Гальванічна корозія заземлювальних електродів — вибір матеріалу мідь проти сталі

Стаття про розрахунок заземлювального електрода та стаття про матеріал для покращення ґрунту розглядають геометрію та питомий опір ґрунту заземлювального електрода. Ця стаття розглядає інший, часто недооцінюваний ризик, не пов'язаний зі значенням електричного опору, виміряним під час введення в експлуатацію: гальванічну корозію, яка може зруйнувати електрод через роки.

Механізм: гальванічна пара в ґрунті

Коли два різні метали електрично з'єднані і обидва контактують з електролітом — вологий ґрунт є електролітом — утворюється гальванічна пара. Метал з нижчим (більш негативним) електродним потенціалом у гальванічному ряду ("менш благородний" метал) кородує прискорено, тоді як більш благородний метал захищається (катодно). Мідь значно благородніша, ніж сталь (включно з оцинкованою сталлю та арматурною сталлю), у гальванічному ряду. Щойно мідний заземлювальний електрод чи провідник безпосередньо електрично з'єднується зі сталлю в тому самому вологому ґрунті, утворюється гальванічна пара, в якій прискорено кородує саме сталь, а не мідь.

Це пояснює, чому, наприклад, пряме з'єднання мідного заземлювального провідника з арматурною сталлю в ґрунті (поза контекстом навмисно спроєктованого фундаментного заземлювача) може з часом призвести до прискореної корозії цієї арматурної сталі, з ризиком послаблення самої бетонної конструкції — ризиком, що виходить за межі лише електричної функції заземлення.

Чому це особливо актуально для оцинкованих сталевих електродів

Оцинкований сталевий стрижневий електрод сам по собі вже розрахований на опір корозії завдяки цинковому покриттю, яке діє як жертовний анод: цинковий шар кородує переважно замість сталі під ним. Однак якщо такий оцинкований електрод електрично з'єднаний з міддю, не лише сталь під цинковим шаром стає менш благородною, ніж мідь, а й сам цинковий шар витрачається швидше, ніж це було б в ізольованого (не з'єднаного з міддю) оцинкованого електрода. Щойно цинковий шар локально вичерпано, сталь під ним оголюється і кородує безпосередньо та прискорено через гальванічну пару з міддю.

Вибір матеріалів, що обмежує ризик

1. Узгоджений вибір матеріалу: за можливості виконувати заземлювальний електрод та відповідні підземні з'єднувальні провідники з одного й того самого металу (наприклад, повністю з міді або повністю з нержавіючої сталі відповідного сплаву), щоб уникнути гальванічної пари між різнорідними металами в ґрунті.
2. Стрижні з мідним покриттям (copper-bonded/copper-clad steel rods): стрижневий електрод з міцним, металургійно зв'язаним мідним шаром навколо сталевого осердя поєднує механічну міцність сталі з мідною поверхнею, яка працює в ґрунті; поки мідний шар залишається цілим (без пошкоджень під час забивання), прямого гальванічного контакту між оголеною сталлю та навколишнім ґрунтом немає.
3. Гальванічне розділення на з'єднанні там, де мідний заземлювальний провідник усе ж необхідно підключити до сталевих конструктивних елементів (наприклад, при виконанні основного вирівнювання потенціалів до сталевої конструкції): виконувати саме з'єднання над землею або поза ґрунтом, щоб гальванічна пара не перебувала у вологому, струмопровідному середовищі ґрунту, де справді може протікати корозійний струм — корозія виникає насамперед там, де обидва метали спільно контактують з електролітом, а не при сухому, надземному затискному з'єднанні.
4. Екзотермічне зварювання замість механічних затискачів у підземних точках з'єднання, як розглянуто в статті про екзотермічне зварювання (Cadweld) для заземлювальних з'єднань: правильно виконане екзотермічне з'єднання між однорідними металами також знижує ризик утворення локальної вологозатримуючої щілини, яка сама може прискорити швидкість корозії гальванічної пари.

Відмінність від біметалічної корозії в надземних з'єднаннях

Цей механізм пов'язаний з біметалічною корозією, що виникає у з'єднаннях алюмінію з міддю в клемах, але не ідентичний їй: там ідеться про затискне з'єднання між алюмінієвими та мідними провідниками, зазвичай надземне або закрите, де проникнення вологи всередину самої клеми утворює електроліт. У заземлювального електрода в ґрунті сам ґрунт постійно й масштабно є електролітом, що, як правило, робить процес корозії швидшим і важче контрольованим, оскільки пошкоджений електрод прихований під землею від огляду.

Типові помилки

1. Пряме з'єднання мідного заземлювального провідника з арматурною сталлю поза контекстом навмисно спроєктованого фундаментного заземлювача, без урахування ризику прискореної корозії цієї сталі.
2. Поєднання оцинкованих стрижневих електродів з мідними з'єднувальними провідниками без виконання з мідним покриттям або гальванічного розділення, через що захисний цинковий шар витрачається швидше за очікуване.
3. Невизнання пошкодження мідного шару електрода з мідним покриттям під час забивання як ризику — пошкоджений мідний шар локально оголює сталь під ним, де потім усе ж може утворитися гальванічна пара з рештою мідної поверхні.
4. Опора виключно на виміряний під час введення в експлуатацію опір заземлення як доказ довготривалої справності — процес гальванічної корозії може непомітно руйнувати переріз електрода роками, перш ніж значення опору помітно погіршиться при періодичній повторній перевірці.

Пов'язані матеріали

• Розрахунок заземлювального електрода — формула стрижневого та пластинчастого електрода
• Матеріал для покращення ґрунту при високому питомому опорі
• Заземлювальні електроди та фундаментний заземлювач
• З'єднання алюмінію з міддю та біметалічна корозія
• Екзотермічне зварювання (Cadweld) для заземлювальних з'єднань