材料设备腐蚀与防护

第二章材料设备的腐蚀防护与保温§2－1材料设备的腐蚀§2－2材料设备腐蚀防护技术§2－3设备的保温§2－1材料设备的腐蚀一、腐蚀的危害及影响因素二、金属腐蚀原理三、金属的腐蚀破坏形态四、非金属材料的腐蚀一、腐蚀的危害及影响因素1.腐蚀现象及危害设备和管材的结垢与腐蚀导致设备和管道的报废；维护费用增加；腐蚀产物进入水中，使水质下降。水工程中大型设备采用钢丝绳或拉链会产生磨损、断线、锈蚀，导致事故。如，沉淀池中的刮泥机上的钢丝绳腐蚀断裂，直接影响排泥效果，导致沉淀池出水恶化。2.影响因素镀锌钢管的腐蚀腐蚀的影响因素化学因素环境的pH溶解盐Cl，SO4溶解气体CO2促进腐蚀O2，H2S,Cl2促进酸性侵蚀。悬浮物微生物物理因素温度水的流速高流速促进磨损腐蚀材料的表面状况二、金属腐蚀原理（一）金属的化学腐蚀1、金属氧化2、钢铁的气体腐蚀（二）金属的电化学腐蚀1、电化学腐蚀原理2、极化现象3、去极化作用4、金属的钝化1、金属氧化氧化条件——在一定温度下，金属氧化物的分解压＜氧气的分压（0.022MPa）时，金属可能被空气中氧气氧化。氧化膜的作用——金属氧化后在表面形成一层氧化物固相膜，保护金属防止继续氧化。氧化膜厚度与温度有关（见表2.1）温度越高，氧化膜越厚保护性氧化膜的条件——1）金属表面的氧化膜致密完整，2）氧化膜具有一定强度和塑性；3）氧化膜稳定，不易脱落。高温氧化的危害2、钢铁的气体腐蚀气体腐蚀类型1）脱碳2）氢蚀3）铸铁肿胀预防方法1）合金化加入合金元素铬、铝、硅可以抗氧化；2）改善介质3）保护性覆盖表面喷涂表面渗镀脱碳脱碳现象：钢中的渗碳体Fe3C与O2、H2、CO2和水反应，使渗碳体减少的现象。脱碳作用的危害：渗碳体减少会降低材料表层硬度和强度，使综合力学性能下降；降低材料的使用寿命。防止脱碳的措施：增加气体介质中CO，CH4的含量；钢中加入合金元素铝、钨。42222323233323321CHFeHCFeHCOFeOHCFeCOFeCOCFeCOFeOCFe氢蚀氢蚀：温度＞200～300℃，压力＞30.4MPa时，氢气使钢产生剧烈脆化的现象。防止氢蚀的方法：降低钢中含碳量，减少脱碳过程；加入铬、钛等合金元素形成稳定的碳化物4233CHFeHCFe高温氧化在200-300℃时，钢铁表面形成氧化膜，温度升高，氧化膜厚度增加。温度＜570℃形成的氧化膜（Fe2O3，Fe3O4）致密，使氧化速度降低；温度＞570℃，氧化膜内形成疏松的FeO，表面产生易脱落的疏松氧化皮。铸铁肿胀铸铁肿胀是一种晶间气体腐蚀现象。气体渗入铸铁内部，发生氧化作用，产生氧化物使铸铁肿胀，强度降低。防止方法：在铸铁中加入5%--10%Si，形成SiO2保护膜，阻止氧气的渗入。（二）金属的电化学腐蚀1、电化学腐蚀原理2、极化现象极化作用可以使金属腐蚀速度减缓3、去极化作用氢去极化腐蚀氧去极化腐蚀去极化作用会加速金属的腐蚀4、金属的钝化金属的钝化可提高金属的耐蚀性1、电化学腐蚀原理1）电化学腐蚀定义：金属在电解质中发生氧化还原反应后，产生腐蚀现象2）腐蚀原电池原理：腐蚀原电池构成示意图组成：阳极、阴极、导体介质由于金属表面电极电位不同，金属在电解质溶液中形成腐蚀原电池；腐蚀原电池包括四个过程——阳极反应、阴极反应、电子流动、离子传递如果阻止电化学反应中的某一个环节，可阻止腐蚀的进行。腐蚀原电池示意图金属产生原电池的可能性基体与杂质中金属的电极电位不同；铁、铝、锌电极电位＜金、银、铜、铅、汞组织结构不同；铁素体电极电位＜渗碳体物理状态不均匀，如受力不同；高应力区电极电位＜低应力区；温度高的部位电极电位＜温度低的部位表面氧化膜不完整；无保护膜区域电极电位＜有保护膜区域电极电位较低的金属形成阳极不断溶解，产生腐蚀，阳极上多余的电子由金属内部流向电极电位较高的阴极电极电位较高的金属形成阴极1、电化学腐蚀原理3）E-pH图——表示金属与水的电化学反应和化学反应平衡关系图可判断金属在溶液中的腐蚀倾向、腐蚀产物、防腐的途径采用阴极保护，将EFe降至非腐蚀区采用阳极保护，将EFe升至钝化区在溶液中加阳极型缓蚀剂调节溶液pH值为8－13，进入钝化区2、极化现象定义：指原电池由于电流通过，使阴极和阳极电位偏离起始电位值产生过电位的现象。极化的结果：极化使阳极电位升高，使阴极电位下降，使两电极的电位差减小导致金属腐蚀速度降低。极化类型：活化极化浓差极化电阻极化总之，产生极化作用具有防止腐蚀作用；是控制金属电化学腐蚀速度的一个重要因素。阳极活化极化是电子的传导过程快于阳极表面的电化学反应过程，从而使得电极上出现过剩的正电荷，从而使电位向正方向移动。浓差极化：在电解过程中，电极附近某离子浓度由于电极反应而发生变化，本体溶液中离子扩散的速度又赶不上弥补这个变化，就导致电极附近溶液的浓度与本体溶液间有一个浓度梯度，这种浓度差别引起的电极电势的改变称为浓差极化.4、金属的钝化定义：金属与介质作用后，失去化学活性，使金属更稳定的现象钝化剂：使金属发生钝化的物质HNO3，NO3-，O2，重铬酸钾、高锰酸钾氧化剂等钝化机理：成相膜理论、吸附理论总之，金属的钝化可提高金属的耐蚀性去极化作用去除极化会促进阳极和阴极过程进行，即去极化会加速腐蚀进行。腐蚀体系中，阳极的去极化不易发生，而常会发生阴极的去极化作用。电化学腐蚀的阴极过程是溶液中各种氧化剂（去极化剂）在腐蚀电池阴极上被还原的过程，也称阴极去极化作用。水处理中常见的去极化剂有O2，H2S，CO2等常见（最重要）的阴极去极化过程有2个：氢离子的还原和氧分子的还原。氢去极化腐蚀定义：金属在腐蚀介质中，以氢离子的还原反应为阴极过程的腐蚀，称氢去极化腐蚀，简称析氢腐蚀去极化剂是氢离子，腐蚀产物是氢气。析氢腐蚀是常见的危害性较大的一类腐蚀。析氢腐蚀的条件：非氧化性酸（盐酸、稀硫酸、稀硝酸）溶液金属的电极电位＜氢的电极电位根据能斯特方程计算氢电极电位：VEpHHe413.0,7,pHEtHe059.025,℃，析氢腐蚀的条件氢去极化过程的4个步骤：当以上步骤中有一个步骤进行得较慢，整个氢去极化过程将受阻，不能发生析氢过程。所以，氢的实际析出电位EH要比平衡电位EeH更负逸出，产生析氢。形成气泡，从阴极表面2HOnHHOnHH22水化氢离子脱水：MHMHMH22吸附氢脱附：MHeMH)(形成吸附氢原子：例题利用能斯特方程和金属材料的电极电位判断金属Zn、Cu材料在某溶液pH=5条件下，是否会发生氢去极化腐蚀解：1.由金属电极电位表得知：EZn=-0.763VECu=0.337V2.用能斯特方程计算pH=5时氢的平衡电位3.比较电极电位，判断腐蚀的可能性：VpHEtHe295.05059.0059.025,℃，铜不会发生析氢腐蚀。，；锌材料会发生析氢腐蚀VEVEVEVEHeCHeZn295.033.0,295.0763.0,u,析氢腐蚀的影响因素：金属材料的性状材料与表面状态不同，氢过电位值不同。氢过电位值低，加速腐蚀。溶液的pH值pH值低，H离子浓度高，EH升高，加速金属腐蚀阴极区的面积阴极区面积增大，氢过电位小，阴极极化率降低，析氢加速，腐蚀速度加快；温度温度升高，氢过电位减小，阴阳两极电极反应加快，腐蚀速度加快。氧去极化腐蚀定义：在中性和碱性溶液中，金属腐蚀过程的阴极反应是溶液中的氧分子被还原反应，又称吸氧腐蚀吸氧腐蚀的条件：金属电极电位＜氧的电极电位与析氢腐蚀相比，氧去极化腐蚀比氢去极化腐蚀更为普遍。影响氧去极化腐蚀的因素：阳极材料的电极电位溶解氧的浓度溶液的流速溶液中盐的浓度温度VOHPnFRTEEpHOOOe804.0lg740,2，当三、金属的腐蚀破坏形态1、全面腐蚀2、局部腐蚀3、应力作用下的腐蚀类型4、微生物腐蚀1、全面腐蚀特征：腐蚀分布在整个金属材料的表面腐蚀机理：属电化学腐蚀过程。腐蚀电池的阴极和阳积微小，各点电势随时变化，阴极与阳极变动，使整个金属表面都受腐蚀。预防措施：设计时预留足够的腐蚀裕量采用保护性覆盖层使用缓蚀剂电化学保护2、局部腐蚀指腐蚀集中在金属表面的某些部位。（1）局部腐蚀特征（2）局部腐蚀类型（1）局部腐蚀特征：存在可辨的腐蚀电池阴极区和阳极区阳极区面积小（裂纹、裂缝），阴极区面积大电化学反应具有自催化性，局部腐蚀持续加速进行。（2）局部腐蚀类型1）电偶腐蚀：2）小孔腐蚀：易钝化的金属在含Cl-介质中会发生孔蚀现象3）缝隙腐蚀：介质在材料内的缝隙中滞留，引起缝隙内金属加速腐蚀的现象。4）晶间腐蚀：5）选择性腐蚀：1）电偶腐蚀：定义：两种电极电位不同金属在同一介质中，，电极电位低的金属腐蚀加快的现象，又称双金属腐蚀或接触腐蚀。易产生电偶的材料组合有黄铜－纯铜、铜－铝、碳钢－不锈钢电偶腐蚀事例预防电偶腐蚀方法：正确选材，避免异种金属接触（参考电偶序）（电位差＜50mv）；消除面积效应；避免大阴极，小阳极；添加缓蚀剂和绝缘性保护层，绝缘材料垫圈利用电偶腐蚀原理减缓某些材料的腐蚀分析电偶腐蚀影响的重要手段1.采用电偶序判断——将各种金属和合金在某种环境中的腐蚀电位测量出来，并按大小排列，就得到所谓“电偶序”。蒙乃尔合金的电位比碳钢的电位正得多(相差0．57V)，将它们组合在一起，碳钢作为腐蚀电池的阳极就可能发生加速腐蚀破2.电偶腐蚀效应——在电偶对中阳极金属的腐蚀速度与它孤立存在时的腐蚀速度(有时称为自腐蚀速度)的比值叫做电偶腐蚀效应。电偶腐蚀效应愈大，阳极金属遭受的电偶腐蚀愈严重。金属自腐蚀速度电偶中阳极腐蚀速度电偶腐蚀效应电偶腐蚀事例1一个海洋生物学家小组进行贻贝试验，将12个装贻贝的笼子用钢丝绳悬挂在灯船下面。笼子放人海洋中选定的位置，经过了几个星期，科学家们回来时发现只有绳子悬在那里，笼子已掉到海底。固定笼子的方法存在问题：将钢丝绳穿过一个孔洞，再将末端折转过来，做成一个圈，再用铝丝绑扎起来。结果铝发生电偶腐蚀，当铝丝溶断，穿过孔洞的钢丝绳圈脱开，笼子就丢失了。电偶腐蚀事例2用蒙乃尔合金(Monel，Ni70Cu30)制造船壳，连接船壳的铆钉则是用碳钢制造的。很短时间内由于钢铆钉严重腐蚀，游艇就不能航行了。产生电偶腐蚀腐蚀原因：蒙乃尔合金中铜为阴极，面积大，碳钢制造的铆钉是阳极，面积小，易发生腐蚀电偶腐蚀事例360年代初，美国破冰船壳上的焊缝很快腐蚀，比船壳钢板腐蚀更严重。腐蚀原因——电偶腐蚀焊接金属对船壳是阳极。船壳的涂层系统被冰擦伤，阴极保护系统的阳极也被冰刮落，失去了保护作用。所以，产生大阴极（船壳钢板），小阳极（金属焊缝）布局，加速电偶腐蚀。所以在选择焊接金属时一个基本准则是：焊缝相对于母材应是阴极性的。石墨-金属材料的电偶腐蚀导电的非金属材料制品(如石墨)与金属接触也会导致金属发生电偶腐蚀腐蚀原理：石墨的电位比许多金属的电位都高（常做阴极）不锈钢、铜合金、镍合金的阀杆、泵轴、法兰与含石墨的填料、垫片、润滑油接触，石墨与金属材料在酸碱盐等电解质溶液中就可能产生严重的电偶腐蚀。利用电偶腐蚀达到腐蚀控制的目的对某些设备来说，可以利用电偶腐蚀达到腐蚀控制的目的。例1——输送海水的不锈钢泵叶轮，在停运期间易发生缝隙腐蚀，用镍铸铁泵壳可以保护不锈钢叶轮；例2——水加热器用青铜作管束，碳钢制作花板对铜管束起保护作用。减缓腐蚀分析——在这种组合中，铸铁泵壳和碳钢花板在电偶对中为阳极，其腐蚀加速；而不锈钢叶轮和青铜管束作为阴