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1、1,金属腐蚀和控制原理,普光分公司天然气净化厂 二一年三月,2,目录,金属腐蚀的定义 金属腐蚀的分类 金属腐蚀过程及特点 金属的腐蚀形态 腐蚀控制途径,3,一、金属腐蚀的定义,金属腐蚀是指金属在周围介质（最常见的是液体和气体）作用下，由于化学变化、电化学变化或物理溶解而产生的破坏。 金属要发生腐蚀必须有外部介质的作用，且这种作用是发生在金属与介质的相界上。因此，金属腐蚀是包括材料和环境介质两者在内的一个具有反应作用的体系。,4,一、金属腐蚀的定义,从热力学观点看，绝大多数金属在自然界中是以化合物状态（稳定状态）存在，需耗费大力的能量从矿物中提炼纯金属，即冶金过程。因此，大多数金属都具有自发地与
2、周围介质发生作用又转化为氧化物状态（化合物）的倾向，即恢复到自然存在状态，这个过程也就是腐蚀过程，是一种自发倾向。 金属 矿物（化合物）,腐蚀过程,冶金过程,5,二、金属腐蚀的分类,按照腐蚀机理分： 电化学腐蚀：金属表面与离子到点的电解质发生电化学反应而产生的破坏。特点是反应至少包含两个相对独立且在金属表面不同区域可同时进行的过程。其中阳极反应是金属离子从金属转移到介质中和放出电子的过程，即氧化过程；相对应的阴极反应便是介质中的氧化剂组分吸收来自阳极的电子的还原过程。腐蚀过程伴有电流产生。如金属在各种电解质溶液中发生的腐蚀。,6,二、金属腐蚀的分类,按照腐蚀机理分： 化学腐蚀：金属表面与周围介
3、质直接发生纯化学作用而引起的破坏。特点是氧化剂与金属表面的原子相互作用而形成腐蚀产物，电子的传递是金属与氧化剂之间直接进行的，没有电流产生，如金属在高温时氧化引起的腐蚀。 物理腐蚀：金属由于单纯的物理作用所引起的破坏。许多金属在高温熔盐、熔碱及液态金属中可以发生此类腐蚀，如盛放熔融锌的钢容器，铁被液态锌所溶解而腐蚀。,7,二、金属腐蚀的分类,按照腐蚀破坏的形貌特征分： 全面腐蚀：指腐蚀分布在整个金属表面上，可以是均匀的，也可以是不均匀的。这类腐蚀危险性相对较小，在设计时增加腐蚀裕量就能够使设备达到应用的使用寿命。如碳钢在强酸、强碱中的腐蚀。 局部腐蚀：指腐蚀主要集中在金属表面某一区域。局部腐蚀
4、有很多类型，如电偶腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、选择性腐蚀、应力腐蚀破裂、腐蚀疲劳以及磨损腐蚀等。腐蚀的发生没有先兆，是造成设备失效的主要原因。,8,三、金属腐蚀过程及特点,金属腐蚀过程：,在相界面上进行化学反应或电化学反应,腐蚀介质通过对流和扩散作业向界面迁移,腐蚀产物从相界迁移到介质或在金属表面形成覆盖膜,9,金属腐蚀特点： 腐蚀由表及里。腐蚀造成的破坏一般先从金属表面开始，伴随着腐蚀过程的进一步发展，腐蚀破坏扩展到金属材料内部，是金属的组成和性质发生改变。 金属的表面状态对腐蚀的影响显著。通常在金属表面具有钝化膜或防氧化覆盖层，腐蚀过程与这一保护层的化学成分、组织结构状态及孔隙率等因素
5、密切相关。一旦保护层受到机械损伤或化学侵蚀后，金属的腐蚀将大大加速。,三、金属腐蚀过程及特点,10,金属腐蚀特点： 腐蚀由表及里。腐蚀造成的破坏一般先从金属表面开始，伴随着腐蚀过程的进一步发展，腐蚀破坏扩展到金属材料内部，是金属的组成和性质发生改变。 金属的表面状态对腐蚀的影响显著。通常在金属表面具有钝化膜或防氧化覆盖层，腐蚀过程与这一保护层的化学成分、组织结构状态及孔隙率等因素密切相关。一旦保护层受到机械损伤或化学侵蚀后，金属的腐蚀将大大加速。,三、金属腐蚀过程及特点,11,四、金属腐蚀形态,点蚀： 由于金属材料中存在缺陷、杂质和溶质等的不均一性，当介质中含有某些活性阴离子（如Cl）时，这些
6、活性阴离子首先被吸附在金属表面某些点上，从而使金属表面钝化膜发生破坏。在金属表面缺陷处易漏出机体金属，使其呈活化状态，而钝化膜处仍为钝态，这样就形成了活性钝性腐蚀电池，由于阳极面积比阴极面积小得多，阳极电流密度很大，所以腐蚀往深处发展，金属表面很快就被腐蚀成小孔，这种现象被称为点蚀.,12,点蚀： 在石油、化工的腐蚀失效类型统计中，点蚀约占20%25%。流动不畅的含活性阴离子的介质中容易形成活性阴离子的积聚和浓缩的条件，促使点蚀的生成；粗糙的表面比光滑的表面更容易发生点蚀 ；PH值降低、温度升高都会增加点蚀的倾向。氧化性金属离子（如Fe3+、Cu2+、Hg2+等）能促进点蚀的产生。 点蚀腐蚀速
7、率很快，严重时可造成设备穿孔，危险性很大。点蚀会使晶间腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等加剧，在很多情况下点蚀是这些类型腐蚀的起源.,四、金属腐蚀形态,13,缝隙腐蚀： 金属与金属或金属与非金属表面之间构成狭窄的缝隙，缝隙内有关物质的移动受到了阻滞，形成浓差电池，产生局部腐蚀，称为缝隙腐蚀。 缝隙腐蚀常发生在设备中法兰的连接处，垫圈、衬板、缠绕与金属重叠处，给生产设备的正常运行造成严重障碍，甚至发生破坏事故。介质中，氧气浓度增加，缝隙腐蚀量增加；PH值减小，阳极溶解速度增加，缝隙腐蚀量也增加；活性阴离子的浓度增加，缝隙腐蚀敏感性升高。,四、金属腐蚀形态,14,应力腐蚀： 材料在特定的腐蚀介质中和在静拉
8、伸应力（包括外加载荷、热应力、冷加工、热加工、焊接等所引起的残余应力，以及裂缝锈蚀产物的楔入应力等）下，所出现的低于强度极限的脆性开裂现象，称为应力腐蚀开裂. 应力腐蚀开裂是先在金属的腐蚀敏感部位形成微小凹坑，产生细长的裂缝，且裂缝扩展很快，能在短时间内发生严重的破坏。应力腐蚀开裂在石油、化工腐蚀失效类型中所占比例最高，可达50%.,四、金属腐蚀形态,15,应力腐蚀： 应力腐蚀过程一般可分为三个阶段。第一阶段为孕育期，在这一阶段内，因腐蚀过程局部化和拉应力作用的结果，使裂纹生核；第二阶段为腐蚀裂纹发展时期，当裂纹生核后，在腐蚀介质和金属中拉应力的共同作用下，裂纹扩展；第三阶段中，由于拉应力的局
9、部集中，裂纹急剧生长导致零件的破坏. 一般来说，介质中氯化物浓度的增加，会缩短应力腐蚀开裂所需的时间。不同氯化物的腐蚀作用按Mg2+、Fe3+、Ca2+、Na1+、Li1+等离子的顺序递减的。,四、金属腐蚀形态,16,腐蚀疲劳： 腐蚀疲劳是在腐蚀介质与循环应力的联合作用下产生的。疲劳破坏的应力值低于屈服点，在一定的临界循环应力值（疲劳极限或称疲劳寿命）以上时，才会发生疲劳破坏。而腐蚀疲劳却可能在很低的应力条件下就发生破断，因而它是很危险的. 影响腐蚀疲劳的因素主要有应力交变速度、介质温度、介质成分、材料尺寸、加工和热处理等。增加载荷循环速度、降低介质的PH值或升高温度，都会使腐蚀疲劳强度下降。
10、,四、金属腐蚀形态,17,晶间腐蚀 ： 晶间腐蚀是金属材料在特定的腐蚀介质中，沿着材料的晶粒间界受到腐蚀，使晶粒之间丧失结合力的一种局部腐蚀破坏现象。受这种腐蚀的设备或零件，从外表看仍是完好光亮，但由于晶粒之间的结合力被破坏，材料几乎丧失了强度，轻轻敲击便成为粉末. 一般认为，通过提高材料的纯度，去除碳、氮、磷和硅等有害微量元素或加入少量稳定化元素（钛、铌），以控制晶界上析出的碳化物及采用适当的热处理制度和适当的加工工艺，可防止晶间腐蚀的产生.,四、金属腐蚀形态,18,磨损腐蚀： 由磨损和腐蚀联合作用而产生的材料破坏过程叫磨损腐蚀。磨损腐蚀可发生在高速流动的流体管道及载有悬浮摩擦颗粒流体的泵、
11、管道等处。有的过流部件，如高压减压阀中的阀瓣（头）和阀座、离心泵的叶轮、风机中的叶片等，在这些部位腐蚀介质的相对流动速度很高，使钝化型耐蚀金属材料表面的钝化膜，因受到过分的机械冲刷作用而不易恢复，腐蚀率会明显加剧，如果腐蚀介质中存在着固相颗粒，会大大加剧磨损腐蚀.,四、金属腐蚀形态,19,电偶腐蚀： 电偶腐蚀是指两种或两种以上具有不同电位的金属接触时形成的腐蚀，又称为不同金属的接触腐蚀。耐腐蚀性较差的金属（电位较低）接触后成为阳极，腐蚀加速；而耐腐蚀性较高的金属（电位较高）则变成阴极受到保护，腐蚀减轻或停止。 影响电偶腐蚀速度的因素主要有：所形成的电偶间的电极电位差;腐蚀介质的电导；金属表面的
12、极化和由于阴、阳极反应生成表面膜或腐蚀产物的影响；电偶间的空间布置（几何因素）。,四、金属腐蚀形态,20,电偶腐蚀： 电偶腐蚀的主要防止措施有：选择在工作环境下电极电位尽量接近（最好不超过50毫伏）的金属作为相接触的电偶对；减小较正电极电位金属的面积，尽量使电极电位较负的金属表面积增大；尽量使相接触的金属电绝缘,并使介质电阻增大；充分利用防护层,或设法外加保护电位。选择防护方法时应考虑面积律的影响，以及腐蚀产物的影响等。,四、金属腐蚀形态,21,选择性腐蚀： 在金属腐蚀过程中，在表面上某些特定部位有选择地溶解现象。金属固溶体的组分之一，优先地由于腐蚀而转入溶液，而金属表面则逐渐地富集了另一组成
13、，称为组分的选择性腐蚀。 选择性腐蚀源起于金属表面上组分的差异，与介质反应活性较大的组分将被优先氧化或溶解，而较稳定的组分则残留下来。 使材料表面均匀化和调整介质的腐蚀活性是防止选择腐蚀的基本方法。往合金或介质内加入某些组分作为缓蚀剂，例如往黄铜中加入少量砷，也能防止选择性腐蚀。此外，防护层和阴极保护等也是常用的防护方法。,四、金属腐蚀形态,22,氢损伤： 指金属中由于含有氢或金属中的某些成分与氢反应，从而使金属材料的力学性能发生改变的现象，又称氢致开裂或氢脆。 氢的来源有：在冶炼、酸洗、焊接或电镀等工艺过程中钢所吸收的氢；使用过程中由环境中吸收的氢。含氢介质有H2、H2S等气体，或在水溶液中
14、腐蚀时阴极过程所释放的氢。 影响钢氢脆的因素是一定浓度的氢，一定的拉伸应力和敏感的显微组织。马氏体组织伴随有较大的相变应力，这种组织对氢脆特别敏感，其次为贝氏体、屈氏体。一般索氏体，铁素体+珠光体，其氢脆敏感性较小。,四、金属腐蚀形态,23,正确选材和设计： 根据金属材料的腐蚀数据，选择对特定环境腐蚀率低、价格便宜、性能好的材料，是常用的、简便的控制腐蚀的方法，可以使设备获得经济、合理的使用寿命。由于设备的结构常常对腐蚀产生影响，所以正确的设计也很重要。另外，选材者也需要具备一定的腐蚀及防腐蚀知识，才能更完善地解决选材问题。,五、腐蚀控制途径,24,调整介质环境： 消除金属材料和设备在使用环境
15、中引起腐蚀的各种因素，腐蚀就会中止或减缓。如调整局部生产流程，锅炉给水先除氧，可保护锅炉管少受腐蚀；先除去密闭仓库进入空气的水分，可免贮存金属部件生锈；在水中经常加入碱或酸以调节pH至最佳范围（通常接近中性），可以防止冷却水对换热器和其他设备的结垢、穿孔等。,五、腐蚀控制途径,25,加入缓蚀剂： 在可能引起金属腐蚀的介质中加入少量缓蚀剂就能大大减缓金属腐蚀过程。缓蚀剂可分为无机缓蚀剂、有机缓蚀剂和气相缓蚀剂三类。 有机缓蚀剂属于吸附型缓蚀剂，它们吸附在金属表面形成几个分子厚的不可见膜，一般同时阻滞阳极和阴极反应。 气相缓蚀剂多是挥发性强的物质，也属于吸附型缓蚀剂。它的蒸气被大气中水分解出有效的
16、缓蚀基团，吸附在金属表面使腐蚀减缓，一般用于金属零部件的保护、贮藏和运输。,五、腐蚀控制途径,26,阴极保护： 金属电化学腐蚀过程中，微型电池的阴极是接受电子产生还原反应的电极，阳极是失去电子发生氧化反应的电极，只有阳极才发生腐蚀。阴极保护法就是将需要保护的金属作为腐蚀电池的阴极（原电池的正极）或作为电解池的阴极而不受腐蚀。 阴极保护广泛用于土壤和海水中的金属结构、装置等，如管道、电缆、海船、港湾码头设施、钻井平台、水库闸门、油气井等。,五、腐蚀控制途径,27,阳极保护： 一些可以钝化的金属，当从外部通入电流，电位随电流上升，达到致钝电位后，腐蚀电流急速下降，后随电位上升，腐蚀电流不变，直到过钝区为止。利用这个原理，以要保护的设备为阳极导入电流，使电位保持在钝化区的中段，腐蚀率可保持很低值。在保持钝性的电位区间，决定金属的阳极溶解电流密度大小的是钝化膜的溶解速度，所以，金属的钝态不是热力学稳定状态，而是一种远离平衡的耗散结构状态。 只适用于可钝化金属，
