Предотвращение гальванической коррозии: смешение разнородных металлов в крепеже

Гальваническая коррозия — это электрохимический процесс, который происходит, когда два разнородных металла находятся в электрическом контакте в присутствии электролита (вода, солевой туман, влажность). Менее благородный (более анодный) металл корродирует с ускоренной скоростью, тогда как более благородный (катодный) металл защищён. Крепёж особенно уязвим, потому что его площадь поверхности обычно меньше, чем у компонентов, которые он соединяет — когда крепёж является анодом в гальванической паре, скорость коррозии может быть в 10–100 раз выше, чем при равномерной коррозии.

Гальванический ряд классифицирует металлы по их электродному потенциалу в морской воде. Анодный индекс — это упрощённая и нормализованная версия (измеряется в вольтах относительно каломельного электрода в морской воде), используемая инженерами-крепежниками для быстрой оценки риска биметаллической коррозии. Чем больше разница анодного индекса между двумя контактирующими металлами, тем выше риск ускоренной коррозии.

Три условия должны существовать одновременно: (1) два металла с разными электродными потенциалами, (2) электрическая непрерывность между ними, и (3) наличие электролита. Устраните любое — и коррозия прекратится.

Для инженеров-крепежников следствие просто: решения по выбору материалов, принятые на этапе проектирования, определяют, прослужит ли узел десятилетия или выйдет из строя за месяцы. Смешивание нержавеющей стали и алюминия без изоляции, использование углеродистых болтов с медными фитингами, или случайное пересечение групп гальванического ряда — основные причины преждевременного разрушения крепежа в морских, строительных и энергетических применениях.

Наиболее надёжный способ предотвращения гальванической коррозии — использовать один и тот же металл для крепежа и основного материала, или выбирать металлы, очень близкие по анодному индексу. Когда это невозможно (например, когда требуется нержавеющая сталь для коррозионной стойкости, но основание — оцинкованная сталь), стратегии выбора материала включают выбор более благородного металла в качестве крепежа (крепёж обычно легче заменить, чем базовые конструкции), или указание менее благородного металла, когда крепёж может быть заменён как жертвенный.

Приведённая ниже справочная таблица обобщает наиболее распространённые комбинации крепёж-основание, оценённые по анодному индексу. Разности анодного индекса более 0,25 В требуют мер защиты; разности более 0,50 В требуют физической изоляции или полной переделки.

Для морских сред и сред химических процессов, где присутствие хлоридов непрерывно, комбинации нержавеющей стали с алюминиевым или углеродистым стальным основанием должны быть исключены или полностью изолированы, независимо от расчёта анодного индекса, поскольку хлорид-индуцированная питтинговая коррозия может инициироваться при напряжениях ниже общего гальванического порога.

При задании крепежа для международных проектов убедитесь, что и крепёж, и основание соответствуют одному семейству стандартов ISO или ASTM — крепёж, сертифицированный по ASTM F593/F594 (нержавеющая сталь), должен сочетаться только с основаниями, также соответствующими стандартам ASTM, чтобы избежать пробелов в прослеживаемости, которые могут повлиять на гарантийную ответственность.

Когда необходимо соединить разнородные металлы и разность анодных потенциалов превышает 0,25 В, методы изоляции разрывают электрическую цепь и предотвращают протекание гальванического тока. Наиболее распространённые методы изоляции — непроводящие шайбы, втулки, прокладки, уплотнения и компаунды. Наиболее используемые изоляционные материалы — EPDM (этилен-пропилен-диеновый мономер), неопрен, нейлон, PTFE (политетрафторэтилен, торговая марка Teflon) и слюда.

Шайбы и втулки из EPDM являются промышленным стандартом для изоляции крепежа из нержавеющей стали от алюминиевых или оцинкованных стальных оснований. EPDM устойчив к озону, ультрафиолету и воде и работает в диапазоне температур от -50°C до +150°C. Шайб из EPDM толщиной 2-3 мм достаточно для разрыва электрической непрерывности в большинстве применений.

Нейлоновые втулки популярны для резьбового крепежа, поскольку они недороги, просты в установке и устойчивы к большинству химикатов. Однако нейлон со временем впитывает влагу и может разрушаться под воздействием ультрафиолета, что делает его менее подходящим для наружного или погружного применения. Втулки из PTFE обеспечивают наилучшие температурные характеристики (-200°C до +260°C) и химическую стойкость, но они дороже и сложнее в механической обработке до точных допусков.

Уплотнение фланцевых соединений обычно достигается составными прокладками с графитовыми или арамидными вставками или эластомерными прокладками с PTFE. Для паровых служб стандартом являются графитовые прокладки с металлическими вставками. Независимо от выбранного материала прокладки, толщина прокладки должна быть достаточной для заполнения всех неровностей поверхности фланца и поддержания контакта под нагрузкой — обычно 1,5-3,0 мм для стандартных трубных фланцев.

Альтернативой механической изоляции является нанесение герметизирующих составов или герметиков на резьбу и под головки крепежа. Эти продукты заполняют микроскопические зазоры между металлическими поверхностями и прерывают электрическую непрерывность. Герметизирующие составы, разработанные для морских применений, часто содержат частицы цинка или алюминия для обеспечения жертвенной катодной защиты на изолированном интерфейсе.

Покрытия и отделки обеспечивают дополнительную защиту от гальванической коррозии, действуя либо как барьер между металлами, либо как жертвенный анод (например, цинк), либо уравнивая электрохимический потенциал пары. Выбор покрытия зависит от основного материала, применения и условий окружающей среды.

Цинковое покрытие является наиболее распространённой защитой для крепежа из углеродистой стали. Цинк является жертвенным по отношению к стали — при воздействии коррозии цинк корродирует первым, защищая основную сталь. Основные типы: горячее цинкование (HDG) по ASTM F2329 с типичной толщиной покрытия 50-85 мкм; электрооцинкование по ASTM B633 с толщиной 5-25 мкм; и цинковые хлопья по ASTM F1941 с толщиной 5-15 мкм и без риска водородного охрупчивания.

Цинковые покрытия задаются по типу службы и ожидаемому сроку службы. Для наружных или морских условий HDG с 85 мкм и более обеспечивает 20-50 лет службы до первого обслуживания. Для сухих внутренних условий достаточно электрооцинкования 8-12 мкм. Покрытия из цинковых хлопьев (обычно используемые в автомобильном крепеже и крепеже ветряных турбин) сочетают высокую коррозионную стойкость с отсутствием водородного охрупчивания, что делает их идеальными для высокопрочного крепежа (класс 10.9 и выше).

Покрытие PTFE или Xylan на крепеже обеспечивает низкое трение и химическую стойкость, но не гальваническую защиту. Эти покрытия являются барьерными, а не жертвенными — любое повреждение покрытия оставляет основной металл обнажённым. Поэтому крепёж с покрытием PTFE следует использовать только в тех случаях, когда гальваническая совместимость контролируется другими способами.

Для крепежа из нержавеющей стали в агрессивных средах травление и пассивация (ASTM A967) восстанавливают слой оксида хрома, обеспечивающий коррозионную стойкость. Пассивация необходима после сварки, механической обработки или манипуляций, когда пассивный слой мог быть загрязнён или повреждён.

Когда гальваническое сочетание неизбежно и ожидаемый срок службы конструкции превышает 25 лет, системы катодной защиты (КЗ) являются наиболее надёжным вариантом. КЗ с жертвенным анодом использует блоки цинка или магния, подключённые к конструкции, которые корродируют на своём месте. КЗ с наложенным током использует внешний источник питания для подачи защитного тока. Обе системы должны быть спроектированы и введены в эксплуатацию сертифицированным инженером-коррозионистом с периодическим мониторингом и заменой анодов в соответствии с документированной программой.