过程装备腐蚀与防护(闫康平)(二版)_第6章_防腐方法.

第六章防腐蚀方法◆使金属免受或减轻腐蚀的措施（1）提高金属自身的耐腐蚀性如制造或选用合金材料；（2）形成保护层如非金属或金属覆盖层(衬里、搪瓷、涂料、镀层、发蓝处理、磷化处理等)；（3）改变腐蚀环境如金属所处介质的脱盐和除氧，加缓蚀剂等；(4)防腐蚀结构设计；（5）电化学保护阴极保护和阳极保护。从防腐蚀效果、施工难易、经济成本等方面综合考虑选取防腐方法金属和非金属材料很多场合需要防腐蚀§6—1电化学保护§6—2衬里§6—3涂料覆盖层保护§6—4金属覆盖层保护—金属镀层§6—5防腐蚀结构设计§6—6缓蚀剂保护§6—7金属的氧化磷化处理电化学保护阴极保护阳极保护外加电流的阴极保护牺牲阳极的阴极保护§6—1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。1.外加电流的阴极保护将被保护金属设备与直流电源的负极相连，依靠外加阴极电流进行阴极极化而使金属得到保护的方法，称外加电流阴极保护，简称电保护。一、阴极保护将被保护金属进行外加阴极极化以减小或防止金属腐蚀的方法。外加电流的阴极保护概念及机理①概念②机理给被保护金属施加一个阴极电流，给辅助阳极施加阳极电流，构成一个腐蚀电池，以使金属得到保护。在被保护的金属表面通过足够大的阴极电流，使其电势变负，抑制金属表面上腐蚀电池阳极的溶解速率。①无阴极保护时，金属腐蚀以电流Icorr被腐蚀。②当通阴极电流后，金属发生阴极极化,金属腐蚀电势将向负方向移动，由Ec移至EA1，腐蚀电流由Ic移至IA1,EA1＜Ecorr，IA1＜Icorr此时，腐蚀速率减缓。其外加阴极电流称保护电流I保，I保=IK1-IA1。若继续增大外加阴极电流，阴极极化使金属电势移至阳极初始电势，即，则金属阳极溶解电流IA=0，微电池腐蚀停止，金属得到完全保护，金属腐蚀停止。结论：要使金属得到完全保护，必须把金属阴极极化到其腐蚀微电池阳极的平衡电势。0AEE图示解析外加电流阴极保护原理被保护金属设备上连接一个电势更负的强阳极金属，促使阴极极化，该方法称牺牲阳极保护，也称护屏保护或保护器保护。2.牺牲阳极的阴极保护牺牲阳极的阴极保护概念牺牲阳极材料应用实例在保护钢铁设备上连接一种更易失去电子（电势更低）的金属或合金。当发生电化腐蚀时，被腐蚀的是那种比铁更活泼的金属（牺牲阳极），而铁被保护了。镁、锌、铝，及其合金等。①在轮船的尾部和船壳的水线以下部分，装上一定数量的锌块，来防止船壳等的腐蚀。②用同样方法防止电缆、输油管道、地下设备和化工设备等的腐蚀。牺牲阳极船体船体舵舵电源+－辅助阳极船体阴极保护示意图[(a)牺牲阳极保护；(b)外加电流保护]二者原理相同，只是前者被保护金属阴极极化输入阴极电流是靠外加直流电源，后者靠另一个电势更负的金属腐蚀溶解。(1)最小保护电流最小保护电流密度：使金属腐蚀停止，亦即达到完全保护时所需的最小电流值称最小保护电流。若以电流密度计量称最小保护电流密度。2.基本参数最小保护电流密度和最小保护电势(2)最小保护电势：在阴极保护下，当金属刚好完全停止腐蚀时的临界电势。阴极保护的基本参数都通过实验确定,与被保护金属的种类，表面状态，以及腐蚀介质的性质、浓度、温度、运动状况等因素有关。一般金属在介质中腐蚀性越强，阴极极化程度越低，所需保护电流密度越大，如温度升高，压力增大，流速加快。注意外加电流的阴极保护的实施实际应用中，保护电势要小于腐蚀电池的阳极平衡电势，但不是越负越好，超过必要范围，既浪费电能，又会引发析氢，使附近介质pH升高，甚至引起氢脆。外加电流的阴极保护靠外部电源提供阴极电流，需采用辅助阳极，常用钢铁、石墨、铅银合金等作辅助阳极。确定合理的保护度阳极材料的选择护屏或辅助阳极的合理配置要预留保护参数的监测点3.阴极保护设计要点(1)确定合理保护度：保护度表征保护效果电流密度增大到一定程度的时候会可能产生“过保护”现象。主要是金属表面氧化膜被还原或析氢，OH浓度增高，也会加速腐蚀以及发生氢脆。合理选择保护电势考虑因素(i)保护度高；(ii)耗电少；(iii)防止“过保护”。一般Z随外加阴极电流密度增大而增高，但并非按比例提高，超过一定值不但耗电增加还会降低保护度。护屏保护的阳极材料对保护效果起决定性的作用为了使被保护构件的表面获得足够的电流密度护屏必须：具有足够负的电势，并且极化性能愈小愈好；在使用过程中，表面不产生高电阻的硬壳，溶解均匀。锌与锌合金、镁合金、铝合金常做护屏材料，锌—铝—镉三元合金在海水中使用电流稳定、寿命长、价格便宜。(2)阳极材料选择：电保护的辅助阳极材料对保护效果的影响相对次要，凡是导电的材料均可用来制作辅助阳极。要求：(i)介质中耐腐蚀；(ii)导电性好；(iii)机械性能好。最常用的是废钢、石墨、高硅铸铁、铅银合金、铅铂复合阳极、镀铂钛、镀铂钽、铂合金。阳极的数量和配置恰当，使电流的分散均匀，避免发生电流“遮蔽作用”被保护设备上距离阳极最近的部位，集聚很高的电流密度，而离阳极较远的部位，往往不能获得足够的电流密度，致使保护度降低，甚至完全得不到保护(3)护屏或辅助阳极合理配置：配置是否合理，对阴极保护效果影响很大，特别是结构形状复杂的设备及介质导电率低的场合在实际保护条件下，金属表面的保护电流密度受各种因素的影响会有较大的波动，为了便于对保护参数进行测量和监控，在被保护设备上应预留保护参数的监测点；由于保护电流密度很难直接测量，生产上都是监控保护电势。(4)预留保护参数监测点：4.应用范围◆防止或减缓金属或合金腐蚀的经济而有效的技术措施。◆在海水、土壤中使用的设备、设施或管材都要通过阴极保护来增强其抗蚀能力。阴极保护效果好，简单易行，应用时应考虑以下几个方面因素：(1)阴极保护适于腐蚀性不太强的介质，介质必须能导电；(2)金属材料所处介质中要容易进行阴极极化，否则耗电量大；(3)被保护设备形状、结构不要太复杂，否则产生“遮蔽现象”从而产生“过保护”。小结：对于腐蚀性不太强的介质宜采用阴极保护；强腐蚀介质中，电能或护屏材料的消耗大，不经济；电保护比护屏保护的适用范围宽，电流可调；电保护的基本投资高于护屏保护；阴极保护技术成熟，广泛用于船舶、码头、海上钻井平台、海水冷却设备、电缆、地下管道、油库及盐类生产设备、化工设备（P158表6-2）的保护。阴极保护的几点说明（1）一般阴极保护需要的电流密度不大；（2）在强酸性介质中进行阴极保护所需电流密度过大；（3）金属管道的阴极保护，须保持电势与电流分布均匀。生产上难以实现。如对埋入地下的钢管实施阴极保护时，多采用相隔一定距离的分立位置的辅助阳极。采用与管道平行的带状牺牲阳极，在沿轴线方向的电势分布也要均匀。如海洋钻井平台地的阴极保护所需的电流密度，水中电流密度为(60～7020)mA·m-2，泥中电流密度为20mA·m-2；知识拓展二、阳极保护1.原理利用金属在电解质溶液中依靠阳极极化建立钝化的特性而实施的保护方法。外加直流电源正极接被保护设备，负极接辅助电极。阳极极化与阳极保护②阳极保护就是在被保护的金属表面接入足够大的阳极电流，使其电势变正，进入钝化区，防止金属腐蚀的电化学保护措施（如图所示）。①具有钝性倾向的金属在进行阳极极化时，若电流达到足够的数值，在金属表面上会生成一层具有很高耐蚀性能的钝化膜而使电流减少，金属表面呈钝态。继续施较小的电流就可维持这种钝化状态，钝态金属表面溶解量很小，从而减轻腐蚀。阳极保护原理示意图[(a)电位-pH图;(b)极化曲线]免蚀阳极保护区阳极保护电势区腐蚀+E+EpH致钝电流密度（icp)维钝电流密度钝化区范围2.阳极保护的主要参数对具有钝化倾向的金属和合金，在一定条件下，利用外加阳极电流阳极极化，电势向正方向移动,当电流值达致钝电流密度时，金属钝化为钝态，之后在维钝电流密度下使金属维持钝化状态，建立和保持钝态的参数：合理选择致钝电流密度•金属建立钝态时，致钝电流密度越小越好使用小容量的电源设备，减少设备投资和耗电量,在致钝过程中，被保护金属的阳极溶解也较小；致钝电流密度的大小与金属的本性、介质的条件、致钝时间的长短有关；当电流密度小到一定数值时，电流效率几乎等于零；•在生产工艺条件允许时，可采用逐步钝化的方法。(1)致钝电流密度icp：维钝电流密度直接反映了金属设备在阳极保护下的腐蚀速度维钝电流密度越小，经常性的电解消耗也越少。维钝电流密度的大小取决与金属的本性和介质条件(溶液组成、浓度、pH值、温度)。采用涂料-阳极保护的联合保护，降低维钝电流密度。(2)维钝电流密度：•稳定钝化区电势范围越宽越好在实施阳极保护时，不会因电势波动导致金属由钝态转变为活态或过钝化态对控制电势的仪器设备和参比电极的要求可适当降低。•稳定钝化区的电势范围很窄生产工艺条件稍有波动，金属就有可能重新活化，阳极保护的实施就很困难。(3)钝化区范围：3.阳极保护设计要点正确选择辅助阴极材料辅助阴极的合理配置参比电极的选用和安装•(1)正确选择辅助阴极材料：•选择的基本原则：耐蚀、有一定的机械强度、制作容易、价格便宜，对某些材料还要考虑氢脆的影响。浓硫酸：铂、镀铂电极、钽、钼等稀硫酸：银、铝青铜、石墨等对硫酸纯度要求不高时：高硅铸铁或普通铸铁盐类溶液和碱类溶液：高镍铬合金、普通碳钢用碳钢做阴极时，阴极面积的设计要保证阴极上必要的保护电流密度。阳极保护与阴极保护一样也存在电流遮蔽作用。阴极的配置只要满足致钝阶段的要求，维钝阶段就一定能保证。阴极的布置常常需要通过试验来确定。(2)辅助阴极的合理配置：结构形状复杂设备容易出现电流分布不均。图6-7加压碳化塔阳极保护的阴极布置示意图•参比电极选用的总体要求：工作稳定，可靠，便宜，易于制作，安装和使用方便。•两类常用的参比电极：可逆电极：甘汞电极、硫酸铜电极。固体金属电极：不锈钢、铅、铸铁、碳钢。•参比电极的安装位置：一般选在距阴极最远或电势最低的部位。•适用范围：适用于电解质溶液中连续液相部分的保护。适用范围窄，主要用于氧化性介质中对钢铁进行保护。(3)参比电极选用和安装：（4）阳极保护实例◆硫酸储槽的阳极保护把与硫酸接触的全部金属表面作为阳极，另设置阴极，形成电流回路（如图所示）。硫酸储槽阳极保护原理示意图向硫酸储槽施加一定电流，使其产生阳极极化，通过致钝其电势，然后进入稳定钝化区并维持其电势在这个区域，依靠在钝化区新形成的钝化膜降低储槽在硫酸中的腐蚀速率。小结：阴、阳极保护比较：1.从原理上讲，一切金属在电解液中均可进行阴极保护，而阳极保护金属必须在该介质中能阳极钝化方可；2.阴极保护不发生电解腐蚀，阳极保护要经过电解腐蚀阶段，钝化后仍以维钝电流密度速率腐蚀；3.阴极保护电势偏离不会加速腐蚀，阳极保护偏离钝化电势区会加速腐蚀；4.强氧化性介质阴极保护需电流很大，使用价值小，但有利于生成钝化膜，可施阳极保护；5.阴极保护电势过负会产生氢脆，阳极保护不产生氢脆。6.阴极保护辅助阳极溶解而阳极保护辅助阴极得到保护。§6—2衬里是在金属表面衬以砖、玻璃钢、橡胶、搪瓷等材料以达保护金属。是一种综合利用不同材料的特性，具有较长使用寿命的防腐方法。一、碳钢设备及衬里材料的表面处理设备衬里质量的关键决定设备表面与衬里材料间的粘结强度，粘结强度又取决于胶粘剂性能和粘结界面特性。胶粘剂与被粘物质间的粘附作用：物理吸附、化学键合、机械嵌合。用接触角大小来衡量胶粘剂对固体表面的润湿性1.被粘物表面的要求(1)有良好的湿润性：指被粘物表面能被胶黏剂完全润湿。洁净的金属或无机材料表面能高，有较强吸附性，再加上外力的涂刷，接触角小于90°，容易被胶粘剂润湿。高分子材料表面能低，不易润湿。(2)适当的提高表面的粗糙度：•适当表面粗糙度，可增加与胶粘剂的接触面积，增加界面镶嵌效果，•毛细管作用促进胶粘剂的扩散，有利于提高粘结强度。•但过大粗糙度，凹缝不易被胶粘剂润湿，残留空气使粘结强度降低。•工业上通常采用喷砂处理结果较为满意。(3)表面清洁：洁净的金属表面具有较高的表面自由能；表面存在锈层、氧化物、油、水等