verbindungselement und Grundmaterial oder die Auswahl von Metallen, die im Anodenindex sehr nahe beieinander liegen. Wenn dies nicht möglich ist (z. B. wenn Edelstahl für die Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist, das Substrat jedoch verzinkter Stahl ist), umfassen die Materialauswahlstrategien die Auswahl des edleren Metalls als Verbindungselement (Verbindungselemente sind in der Regel einfacher zu ersetzen als Grundstrukturen) oder die Spezifikation des unedleren Metalls, wenn das Verbindungselement als Opfer ersetzt werden kann.

Die folgende Referenztabelle fasst die gängigsten Verbindungselement-Substrat-Kombinationen zusammen, die nach Anodenindex bewertet wurden. Anodenindex-Differenzen über 0,25 V erfordern Schutzmaßnahmen; Differenzen über 0,50 V erfordern physische Isolierung oder vollständige Neugestaltung.

Für Meeres- und chemische Prozessumgebungen, in denen Chlorid kontinuierlich vorhanden ist, sollten Kombinationen aus Edelstahl mit Aluminium- oder Kohlenstoffstahl-Substrat unabhängig von der Anodenindex-Berechnung vermieden oder vollständig isoliert werden, da chloridinduzierte Lochkorrosion bei Spannungen unterhalb der allgemeinen galvanischen Schwelle einsetzen kann.

Bei der Spezifikation von Verbindungselementen für internationale Projekte stellen Sie sicher, dass sowohl das Verbindungselement als auch das Substrat derselben Familie von ISO- oder ASTM-Normen entsprechen — nach ASTM F593/F594 (Edelstahl) zertifizierte Verbindungselemente sollten nur mit Substraten kombiniert werden, die ebenfalls ASTM-Normen entsprechen, um Rückverfolgbarkeitslücken zu vermeiden, die die Garantiehaftung beeinträchtigen können.

Wenn ungleiche Metalle verbunden werden müssen und die Anodenpotenzialdifferenz 0,25 V überschreitet, unterbrechen die Isolationsmethoden den Stromkreis und verhindern den galvanischen Stromfluss. Die häufigsten Isolationsmethoden sind nichtleitende Scheiben, Hülsen, Dichtungen, Dichtungsdichtungen und Dichtungsmassen. Die am häufigsten verwendeten Isolationsmaterialien sind EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer), Neopren, Nylon, PTFE (Polytetrafluorethylen, Marke Teflon) und Glimmer.

EPDM-Scheiben und -Hülsen sind der Industriestandard zur Isolierung von Edelstahl-Verbindungselementen von Aluminium- oder verzinktem Stahlsubstrat. EPDM ist beständig gegen Ozon, UV und Wasser und funktioniert in einem Temperaturbereich von -50°C bis +150°C. EPDM-Scheiben mit 2-3 mm Dicke reichen aus, um die elektrische Kontinuität in den meisten Anwendungen zu unterbrechen.

Nylonhülsen sind bei Gewindeverbindungselementen beliebt, da sie billig, einfach zu installieren und beständig gegen die meisten Chemikalien sind. Allerdings absorbiert Nylon im Laufe der Zeit Feuchtigkeit und kann unter UV-Einwirkung degradieren, was es für Außen- oder Unterwasseranwendungen weniger geeignet macht. PTFE-Hülsen bieten die beste Temperaturleistung (-200°C bis +260°C) und chemische Beständigkeit, sind jedoch teurer und schwieriger auf exakte Toleranzen zu bearbeiten.

Die Dichtungsabdichtung in Flanschverbindungen wird typischerweise mit Verbunddichtungen mit Graphit- oder Aramidfaser-Einlagen oder mit PTFE-gefüllten Elastomerdichtungen erreicht. Für Dampfdienst sind Graphitdichtungen mit Metalleinlagen Standard. Unabhängig vom gewählten Dichtungsmaterial muss die Dichtungsdicke ausreichen, um alle Oberflächenunregelmäßigkeiten des Flansches auszufüllen und den Kontakt unter Last aufrechtzuerhalten — typischerweise 1,5-3,0 mm für Standard-Rohrleitungsflansche.

Eine Alternative zur mechanischen Isolierung ist die Anwendung von Dichtungsmassen oder Dichtmitteln auf den Gewinden und unter den Köpfen der Verbindungselemente. Diese Produkte füllen die mikroskopischen Zwischenräume zwischen Metalloberflächen und unterbrechen die elektrische Kontinuität. Für Meeresanwendungen formulierte Dichtungsmassen enthalten oft Zink- oder Aluminiumpartikel, um Opferkathodenschutz an der isolierten Grenzfläche zu bieten.

Beschichtungen und Oberflächen bieten eine weitere Verteidigung gegen galvanische Korrosion, indem sie entweder als Barriere zwischen den Metallen wirken, als Opferanode (wie Zink) dienen oder das elektrochemische Potenzial des Paares ausgleichen. Die Auswahl der Beschichtung hängt vom Grundmaterial, der Anwendung und den Umgebungsbedingungen ab.

Die Zinkbeschichtung ist der häufigste Schutz für Verbindungselemente aus Kohlenstoffstahl. Zink ist opferbereit gegenüber Stahl — bei Korrosion korrodiert Zink zuerst und schützt den darunterliegenden Stahl. Die Haupttypen sind: Feuerverzinken (HDG) nach ASTM F2329 mit typischer Beschichtungsdicke 50-85 µm; elektrolytisches Verzinken nach ASTM B633 mit Dicke 5-25 µm; und Zinklamellenbeschichtungen nach ASTM F1941 mit Dicke 5-15 µm und ohne Risiko der Wasserstoffversprödung.

Zinkbeschichtungen werden nach Art des Dienstes und erwarteter Lebensdauer spezifiziert. Für Außen- oder Meeresumgebungen bietet HDG mit 85 µm oder mehr 20 bis 50 Jahre Dienst vor der ersten Wartung. Für trockene Innenräume reicht elektrolytisches Verzinken mit 8-12 µm. Zinklamellenbeschichtungen (häufig bei Automobil- und Windturbinen-Verbindungselementen verwendet) kombinieren hohe Korrosionsbeständigkeit mit Abwesenheit von Wasserstoffversprödung, was sie ideal für hochfeste Verbindungselemente (Klasse 10.9 und höher) macht.

PTFE- oder Xylan-Beschichtung auf Verbindungselementen bietet niedrige Reibung und chemische Beständigkeit, aber keinen galvanischen Schutz. Diese Beschichtungen sind Barriere, nicht Opfer — jede Beschädigung der Beschichtung legt das Grundmetall frei. Daher sollten PTFE-beschichtete Verbindungselemente nur in Anwendungen verwendet werden, in denen die galvanische Verträglichkeit durch andere Mittel kontrolliert wurde.

Für Edelstahl-Verbindungselemente in aggressiven Umgebungen stellen Beizen und Passivieren (ASTM A967) die Chromoxidschicht wieder her, die Korrosionsbeständigkeit bietet. Passivieren ist nach dem Schweißen, der Bearbeitung oder Handhabung unerlässlich, wenn die Passivschicht kontaminiert oder beschädigt worden sein könnte.

Wenn galvanische Paarung unvermeidlich ist und die erwartete Lebensdauer der Struktur 25 Jahre überschreitet, sind kathodische Schutzsysteme (KS) die zuverlässigste Option. KS mit Opferanode verwendet Zink- oder Magnesiumblöcke, die mit der Struktur verbunden sind und an ihrer Stelle korrodieren. KS mit aufgezwungenem Strom verwendet eine externe Stromversorgung, um den Schutzstrom anzutreiben. Beide Systeme müssen von einem zertifizierten Korrosionsingenieur entworfen und in Betrieb genommen werden, mit regelmäßiger Überwachung und Anodenaustausch nach einem dokumentierten Programm.