При ремонте старых водопроводных систем часто возникает необходимость соединить существующую оцинкованную стальную трубу с новым медным участком.
Механически такой переход не особенно сложен.
Однако, соединяя два разных металла в системе, по которой течёт вода, мы можем создать условия для гальванической коррозии.
Чтобы понять, почему такое соединение потенциально проблемно, нужно понять, что такое гальваническая пара и что в ней на самом деле происходит.
Что такое гальваническая коррозия?
У разных металлов разный электрохимический потенциал.
Если два таких металла:
- электрически соединить;
- и одновременно поместить в электролит,
может возникнуть электрохимическая ячейка.
В водопроводной системе электролитом может быть сама вода.
Один металл тогда становится относительно более анодным, а другой более катодным.
На аноде идёт окисление металла, атомы металла переходят в ионную форму, и материал постепенно корродирует.
Более катодный металл в такой паре относительно защищён.
Поэтому при гальванической коррозии не обязательно, чтобы оба металла разрушались с одинаковой скоростью.
Наоборот, один из них может корродировать ускоренно именно потому, что электрически связан с более благородным металлом.
Что происходит, когда мы соединяем медь и оцинкованную сталь?
В паре медь, сталь медь является более благородным металлом.
Сталь более анодна, и если возникают условия для заметного гальванического тока, именно на ней ожидается ускоренная коррозия.
С оцинкованной трубой ситуация ещё интереснее, потому что на поверхности стали находится цинк.
Цинк ещё более активный металл, именно поэтому его и используют для защиты стали.
Когда оцинкованная сталь электрически соединена с медью в присутствии воды, гальванические условия могут ускорить расход цинковой защиты, а после её утраты и коррозию самой стали.
Copper Development Association указывает, что при прямом соединении медной и стальной трубы сталь более электроотрицательна и именно она подвергается гальванической атаке.
Для гальванической коррозии нужны три условия
Упрощённо, одновременно должны присутствовать:
два металла с разным электрохимическим потенциалом
- электрический контакт между ними
- электролит, обеспечивающий ионную проводимость
В нашем примере:
медь + оцинкованная сталь + вода
могут образовать гальваническую пару, если металлы электрически связаны.
Если мы разорвём электрическую связь между металлами, мы разорвём и одно из основных условий классической гальванической ячейки.
На этом принципе работают диэлектрические переходы.
Почему проблема обычно возникает рядом с самим соединением?
Гальваническая коррозия при прямом контакте разных металлов наиболее выражена в непосредственной близости от соединения.
Причина в том, что электрический путь по металлу очень проводящий, а вода как электролит имеет значительно большее сопротивление.
Поэтому самое сильное электрохимическое действие сосредоточено вокруг места, где разные металлы непосредственно встречаются.
Copper Development Association указывает, что при прямом соединении меди и стали гальваническая атака в основном сосредоточена на относительно небольшой площади вокруг стыка; коррозия вдали от этого места обычно имеет и другие причины.
Поэтому если мы находим очень старую стальную трубу, проржавевшую в десяти метрах от медного перехода, недостаточно сказать:
«Это потому, что где-то она соединена с медью».
Гальваническую коррозию нужно отличать от общей коррозии старой стали.
Соотношение площадей металлов очень важно
Не всё равно, какова площадь анодного и какова площадь катодного металла.
Особенно неблагоприятное сочетание:
малая площадь анодного металла + большая площадь катодного металла.
Тогда гальванический ток может сосредоточиться на относительно небольшой площади корродирующего металла.
На практике небольшой участок оцинкованной стали, электрически связанный с большой медной системой, может быть менее благоприятным сочетанием, чем обратная геометрия.
Поэтому гальваническую коррозию нельзя оценить только вопросом:
«Какие два металла соединены?»
Важны также размеры площадей, состав воды, температура, скорость потока, состояние защитных слоёв и другие условия.
Есть ещё одна проблема: медь может даже не касаться оцинкованной трубы напрямую
Это особенно интересно в водопроводных системах.
Небольшие количества меди могут растворяться из медного участка системы и переноситься водой дальше по системе.
Если такая вода затем контактирует с оцинкованной сталью, при определённых условиях медь может осаждаться на поверхности цинка.
Тогда на самой поверхности оцинкованной трубы возникают маленькие участки меди рядом с цинком.
Мы практически создали большое число крошечных локальных гальванических ячеек.
Цинк вокруг осевшей меди становится более анодным и может локально ускоренно корродировать.
Поэтому Copper Development Association в технической литературе предупреждает, что оцинкованную сталь не следует ставить ниже по потоку от медных труб и фитингов, так как ионы меди могут осаждаться на цинке и запускать местную гальваническую коррозию.
Почему же важно направление потока воды?
Представим систему:
медь → оцинкованная труба
Вода сначала проходит через медный участок.
Если она несёт растворённые ионы меди, они затем доходят до оцинкованного участка и могут осесть на его поверхности.
Поэтому такой порядок неблагоприятен даже тогда, когда два металла не соединены непосредственно друг с другом.
При обратном порядке:
оцинкованная труба → медь
этот конкретный механизм переноса меди на цинк работает иначе.
Это, однако, не значит, что прямое металлическое соединение оцинкованной стали и меди становится правильным только потому, что вода течёт в более благоприятном направлении.
Возможность классической гальванической пары в месте контакта остаётся.
Как правильно сделать переход?
Когда нужно соединить материалы с риском гальванической коррозии, одно из решений, электрически разделить металлы.
Для этого применяют подходящие диэлектрические переходы, муфты или другие системные элементы, конструкция которых исключает прямой электрический контакт разных металлов.
Принцип такой:
медь │ электрический изолятор │ сталь
Вода по-прежнему проходит через соединение, но металлические детали больше не образуют единый непрерывный проводник.
Тем самым разрывается электрический путь, необходимый для классического гальванического тока. Диэлектрические переходы именно поэтому и применяют как одну из мер разделения разных металлов.
Конкретный тип перехода должен, разумеется, быть рассчитан на давление, температуру и назначение данной системы.
А что насчёт латунного фитинга между ними?
На практике латунный фитинг часто применяют как переход между стальной и медной системой.
Латунь, это сплав на основе меди, и её электрохимические свойства отличаются от свойств стали.
Такой переход может быть практически и конструктивно лучшим решением, чем прямое соединение отдельных материалов, в зависимости от системы и условий работы.
Но есть важное отличие:
латунный фитинг не является электрическим изолятором.
Если наша цель, полностью разорвать гальваническую электрическую связь, обычный латунный фитинг этого не делает.
Поэтому не следует путать:
переходный фитинг из другого металла
и
диэлектрический переход, который электрически разделяет две части системы.
Это не одна и та же функция.
Обязательно ли разрушится любое прямое соединение меди и стали?
Нет.
Гальваническая коррозия, не простой процесс, о котором можно сказать:
медь + сталь = труба потечёт через два года.
Интенсивность зависит от:
- электропроводности и химического состава воды;
- температуры;
- соотношения площадей металлов;
- состояния защитных слоёв;
- наличия кислорода;
- потока;
- отложений;
- геометрии соединения.
В одних системах разные металлы могут годами быть соединены без видимой проблемы.
В других условиях местная коррозия может идти значительно быстрее.
Сама Copper Development Association подчёркивает, что наличие двух разных металлов и воды автоматически не означает, что гальваническая атака будет сильной; реальные условия электролита и защитные плёнки на металлах имеют большое значение.
Это, однако, не повод при новом ремонте сознательно делать неблагоприятное соединение, если существует технически более правильное решение.
Почему это особенно важно при ремонте старых систем?
В старой оцинкованной системе сталь часто уже:
- потеряла часть цинкового слоя;
- проржавела;
- утончён;
- покрылась внутренними отложениями.
Если мы добавим к такой системе новый медный участок и сделаем неблагоприятный металлический переход, мы соединили не два новых материала в идеальном состоянии.
Мы соединили новый материал с трубой, у которой, возможно, уже очень ограниченный остаточный ресурс.
Поэтому иногда важнее задать вопрос:
«Имеет ли вообще смысл продолжать эту старую оцинкованную ветку?»
чем искать лучший способ добавить к ней ещё полметра новой трубы.
Гальваническая коррозия, не единственная причина разрушения соединения
Когда мы находим коррозию на переходе между разными материалами, неправильно объявлять любое изменение гальванической коррозией.
Одновременно могут действовать:
- общая коррозия стали;
- местная коррозия;
- коррозия под отложениями;
- повреждение цинкового слоя при нарезке резьбы;
- химический состав воды;
- внешняя влага;
- плохое уплотнение;
- гальваническое воздействие.
Поэтому хорошая диагностика начинается не только с вопроса:
«Есть ли здесь два разных металла?»
а:
«Где находится коррозия, какой материал поражён и какие условия в этом месте?»
Суть
Гальваническая коррозия возникает, когда разные металлы в электрическом контакте и в присутствии электролита образуют электрохимическую ячейку.
В паре медь и оцинкованная сталь в невыгодном положении оказывается стальная, то есть оцинкованная часть системы.
Основная логика такова:
медь и оцинкованная сталь ↓ электрический контакт ↓ вода как электролит ↓ разница электрохимических потенциалов ↓ гальванический ток ↓ ускоренная коррозия более анодного материала
Кроме того, медь, переносимая водой в растворённом виде, может осаждаться на оцинкованной стали ниже по потоку и создавать местные гальванические ячейки даже там, где прямого медно-стального стыка нет.
Поэтому при переходе старой оцинкованной системы на медь недостаточно сделать соединение, которое сегодня не течёт.
Хороший переход должен учитывать и то, что будет происходить на этом стыке электрохимически годами.
