金属腐蚀与防护-1

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1、金属腐蚀与防护,重庆科技学院,主要内容,一、前言 金属材料在现代工农业生产中占有非常重要的地位。机械、交通、运输、国防和科学技术等各部门都需要大量的金属材料。 在人们的日常生活用品方面也离不开金属材料。金属材料广泛应用的原因在于金属材料有优良的使用性能(即材料的物理、化学和力学性能)和优良工艺性能(包括铸造、压力加工、焊接、热处理、切削加工性能)。在现代经济生活中，金属材料是最重要的工程材料。,然而，随着使用时间的推移，金属将受到不同程度的直接和间接的损坏，通常可见的金属材料损坏的形式包括腐蚀、断裂和磨损。 金属会发生腐蚀早已为人们所知，可以说人类一开始使用金属就发现了这一现象。虽然金属腐蚀现

2、象极其广泛和常见，但作为一门学科，对其进行研究却还是近百年的事。,金属腐蚀是对金属材料的一种破坏。这种破坏使许多金属设备的使用寿命大为缩短甚至报废，给经济带来巨大的损失，它会使生产停顿、物质流失、资源耗损、产品质量降低、环境受到污染、影响新技术的发展。根据一些国家对金属腐蚀所造成损失的调查，其结果是惊人的。,表 主要工业国家腐蚀损失情况,腐蚀也是影响管道系统可靠性及使用寿命的关键因素。据美国国家输送安全局统计，美国45%管道损坏是由外壁腐蚀引起的。而在美国输气干线和集气管线的泄漏事故中，有74%是腐蚀造成的。19811987年前苏联输气管道事故统计表明，总长约24万km的管线上曾发生事故121

3、0次，其中外腐蚀517次，占事故的42.7%；内腐蚀29次，占2.4%；因施工质量问题造成的事故280次，占23.2%。,我国的地下油气管道投产l2a后即发生腐蚀穿孔的情况已屡见不鲜。它不仅造成因穿孔而引起的油、气、水泄漏损失，以及由于维修所带来的材料和入力上的浪费，停工停产所造成的损失，而且还可能因腐蚀引起火灾。特别是天然气管道因腐蚀引起的爆炸，威胁人身安全，污染环境，后果极其严重。,人类开始使用金属后不久，便提出了防止金属腐蚀的问题。古希腊早在公元前就提了用锡来防止铁的腐蚀。 我国商代就已经用锡来改善铜的耐蚀性而出现了锡青铜。18世纪以来由于工业的迅速发展，为金属材料的出现创造了条件。,凯

4、依尔(Keir)在1790年详细论述了铁在硝酸中的钝化，从此研究金属在各种介质中破坏的科学才活跃起来。 哈尔(Holl)在1819年证明铁在没有氧的情况下是不会生锈的。 德维(Dary)在1824年证明，当没有氧时，海水并不对钢起作用；在同年他又提出了用锌保护钢壳船的原理。,电离理论以及法拉第(Faraday)定律的出现对腐蚀的电化学理论的发展起到了重要的推动作用。 德拉李夫(De.La.Rive)在1830年提出了腐蚀电化学的概念(即微电池理论)，随后能斯特定律、热力学腐蚀图(pHE)等也相继产生，并创立了电极动力学过程的理论。 到了20世纪初，腐蚀学科成为一门独立的科学，在科学领域中占有一

5、定的位置。,我国的腐蚀科学发展较晚，与发达国家相比，我国腐蚀科学还有较大的差距。为了改变这种状况，我国于1978年专门成立了腐蚀科学组并组建了腐蚀学术委员会，制定了腐蚀学科发展规划，建立了腐蚀研究机构，同时加快了科技人才的培养，加强了国际学术交流，以促进我国腐蚀科学水平的提高。,二、金属腐蚀概述 1. 腐蚀的定义 “腐蚀”这个词起源于拉丁文“Corrodere”，其含义是“损坏或腐烂”。 在现代科学中，金属腐蚀的定义是“金属在环境介质的作用下，由于化学反应、电化学反应或物理溶解而产生的破坏”。 由此定义可见，金属腐蚀的发生必须有包括金属材料和环境介质在内的相界面上的作用。在金属表面或界面上发生

6、化学和电化学反应，使金属转化为离子状态。,2. 金属腐蚀的表示 金属腐蚀的质量指标：金属腐蚀的程度，可用样品在腐蚀前后质量变化(减少或增加)来评价，其中最常见的是根据质量的减少来测定腐蚀速度，计算公式为： 式中：V- 金属腐蚀速度(质量指标)，g.m-2.h-1； W0、W1 分别表示金属腐蚀前、后的质量，g； S 金属样品的表面积，m2；t 腐蚀时间，h。, 金属腐蚀的深度指标： 金属腐蚀的深度指标，我国通常采用mm.a-1表示，其计算公式为： 式中：VL 金属腐蚀速度(深度指标)，mm.a-1； V- 金属腐蚀速度(质量指标)，g.m-2.h-1； D 金属密度，g.cm-2。,在美国，表

7、示金属腐蚀的深度指标的单位时，喜欢用密耳/年(代号mpymils per year)，或用吋/年(代号ipyinchs per year)，尤其是mpy应用最为广泛，因为一般的材料腐蚀的深度指标大约在1200mpy之间。 要注意其换算单位： 1 mm.a-1 = 39.4 mpy = 3.9410-2ipy 1mil(千分之一英寸)= 10-3in 1in = 25.44mm,根据金属腐蚀的深度指标，可将金属耐腐蚀性分为十个等级或三个等级，见下表。 表 金属均匀腐蚀的十级标准,表 金属均匀腐蚀的三级标准 一般来说，当金属腐蚀速小于0.1 mm.a-1时，或小时35mpy时，就算是耐腐蚀的了！,

8、 金属腐蚀的电流指标：以金属腐蚀的阳极电流密度的大小来表示金属腐蚀速度。 金属腐蚀的电流指标的计算公式为： 式中：I 金属腐蚀速度(电流指标)，A.m-2； V- 金属腐蚀速度(重量指标)，g.m-2.h-1； A 金属的原子量； 26.8 法拉第常数，A.h；(一般来说，法拉第常数常用96500 库仑(安培.秒)，由于一小时等于3600秒，所以法拉第常数也可以等于96500/3600=26.8安培.小时),2. 金属腐蚀的分类 根据腐蚀机理进行分类 化学腐蚀(chemical corrosion)：金属表面与腐蚀介质直接发生化学反应引起的金属腐蚀。 【条件】：反应是在干燥或高温的气体、非电解

9、质溶液中进行。 【特点】：金属表面原子与氧化剂直接发生反应，生成腐蚀产物。在化学腐蚀过程中，电子的传递是在金属和氧化剂之间进行的，因而腐蚀时无电流产生。,电化学腐蚀(electro chemical corrosion)： 金属材料与电解质溶液相互接触时，在界面上将发生有自由电子参加的广义氧化和还原反应，导致接触面处的金属变为离子、络离子而溶解，或者生成氢氧化物、氧化物等稳定化合物，从而破坏了金属材料的特性，这个过程称为电化学腐蚀，是以金属为阳极的腐蚀原电池过程。,这是一种金属和电解质溶液(大多数是水溶液)发生电化学反应，其过程中有电流产生的一种腐蚀。在腐蚀过程中，金属作为电化学反应过程中的阳

10、极，进行阳极反应，失去电子变成离子状态进入溶液，成为水合阳离子： 或与某些阴离子结合生成腐蚀产物，也可以和某些络离子或分子结合成络合离子。同时在电化学腐蚀过程中还要进行阴极反应。阴极反应是一个还原反应，即金属内的剩余电子在金属表面与溶液界面为氧化剂所吸收，这样以流过金属内部的电子离子流和介质中的离子流构成回路。,表 化学腐蚀与电化学腐蚀的对比, 物理腐蚀(physical corrosion)： 这是指金属单纯的物理溶解作用引起的破坏。例如，金属在另一种液态金属中所发生的腐蚀。, 根据金属的腐蚀形态进行分类 按照腐蚀本身所显示的形为分类可分为八种，这八种形态既独特又相互关联。 八种形态是：均匀

11、腐蚀、缝隙腐蚀、孔蚀、晶间腐蚀、选择性腐蚀、磨损、应力腐蚀和氢损伤。, 均匀腐蚀： 均匀腐蚀是最常见的腐蚀形态。 【定义】：化学或电化学反应在全部暴露的金属表面或大部分面积上均匀地进行的腐蚀。 这种腐蚀的防止方法主要包括： 选择合适的材料，包括覆盖层； 缓蚀剂； 阴极保护。 以上这些方法可单独使用或联合使用。,从重量上来看，均匀腐蚀代表金属的最大的破坏。但是从技术观点来看，这类腐蚀并不重要，因为根据比较简单的试验，就可以准确估计设备的寿命。 其它大多数腐蚀形态在性质上更危险，更难于预测。而且它们又都是局部性的，腐蚀局限在结构的特定区域或部位上，其结果就引起设备、机器、工具的意外或过早的损坏。,

12、 缝隙腐蚀： 【定义】：浸在介质中的金属表面上，在缝隙和其它隐蔽的区域内发生的强烈局部腐蚀。 【特点】：在金属孔穴、垫片底面、搭接缝表面沉积物以及螺帽下的缝隙内，积存了少量静止的电解质溶液，而发生电化学反应，导致金属腐蚀。因此这种腐蚀形态也称为缝隙腐蚀，有时也称为沉积物腐蚀或垫片腐蚀。 产生缝隙腐蚀的沉积物有：砂、尘埃、腐蚀产物和其它固体。沉积物的作用是屏蔽，在下面形成不流动的条件。,金属和非金属表面接触，常常发生缝隙腐蚀，引起这类腐蚀的材料有：木材、塑料、橡胶、玻璃、混凝土、石棉、蜡和织物。 例如在垫片不锈钢界面就会产生缝隙腐蚀，且不锈钢对缝隙腐蚀特别敏感。 缝隙腐蚀通常发生在宽度等于或小于

13、千分之几英寸的窄缝处。它很少发生在宽的(如1/8in)的沟或缝隙中。,这种腐蚀的防止方法主要包括： 新设备用对接焊，而不用铆或螺杆连结。焊缝要坚实并焊透，以避免内部产生微孔和缝隙； 搭接焊的缝隙，要用连续焊，铅焊或捻缝的方法将其封塞； 设计容器时要使液体能完全排净，避免锐角和静滞区(死角)。液体能排尽则便于清洗，还可防止固体在器底的沉积； 经常检查设备并除去沉积物； 如可能时，应及早从工艺流程中除去悬浮的固体； 如可能时，提供均一的环境； 尽可能使用整的、不吸水的垫片，如聚四氟乙烯。, 孔蚀： 孔蚀也称为坑蚀，或点蚀。孔蚀是一种特殊的局部腐蚀。孔蚀的发展可以导致金属上产生小孔。 若用h表示腐蚀

14、孔的深度、d表示腐蚀孔的直径，当h/d1时称为局部腐蚀；当h/d1时，称为孔蚀。,孔蚀有以下五个方面的特点： 孔蚀引起设备和管道穿孔的失重很小，甚至于觉察不到有重量变化，但一旦穿孔就使设备和管道报废； 孔蚀往往是从金属的一侧开始，在另一侧逐步扩大而穿孔； 孔蚀具有大阴极和小阳极不利的面积比，并且有自催化特性，当小孔内部发生腐蚀时，小孔周围部分的金属却受到阴极保护。孔的面积越小则阴阳极面积比就较大，孔的腐蚀速度也越快；,腐蚀起始表面的孔一般都很小，而且有腐蚀产物覆盖，因此既不容易发现也不易检查，孔蚀往往只有穿孔后才发现； 孔蚀需要一个很长的诱导期，诱导期可以从几月到几年，在这段时间内，目测根本看

15、不到金属表面有任何变化。 这种腐蚀的防止方法：可参考缝隙腐蚀的防止方法，但最重要的还是改变材质的耐孔蚀性能。, 晶间腐蚀： 因为金属材料大多数是晶体，所以金属材料表面有不少的晶粒间界(晶界)。晶界是原子排列较为疏松而紊乱的区域，因此，晶界容易富集杂质原子，产生所谓晶界吸附，也容易发生沉淀，即所谓晶界沉淀。 晶间腐蚀是由晶界的杂质，或晶界区某一合金元素增多或减少而引起的。, 选择性腐蚀： 【定义】：在一种多元合金中，较活泼金属组分与电解质发生电化学反应而产生的溶解腐蚀，这个过程是由于化学成分的差异而引起的。 选择性腐蚀，只发生在二种或二种以上的金属形成固溶体的合金中，这时较贵的金属作为阴极保持稳

16、定或重新沉淀；而化学性质活泼的金属则作为阳极发生溶解。 在油田注水系统中注水泵的叶轮常常是用硅黄铜制作，黄铜中的锌易被腐蚀，留下多孔的纯铜，一般把这种现象叫做黄铜脱锌，它就是一种选择性腐蚀破坏。, 磨损腐蚀： 【定义】：金属在与腐蚀介质发生湍流的同时，还存在电化学腐蚀的现象，所以也叫湍流腐蚀。 泵的叶片、阀门、弯管、离心机、孔板流量计、透平机叶片、喷嘴、喷射设备等金属部件，往往存在腐蚀介质和金属表面之间的剧烈相对运动，因此在发生金属腐蚀的同时，还存在介质对金属的磨损，共同导致金属破坏。,【特点】金属的破坏是电化学腐蚀和机械作用的综合结果。 这类破坏常与金属表面上流体的湍流程度有关，故所有影响腐蚀的电化学因素对磨蚀都有影响，此外，机械作用也有影响。,【磨损腐蚀特征】磨蚀的特征是金属表面往往具有沟、槽、凹谷或波浪形的外观形态，并具有一定的方向性。绝大部分的金属材料对磨蚀是很敏感的，尤其是依靠保护膜来防腐的钝态金属或投加缓蚀剂的水质，磨蚀会使保护膜破坏而导致腐蚀。,