Гальваническая коррозия заземляющих электродов — выбор материала медь против стали

Статья о расчёте заземляющего электрода и статья о материале для улучшения грунта рассматривают геометрию и удельное сопротивление грунта заземляющего электрода. Эта статья рассматривает другой, часто недооцениваемый риск, не связанный со значением электрического сопротивления, измеренным при вводе в эксплуатацию: гальваническую коррозию, которая может разрушить электрод спустя годы.

Механизм: гальваническая пара в грунте

Когда два разных металла электрически соединены и оба контактируют с электролитом — влажный грунт является электролитом — образуется гальваническая пара. Металл с более низким (более отрицательным) электродным потенциалом в гальваническом ряду ("менее благородный" металл) корродирует ускоренно, тогда как более благородный металл защищается (катодно). Медь значительно более благородна, чем сталь (включая оцинкованную сталь и арматурную сталь), в гальваническом ряду. Как только медный заземляющий электрод или проводник напрямую электрически соединяется со сталью в том же влажном грунте, образуется гальваническая пара, в которой ускоренно корродирует именно сталь, а не медь.

Это объясняет, почему, например, прямое соединение медного заземляющего проводника с арматурной сталью в грунте (вне контекста намеренно спроектированного фундаментного заземлителя) может со временем привести к ускоренной коррозии этой арматурной стали, с риском ослабления самой бетонной конструкции — риском, выходящим за пределы одной лишь электрической функции заземления.

Почему это особенно актуально для оцинкованных стальных электродов

Оцинкованный стальной стержневой электрод сам по себе уже рассчитан на сопротивление коррозии за счёт цинкового покрытия, которое действует как жертвенный анод: цинковый слой корродирует преимущественно вместо находящейся под ним стали. Однако если такой оцинкованный электрод электрически соединён с медью, не только сталь под цинковым слоем становится менее благородной, чем медь, но и сам цинковый слой расходуется быстрее, чем это было бы у изолированного (не соединённого с медью) оцинкованного электрода. Как только цинковый слой локально исчерпан, находящаяся под ним сталь обнажается и корродирует напрямую и ускоренно из-за гальванической пары с медью.

Выбор материалов, ограничивающий риск

1. Согласованный выбор материала: по возможности выполнять заземляющий электрод и соответствующие подземные соединительные проводники из одного и того же металла (например, полностью из меди или полностью из нержавеющей стали подходящего сплава), чтобы избежать гальванической пары между разнородными металлами в грунте.
2. Стержни с медным покрытием (copper-bonded/copper-clad steel rods): стержневой электрод с прочным, металлургически связанным медным слоем вокруг стального сердечника сочетает механическую прочность стали с медной поверхностью, работающей в грунте; пока медный слой остаётся целым (без повреждений при забивании), прямого гальванического контакта между обнажённой сталью и окружающим грунтом нет.
3. Гальваническое разделение на соединении там, где медный заземляющий проводник всё же необходимо подключить к стальным конструктивным элементам (например, при выполнении основного уравнивания потенциалов к стальной конструкции): выполнять само соединение над землёй или вне грунта, чтобы гальваническая пара не находилась во влажной, токопроводящей среде грунта, где действительно может протекать коррозионный ток — коррозия возникает в первую очередь там, где оба металла совместно контактируют с электролитом, а не при сухом, надземном зажимном соединении.
4. Экзотермическая сварка вместо механических зажимов на подземных точках соединения, как рассмотрено в статье об экзотермической сварке (Cadweld) для заземляющих соединений: правильно выполненное экзотермическое соединение между однородными металлами также снижает риск образования локальной влагозадерживающей щели, которая сама может ускорить скорость коррозии гальванической пары.

Отличие от биметаллической коррозии в надземных соединениях

Этот механизм связан с биметаллической коррозией, возникающей в соединениях алюминия с медью в клеммах, но не идентичен ей: там речь идёт о зажимном соединении между алюминиевыми и медными проводниками, обычно надземном или закрытом, где проникновение влаги внутрь самой клеммы образует электролит. У заземляющего электрода в грунте сам грунт постоянно и масштабно является электролитом, что, как правило, делает процесс коррозии более быстрым и труднее поддающимся контролю, поскольку повреждённый электрод скрыт под землёй от осмотра.

Типичные ошибки

1. Прямое соединение медного заземляющего проводника с арматурной сталью вне контекста намеренно спроектированного фундаментного заземлителя, без учёта риска ускоренной коррозии этой стали.
2. Сочетание оцинкованных стержневых электродов с медными соединительными проводниками без исполнения с медным покрытием или гальванического разделения, из-за чего защитный цинковый слой расходуется быстрее ожидаемого.
3. Непризнание повреждения медного слоя электрода с медным покрытием при забивании как риска — повреждённый медный слой локально обнажает находящуюся под ним сталь, где затем всё же может образоваться гальваническая пара с остальной медной поверхностью.
4. Опора исключительно на измеренное при вводе в эксплуатацию сопротивление заземления как доказательство долговременной исправности — процесс гальванической коррозии может незаметно разрушать сечение электрода годами, прежде чем значение сопротивления заметно ухудшится при периодической повторной проверке.

Связанные материалы

• Расчёт заземляющего электрода — формула стержневого и пластинчатого электрода
• Материал для улучшения грунта при высоком удельном сопротивлении
• Заземляющие электроды и фундаментный заземлитель
• Соединения алюминия с медью и биметаллическая коррозия
• Экзотермическая сварка (Cadweld) для заземляющих соединений