"Correnti Galvaniche e Correnti Vaganti" - cosa sono e come prevenirle

Partiamo con lo spiegare che le correnti galvaniche e le correnti vaganti sono due tipi di manifestazioni differenti. 

Per comprendere cosa è una corrente galvanica, e di conseguenza la corrosione galvanica, dobbiamo introdurre dei semplici concetti di fisica che rivestono un ruolo fondamentale in questo contesto:

Elettrodo: Un elettrodo è un conduttore di prima specie (per esempio metallo o grafite) usato per stabilire un contatto elettrico con una parte non metallica di circuito (per esempio un semiconduttore, un elettrolita o il vuoto). In una soluzione elettrochimica un elettrodo può essere un anodo o un catodo. Gli elettrodo possono di 1°, 2°, 3° e 4° specie.

Elettrolita: Con il termine elettrolita si indicano genericamente le sostanze che in soluzione subiscono la suddivisione in ioni delle loro molecole. Le sostanze che non si dissociano vengono dette non elettroliti.  Il termine "elettrolita" è utilizzato per indicare la capacità di condurre la corrente elettrica grazie all'intervento di ioni. Gli elettroliti, una volta sciolti in una soluzione, trasportano la corrente elettrica grazie alla presenza di due poli (negativo e positivo) all'interno della soluzione. Il trasporto è effettuato dagli ioni stessi.

Ione: In chimica si definisce "ione" un'entità molecolare elettricamente carica. In pratica, quando un atomo (o una molecola o un gruppo di atomi legati tra loro) cede o acquista uno o più elettroni si trasforma in uno ione.

Cella Galvanica: Una cella galvanica (o catena galvanica o cella voltaica) è una particolare cella elettrochimica che permette di convertire energia chimica in energia elettrica.  Un fenomeno corrosivo o una pila sono un classico esempio di cella galvanica. Il fenomeno della corrosione galvanica si verifica quando due diversi metalli vengono a contatto in presenza di un elettrolita (ad esempio acqua salata) con la conseguente creazione di una cella galvanica naturale indesiderata che provoca nei metalli coinvolti la reazione chimica di corrosione. In questo caso il catodo e l'anodo sono rappresentati da zone circoscritte dei metalli coinvolti, dette "microcatodo" e "microanodo".

Anodo: L'anodo è l'elettrodo sul quale avviene una semireazione di ossidazione. Nel caso di una pila o di una cella galvanica, l'ossidazione avviene spontaneamente e produce elettroni, quindi l'anodo è il polo negativo. Nel caso di una cella elettrolitica, l'ossidazione viene forzata sottraendo elettroni, quindi l'anodo è il polo positivo. Nei dispositivi elettronici, l'anodo è il polo positivo.

Catodo: Nei sistemi elettrochimici, il càtodo è l'elettrodo sul quale avviene una semireazione di riduzione. Nel caso di una pila o di una cella galvanica, la riduzione avviene spontaneamente e consuma elettroni, quindi il catodo è il polo positivo. Nel caso di una cella elettrolitica, la riduzione viene forzata somministrando elettroni, quindi il catodo è il polo negativo. Nei dispositivi elettronici il catodo è il polo negativo.

Riduzione: La riduzione è l'acquisizione di uno o più elettroni da parte di una specie chimica. Ogni riduzione avviene contemporaneamente ad un'ossidazione, che consiste nella perdita di elettroni da parte di un'altra specie chimica, in modo tale che gli elettroni vengano scambiati dalle due specie chimiche in questione; le reazioni di ossidazione e riduzione sono quindi due semireazioni che fanno parte di tale processo di scambio di elettroni, che prende il nome di ossidoriduzione.

Ossidazione: Si parla di ossidazione quando un elemento chimico subisce una sottrazione di elettroni, che si traduce nell'aumento del suo numero di ossidazione. Questa sottrazione di elettroni può avvenire a opera di un altro elemento, che subisce così il complementare processo di riduzione. La maggior parte delle reazioni di ossidazione comportano lo svilupparsi di energia sotto forma di calore, luce o elettricità. Le sostanze che hanno la capacità di ossidare altre sostanze sono note con il nome di agenti ossidanti. Essi sottraggono elettroni alle altre sostanze e poiché in pratica accettano elettroni sono anche chiamate accettori di elettroni. Gli ossidanti sono generalmente sostanze chimiche che possiedono elementi ad alto numero di ossidazione, per esempio il perossido di idrogeno, il permanganato o l'anidride cromica, o sostanze altamente elettronegative, quali l'ossigeno, il fluoro, il cloro o il bromo, capaci di sottrarre uno o più elettroni ad altre sostanze.

Il comportamento elettrochimico dei materiali: i materiali possono essere caratterizzati da due tipi di comportamento:

• comportamento attivo, come quello dell’acciaio al carbonio che, quando si ossida, crea uno strato in superficie (ruggine) spugnoso e compatto che non è in grado di proteggere il materiale sottostante;
• comportamento passivo, tipico dell’acciaio inossidabile che, ossidandosi forma un sottile strato compatto in grado di impedire il processo anodico e quindi protegge dalla corrosione il materiale sottostante.

COSA SONO

Ora che abbiamo introdotto questi concetti base passiamo alle due definizioni di corrente galvanica e corrente vagante:

Corrente Galvanica

Una corrente galvanica è una corrente elettrica di debole intensità, che avviene a causa alla differenza di potenziale elettrico, che deve essere comunque elevata, tra due diversi metalli. 

A causa della corrente galvanica si manifesta il fenomeno che viene chiamato corrosione galvanica o corrosione elettrolitica. Uno dei tipi di fenomeni più comuni è quello creato in presenza di umidità, dove in presenza di acqua (in cui riveste un importante ruolo il pH dell'acqua, infatti, l'acqua del circuito di riscaldamento se ha un pH basso può generare fenomeni corrosivi) due metalli con diversità nobiltà sono a contatto. In questo caso, gli elettroni migreranno dal metallo meno nobile verso quello più nobile. L'anodo sarà il metallo meno nobile, che di conseguenza sarà quello che si ossiderà. Viceversa, il metallo più nobile sarà il catodo inerte, che in questo caso specifico né si ossida né si riduce. L'ossidante è, ovviamente, l'ossigeno presente nell'acqua.

L’ossidazione risulterà localizzata nei pressi della zona di contatto tra i due metalli, poiché il metallo nobile, come detto, non subisce l'ossidoriduzione. La corrosione dei metalli interesserà solo la parte anodica dei due metalli, dove la corrente è la responsabile della corrosione.

La corrosione di tubazioni, di strutture metalliche interrate o di parti di una barca per le correnti galvaniche marine, ad esempio, è causata dalla corrente che viene a crearsi tra i metalli, provocando delle piccole crepe, fessure e buchi. 

Queste corrosioni si manifestano nelle zone di contatto tra i metalli, dunque dove avviene una giunzione diretta, saldature, bullonature, etc.Le corrosioni derivanti dalle correnti galvaniche sono piuttosto pericolose, in quanto, si manifestano nelle zone di contatto dei metalli, cioè nelle zone dove avviene la giunzione diretta, nelle saldature, bullonature, brasature, etc.

L'entità della corrosione è direttamente correlata ai seguenti fattori:

• dalla differenza di potenziale (quindi di nobiltà) dei due materiali;
• dalla quantità di ossigeno presente;
• dal rapporto della superficie complessiva dei due materiali e quella del metallo meno nobile (più è piccolo l’elemento meno nobile maggiore è l’entità della corrosione).
• dalla salinità dell'acqua, più questa è salata più ci sarà conduttività.

Corrente Vagante

La corrente vagante ha, invece, origine da un probabile problema di isolamento o di collegamento a terra dell'impianto elettrico. 

Le correnti disperse lasciano il loro normale percorso formato dai conduttori elettrici che formano il circuito, per disperdersi e circolare fuori dei circuiti previsti e attraversare il terreno dove incontrano artefatti metallici.

Tenendo presente che le correnti elettriche cercano sempre percorsi dove sia presente la minor resistenza, questa cerca sempre di attraversare tutti quegli elementi metallici interrati. 

Se siamo in presenza di corrente dispersa, questa attraverserà qualsiasi struttura metallica posta nel terreno, dove la parte anodica, cioè la zona di uscita della corrente, è soggetta a corrosione. Di conseguenza, potrebbero causare corrosione.

Questo tipo di corrosione presenta un'intensità superiore a quella galvanica o derivante da reazioni elettrochimiche, che quindi provoca una corrosione dei metalli molto marcata, presentando una degradazione localizzata nella superficie metallica attraversata dalla corrente.

Tuttavia, è importante specificare che la corrente vagante è dannosa solo se si tratta di corrente continua e non quella alternata presente nelle normali abitazioni. Difatti, la corrente elettrica di una casa non è mai continua ad eccezione di rari casi. Per meglio comprenderne il motivo diamo una veloce spiegazione dei tupi di correnti: 

In un impianto elettrico la corrente elettrica può essere continua o alternata. Nel caso delle abitazioni abitualmente si utilizza il tipo alternato perché in questa forma si può facilmente passare da un voltaggio all'altro, infatti, solo in casi specifici e per determinate esigenze si ricorre alla corrente continua che invece mantiene costante il suo voltaggio.

Più precisamente, la tensione alternata ha un andamento alternato, questo significa che ad esempio una tensione di 12V AC, ha un andamento il cui valore si alterna tra +12V e -12V, ovvero la tensione parte da 0V sale fino ad arrivare al suo massimo positivo +12V, poi riscende verso lo 0V, passa quest'ultimo dirigendosi verso valori negativi, arriva al suo massimo negativo di -12V, e risale verso lo 0V, per poi ricominciare un nuovo ciclo. Questo processo viene eseguito ad un impressionante velocità che il nostro occhio non è in grado di percepire. Normalmente nella tensione a 220V che arriva dentro le nostre case, e quindi in molti apparati ad essa connessi, tale periodo si ripete 50 volte al secondo, si dice quindi che la tensione ha una frequenza di 50 hertz.

La scelta per la corrente alternata nasce dalle perdite elevate in corrente continua se la tensione è bassa, cosa che del resto vale anche in corrente alternata. La comodità e l'efficienza di quella alternata sta nella possibilità di usare i trasformatori, che sono dispositivi per accrescere o diminuire la tensione a seconda delle applicazioni.

A questo dobbiamo anche aggiungere il fatto che la malta cementizia offre un’elevata resistenza elettrica. Molto spesso in casi di corrosione erroneamente attribuiti alle correnti vaganti il reale problema è spesso causato dai tubi che trasportano l'acqua fredda e mai quelli del riscaldamento del gas. Se la causa fosse davvero associabile alle correnti vaganti, si dovrebbe pensare che queste ultime siano così “intelligenti” da selezionare il tubo da intaccare a seconda del suo utilizzo.

 

COME PREVENIRLE

Esistono diversi modi per proteggere i metalli dall'ossidazione:

Adeguata associazione dei materiali 

Significa evitare di associare tra loro materiali galvanicamente incompatibili. I metalli adoperati abitualmente negli impianti sono, dal meno nobile al più nobile: 

• alluminio
• zinco
• acciaio
• piombo
• ottone
• rame
• bronzo
• acciaio inossidabile
• titanio
• oro
• platino

Tuttavia, adoperare dei materiali tra loro differenti non implica automaticamente la presenza di una futura corrosione galvanica. La discriminante è, infatti, data dai differenti potenziali elettrici. Difatti, due metalli che hanno potenziale elettrico simile o uguale si definiscono metalli galvanicamente compatibili, viceversa metalli galvanicamente incompatibili. Questi ultimi sono quelli che possono causare corrosione galvanica. 

Tenendo presente che i metalli possono presentare un comportamento attivo o passivo (vedi sopra), di conseguenza la prevenzione può essere passiva o attiva:

Protezione passiva degli impianti mediante il rivestimento dei metalli

Zincatura

La zincatura avviene mediante l'immersione in un bagno di zinco di un elemento metallico. In questo modo, lo zinco, essendo meno nobile dell'acciaio, funge da anodo e si corrode al suo posto.

Il ferro trattato con zinco rimane intatto fino a quando non si è esaurito tutto lo strato di zinco.

Un'ulteriore protezione dalle correnti galvaniche, è data dall'isolamento degli elementi a potenziale diverso mediante l'applicazione di manti protettivi di poliuretano, bitume, polietilene od altri materiali isolanti.

Questa opzione, per quanto valida, comporta un aumento di costi abbastanza rilevante, e, inoltre, potrebbe essere soggetta a possibile perforazione o usura accidentale che renderebbe nullo l'isolamento. 

Per operare efficacemente il rivestimento del materiale isolante deve avere una lunghezza minima di 50 cm, in caso contrario perderebbe in efficacia.

Nel caso in cui non sia possibili rivestire entrambi i metalli, dovrà essere il metallo più nobile ad essere rivestito, perchè se fosse il meno nobile ad essere rivestito, nel caso in cui si deteriorasse lo strato isolante, avremo un'area di anodo molto piccola e un'area di catodo grande che comporterà nella zona grande una corrosione elevata e rapida.

Il giunto dielettrico viene adoperato al fine d'interrompere le correnti galvaniche. Il giunto è composto da due tronchetti a saldare o filettati, uno strato protettivo all'esterno e uno all'interno. 

Grazie all'uso di questi semplici giunti dielettrici è possibile realizzare tubazioni acqua e gas protette dalla pericolosa corrosione galvanica, oppure interporre uno strato isolante, chiamato tecnicamente elemento dielettrico, tra i due materiali, ad esempio, un pezzo in acciaio inox unito a un pezzo in alluminio, tramite uno strato isolante in pvc.

Isolando in questo modo i metalli viene evitato il passaggio elettrico tra i metalli e, di conseguenza, la corrosione.

Questa è utilizzata come rivestimento protettivo della superficie del ferro, dove il cromo tra i metalli più nobili viene fissato al ferro per via elettrolitica.

Con la passivazione si isola il metallo dagli agenti esterni. In questo procedimento si effettua un'ossidazione anodica che, attraverso l'utilizzo di specifici prodotti ossidanti, rendendo il metallo resistente ed aderente alla superficie esterna.

Tale vernice viene applicata nei punti più soggetti a corrosione oppure su tutta la lunghezza del materiale.

La protezione catodica è assicurata dalla forza elettromotrice applicata da un generatore CC esterno che genera una corrente, calibrata in modo da equilibrare la forza elettromotrice che provoca la corrente galvanica.

Il polo positivo deve essere collegato a un dispersore anodico insolubile come titanio, ghisa, grafite o silicio, mentre il polo negativo va collegato al metallo da proteggere.

Tale sistema che usa metalli molto nobili che non si usurano tanto facilmente, consuma tanta corrente elettrica. Questo tipo di protezione galvanica trova applicazione in armature in calcestruzzo, le apparecchiature interrate, gli scafi di navi, pozzi petroliferi, tubazioni marine o interrate e per i pontili.

L'anodo sacrificale è un elemento ulteriore che viene collegato ai manufatti che si corrode al loro posto proteggendoli. Ovviamente si deve trattare di un elemento composto da un materiale meno nobile di quelli che deve proteggere.