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1、自然环境中的腐蚀,马喜龙 辽宁石油化工大学机械工程学院,金属（电化学）腐蚀的分类,1.自然环境腐蚀 （1）大气腐蚀 最普通的腐蚀 （2）土壤腐蚀 最复杂的腐蚀 （3）水环境（淡水和海水）腐蚀 最苛刻的腐蚀 （4）微生物腐蚀无处不在 2.工业环境腐蚀 （1）在酸性溶液中的腐蚀； （2）在碱性溶液中的腐蚀； （3）在盐类溶液中的腐蚀； （4）在工业水中的腐蚀； （5）在熔盐中的腐蚀；,按照腐蚀 环境划分,自然环境中的腐蚀,大气腐蚀 土壤腐蚀 水环境（淡水和海水）腐蚀 微生物腐蚀,大气腐蚀,大气腐蚀： 金属材料暴露在空气中，由于大气中的水和氧气的化学和电化学作用而引起的腐蚀。 大约80的金属构件是在
2、大气环境下工作，因大气腐蚀而损失的金属约占总腐蚀失重的一半以上。,大气腐蚀是金属和合金在大气环境中的腐蚀,不是一 种腐蚀形态，是一类腐蚀的总称。 大气腐蚀主要是吸氧腐蚀，大气腐蚀的主要成分是氧和水，其中水是决定大气腐蚀速度和腐蚀历程的主要因素。 以全面腐蚀为主，也可出现点蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、微动腐蚀及应力腐蚀和腐蚀疲劳等。 根据大气成分，大气腐蚀分为： 工业大气腐蚀；海洋大气腐蚀；乡村大气腐蚀（工业海洋大气腐蚀，工业乡村大气腐蚀）,大气中腐蚀性杂质及其典型浓度,大气腐蚀的分类,金属表面液膜的厚度对大气腐蚀的速度有非常大的影响 根据金属表面潮湿度电解液膜层的存在状态，把大气腐蚀分为三类： 干
3、大气腐蚀 潮大气腐蚀 湿大气腐蚀,干大气腐蚀,定义： 在空气非常干燥的条件下，金属表面不存在液膜层的腐蚀。 特点： 吸附的水膜厚度10nm，无连续的电解液膜，腐蚀速度很低，主要为化学氧化作用。在金属的表面形成极薄的氧化膜。,潮大气腐蚀,定义： 当大气中的相对湿度足够高，在金属表面存在着肉眼看不见的薄液膜时所发生的腐蚀。 例如：铁在没有雨雪淋到时的生锈。 特点： 大气的湿度足够高（100%）,水膜厚10nm1m，不可见，形成连续的电解液薄膜，电化学腐蚀，腐蚀速度急剧增大。,湿大气腐蚀,定义： 金属表面便存在着肉眼可见的凝结水膜时发生的腐蚀。 特点： 空气湿度接近100或水、雨、雪、水沫等形式直接
4、落在金属表面上，金属表面上存在着用肉眼可见的凝结水膜层，水膜厚1m1mm，氧气在溶液中的扩散困难，腐蚀速度下降。,水膜厚度1mm,金属全浸在电解质溶液中的腐蚀，腐蚀速度不变。 为金属全浸在电解质溶液中的腐蚀。,干大气腐蚀,潮大气腐蚀,湿大气腐蚀,全浸 腐蚀,实际环境中大气腐蚀： 环境条件的变化，随着晴、雨、雪、白天、夜晚等的出现，三种腐蚀情况交替出现，是金属处于表面薄层电解液膜下的腐蚀过程，因此主要是电化学腐蚀。 通常的大气腐蚀指常温下潮湿空气中的腐蚀，主要考虑潮和湿大气腐蚀。,大气腐蚀的实验方法,室内模拟实验装置,大气腐蚀机理,初期的腐蚀机理 锈层形成后的腐蚀机理,大气腐蚀初期的腐蚀机理,阴
5、极过程： 阳极过程：,锈层形成后的腐蚀机理,锈层干燥时： 阳极反应发生在金属Fe3O4界面上： 阴极反应发生在Fe3O4FeOOH界面上：,:,锈层的结构和保护性,耐候钢锈层结构的特点,耐候钢: 通过合金化在钢中加入一定量的Cu、P、Cr、Ni、Mo等合金元素形成的具有优异的耐大气腐蚀性能的低合金钢。 -FeOOH 和钢基体间存在非晶产物层，产物层转变为 -FeOOH。,工业大气环境中耐候钢锈层稳定化过程示意图,大气腐蚀的影响因素,相对湿度 : 在一定温度下大气中实际水蒸汽压力与饱和水蒸汽压力之比。 临界湿度: 腐蚀速度开始急剧增加的湿度. 钢铁、Cu、Ni、Zn等金属的临界湿度约为5070之
6、间。,温度 : 环境温度越高，越容易结露,大气腐蚀速度较大。,大气成分 : 大气中的污染物: 硫化物SO2、SO3、H2S 氮化物NO、NO2、NH3 碳化物CO、CO2 固体污染物盐颗粒、沙粒和灰尘等,大气成分中SO2的影响 : 1、SO2吸附在金属表面,2、FeSO4氧化并水解,3、H2SO4氧化并水解,SO2氧化成SO3，溶于水中成为H2SO4,固体颗粒的影响 ： 1、颗粒本身具有腐蚀性 ： NaCl盐粒子及铵盐 2、颗粒吸附腐蚀性物质 碳粒吸附SO2及水汽，形成酸液 3、颗粒在金属表面能形成缝隙而凝聚水份 沙粒在金属表面形成缝隙，凝聚水分，形成氧浓差电池,防止大气腐蚀的措施,提高材料的
7、耐蚀性：向普碳钢中加入Cu、P、Cr、Ni、微量Ca和Si。 表面涂层保护：油漆、金属镀层或暂时性保护涂层。 改变局部大气环境：使用气相缓蚀剂和控制大气湿度。 合理设计和环境保护：防止缝隙中存水，避免落灰，加强环保，减少大气污染。,土壤腐蚀,土壤腐蚀的定义和特点 定义 ： 埋在土壤中的金属及其构件的腐蚀。 特点： 不易发现，维修困难， 导致爆炸、火灾、环境污染,低碳钢材料在中国不同地区土壤的腐蚀数据,土壤电解质的特性,多相性： 土壤由土粒、水、空气组成，土粒中又包含着多种无机矿物质以及有机物质； 多孔性： 在土壤的颗粒间形成大量毛细管微孔或孔隙，孔隙中充满了空气和水； 不均匀性： 土粒、气孔、
8、水分、结构紧密程度差异，不同性质的土壤交替更换等； 相对固定性：土壤的固体部分不动，气相和液相有限运动。,土壤腐蚀的电极过程,阳极过程 在潮湿土壤中的阳极过程类似于在溶液中阳极过程腐蚀； 在干燥且透气性良好的土壤中，阳极过程接近于大气腐蚀的阳极过程。,土壤腐蚀的电极过程,阴极过程： 吸氧反应，氧的传输特点为： 氧由气相和液相两条途径输送，随土壤中气相或液相的定向流动而传输，也可以在土壤的气相和液相中进行扩散。,土壤腐蚀的电极过程,土壤腐蚀的控制特征,大多数土壤为潮湿土壤，腐蚀的特点： 腐蚀控制特征为 阴极控制 （阴极极化为电化学极化控制）,疏松干燥土壤，表现为阳极控制，类似于大气腐蚀,长距离宏
9、观腐蚀电池作用下，土壤的电阻成为腐蚀控制因素，腐蚀控制特征为： 阴极电阻混合控制,土壤中的腐蚀电池,长距离腐蚀宏电池： 通过组成、结构不同的土壤 : 氧的渗透性不同而造成氧浓差电池 其中一种土壤含有硫化物、有机酸或工业污水 腐蚀电流（长线电流）可达5A 流动的范围可超过1.5Km,管道在不同结构的土壤中形成的氧浓差电池,局部不均匀性所引起的腐蚀宏电池 与土壤中石块等夹杂物接触处，石块等阻止氧的传输，该部位金属为阳极； 与土壤本体接触处，氧可通过土壤本体传输，该处的金属为阴极 埋设深度不同及边缘效应 较深的部位 阳极 较浅的部位 阴极 金属所处状态的差异 异金属接触、温差、应力,1 旧管道（阴极
10、），2 新管道（阳极）,土壤腐蚀的影响因素,材料因素的影响： 铸铁、碳钢，低合金钢的腐蚀速度，无明显差别。 土壤性质的影响 孔隙度（透气性）、含水量、电阻率、氧化还原电位、pH值和含盐量。,土壤的电阻率与腐蚀性的关系,土壤腐蚀的影响因素,杂散电流 由原定的正常电路漏失而流入它处的电流，主要来源是应用直流电大功率电气装置，如电气化铁道、电解及电镀槽、电焊机电化学保护装置等。,杂散电流腐蚀（Stray Current Corrosion）: 当杂散电流流过埋在土壤中的管道、电缆等，进入大地处的阳极端出现的腐蚀。,交流电也会引起杂散电流腐蚀，但破坏要弱得多。频率为60Hz交流电的作用约为直流电的1。
11、,I： 路轨（阳极）土壤管线（阴极）； II： 管线（阳极）土壤路轨（阴极）。,微生物的影响 在缺氧的土壤条件下，有利于某些微生物的生长。细菌生命活动间接地对金属腐蚀的电化学过程产生影响。,土壤腐蚀性的估计 确定土壤的腐蚀性： 电阻率法 测定极化特征的极化曲线法 测定土壤腐蚀速度的极化阻力法 氧化还原电位法,防止土壤腐蚀的措施,覆盖层保护： 焦油沥青、环氧煤沥青质 、聚乙烯塑料胶带防腐层及泡沫塑料防腐层 阴极保护 ： 覆盖层和阴极保护法结合 改变土壤环境 ： 石灰石碎块 、加强排水以降低水位,水环境（淡水和海水）腐蚀,淡水腐蚀,世界河水溶解物的平均值,淡水：河水、湖水、地下水等含盐量少的天然水
12、,阳极反应：,阴极反应：,溶液中：,进一步氧化：,氢氧化铁部分脱水 成为铁锈：,或：,（吸氧反应）,淡水腐蚀的影响因素,pH影响 水中溶氧 水中溶解的盐成分 水温 流速,海水腐蚀,海水中主要盐类的含量,海水有很高的电导率，远远超过河水和雨水 海水电导率：约4102Scm1 河水电导率：2104Scm1 雨水：1105Scm1 海水温度在035 海水中pH通常为7.28.6 ，随海水深度而变化 海水表层氧的浓度（510）106,海水腐蚀的特点,大多数金属（如铁、钢、锌、铜等）海水腐蚀的阳极极化阻滞很小。 难于用提高阳极阻滞的方法来防止铁基合金的腐蚀 海水腐蚀的阴极过程主要是氧的去极化，是腐蚀的控
13、制性环节。 在含有大量H2S的缺氧海水中，也可能发生H2S的阴极去极化作用。 电阻性阻滞作用小，电偶腐蚀明显。 海水良好的导电性使海水中异金属腐蚀电池作用更强烈、影响范围更远 钝化膜的局部破坏，发生点蚀和缝隙腐蚀。,海水腐蚀的影响因素,盐度： 氯化钠浓度刚好接近于钢铁材料腐蚀速度最大的浓度范围.溶盐超过一定值后，由于氧的溶解度降低，金属腐蚀速度下降 pH： 海水的pH一般处于中性，对腐蚀影响不大 碳酸盐饱和度： 在海水的pH条件下，碳酸盐一般达到饱和，易于沉积在金属表面形成保护层，当施加阴极保护时更易使碳酸盐沉积析出 含氧量：海水中含氧量增加，金属腐蚀速度增加 温度：提高温度通常能加速反应 流
14、速：流速也有正、反两方面的作用:钝化和机械破坏 生物性因素：动物、植物及微生物，生物的附着与污损,海洋环境分类及腐蚀特点,0.05mm/y,0.51.2mm/y,孤立样板：腐蚀速度高于全浸区 长尺寸试样：氧浓差电池作用，潮汐区为阴极受到保护,0.12mm/y,海泥区的腐蚀速度低于全浸区,防止海水腐蚀的措施,合理选用金属材料： 避免电偶腐蚀 涂镀层保护： 有机涂层和无机涂层 电化学保护 ： 阴极保护外加电流阴极保护法和牺牲阳 极法。,微生物腐蚀,微生物腐蚀 在微生物生命活动参与下所发生的腐蚀过程。 普遍性： 凡是同水、土壤或湿润空气相接触的金属设施，都可能遭到微生物腐蚀。 据报导约有5080的地
15、下管线腐蚀属于微生物引起或参与的腐蚀。 微生物腐蚀及其控制腐蚀学科中的重要分支。,微生物腐蚀的特征,微生物的生长繁殖需具有适宜的环境条件 温度、湿度、酸度、环境氧及营养源等 微生物生命活动直接或间接参与了腐蚀过程，而并非是微生物直接食取金属。 微生物腐蚀往往是多种微生物共生、交互作用的结果。,新陈代谢产物增加环境的腐蚀性： 无机酸、有机酸、硫化物、氨等 促进了腐蚀的电极反应动力学过程 如SRB促进金属腐蚀的阴极去极化过程 改变了金属周围环境的氧浓度、盐度、酸度等形成了氧浓差等腐蚀电池； 破坏保护性覆盖层或缓蚀剂的稳定性 地下管道有机纤维覆盖层被分解破坏； 亚硝酸盐缓蚀剂因细菌作用而氧化,微生物
16、参与腐蚀过程的方式,与腐蚀有关的主要微生物的特性,SRB细胞和胞外聚合物的形貌,2h后试样表面的SRB聚集区,48h后SRB和腐蚀产物（多）,24h后试样表面SRB 和腐蚀产物（少）,微生物腐蚀机理,微生物腐蚀机理,硫氧化菌,铁细菌,防止微生物腐蚀的措施,使用杀菌剂或抑菌剂 铁细菌：通氯气；硫酸盐还原菌：铬酸盐 改变环境条件抑制微生物生长 提高pH值、温度，减少细菌生长需要的有机物营养源 覆盖防护层 地下管道: 煤焦油沥青；镀锌、镀铬和环氧树脂涂层等 阴极保护 当有SRB存在时，要求具有更低的阴极保护电位,人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大
