دسترسی سریع به محتوای این مطلب
خوردگی گالوانیک یکی از مخرب ترین خوردگی های فلزات است که در اثر تماس دو فلز نا هم جنس در یک محیط الکترولیتی به وجود می آید. این نوع خوردگی که با نام خوردگی دو فلزی نیز شناخته می شود، به ویژه در صنایع ساختمانی، پتروشیمی، کشتی سازی و خطوط لوله اهمیت دارد. شناخت سازوکار این پدیده و راهکارهای پیشگیری از آن، در افزایش عمر مفید سازه ها و کاهش هزینه های تعمیراتی بسیار مؤثر است.
پدیده خوردگی گالوانیک نه تنها به ساختار فلزات آسیب می زند، بلکه می تواند باعث نشت، خرابی سازه های فولادی و حتی توقف کامل عملیات صنعتی شود. یکی از نتایج شایع این نوع خوردگی در پروژه های ساختمانی، زنگ زدن تیرآهن در محل اتصال با ورق یا قطعات آلومینیومی است. ترکیب رطوبت، یون های کلرید و اختلاف پتانسیل بین دو فلز، به سرعت باعث فرسایش یکی از آن ها می شود. در نتیجه، کاهش سطح مقطع موثر، ضعف مکانیکی و افت ایمنی سازه دور از انتظار نخواهد بود.
در این مقاله به طور جامع به سوالاتی چون گالوانیک یعنی چه، مکانیزم خوردگی الکتروشیمیایی، نحوه تعامل فلزات در جدول سری گالوانیکی و اثرات خوردگی دوفلزی پاسخ می دهیم. همچنین با استناد به جدول پتانسیل خوردگی فلزات، به بررسی دقیق فلزات پرخطر در این فرآیند می پردازیم. بررسی روش های جلوگیری، آزمون های استاندارد و تفاوت خوردگی گالوانیکی با سایر انواع خوردگی ها از دیگر بخش های این مقاله خواهند بود. همچنین در بخش پایانی، در قالب پرسش های متداول، به نکاتی مانند کاربردهای صنعتی، تأثیر رطوبت و نحوه رفع زنگ زدگی آهن در اثر این خوردگی خواهیم پرداخت.
خوردگی گالوانیک (Galvanic Corrosion) نوعی از خوردگی الکتروشیمیایی است که هنگامی رخ می دهد که دو فلز با پتانسیل های متفاوت به طور مستقیم یا غیرمستقیم در یک محیط الکترولیتی (مانند آب، رطوبت یا محلول نمکی) در تماس قرار گیرند. در این شرایط، یک فلز به عنوان آند (فدا شونده) و دیگری به عنوان کاتد (محافظت شونده) عمل می کند و جریان الکترون ها بین آن ها موجب خوردگی آند خواهد شد.
در این فرآیند، فلزی که در جدول سری گالوانیکی پتانسیل پایین تری دارد، سریع تر دچار اکسیداسیون شده و ماده ای که در سطح بالاتر جدول قرار دارد، محافظت می شود. برای مثال، وقتی فولاد گالوانیزه و مس در مجاورت هم در یک محیط مرطوب قرار گیرند، روی (Zinc) که آند است، دچار خوردگی شده و از بین می رود. یکی از روش های شناخت رفتار فلزات در این واکنش، استفاده از جدول سری گالوانیکی است که در آن فلزات بر اساس پتانسیل خوردگی آن ها مرتب شده اند.
در پروژه هایی مانند خطوط لوله، کشتی سازی، اسکله ها و حتی سیستم های تهویه، استفاده از این جدول برای تعیین همخوانی فلزات الزامی است. نادیده گرفتن سازگاری گالوانیکی و استفاده از ترکیب فلزات مختلف به دلیل بالا بودن قیمت آهن و برخی فلزات، می تواند منجر به خوردگی زودرس و تحمیل هزینه های پنهان شود. لازم به ذکر است که خوردگی الکتروشیمیایی محدود به ساختارهای بزرگ صنعتی نیست. حتی در اتصال ساده بین پیچ فولادی و واشر آلومینیومی در معرض رطوبت، می تواند خوردگی گالوانیک رخ دهد.
شدت و سرعت خوردگی دو فلزی به عوامل متعددی بستگی دارد که هرکدام نقش مؤثری در افزایش یا کاهش احتمال و شدت تخریب فلزات دارند. در این بخش مهم ترین فاکتورهایی که بر شدت خوردگی گالوانیکی اثر می گذارند، به تفصیل بررسی می شوند:
اختلاف پتانسیل گالوانیکی بین فلزات:
هرچه اختلاف پتانسیل الکتروشیمیایی بین دو فلز بیشتر باشد، جریان گالوانیکی ایجادشده قوی تر بوده و خوردگی سریع تر رخ می دهد. برای مثال، اتصال آلومینیوم (پتانسیل بالا) با فولاد کربنی (پتانسیل پایین تر) یک ترکیب بسیار خطرناک است.
نسبت سطح آند به کاتد:
اگر سطح فلز فدای شونده (آند) کوچک و سطح فلز محافظت شونده (کاتد) بزرگ باشد، شدت خوردگی به شدت افزایش می یابد. به عنوان نمونه، اتصال یک پیچ آلومینیومی کوچک به صفحه فولادی بزرگ باعث می شود که پیچ خیلی زود دچار خوردگی شدید شود.
نوع محیط الکترولیت:
وجود رطوبت، آب دریا، محلول های اسیدی یا قلیایی و یون های کلرید در محیط می تواند سرعت خوردگی را به شدت افزایش دهد.
دمای محیط:
افزایش دما واکنش های شیمیایی و الکتروشیمیایی را تسریع می کند. به همین دلیل، در محیط های گرم و مرطوب، خوردگی گالوانیکی شدیدتر خواهد بود.
آلودگی و ناخالصی روی سطح فلزات:
وجود روغن، چربی، ذرات گردوغبار یا حتی لایه های رنگ نامناسب می تواند باعث تمرکز یون ها و در نتیجه تشدید واکنش الکتروشیمیایی شود.
ساختار بلوری و متالورژیکی فلز:
فلزاتی که دچار تنش پسماند هستند یا ساختار بلوری ناهمگن دارند، بیشتر در معرض خوردگی قرار می گیرند. این مسئله به خصوص در جوشکاری ها و قطعات فورج شده دیده می شود.
حضور جریان های سرگردان یا القایی:
در برخی شرایط خاص مانند زمین کردن اشتباه سیستم های برق یا لوله های فلزی، جریان های سرگردان الکتریکی در سیستم ایجاد شده و موجب تسریع خوردگی گالوانیکی می شوند.
شناخت این عوامل می تواند در کاهش ریسک فرسایش فلزات کمک شایانی کند. همچنین بررسی رفتار فلزات با استفاده از جدول پتانسیل خوردگی فلزات و مشاوره با مهندسان خوردگی، از اقدامات توصیه شده پیش از اجرای هر پروژه فلزی است.
برای جلوگیری از خوردگی گالوانیک که در اثر تماس دو فلز ناهم پتانسیل در محیط الکترولیتی ایجاد می شود، راهکارهای مؤثری وجود دارد. هدف اصلی این روش ها، قطع یا کنترل جریان الکترون ها بین دو فلز است تا از اکسیداسیون فلز فدای شونده جلوگیری شود. در ادامه، به مهم ترین روش های جلوگیری از خوردگی گالوانیکی اشاره می کنیم:
برای ارزیابی و پیش بینی خوردگی گالوانیک در شرایط واقعی یا شبیه سازی شده، آزمایش های استاندارد و دقیقی وجود دارد. این آزمون ها به مهندسان کمک می کنند تا عملکرد ترکیبات فلزی در محیط های مختلف را بسنجند و بهترین انتخاب مواد را داشته باشند.
۱. آزمون جفت گالوانیکی (Galvanic Couple Test):
این تست برای بررسی شدت خوردگی دو فلز در تماس با یکدیگر در یک محیط خاص انجام می شود. معمولاً نمونه ها درون محلول شبیه سازی شده (مانند آب دریا یا محلول اسیدی) قرار می گیرند و تغییرات پتانسیل، جریان گالوانیکی و کاهش جرم اندازه گیری می شود.
۲. آزمون سالت اسپری (Salt Spray Test):
آزمون پاشش نمک برای بررسی مقاومت فلزات یا پوشش ها در برابر خوردگی نمکی استفاده می شود. در این تست، نمونه ها در محفظه ای با مه نمک (۵٪ NaCl) قرار می گیرند و ظاهر سطح پس از ساعات مشخص بررسی می شود.
۳. آزمون الکتروشیمیایی پلاریزاسیون:
در این آزمون با استفاده از الکترود مرجع و اعمال پتانسیل خارجی، رفتار خوردگی فلزات اندازه گیری می شود. این روش برای تعیین نرخ خوردگی و پتانسیل تهاجم به کار می رود و دقت بالایی دارد.
۴. آزمون امپدانس الکتروشیمیایی (EIS):
تکنیکی بسیار حساس برای بررسی مقاومت سطح فلزات و پوشش ها در برابر نفوذ یونی است. از طریق تحلیل امپدانس الکتریکی، می توان کیفیت پوشش ها را ارزیابی کرد.
۵. آزمون های میدانی بلندمدت:
در پروژه های صنعتی، نمونه هایی از فلزات یا اتصالات تحت شرایط واقعی برای مدت طولانی (ماه ها تا سال ها) مورد ارزیابی قرار می گیرند. نتایج این آزمون ها برای تدوین دستورالعمل های مهندسی بسیار حیاتی است.
اجرای این آزمون ها، به ویژه در صنایعی مانند نفت و گاز، آب شیرین کن ها، صنایع دریایی و خطوط انتقال برق، حیاتی است. استانداردهایی همچون ASTM G71 و ASTM D1141 از پرکاربردترین دستورالعمل ها در این حوزه هستند. تحلیل نتایج این تست ها به طراحان امکان می دهد تا پیش از اجرای واقعی پروژه، از صحت انتخاب فلزات و ترکیب آن ها مطمئن شوند.
خوردگی گالوانیک یکی از چندین نوع خوردگی در فلزات است، اما با ویژگی های خاص خود از سایر خوردگی ها متمایز می شود. خوردگی گالوانیکی سریع تر از خوردگی های یکنواخت اتفاق می افتد، زیرا واکنش الکتروشیمیایی بین دو فلز، نرخ تخریب را افزایش می دهد. در حالی که مثلاً خوردگی یکنواخت ممکن است سال ها طول بکشد، خوردگی گالوانیکی در مدت کوتاهی می تواند آسیب شدید ایجاد کند.
از سوی دیگر، خوردگی گالوانیکی اغلب به راحتی قابل پیش بینی و پیشگیری است، درحالی که خوردگی های مانند تنشی یا بین دانه ای ممکن است به سادگی قابل شناسایی نباشند. با استفاده از خوردگی گالوانیک PDF و منابع تخصصی، می توان به راحتی شرایط وقوع آن را شبیه سازی کرد.
در نهایت، شناخت انواع خوردگی و درک تفاوت آن ها به مهندسان کمک می کند تا در زمان طراحی و بهره برداری، روش مناسب مقابله با خوردگی را انتخاب کنند. هیچ راهکار واحدی برای همه انواع خوردگی وجود ندارد؛ هر نوع نیازمند رویکرد خاص خود است.
در صنایع مختلف، خوردگی دو فلزی می تواند منجر به خسارات جبران ناپذیری شود. این نوع خوردگی اگر به درستی کنترل نشود، هزینه های مستقیم و غیرمستقیم زیادی تحمیل خواهد کرد. مهم ترین توصیه های فنی برای کنترل و پیشگیری از خوردگی گالوانیک عبارتند از:
1. طراحی اولیه صحیح با انتخاب مناسب فلزات:
اولین و مهم ترین مرحله در مقابله با خوردگی گالوانیکی، انتخاب مناسب متریال است. استفاده از فلزاتی با پتانسیل نزدیک به هم در مجاورت یکدیگر، احتمال بروز واکنش گالوانیکی را کاهش می دهد.
2. استفاده از لایه های عایق بین اتصالات فلزی:
در سیستم هایی مثل فلنج ها، پیچ و مهره ها، قطعات سازه ای یا لوله کشی، استفاده از لایه های غیر رسانا مانند نوار تفلون، پدهای پلیمری یا رنگ های اپوکسی بین سطوح فلزی بسیار ضروری است.
3. مدیریت رطوبت در محیط صنعتی:
در صنایعی مثل نیروگاه ها، کارخانجات غذایی و پتروشیمی، وجود بخار و رطوبت بالا اجتناب ناپذیر است. به همین دلیل، کنترل تهویه، زهکشی مناسب و طراحی شیب دار سطوح فلزی برای خروج آب از جمله اقدامات حیاتی به شمار می رود.
4. نگهداری و بازرسی های دوره ای:
بازرسی چشمی نقاط اتصال فلزات، پایش ضخامت فلزات، بررسی تغییر رنگ یا زنگ زدگی و انجام تست های غیرمخرب (NDT) از جمله مواردی هستند که در برنامه های تعمیر و نگهداری پیشگیرانه (PM) باید گنجانده شوند.
5. استفاده از آندهای فداشونده در سازه های دریایی و زیرزمینی:
در پروژه هایی مانند اسکله ها، مخازن زیرزمینی، کشتی ها و سکوهای نفتی، به کارگیری آندهای منیزیمی یا آلومینیومی الزامی است. این آندها با قربانی شدن، از فلز اصلی در برابر اکسیداسیون محافظت می کنند.
6. آموزش نیروی انسانی و استفاده از دستورالعمل های استاندارد:
متخصصان نگهداری و طراحی باید با مفاهیم خوردگی، سری گالوانیکی و شرایط محیطی آشنا باشند. استفاده از منابعی مانند خوردگی گالوانیک PDF و شرکت در دوره های آموزشی می تواند به ارتقای آگاهی پرسنل کمک شایانی کند.
7. مشاوره با متخصصان خوردگی:
در پروژه های حساس و بلندمدت، مشورت با مهندسین متالورژی یا متخصصان خوردگی صنعتی در مرحله طراحی، خرید تجهیزات و نصب، تضمینی برای کاهش ریسک خواهد بود.
جمع بندی
خوردگی گالوانیک یا همان خوردگی دو فلزی، یکی از پیچیده ترین و رایج ترین انواع خوردگی در صنایع گوناگون است. این خوردگی در اثر تماس فلزات ناهم پتانسیل در یک محیط الکترولیتی ایجاد می شود و می تواند در مدت کوتاه خسارات زیادی به بار آورد. در مقایسه با سایر انواع خوردگی فلزات، گالوانیکی به خاطر ماهیت الکتروشیمیایی اش، سریع تر و پرخطرتر است، اما خوشبختانه قابل پیشگیری است. از طرفی، بازار آهن و فولاد نیز تحت تأثیر پدیده خوردگی قرار دارد. برای مثال، قیمت تیرآهن در برخی مناطق صنعتی به شدت وابسته به روش های ضدخوردگی مورد استفاده در تولید است. همچنین قیمت میلگرد گالوانیزه یا ضد زنگ بالاتر از انواع معمولی آن است.
در این مقاله تلاش شد به طور جامع و علمی به بررسی همه جانبه این پدیده پرداخته شود. در ابتدا با تعریف دقیق خوردگی گالوانیکی آشنا شدیم و فهمیدیم که این فرآیند به واسطه انتقال الکترون بین دو فلز در محیطی مرطوب شکل می گیرد. اهمیت جدول سری گالوانیکی در تعیین خطر برخورد فلزات، انتخاب متریال مناسب، بررسی عوامل موثر در شدت خوردگی و راهکارهای موثر برای پیشگیری از خوردگی ارائه شد. اهمیت آزمون های استاندارد از جمله تست جفت گالوانیکی، آزمون سالت اسپری و تست های پلاریزاسیون و راهکارهای کنترل هزینه های ناشی از خوردگی نیز مورد بررسی قرار گرفت.
سوالات متداول
خوردگی گالوانیک نوعی خوردگی الکتروشیمیایی است که وقتی دو فلز مختلف با پتانسیل های گالوانیکی متفاوت در محیط مرطوب یا الکترولیتی با هم در تماس قرار گیرند، رخ می دهد.
فلزاتی که در قسمت پایین تر جدول گالوانیکی قرار دارند مانند روی، منیزیم، آلومینیوم و آهن معمولاً آند می شوند و زودتر دچار خوردگی می گردند. در مقابل، فلزاتی مانند مس، نیکل و طلا کمتر خورده می شوند.
بله، برای رخ دادن خوردگی گالوانیکی، وجود یک محیط الکترولیتی مانند رطوبت، آب شور، بخار یا محلول قلیایی ضروری است. در محیط های خشک که هدایت الکتریکی بین دو فلز وجود ندارد، این نوع خوردگی اتفاق نمی افتد.
خوردگی گالوانیکی در صنایع دریایی، پتروشیمی، انتقال آب، خودروسازی، ساختمان سازی و هوافضا بیشتر دیده می شود. سیستم های تهویه، اسکله ها، لوله های مدفون و تجهیزات درون مخازن آب از نقاط حساس به خوردگی دو فلزی هستند.
