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1、化工腐蚀与防护,Chemical Corrosion and Anticorrosion,主讲：张新强,本课程以石油、化工生产的实践为背景，系统、简明地阐述了材料发生腐蚀破坏的普遍规律和特殊规律、腐蚀的基本理论和基本知识，着重介绍了常见的金属腐蚀形态及相应的防护措施，还简要介绍了非金属材料的腐蚀形式和石油工业中的腐蚀问题及相应的防护措施等。,本课程是化学、化工类各专业的一门专业选修课。共36学时，2学分。,课程简介,通过本课程的学习，要掌握腐蚀的基本原理和基本知识，培养科学的思维方法和分析问题、解决问题的能力，为从事工业设计、生产实践和科学研究打下坚实而宽厚的基础。源头上设计中要考虑腐蚀的问题
2、，谨防出现失败的设计；生产中要及时发现腐蚀的部位、程度以及预防的措施等，谨防造成严重事故；科学研究中重视腐蚀规律的研究与总结，谨防事故的发生。 这门课是培养石油、化工人才厚基础、宽口径、高素质、创新人才的科学素养和专业素质，以便于大家在以后的学习、工作、生活中对于一些腐蚀现象能给予事先考虑、判断和合理的处置。,教学中各环节互相渗透、互相促进,本课程为考查课。平时成绩占30%，期末卷面成绩占70%。平时成绩包括大作业、考勤、课堂回答问题等。,腐蚀电化学原理第二版. 曹楚南. 北京：化学工业出版社, 2004.4 材料腐蚀与防护概论. 何业东, 齐慧滨. 北京：机械工业出版社, 2005.2 材料
3、的腐蚀与防护. 曾荣昌，韩恩厚. 北京：化学工业出版社, 2006.5 腐蚀破坏事故100例. 张远声. 北京：化学工业出版社, 2000.1,老房木板上的生锈的铁钉、铁护栏的生锈、锡罐头盖的生锈、钢筋的锈蚀、轮船设备的锈蚀、腐蚀的自来水管道流出黄色的水、输油输气管道、开水管道、大雁塔广场上铜雕塑上的铜绿、秦始皇的铜车马、兵马俑、银首饰的变色、塑料的硬脆、橡胶轮胎的老化、古籍纸质的发黄变脆、丝绸的化丝、朽木、涂料的褪色、脱落、牙齿的坏烂、石头的风化等等。,第一章 概论,材料在和周围介质接触过程中，发生物理、化学或电化学反应等而使材料遭受破坏或性能恶化的过程称作腐蚀。,出于物理原因造成的破坏不称
4、为腐蚀，而称为磨损或磨耗等等。但实际情况下腐蚀和物理损伤是伴随发生的，物理损伤更是加速了腐蚀的进度。,严格讲，所有环境都有一定的腐蚀性，所以周围介质就称之为腐蚀环境。腐蚀环境对于腐蚀影响很大，如在无氧的盐酸中，铁会发生腐蚀而铜不发生腐蚀；在含氧的盐酸中，铁和铜都会发生腐蚀，但是铁的腐蚀速度大于铜的腐蚀速度。 苛刻的腐蚀环境：高温、高压、交流电场、低温、粉尘、酸、碱、盐等。,腐蚀程度和速度与腐蚀环境、作用时间、材质、结构、化学组成、形状、表面状况、受力情况等密切相关。,腐蚀现象非常普遍，但却非常复杂。 由此而诞生的腐蚀科学是一门高度交叉性的综合学科，涉及化学、电化学、物理学、材料学、表面科学、工
5、程力学、冶金学、生物学等多个学科，它也将随着这些学科的发展而不断发展前进。近年来，腐蚀科学的基础理论研究和应用研究都取得了长足的发展，创造出了巨大的经济效益和社会效益。,普遍性和广泛性：腐蚀无处不在。天上地下、陆上水下；金属、非金属。航天器的生物腐蚀、大气腐蚀；轮船、航空母舰的海水腐蚀。 持续性：腐蚀无时不在。腐蚀的发生是一个持续、累积过程。有可能在无任何征兆条件下突然发生破坏。不是不爆，时候未到！腐蚀在我们身边每时每刻悄悄地发生着，它吞噬着人们的劳动成果，改变了历史的原貌。悄悄进行的破坏金属腐蚀曹楚南院士的科普著作。 非线性：腐蚀的速度并非总是线性过程，会随外界条件的变化而变化。 自发性：腐
6、蚀的发生完全是一个自发过程，就像水向低处流一样。我们控制腐蚀就像要阻止水向低处流。从化学的角度来说就是从不稳定态向稳定态转化的过程。金属的腐蚀是金属提纯的逆向过程。,危害性和严重性：很大。 危害性：腐蚀会影响设备的使用寿命，严重的会危及设备安全及人身安全，因而不可等闲视之。腐蚀造成的直接损失，如人员的伤亡、设备的破坏、装置的损毁等造成直接的经济损失，大家是有目共睹的。但更为重要的是，腐蚀所造成的相关间接损失也非常惊人。如一个电厂由于腐蚀而导致突然停电，将导致大批的工厂的巨大损失。桥梁、压力容器、锅炉、贮有剧毒、放射性物质的金属容器、贮存核废料的金属容器等。腐蚀停车停产该厂经济损失连锁反应其他相
7、关厂经济损失国内的经济损失国际的经济损失总的经济损失。,儿歌: 锈了一枚铁钉，坏了一只蹄铁；坏了一只蹄铁，折了一匹战马；折了一匹战马，损了一员大将；损了一员大将，输了一场战役；输了一场战役，亡了一个帝国。 铁钉帝国 From bad to worse！,据统计，全世界每年因腐蚀而报废的钢材约占钢材年产量的1/4，每年腐蚀的金属超过1亿吨。在这类损失中，约有15只需应用目前已有的防腐蚀技术就可以避免。,严重性： a）造成资源、能源的巨大浪费，加剧了资源、能源的匮乏。据估计，每年有大约30%的金属由于腐蚀而遭到报废。腐蚀掉的金属还得由重新冶炼来的金属补充，消耗电力、煤炭、石油等能源。 b）造成环境
8、污染（掉头发、猝死、怪病、非正常死亡、残废、患病），而且环境污染有的还具有长效性，如核污染（日本偷袭珍珠港后广岛、长崎的核污染导致日后岛上居民患各种癌症而死亡）、DDT(滴滴涕，一种难以降解的杀虫剂，曾获得过1948年诺贝尔生理医学奖)，1962年6月雷切尔卡森 (Rachel Carson)发表了她的醒世之作寂静的春天 (Silent Spring) ，对大量使用以DDT为代表的杀虫剂和化学药品对自然的伤害（食物链的破坏），号召人们迅速改变对世界的看法和观点，引起公众对环境问题的高度关注，并掀起了全球性的环境保护运动。寂静的春天当年即销售了50万册，成了轰动全国的畅销书，激起了公众的环境保护
9、意识，并引起了广泛的国际反响，至今仍被认为是环境保护主义的奠基石。此书已成“绿色圣经”，由于它，世界各国已停止了DDT的生产和使用。据试验，将死于滴滴涕的小鸟埋于西红柿根下，3年后结出的西红柿还有毒！可毙命！,c）造成产品污染，影响产品质量和企业的经济效益。如少量的铜盐就可以毁坏整缸肥皂液，会加速肥皂变质，缩短肥皂的贮用时间。皂液盒绝对不能用铜瓶、或镀铜的瓶子灌装！ d）引发灾难性事故，如中毒、火灾、爆炸等。腐蚀是引发石油化工企业“跑、冒、滴、漏”的主要原因及诱发灾难性事故的源头。轻者造成装置停车，重者引发安全事故。,震惊世界的印度博帕尔公害事件：1984年12月3日凌晨，印度博帕尔市郊的“联
10、合碳化杀虫剂厂“一贮罐的安全阀由于腐蚀发生毒气泄漏事故。1小时后有毒烟雾袭向这个城市，形成了一个方圆25英里的毒雾笼罩区。近邻的两个小镇上，有数百人在睡梦中死亡。火车站里的一些乞丐死亡。一周后，有2500人死于这场污染事故，另有1000多人危在旦夕，3000多人病入膏肓，20多万人双目失明。博帕尔的这次公害事件是有史以来最严重的污染事故惨案。,1967年12月，美国俄亥俄大桥由于应力腐蚀和腐蚀疲劳突然掉入河中，致使46人丧生。 1982年9月一架日航DC-8喷气客机在我国上海降落时，由于飞机刹车系统的高压气瓶发生应力腐蚀爆炸，致使刹车失灵，飞机冲出跑道，致使数十人受伤。 1985年8月12日一
11、架日航波音747客机由于发生应力腐蚀开裂而坠毁，死亡500多人。 1980年3月北海油田的亚历山大基兰德号采油平台发生腐蚀疲劳破坏，致使 123人丧生。 2004年8月9号，日本美滨核电站3号反应堆涡轮机房配水管发生腐蚀穿孔，引起高温高压水蒸气泄漏，导致4死7伤的生产事故。,“挑战者号” 失事 1986年1月28日美国“挑战者号”航天飞机在这寒冷的天气条件下，升空不到73s就发生了爆炸，造成机毁人亡，7名机组人员全部遇难，世界为之震惊。美国航空太空总署（NASA）之后的事故调查原因得出的结论是由于低温腐蚀导致火箭助推器燃料罐O型密封圈失效，使燃料发生泄漏而爆炸！由于火箭助推器长达38.4m，铁
12、路无法运输，因此不得不分成几部分运输，在发射现场进行组装。在各部分的接合处采用O型密封圈来防止热气跑出。在航天飞机设计准则明确规定了推进器工作的温度范围为432，而那天航天飞机系统周围的环境温度为-0.637。但所有的橡胶密封圈从来没有在10以下测验过，这主要是因为这种材料是用来承受燃烧热气的，而不是用来承受冬天寒气的。气温降低后，这些O圈就变得非常坚硬，伸缩就更加困难，造成密封不严。“挑战者”原定1月25日发射，但因为天气恶劣，发射已被推迟了5次。两名飞船设计高级工程师未能说服宇航局高层的冒险发射计划，最终导致悲剧的发生。“挑战者”平稳地离开了发射台升空了！博伊斯乔利转向埃比林：“我们刚刚躲
13、过了一颗原子弹！”因为按他的分析，“挑战者”会在平台上爆炸。,“挑战者号” 失事,智者用经验防止事故， 愚者用事故总结经验。,e）阻碍科学技术的发展。如硝酸工业在不锈钢问世之后才得以实现大规模生产；尿素的工业化生产在其中试之后过了50年才得以实现，就是由于熔融尿素对钢材的腐蚀问题迟迟得不到解决；法国的拉克气田1951年因设备发生H2S应力腐蚀开裂问题得不到解决，推迟到 1957年才得以全面开发。,复杂性：腐蚀过程是一个非常复杂的物理、化学过程，涉及化学、电化学、物理学、材料学、表面科学、工程力学、冶金学、生物学等多个学科。现在尽管取得了长足的进步，但还有相当一部分仍旧不明了，还只能靠经验、事后
14、总结。 腐蚀的可利用性：集成电路板工业、玻璃雕刻、干电池放电等。（任何事物都有两面性）,历史：春秋战国时期的剑、戟等武器；秦始皇铜车马、青铜器、出土的箭镞毫无腐蚀，研究发现表面用铬酸盐和重铬酸盐处理过，而基体不含铬的氧化物。没有铁器！ 学科发展： a) 1840年法拉第发现了电化学腐蚀下来的金属的量与通过的电流之间的定量关系，提出了铁形成钝化膜的历程及金属溶解过程的电化学本质学说。 b) 20世纪初，逐渐形成了独立的金属腐蚀学科。特别是英国的科学家、现代腐蚀科学的奠基人埃文斯及其同事对腐蚀学科创建、发展做出了卓越的贡献。 c) 之后，世界各国的腐蚀科学家都对腐蚀学科的发展、完善做出了卓有成效的
15、贡献。,世界范围的发展趋势 随着科学技术的发展和人们对腐蚀问题的日益重视，腐蚀科学作为一门边缘学科已经逐步建立和发展起来。如已经建立了腐蚀的教学、研究机构、腐蚀专著、刊物、文摘、手册、国际腐蚀与防护交流会议、腐蚀工程师协会，腐蚀的理论研究和应用研究发展迅速，新的耐腐蚀材料（合金、非金属）的研究方面也非常活跃，近代新的技术手段引入到腐蚀科学的研究中来，如放射性示踪原子、俄歇电子能谱AES、X射线-光电子能谱XPS、椭圆偏振光测试技术、低频电化学噪音和振幅频谱等等。 腐蚀科学是一门高度交叉性的综合学科，涉及化学、物理学、材料学、表面科学、工程力学、冶金学、生物学等多个学科，它也将随着这些学科的发展
16、而不断发展前进。腐蚀科学的基础理论研究和应用研究都取得了长足的发展，创造出了巨大的经济效益和社会效益。并形成了许多边缘腐蚀学科的分支，如腐蚀电化学、腐蚀工程力学、腐蚀金属学、腐蚀材料学、生物腐蚀学和防护系统工程等。目前腐蚀与防护学科正向更加广泛的科学技术领域中延伸。,我国腐蚀学科的发展： 建国初期，国家科委在机械学科内成立了腐蚀与防护分组，在制定国家科技发展规划时，腐蚀科学也被列入发展规划之中。 1961年国家科委单独成立了国家腐蚀科学学科组，召开了多次全国性的腐蚀与防护学术会议，大大促进了腐蚀科学的发展。 1979年12月成立了中国腐蚀与防护学会，20世纪80年代后成立了国家腐蚀与防护重点实验室及国家金属腐蚀控制工程技术研究中心，国家973项目等大力支持腐蚀与防护科学的发展，显著缩小了我国与世界先进国家之间在腐蚀与防护技术方面的差距。 19992002年间，柯伟院士负责的中国工程院咨询项目“中国工业与自然环境腐蚀问题调查与对策”调查研究表明，在我国因腐蚀造成的直接损失达2000亿元，包括间接损失，总费用达5000亿元，约占国民
