แนวทางในการหลีกเลี่ยงการกัดกร่อนแบบกัลวานิก (Prevention of Galvanic Corrosion)

 แนวทางในการหลีกเลี่ยงการกัดกร่อนแบบกัลวานิก

มาตรการที่ใช้ในการหลีกเลี่ยงการกัดกร่อนแบบกัลวานิกที่จะนำเสนอนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อกำจัดองค์ประกอบที่ทำให้เกิดการกัดกร่อนประเภทดังกล่าว อย่างไรก็ตาม มาตรการรับมือเหล่านี้จะมีประสิทธิภาพมากที่สุดก็ต่อเมื่อนำมาประยุกต์ใช้ตั้งแต่เนิ่น ๆ ในขั้นตอนการออกแบบของโครงการ

การกัดกร่อนแบบกัลวานิก (หรือที่เรียกว่าการกัดกร่อนของโลหะสองชนิด (bimetallic corrosion) หรือการกัดกร่อนของโลหะที่แตกต่างกัน (dissimilar metal corrosion)) เป็นกระบวนการการเสื่อมสภาพทางเคมีไฟฟ้าซึ่งเกิดขึ้นเมื่อโลหะต่างกันสองชนิดมาสัมผัสกันและเชื่อมต่อกันในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ การกัดกร่อนประเภทนี้มีลักษณะเฉพาะคือเกิดการกัดกร่อนแบบเร่งในโลหะชนิดหนึ่งที่มีศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่า ในขณะที่อีกโลหะหนึ่งที่มีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่ายังคงอยู่ในสภาพเดิม หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งได้ว่า โลหะชนิดหนึ่งจะกลายเป็นขั้วแอโนด  และกัดกร่อนได้ดีกว่า ดังนั้นจึงต้องเสียสละตัวเอง (สูญเสียอิเล็กตรอน) ไปพร้อมๆ กับการปกป้องโลหะอีกชนิดหนึ่งที่เป็นขั้วแคโทด

การกัดกร่อนแบบกัลวานิกค่อนข้างส่งผลกระทบที่รุนแรงและสร้างความเสียหายมูลค่าหลายล้านบาทต่อปี มาตรการรับมือที่ดีเพื่อป้องกันการก่อตัวหรือเกิดขึ้นจะต้องนำมาพิจารณาตั้งแต่ขั้นตอนการวางแผนหรือตั้งแต่ขั้นตอนการออกแบบ การกัดกร่อนแบบกัลวานิกมีสาเหตุมากมายหลายประการและอาจประกอบด้วยปฏิกิริยาเคมีหลายอย่าง ดังนั้นจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องมีความเข้าใจอย่างลึกซ้องเกี่ยวกับกลไกพื้นฐานและปัจจัยที่ส่งผลต่อการฟอร์มตัวของการกัดกร่อนประเภทนี้

สาเหตุของการกัดกร่อนแบบกัลวานิก

ปัจจัยหลักที่ส่งผลให้เกิดการกัดกร่อนแบบกัลวานิกคือค่าความต่างศักย์ทางไฟฟ้าของโลหะที่มาสัมผัสกัน เมื่อโลหะทั้งคู่ถูกจุ่มแช่ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์จะเกิดการไหลของอิเล็กตรอน ค่าของศักย์ไฟฟ้าของโลหะชนิดต่างๆ แสดงอยู่ในตารางที่เรียกว่าอนุกรมกัลวานิก ดังนั้นความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างโลหะทั้งสองจึงเป็นความแตกต่างระหว่างศักย์ไฟฟ้าของโลหะทั้งสองตามที่แสดงในอนุกรมกัลวานิก

แผนภาพอนุกรมกัลวานิกกำหนดความเสถียรของโลหะและกึ่งโลหะ เทียบกับอิเล็กโทรดอ้างอิง Zn, Ag/AgCl และ Cu/CuSO4.

https://cathwell.com/galvanic-series/

เมื่อโลหะสองชนิดสัมผัสกันและจุ่มแช่ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ ความต่างศักย์ของโลหะทั้งสองชนิดจะทำให้อิเล็กตรอนถ่ายโอนจากแอโนด (โลหะที่มีความเสถียรหรือมีศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่า) ไปยังแคโทด (โลหะที่มีความเสถียรหรือมีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่า) การถ่ายโอนอิเล็กตรอนนี้ส่งผลให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันและการรีดักชันต่อเนื่องกัน ซึ่งทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบกัลวานิกที่ขั้วแอโนด

แนวการในการหลีกเลี่ยงการกัดกร่อนแบบกัลวานิก

มาตรการที่ใช้ในการกัดกร่อนแบบกัลวานิกโดยทั่วไปจะมุ่งในการกำจัดองค์ประกอบพื้นฐานที่ทำให้เกิดการฟอร์มตัว ซึ่งส่วนใหญ่จะเน้นในการกีดขวางทางเดินไฟฟ้าในส่วนโลหะหรืออิเล็กโทรไลต์ของระบบ (ไม่ให้โลหะสัมผัสกันโดยตรง/ไม่ให้เกิดการครบวงจร) การกำจัดออกซิเจนออกจากอิเล็กโทรไลต์ และการใช้สารยับยั้งการกัดกร่อน ดังนี้

1. การใช้ฉนวน

หนึ่งในวิธีที่มีประสิทธิผลมากที่สุดในการทำลายเส้นทางไฟฟ้าในเซลล์เคมีไฟฟ้าคือการกั้นโดยวัสดุที่ไม่นำไฟฟ้าระหว่างจุดสัมผัสของโลหะที่เชื่อมต่อกันที่สอง เนื่องจากการกัดกร่อนแบบกัลวานิกเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนสามารถไหลจากขั้วแอโนดไปยังแคโทด ทำให้เกิดกระแสกัลวานิกในระบบ วัสดุฉนวนจะปิดกั้นการไหลของอิเล็กตรอน จึงป้องกันปฏิกิริยาออกซิเดชันและการรีดักชันไม่ให้เกิดขึ้น

ในทางปฏิบัติ ฉนวนมักทำได้โดยใช้บุชชิ่ง แหวนรอง ปะเก็น และสารเคลือบที่ทำจากโพลีเมอร์หรืออีลาสโตเมอร์ ตัวอย่างเช่น ในอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซ ปะเก็นอีพอกซีเสริมใยแก้ว (Glass Reinforced Epoxy; GRE) ที่ไม่นำไฟฟ้ามักจะวางไว้ระหว่างหน้าแปลนของท่อที่เชื่อมต่อกันเพื่อไม่ให้เกิดการนำไฟฟ้าระหว่างท่อที่อยู่ติดกัน

การใช้ปะเก็นวางขั้นระหว่างท่อที่มาต่อกันที่หน้าแปลน

https://www.universalengineeringconsultants.com/post/flange-insulating-gasket-kits-for-industrial-application

2. การแยกอิเล็กโทรไลต์

องค์ประกอบหลักอีกประการหนึ่งที่ทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบกัลวานิก คือ อิเล็กโทรไลต์ ซึ่งประกอบด้วยไอออนที่เอื้อให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันและรีดักชันใน galvanic cell ดังนั้น มาตรการในการแยกโลหะที่สัมผัสกันออกจากอิเล็กโทรไลต์ถือว่ามีประสิทธิภาพในการป้องกันการกัดกร่อนแบบกัลวานิก (คล้ายการแยกผู้ป่วยโควิดไปอยู่ในสถานกักกัน) ซึ่งอาจทำได้โดยการใช้สารประกอบไม่ซับน้ำ/ความชื้น โดยทำหน้าที่เป็นตัวกั้นระหว่างเนื้อโลหะและสารละลายอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งในอุตสาหกรรมต่าง ๆ ก็มักใช้สี สารเคลือบ น้ำมันและจาระบีจนได้ผลดีเยี่ยม

3. การเลือกคู่โลหะที่สัมผัสกันอย่างเหมาะสม

การกัดกร่อนแบบกัลวานิกสามารถหลีกเลี่ยงได้ด้วยการลดความต่างศักย์ระหว่างโลหะให้เหลือน้อยที่สุด ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ อิเล็กตรอนไหลจากขั้วแอโนดไปยังแคโทดเนื่องจากความต่างศักย์ ยิ่งความต่างศักย์ระหว่างสองโลหะมีค่าสูง กระแสกัลวานิกเหนี่ยวนำก็จะยิ่งมากขึ้นตามไปด้วย และอัตราการกัดกร่อนก็จะยิ่งรุนแรงมากขึ้น

โลหะที่มีความต่างศักย์ไฟฟ้าต่ำจะสูญเสียอิเล็กตรอนและเกิดการกัดกร่อน ดังนั้นถ้าเป็นไปก็ควรเลือกโลหะที่สัมผัสกันมีค่าศักย์ไฟฟ้าใกล้เคียงกัน เช่น โลหะที่อยู่ใกล้กันในอนุกรมกัลวานิก เพื่อลดโอกาสที่จะเกิดการกัดกร่อนแบบกัลวานิก

4. การใช้สารยับยั้งการกัดกร่อน

สารยับยั้งการกัดกร่อนคือสารประกอบ (โดยปกติจะเป็นของเหลว) ที่เติมลงในอิเล็กโทรไลต์เพื่อระงับปฏิกิริยาเคมีที่ทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบกัลวานิก สารยับยั้งทำงานได้หลายวิธี โดยส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับกระบวนการทางเคมีที่ซับซ้อน อย่างไรก็ตาม สารยับยั้งที่มีประสิทธิภาพสูงสุดต่อการกัดกร่อนแบบกัลวานิกคือตัวยับยั้งที่กำจัดออกซิเจนที่ละลายน้ำออกจากสารละลายอิเล็กโทรไลต์ การกำจัดออกซิเจนจะช่วยลดโอกาสในการเกิดปฏิกิริยารีดักชั่นที่ขั้วแอโนด เนื่องจากปฏิกิริยาที่ขั้วแคโทดขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาขั้วแอโนด ดังนั้นกระบวนการเกิดกัลวานิกจึงหยุดลง

5. การลดสัดส่วนของพื้นที่แอโนด/แคโทด

การศึกษาหลายชิ้นระบุว่าอัตราและความรุนแรงของการกัดกร่อนแบบกัลวานิกได้รับผลกระทบจากอัตราส่วนของพื้นที่แคโทดต่อพื้นที่แอโนด กล่าวคือ ยิ่งสัดส่วนของพื้นที่แคโทดต่อแอโนดมีค่ามากขึ้นเท่าไร อัตราการเกิดปฏิกิริยารีดักชันที่ขั้วแอโนดก็จะยิ่งมากขึ้น ส่งผลให้การกัดกร่อนแบบกัลวานิกรุนแรงยิ่งขึ้น ในทางตรงกันข้าม ยิ่งพื้นที่แคโทดต่อแอโนดมีค่าน้อยลง การเสื่อมสภาพที่ตามมาก็จะยิ่งส่งผลเสียน้อยลง (ให้หลับตานึกถึงการบริจาคสิ่งของ ถ้าของที่ให้ (แอโนด) มีปริมาณเล็กน้อย แต่มีผู้รอรับบริจาค (แคโทด) เป็นจำนวนมาก ของก็ย่อมหมดลงภายในพริบตา (การสูญเสียโลหะเกิดขึ้นอย่างรุนแรงที่ขั้วแอโนด))

ในระหว่างขั้นตอนการออกแบบเบื้องต้น จะเกิดความคุ้มค่าเมื่อตรวจสอบให้แน่ใจว่าพื้นที่ของโลหะที่แสดงตัวเป็นขั้วแอโนดมีขนาดมากกว่าพื้นที่ของขั้วแคโทด ตัวอย่างเช่น สกรูเหล็กกล้าสำหรับยึดแผ่นอะลูมิเนียมจะให้ผลลัพธ์ที่ดีเมื่อสกรูเป็นอะลูมิเนียมมายึดแผ่นเหล็ก

สรุป

การป้องกันการกัดกร่อนแบบกัลป์วานิกมักจะได้ผลดีเมื่อนำมาประยุกต์ใช้ตั้งแต่เนิ่น ๆ ในขั้นตอนการออกแบบของโครงการ การทำความเข้าใจกลไกที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าเป็นกุญแจสำคัญในการเลือกมาตรการป้องกันที่เหมาะสมและมีประสิทธิภาพมากที่สุดสำหรับสถานการณ์ที่กำหนด สิ่งสำคัญที่ต้องทราบคือมีหลากหลายวิธีที่สามารถป้องกันการกัดกร่อนแบบกัลวานิก และเพิ่มประสิทธิภาพให้สูงขึ้น