管道腐蚀

管道腐蚀资料第一节、管道腐蚀概论材料腐蚀定义：材料受其周围环境的化学、电化学和物理作用下引起的失效破坏现象。金属腐蚀定义：金属与其周围环境（介质）之间发生化学或电化学作用而引起的破坏或变质。铁生锈、钢管腐蚀穿孔、钢桥梁腐蚀非金属腐蚀定义：指非金属材料由于在环境介质的化学、机械和物理作用下、出现老化、龟裂、腐烂和破坏的现象。涂层龟裂按管材的种类，管道可分为以下几类：（1）金属管道1）黑色金属管道：钢管、不锈钢管、铸铁管、球墨铸铁管等；2）有色金属管道：铜管、铝管、铝合金管等（2）非金属管道（3）复合管道常用钢管分类：（1）无缝钢管按管材分：1）普通碳素钢2）优质碳素钢3）低合金钢；按制造方法：1）热轧2）冷轧（2）焊接钢管1）低压流体输送用焊接钢管»①镀锌管（白铁管）»②非镀锌管（黑铁管）2）直缝卷焊钢管3）螺旋焊接管钢管特性：钢管是各类工程中最常见的管道。钢管的特点是强度高、硬度高，并有较好的塑性和韧性，焊接性能好。钢管在自然环境下，容易腐蚀，因而是管道防腐工程的主要对象。根据是否有缝，钢管可以分为无缝钢管和有缝钢管，有缝钢管又称焊接钢管，焊接钢管可分为低压流体输送用焊接钢管和卷焊钢管。无缝钢管通常采用普通碳素钢、优质碳素钢、普通低合金钢和合金结构钢生产而成，根据制造方法可分为冷拔和热轧两种。无缝钢管用途非常广泛，常用于锅炉房中的管道、热力交换站工艺管道、较小管径的燃气管道等。低压流体输送用焊接钢管常采用焊接性能较好的低碳钢制造。其管壁有一条纵向焊缝。根据钢管表面是否有镀锌层，可分为镀锌钢管（俗称白铁管）和非镀锌管（俗称黑铁管）两种。低压流体输送用焊接钢管常用于小管径和较低压力的管道，其壁厚规格分为普通管和加厚管。–1.3.1按照腐蚀过程的特点和机理分类–（1）化学腐蚀•金属管道与非电解质直接发生纯化学作用而遭受破坏，称为化学腐蚀。化学腐蚀的特点是反应过程中没有电流产生。单纯的化学腐蚀的过程是非常少见的。化学腐蚀有以下两种：•①气体腐蚀：金属管道在干燥气体中，表面上没有湿气冷凝的腐蚀。•②非电解质溶液中的腐蚀：金属管道在不导电的非电解质溶液中的腐蚀。–（2）电化学腐蚀•金属管道与电解质因发生电化学反应而产生的破坏，称为电化学腐蚀。•电化学腐蚀是最普遍和常见的腐蚀，金属在各种化学介质、大气、海水和土壤中的腐蚀均是电化学腐蚀。•任何一种按电化学机理进行的腐蚀反应至少包含有一个阳极反应和一个阴极反应。–阳极反应是金属原子从金属转移到介质中并放出电子的过程．即氧化过程。–阴极反应是介质中的氧化剂夺取电子发生还原反应的还原过程。例如，碳钢在酸中腐蚀时，在阳极区Fe被氧化为Fe2+，所放出的电子自阳极(Fe)流至钢表面的阴极区，与H＋作用而还原成氢气，即：电化学腐蚀的特点是：介质为离子导电的电解质；金属/电解质界面的反应过程为电荷转移而引起的电化学过程，必需包括离子和电子的转移；界面上的电化学反应过程包括两个相互独立的氧化过程和还原过程；金属/电解质界面伴随电荷转移的反应称为电极反应；电化学腐蚀过程伴随电子的流动，即电流的产生。自然环境腐蚀包括：大气腐蚀、海水腐蚀、土壤腐蚀、微生物腐蚀腐蚀中局部腐蚀更危险局部腐蚀是指金属管道仅限一定区域腐蚀，而其他部位则几乎未被腐蚀。局部腐蚀对管道的威胁最大。局部腐蚀又可以分为无应力和有应力两种情况。第二节、金属腐蚀原理要知道电极、电极电位、平衡电位、非平衡电位、参比电极、极化等的概念。电极的定义：一般认为电子导体（如金属等）和离子导体（液、固体电解质）接触，并有电荷在两相之前迁移而发生氧化还原反应的体系，称为电极。电极电位：电极反应可以导致在电极和溶液的界面上建立起离子双电层，这种双电层两侧的电位差，即金属和溶液之间产生的电位差，称为电极电位。参比电极：指具有稳定可再现电位的电极，在测量管道电位或其他电极电位值时用于组成测量电池的电化学半电池，作为电极电位测量的参考基准。平衡电位定义：当金属电极上只有一个确定的电极反应，并且该反应处于动态平衡，即金属的溶解速度等于金属离子的沉积速度时，电极获得一个不变的电位值，该电位值称为平衡电极电位非平衡点位：实际金属腐蚀时，电极上可能同时存在两个或两个以上不同物质参与的电化学反应，电极上不可能出现物质交换与电荷交换均达到平衡的状况，这种情况下的电极电位称为非平衡电位或不可逆电位。非平衡电位可以是稳定的，也可以是不稳定的。极化：腐蚀原电池有电流通过后引起的电极电位的偏移。阳极极化：阳极电位往正方向偏移；阴极极化：阴极电位往负方向偏移；极化值：在相应的电流密度下的电位对其平衡电位（平衡体系）或稳定电位（非平衡体系）之差。参比电极中用其他参比电极测定电极电位时，可按下式换算成相对于SHE的电位值：氧浓差电池腐蚀：由于在管道的不同部位氧的浓度不同，在贫氧的部位管道的自然电位（非平衡电位）低，是腐蚀原电池的阳极，其阳极溶解速度明显大于其余表面的阳极溶解数度，故遭受腐蚀。属于（宏电池中同一金属接触不同的电解质溶液，或电解质溶液的浓度、温度、气体压力、流速等条件不同）范围。地下管道的腐蚀电池：微电池和宏电池同时存在；微电池作用的腐蚀特征：腐蚀坑点较浅，分布均匀；宏电池作用的腐蚀特征：腐蚀坑较深，局部溃疡或穿孔。腐蚀原电池的条件（三要素）：（1）有电解质溶液与金属相接触；（2）金属的不同部位或两种金属间存在电极电位差；（3）两极之间相互连通。腐蚀原电池的三个必要过程：（1）阳极过程：金属溶解，以离子形式转入溶液，当量电子留在金属上：（2）电子转移：在电路中电子由阳极流至阴极；（3）阴极过程：由阳极流过来的电子被溶液中能吸收电子的氧化剂D所接受，氧化剂被还原：常见氧化剂：H+、O2、部分盐类离子。第3章金属管道在自然环境中的腐蚀土壤腐蚀土壤腐蚀的电极过程(1)阴极过程土壤中的钢铁，在发生土壤腐蚀时，阴极过程是氧的还原：O2+2H2O+4e-→4OH-只有在酸性很强的土壤中，才会发生析氢反应：2H++2e-→H2在硫酸还原菌的参与下，硫酸根的还原也可作为土壤腐蚀的阴极过程：SO42-+4H2O+8e-→S2-+8OH-金属离子的还原，也是一种土壤腐蚀的阴极过程：M3++e-→M2+(2)阳极过程Fe+nH2O→Fe2+.nH2O+2e-只有在酸性较强的土壤中，才有相当数量的铁氧化成为两价或三价的离子，以离子状态存在于土壤之中。在稳定的中性或碱性土壤中：Fe2++20H-→Fe(OH)2（绿色产物）在阳极区有氧存在时，Fe(OH)2能氧化成为溶解度很小的Fe(OH)3：2Fe(OH)2+1/2O2+H2O→2Fe(OH)3Fe(OH)3产物很不稳定，它会变成更稳定的产物：Fe(OH)3→FeOOH（赤色产物）Fe(OH)3→Fe2O3·3H20（黑色产物）→Fe203+3H20当土壤中存在HCO3-、CO32-、S2-时：Fe2++CO32-→FeCO3Fe2++S2-→FeS土壤腐蚀的影响因素（1）金属材料：一般来说碳钢成分对土壤腐蚀性的影响不大，影响较大是金属材料本身的相结构和组织，如碳钢的焊缝及热影响区更容易腐蚀；（2）含水量：土壤中的水分有些与土壤的组分结合在一起，有些紧紧黏附在固体颗粒的周围，有些可以在微孔中流动。盐类溶解在这些水中，土壤就成了电解质。土壤的导电性与土壤的孔隙度、土壤的含水量及含盐量等各种因素有关。土壤越干燥，含盐量越少，其电阻越大；土壤越潮湿，含盐量越多，电阻就越小。干燥而少盐的土壤电阻率可高达10000Ω．cm，而潮湿多盐的土壤电阻率可低于500Ω．cm。随着含水量从0％增加到100％，土壤腐蚀性先增加，达到一个一个最大值后减小。原因：电解质浓度先增加后减小（回路电阻先减小后增加）、排除空气。(从小到大)（3）含氧量：氧的去极化作用随着阴极氧含量的增多而加大。（4）含盐量：土壤中的可溶盐是形成电解液的主要因素，含盐量越高，土壤电阻率越小，腐蚀速度越大；与铁金属腐蚀影响关系密切的阴离子氯离子（氯离子可破坏钝化作用）、硫酸根、硝酸根等，一般认为，阳离子对金属腐蚀影响不大。（5）pH值，一般而言，pH值越低，土壤腐蚀性越强；（6）细菌：（7）氧化还原电位。氧化还原电位是以一个综合反映土壤氧化还原程度的强度指标；当氧化还原电位高时，表明氧化剂占的比例大，氧化性强；当氧化还原电位低时，表明还原剂占的比例大，还原性强。（8）土壤电阻率。土壤电阻率是表征土壤导电能力的指标。在其他条件相同的情况下，土壤电阻率越小，腐蚀电流越大，土壤腐蚀性越强。土壤电阻率的大小主要和土壤的含水量、含盐量、有机质含量、颗粒特征及温度有关。金属管道的微电池腐蚀与土壤电阻率无关。（9）土壤质地的松紧度（孔隙度）（10）土壤温度（11）杂散电流的影响（12）管地电位。管地电位是一个综合反映金属表面腐蚀趋势的指标，管地电位越高，腐蚀越激烈。土壤中氧的来源：1）空气的渗透；2）雨水及地下水的溶解氧；氧部分存在于土壤的孔隙与毛细管中，部分溶解在水里。土壤中的含氧量与土壤的湿度和结构有密切关系，在干燥的砂土中，含氧量较高；在潮湿的砂土中，含氧量较少；而在潮湿密实的黏土中，含氧量最少。由于湿度和结构的不同，土壤中的含氧量可相差达几万倍，这种充气的极不均匀，也止是造成氧浓差电池腐蚀的原因。一般来说：含氧量越高，腐蚀速率越大。当由于含氧量不同而造成氧浓差电池时，含氧低的区域由于成为阳极而腐蚀速率大土壤腐蚀的几种形式(1)由于充气不均匀引起的腐蚀112）当金属管道通过结构不同和潮湿程度不同的土壤时（如通过砂土和黏土时），由于充气不均匀形成氧浓差电池的腐蚀。处在砂土中的金属管段，由于氧容易渗入，电位高而成为阴极；而处在黏土中的金属管段，由于缺氧，电位低而成为阳极，这样就构成了氧浓差腐蚀电池，因而使黏土中的金属管段加速腐蚀。113）同样，埋在地下的管道（特别是水平埋放，并且直径较大的管子）、金属钢桩、设备底架等，由于各部位所处的深度不同，氧到达的难易程度就会有所不同，因此，就会构成氧浓差腐蚀电池。埋得较深的地方（如管子的下部），由于氧不容易到达而成为阳极区，腐蚀主要就集中在这一区域。（2）由杂散电流引起的腐蚀114）杂散电流足在土壤介质中的导电体因绝缘不良而漏失出来的电流，或者说是正常电路以外流入的一种大小、方向都不固定的电流。地下埋设的金属构筑物在杂散电流影响下所发生的腐蚀，称为杂散电流腐蚀或干扰腐蚀。115）杂散电流从金属管道或路轨流入土壤（电解质）的部位是电解池的阳极区，腐蚀就发生在此处。防止土壤腐蚀的措施：绝电流流入大地，或使漏入大地的电流沿着特设的线路回流入供电网。覆盖层保护。覆盖层和阴极保法联合使用。依据土壤电阻率评价土壤腐蚀性等级（知道）直流干扰评价可依据两个指标判断：①土壤电位梯度杂散电流程度小中大土壤电位梯度（mV/m)0.50.5～5.05.0②管地电位偏移管地电位交自然电位正向偏移20mV，可认为受到杂散电流干扰，偏移100mV需采取排流措施（2）综合评价了解（德国DIN50929标准介绍）4管道覆盖层掌握常用的方法具有牺牲阳极保护功能的防腐层•如果防腐层含有比铁更活泼的还原性物质，如金属锌、镁，或者防腐层本体就是活泼金属，能够使钢铁从腐蚀原电池的阳极转化为阴极而不被腐蚀，在腐蚀介质中，活泼金属将能够先于铁被腐蚀，以活泼金属的牺牲达到保护钢铁的目的。•如果这种拥有牺牲保护功能的防腐层能够通过和钢铁紧密结合，使钢铁在腐蚀宏电池中始终处于阳极的位置，则防腐层的牺牲保护作用将持续到活泼金属完全消耗为止。•如果防腐层中的活泼金属粉末体积分数不够，或者防腐层中的活泼金属和钢铁的结合不可靠，就不能够改变腐蚀回路中钢铁的电位，钢铁也就可能产生腐蚀。金属防腐层•将某些金属镀覆在另外一些金属上就构成了双层或复合系统。表面的金属层称为金属镀层，不同的金属镀层可以满足很多特定的腐蚀环境。•根据镀层对基体金属是阳极性还是阴极性的，金属镀层被分为两种类型，对钢而言，铝、锌或镉镀层是阳极性的，铅、铜、锡、镍、铬、银和金镀层是阴极性的。•镀覆的方法有熔融镀、真空蒸镀、化学镀、电镀镀、喷镀、焊接镀和贴板法。