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1、过程装备腐蚀与控制 第十讲 高海涛,影响腐蚀的结构因素,力学因素 表面状态与几何因素 异种金属组合因素 焊接因素,金属在某些环境中的腐蚀,第一节 在高温气体中的腐蚀 第二节 在大气中的腐蚀特点 第三节 在土壤中的腐蚀特点 第四节 在海水中的腐蚀特点,金属结构材料的耐蚀特性,第一节 金属耐蚀合金化原理 第二节 常用结构材料的耐蚀性 第三节 结构材料的选择原则,金属的热力学稳定性 判断依据：标准电位值 酸性溶液中EH = 0V 中性溶液中EH = -0.414V 中性溶液中EO2 = 0.805V 当金属的电极电位小于以上值时，即发生腐蚀,一、纯金属的耐蚀特性,金属的钝化 热力学不稳定的金属在氧化
2、性介质中容易钝 化可钝化的金属有 锆、钽、铌、铝、铬、铍钼镁、镍、钴、铁 这些金属大多在氧化性介质中易钝化 在Cl- 、Br-、F-，离子作用下钝态易破坏。 易钝化的金属可作为合金元素加入合金中使合金获得耐蚀性 腐蚀产物膜（机械钝态膜）的保护性能,1、提高金属的热力学稳定性 （贵金属，成本高，难以推广） 2、减弱合金的阴极活性 减小金属或合金中的活性阴极面积；通过热处理的方法形成稳定的固溶体 加入析氢超电压高的合金元素（增大合金阴极析氢反应的阻力）,二、金属耐蚀合金化的途径,3、减弱合金的阳极活性（是最有效、应用最广泛的方法） 减少阳极相的面积 加入易钝化的合金元素 加入阴极合金元素促进阳极钝
3、化 4、使合金表面生成电阻大的腐蚀产物膜,铬（Cr）： 是不锈钢的基本合金元素；热力学不稳定 与铁基合金组成固溶体时，合金呈现不同程度的类似铬的耐蚀特性 在具备钝化的条件下，含量越高，耐蚀性越好 在不能实现钝化的条件下，随着含量的增高，腐蚀速率反而加大,三、主要合金元素对耐蚀性的影响,镍（Ni)： 热力学不够稳定 与Fe-Ni合金在硫酸、盐酸和硝酸中的腐蚀速率都随着镍的含量的增加而减小； 镍在铁的基体中的耐蚀性不是钝化作用，而是使合金的热力学稳定性提高 在氧化性介质和还原性介质中均有效,优势： 与铬配合加入铁中获得不锈钢； 综合了铬镍的优势，耐氧化性介质腐蚀也耐还原性介质腐蚀； 形成奥氏体，具
4、有良好的热加工性、冷变形能力、可焊性、良好的低温韧性。 不利之处：增加不锈钢的晶间腐蚀倾向,钼（Mo)： 使合金耐还原性介质的腐蚀和抗氯离子等引起的孔蚀 含量较小时，使钢对氯化物腐蚀破裂敏感，而当钼含量大于4%时，钢的耐应力腐蚀破裂性能提高 钝化膜厚度随着钢中钼含量增高而增厚，而膜厚度的增加通常会延长蚀孔形成的孕育期，提高耐孔蚀性能。,硅（Si)： 在相应的合金中具有耐氯化物腐蚀破裂、耐孔蚀、耐浓热硝酸、抗氧化、耐海水腐蚀等作用 不锈钢随硅含量的增加，耐应力腐蚀破裂性能显著改善（依靠加硅形成富硅保护膜） 耐氯离子腐蚀（耐氯化物应力腐蚀破裂） 改善耐孔蚀性能（提高了钢的钝态稳定性） 耐强氧化物腐
5、蚀：形成富集Si, Cr, O的表面膜 Si与Cr, Mo与Cu配合，可以得到各种耐海水钢,铜（Cu)： 是低合金钢、不锈钢、镍基合金、铸铁中常用的耐蚀合金元素之一； 耐大气腐蚀：铜在低合金钢大气腐蚀过程中起着活性阴极的作用，在一定条件下可以促使钢产生阳极钝化，从而降低腐蚀速率；,钝化膜易被活性氯离子破坏，所以铜钢只在较纯净的空气中具有较好的耐蚀性； 可提高钢对H2SO4的耐蚀性：提高了合金的热力学稳定性； 可减弱钢在海水中的缝隙腐蚀：加入Cu后，钢的阳极过程受到阻滞，使钝化临界电流密度减小。,常用结构材料的耐蚀性能,主要有不锈钢、铝及铝合金、钛及钛合金、硅铸铁等 1、18-8不锈钢（Cr18
6、%, Ni8%-9% ;n=2) 在空气、水、中性溶液和各种氧化性介质中十分稳定 在酸性介质中（氧化性酸或非氧化性酸，以及氧化性的强弱有关） 不锈钢设备的腐蚀多是局部腐蚀破坏： 晶间腐蚀、孔蚀、应力腐蚀,一、依靠钝化获得耐蚀能力的金属,铝的耐蚀能力主要取决于在给定环境中铝表面的保护膜的稳定性； 在中性和近中性以及大气中具有很高的稳定性；在氧化性的酸或盐溶液中也十分稳定 常用于浓硝酸的生产中 在含卤素离子的中性溶液中易发生小孔腐蚀,2、铝与铝合金,在大多数有机介质中有很好的耐蚀性 对硫和硫化物有很好的耐蚀性 加入Cu, Mg,Mn等使铝强化，提高纯铝的强度 耐蚀铝合金主要有Al-Mn, Al-M
7、n-Mg, Al-Mg-Si, Al-Mg,氧化性介质；沸水和过热蒸汽；沸腾铬酸、浓硝酸、浓硝酸的混酸、高温高浓度的硝酸 在中性和弱酸性氯化物溶液中有良好的耐蚀性 在含有少量氧化剂或添加高价重金属离子，或与铂、钯等相接触，抑制钛的腐蚀（可以促使阳极钝化） 在稀碱溶液中耐蚀 在一定条件下，发生激烈的发火反应； 主要品种有：Ti-Pd, Ti-Ni, Ti-Mo, Ti-Ni-Mo合金 容易发生氢脆情况 应力腐蚀破裂,3、钛及钛合金,含14.5-18%硅的铁硅合金称为高硅铸铁 n=2 表面钝化形成SiO2保护膜 在碱，氢氟酸，氟化物，卤素，亚硫酸等环境中不耐蚀 抗热冲击能力差,4、高硅铸铁,结构材
8、料的选择原则,1、介质的特性与温度、压力 2、工艺条件对材料的限制 3、设备的功能和结构 4、运转及开停车的条件,一、根据工艺条件分析对设备材料的要求,首先了解各种材料的共性， 然后分析某些材料的特殊性质， 全面掌握各种材料的基本特性,二、掌握材料的基本特性,三、材料选择的基本要点,耐蚀性 力学物理特性 加工成型工艺性能 材料价格与来源,第五章 非金属结构材料的耐蚀特性,第一节 高分子材料的腐蚀性和影响因素 第二节 耐腐蚀高分子材料 第三节 耐腐蚀无机非金属材料 第四节 碳-石墨 第五节 树脂基复合材料-玻璃钢的耐蚀性,高分子材料的腐蚀特性和影响因素,渗透：高分子材料处于环境中，腐蚀性介质通过
9、材料 表面渗入内部，同时，材料的可溶成分及腐蚀 产物逆向扩散进入介质。 溶胀：相当数量的介质小分子渗入高聚物内部，引起 高分子材料宏观上的体积和重量的增加 溶解：如果大分子间无交联键，溶胀可以一直进行下 去，大分子充分溶剂化后会缓慢的向溶剂中扩 散，形成均一的溶液,一、溶胀、溶解与渗透,二、化学腐蚀-氧化,聚二烯烃 聚丙烯 低密度聚乙烯 高密度聚乙烯,加聚反应合成的产物的主链“CC”共价键不易水解 杂链高聚物易水解，杂原子与碳原子键的极性越大， 越易水解 高分子材料的水解基团在酸碱介质中的水解活化能越高， 越不易水解 耐酸性介质水解的能力： 醚键 酰胺键或酰亚胺键 酯键 硅氧键 耐碱性介质水解
10、的能力： 酰胺键或酰亚胺键 酯键,三、化学腐蚀-水解,影响高分子材料老化的因素： 阳光 温度 湿度 其他作用,五、老化（耐侯性）,紫外线,红外线,水分、 雨雪,第二节 耐腐蚀的高分子材料,一、硬聚氯乙烯塑料：nCH2CHClCH2CHCln,材料的溶解性和渗透性增加,聚合物裂解 交联,氧化产物降解 交联（老化）,硬聚氯乙烯塑料：nCH2CHClCH2CHCln,常用耐腐蚀部件和设备：,贮槽、塔设备、电除雾器、离心泵、风机、管道、管件及阀门等,研制开发改性的聚氯乙烯： FR-PVC C-PVC 玻璃钢增强PVC,PVC使用实例见P104,二、其他塑料,1、聚丙烯塑料（PP） 具有良好的耐蚀性、耐
11、溶剂性、耐热性（PVC） 可以采用热塑性塑料的加工方法、可以焊接 常用于制作化工管道、贮槽、衬里等 石墨改性PP，可做PP换热器 线膨胀系数PP =3 线膨胀系数PVC 杨氏模量PP=1/8 杨氏模量PVC,热膨胀和刚性问题,2、 氟塑料：含 F 原子的塑料的总称。 具有耐蚀、耐热、自润滑性,聚四氟乙烯（PTFE，F - 4） 聚三氟氯乙烯（PCTFE， F 3） 聚全氟乙丙烯（FEP，F 46）,3、氯化聚醚塑料,结晶 大分子结构中存在醚键 具有较高的耐蚀性。 热塑性塑料加工成型 用做涂层和衬里,4、聚苯硫醚塑料PPS,耐热 机械性能高 热塑性塑料加工成型 用做耐蚀和耐热的阀门、泵、密封环
12、主要用于防腐涂层,第三节 耐腐蚀的无机非金属材料,一、 陶瓷,1、陶瓷的耐蚀性的影响因素：,材料的化学成分 矿物学组成 孔隙 结构类型 高温下材料性质的变异 腐蚀介质的性质,SiO2, Al2O3 耐酸,CaO, MgO 耐碱,陶瓷的化学组分为各类硅酸盐,2、陶瓷材料的特性指标：,孔隙率和吸水率 不渗透性 耐热冲击性能 耐酸度,无定形碳和石墨的成品统称为碳素材料,第四节 碳 - 石墨,碳素材料是一种重要的工程材料 耐磨、耐蚀的特点； 应用：冶金、机电、化工、原子能和航空等,一、碳-石墨制品的制造,填塞孔隙 合成树脂、水玻璃、低熔点金属,无烟煤、焦炭、石油焦,浇铸石墨,压制石墨,第五节树脂基复合
13、材料-玻璃钢的耐蚀性,玻璃钢： 玻璃纤维（或玻璃纤维布）与热固性树脂组成的树脂基复合材料称为玻璃纤维热固性增强塑料，俗称玻璃钢。,具有高强度、耐腐蚀、成型加工性好等特点。,性能与玻璃纤维及树脂的种类、组成相的比例、组成相之间的结合强度有关,玻璃钢 制品,环氧基,一、 化工玻璃钢常用树脂的耐蚀特性 1、环氧树脂,凡分子结构中含有环氧基团 的高分子化合物统称为环氧树脂。,粘接性能优异 环氧固化物具有优良的化学稳定性 固化收缩率小（一般2）： 酚醛树脂为810；不饱和聚酯树脂为4 6；有机硅树脂为48) 环氧固化物的马丁耐热度105130 常温下流动性好,2、酚醛树脂,防腐工程用热固性酚醛树脂,热塑
14、性酚醛树脂,较高的化学稳定性 在非氧化性酸中，耐蚀性环氧树脂和聚酯树脂，不耐碱腐蚀 马丁耐热度为120，最高为 150 （不受力） 具有较大的收缩率和气孔率 环氧-酚醛树脂 使材料的耐酸、碱，耐热以及收缩率、粘结性等性能得到综合提高,3、呋喃树脂,分子中含有呋喃环的高聚物称为呋喃树脂,具有良好的耐酸、耐碱性能 可在酸碱交替的环境中使用 不耐氧化性酸和其他氧化性介质的腐蚀 耐溶剂性和耐热性较好 塑性差易脆裂 与金属的粘结能力差,4、聚酯树脂,聚酯：多元醇与多元酸形成的缩聚物的总称,不耐氧化性介质、易老化 在碱和热酸的作用下，发生水解 成型工艺性能良好 制品致密性好,制造玻璃钢主要用不饱和聚酯,二
15、、玻璃钢的耐蚀特性 1、玻璃钢的强度和使用温度,力学性能的最大特点：比强度高 相对密度是碳钢的1/31/4， 比强度是碳钢的23倍 玻璃钢的导热系数仅为钢的1/1002/1000 不适合做传热设备 热膨胀系数较树脂大为减小 固化成型后尺寸比较稳定，不会因温度变化发生较 大的形变,2、玻璃钢的耐化学腐蚀特性,玻璃钢的耐蚀性主要取决于树脂 腐蚀过程是腐蚀介质或溶剂的渗透引起树脂溶胀、溶解、水解、或受热氧化降解及热分解作用而导致的树脂结构的破坏,3、玻璃钢的耐老化性能 酚醛树脂老化最严重； 防腐用的玻璃钢在自然环境中可使用5-7年 老化对机械强度影响较小，弹性模量缓慢降低,三、玻璃钢设备的结构设计特
16、点 1、层间结构：,内层: 耐腐蚀层 厚度：0.51.5mm；树脂：90% 过渡层: 中间防渗层 厚度：22.5mm；胶量：5070% 增强层: 承载设备负荷， 厚度 依设计强度；玻纤维：70% 外层：提高防老化性能，外表美观 厚度12mm；含胶量：8090%,第六章 防腐方法,目前工程中用得最多的防腐方法： 金属或非金属材料覆盖层 金属覆盖层：金属衬里；金属镀层；复合金属板等 非金属覆盖层：衬里；搪瓷；搪玻璃；涂料； 联合覆盖层 电化学保护 包括阴极保护；阳极保护 防腐结构设计 介质处理,从防腐效果、施工难易、经济成本等方面综合考虑选取防腐方法,第一节 电化学保护法,电化学保护是根据金属电化学腐蚀原理对金属设备进行保护的方法。分为阴极保护和阳极保护,（一）阴极保护,一 、阴极保护,电保护和护屏保护的原理完全相同； 腐蚀着的金属看作是双电极腐蚀厚电池,1、原理,最小保护电流密度 最小保护电位,2、阴极保护的基本参数,阴极保护的基本参数都
