Korozja galwaniczna elektrod uziemiających — wybór materiału miedź kontra stal

Przewodnik o doborze elektrody uziemiającej oraz przewodnik o materiale poprawiającym grunt omawiają geometrię i rezystywność gruntu elektrody uziemiającej. Ten przewodnik omawia inne, często niedoceniane ryzyko, niezwiązane z wartością rezystancji elektrycznej zmierzoną przy odbiorze: korozję galwaniczną, która może uszkodzić lub zniszczyć elektrodę po latach.

Mechanizm: ogniwo galwaniczne w gruncie

Gdy dwa różne metale są elektrycznie połączone i oba stykają się z elektrolitem — wilgotny grunt jest elektrolitem — powstaje ogniwo galwaniczne. Metal o niższym (bardziej ujemnym) potencjale elektrodowym w szeregu galwanicznym ("mniej szlachetny" metal) koroduje w przyspieszonym tempie, podczas gdy metal szlachetniejszy jest chroniony (katodowo). Miedź jest znacznie szlachetniejsza niż stal (w tym stal ocynkowana i stal zbrojeniowa) w szeregu galwanicznym. Gdy tylko miedziana elektroda uziemiająca lub przewód zostanie bezpośrednio elektrycznie połączona ze stalą w tym samym wilgotnym gruncie, powstaje ogniwo galwaniczne, w którym przyspieszonej korozji ulega właśnie stal, a nie miedź.

To wyjaśnia, dlaczego na przykład bezpośrednie podłączenie miedzianego przewodu uziemiającego do stali zbrojeniowej w gruncie (poza kontekstem celowo zaprojektowanej elektrody fundamentowej) może z czasem prowadzić do przyspieszonej korozji tej stali zbrojeniowej, z ryzykiem osłabienia samej konstrukcji betonowej — ryzykiem wykraczającym poza samą funkcję elektryczną uziemienia.

Dlaczego jest to szczególnie istotne w przypadku ocynkowanych elektrod stalowych

Ocynkowana prętowa elektroda stalowa sama w sobie jest już zaprojektowana tak, by być odporna na korozję dzięki powłoce cynkowej, która działa jako anoda ofiarna: warstwa cynku koroduje preferencyjnie zamiast leżącej pod nią stali. Jeśli jednak taka ocynkowana elektroda zostanie elektrycznie połączona z miedzią, nie tylko stal pod warstwą cynku staje się mniej szlachetna niż miedź, ale też sama warstwa cynku jest zużywana szybciej, niż miałoby to miejsce w przypadku izolowanej (niepołączonej z miedzią) elektrody ocynkowanej. Gdy warstwa cynku zostanie lokalnie wyczerpana, leżąca pod nią stal zostaje odsłonięta i koroduje bezpośrednio oraz w przyspieszonym tempie na skutek ogniwa galwanicznego z miedzią.

Wybory materiałowe ograniczające ryzyko

1. Spójny dobór materiału: tam gdzie to możliwe, wykonywać elektrodę uziemiającą i odpowiednie podziemne przewody łączące z tego samego metalu (na przykład w całości z miedzi lub w całości ze stali nierdzewnej odpowiedniego stopu), aby uniknąć ogniwa galwanicznego między niepodobnymi metalami w gruncie.
2. Pręty z powłoką miedzianą (copper-bonded/copper-clad steel rods): elektroda prętowa z trwałą, metalurgicznie związaną warstwą miedzi wokół stalowego rdzenia łączy wytrzymałość mechaniczną stali z miedzianą powierzchnią funkcjonującą w gruncie; dopóki warstwa miedzi pozostaje nienaruszona (brak uszkodzeń podczas wbijania), nie ma bezpośredniego kontaktu galwanicznego między odsłoniętą stalą a otaczającym gruntem.
3. Rozdzielenie galwaniczne na połączeniu tam, gdzie miedziany przewód uziemiający musi jednak zostać podłączony do stalowych elementów konstrukcyjnych (na przykład przy głównym połączeniu wyrównawczym do stalowej konstrukcji): wykonać samo połączenie nad ziemią lub poza gruntem, tak aby ogniwo galwaniczne nie znajdowało się w wilgotnym, przewodzącym środowisku gruntowym, gdzie może faktycznie płynąć prąd korozyjny — korozja występuje przede wszystkim tam, gdzie oba metale wspólnie stykają się z elektrolitem, a nie przy suchym, naziemnym połączeniu zaciskowym.
4. Spawanie egzotermiczne zamiast zacisków mechanicznych w podziemnych punktach połączenia, jak omówiono w przewodniku o spawaniu egzotermicznym (Cadweld) dla połączeń uziemiających: prawidłowo wykonane połączenie egzotermiczne między jednorodnymi metalami zmniejsza ponadto ryzyko powstania lokalnej szczeliny zatrzymującej wilgoć, która sama może przyspieszyć tempo korozji ogniwa galwanicznego.

Różnica względem korozji bimetalicznej w połączeniach naziemnych

Ten mechanizm jest powiązany z, ale nie identyczny z korozją bimetaliczną występującą w połączeniach aluminium z miedzią w zaciskach: tam chodzi o połączenie zaciskowe między przewodami aluminiowymi i miedzianymi, zwykle naziemne lub obudowane, gdzie przenikanie wilgoci do wnętrza samego zacisku tworzy elektrolit. W przypadku elektrody uziemiającej w gruncie sam grunt jest trwale i na dużą skalę elektrolitem, co z reguły czyni proces korozji szybszym i trudniejszym do skontrolowania, ponieważ uszkodzona elektroda jest ukryta pod ziemią poza zasięgiem wzroku.

Typowe błędy

1. Bezpośrednie podłączenie miedzianego przewodu uziemiającego do stali zbrojeniowej poza kontekstem celowo zaprojektowanej elektrody fundamentowej, bez uwzględnienia ryzyka przyspieszonej korozji tej stali.
2. Łączenie ocynkowanych elektrod prętowych z miedzianymi przewodami łączącymi bez wykonania z powłoką miedzianą lub rozdzielenia galwanicznego, przez co ochronna warstwa cynku jest zużywana szybciej niż oczekiwano.
3. Nierozpoznanie uszkodzenia warstwy miedzi elektrody z powłoką miedzianą podczas wbijania jako ryzyka — uszkodzona warstwa miedzi lokalnie odsłania leżącą pod nią stal, gdzie może następnie mimo wszystko powstać ogniwo galwaniczne z resztą powierzchni miedzianej.
4. Poleganie wyłącznie na zmierzonej przy odbiorze rezystancji uziemienia jako dowodzie długoterminowej sprawności — proces korozji galwanicznej może niezauważenie osłabiać przekrój elektrody przez lata, zanim wartość rezystancji zauważalnie się pogorszy przy okresowej ponownej kontroli.

Powiązane

• Dobór elektrody uziemiającej — wzór na elektrodę prętową i płytową
• Materiał poprawiający grunt przy wysokiej rezystywności gruntu
• Elektrody uziemiające i elektroda fundamentowa
• Połączenia aluminium z miedzią i korozja bimetaliczna
• Spawanie egzotermiczne (Cadweld) dla połączeń uziemiających