腐蚀与防护 第7章 腐蚀控制方法

1第六章腐蚀控制方法主要内容重点掌握阴极保护和阳极保护熟悉联合防腐措施了解衬里、涂料、镀层、缓蚀剂等防腐方法2目前工程上常用的几种方法：金属或非金属材料涂层•金属涂层包括：金属衬里、金属镀层、复合金属板等•非金属涂层包括：衬里（橡胶、塑料、石墨）、搪瓷、搪玻璃、涂料等电化学保护：阴极保护和阳极保护防腐蚀结构设计介质处理：添加缓蚀剂3第一节阴极保护阴极保护：依靠外加直流电流或牺牲阳极，使被保护金属成为阴极，从而减轻或消除金属的腐蚀的方法。思路：应用阴极保护之前，大多数产生腐蚀的金属结构上都存在着阴极区和阳极区。如果能把所有的阳极区都变成阴极区，于是整个金属结构变成阴极，这样就能消除腐蚀。一、阴极保护原理腐蚀着的金属上既有阳极又有阴极，在外加直流电源下，其阴极保护原理如图所示。4AK护屏e牺牲阳极保护AK辅助阳极e外加电流保护阴极保护原理5EA1EA0ECEK0aSbNIA1-EICIK1IK2I阴极保护原理的极化图分析外加阴极电流后，金属的腐蚀电位将向负方向移动，由原来的EC移至EA1，相应金属的腐蚀电流就由IC降至IA1，此时外加的阴极保护电流11AKIII保6EA1EA0ECEK0aSbNIA1-EICIK1IK2I阴极保护原理的极化图分析继续增大外加阴极电流，直到阴极极化使金属的电位移至阳极的初始电位EA0，此时金属上的阳极溶解电流IA=0即阳极腐蚀溶解停止。金属得到保护。7若使用恒电位法，使金属从EC阴极极化到EA1,此时对应的电流为I保，金属腐蚀速度将从IC降到IA1。如果极化到的电位相应于腐蚀原电池阳极过程的开路电位，腐蚀过程便停止，溶解电流降为零。此时的外加电流将是IK2。EA1EA0ECEK0aSbNIA1-EICIK1IK2I利用外加电流或利用恒电位法都可使金属发生阴极极化。8二、阴极保护电源来源1.牺牲阳极如：前面讲过的电偶腐蚀，两种不同金属中电位负的为阳极，受到腐蚀。这样的金属我们称之为牺牲阳极。牺牲阳极上的电位低于被保护金属，它输出的电流流经介质流向被保护金属结构。这就要求牺牲阳极必须与被保护金属结构保持电接触。这是一种较简单的阴极保护方法。对牺牲阳极材料的要求：•为了消除金属结构上的腐蚀电池，牺牲阳极材料必须足够负9•在介质中腐蚀速度低，材料消耗低•具有良好的导电性•具有较高的电流效率，即消耗于自腐蚀的电能量要小•有较好的机械性能，便于加工、成本低、容易获得2.外加电流系统保护电流来自在被保护结构与阳极间连接的某个外加的直流电源。电源的正极必须与阳极连接，这样才能对被保护结构输出所需要的阴极电流。如果接错了，把正极接到被保护金属结构上，金属变成阳极，不但不被保护，反而加速腐蚀。10三、阴极保护的基本参数最小保护电流密度：使金属腐蚀停止，达到完全保护时所需的最小电流密度。最小保护电位：阴极保护下，金属刚好完全停止腐蚀时的临界电位。这两个参数可通过实验确定。最大保护电流密度：达到有效保护或完全保护所用电流密度的最大值。超过此值，将发生过保护现象。最大保护电位：达到有效保护或完全保护所用极化电位的最负值。11过保护：由于保护电流密度过大或保护电位太负引起的腐蚀速度增加。分散能力与遮蔽作用电流在被保护表面均匀分布的能力称为分散能力。分散能力越强，则阴极保护的效果越好。遮蔽作用是由于电流有选择电阻最小的途径流动的特性。被保护设备上距离阳极最近的部位电阻最小，将聚集很高的电流密度，而离阳极较远的部位，往往不能获得足够的电流密度，致使保护效果不好。保护度%100VVVZ121V1---保护前的腐蚀速度V2---保护后的腐蚀速度12需要指出的是：要使腐蚀速率完全降到零，实际上将要消耗很大的电流，甚至发生了强烈的析氢腐蚀时，腐蚀率仍将不到零。因此要想达到最小保护电流密度是不现实的。所以说“有效保护”比“完全保护”更合适。实际上，阴极保护设计与使用合适的话，保护度可达到80%~99%。13四、影响阴极保护涉及的因素对于一个具体的工程，在选择阴极保护系统之前，应考虑的问题很多。1.所需总保护电流进行阴极保护，必须知道所需的总电流。这可用临时的试验装置来测定电流的需要量。若所需要的保护电流不大（1.5~2A），最好选用牺牲阳极保护。如果所需保护电流较大，采用外加电流保护比较经济。2.环境的变化对于土壤，透气性差的土壤中，金属相对容易极化。14若在氧容易到达结构表面的土壤中，结构要极化需较大的电流。另外，土壤电阻率最低的地方，是最适合于安装牺牲阳极或外加电流系统的阳极。在水中，水的运动有显著的作用。若水静止，保护电流可取较小值。湍流的水，能冲刷结构表面，因此有极强的机械去极化作用。3.电的屏蔽对间距小，结构复杂，并进行阴极保护的构件，很容易发生电的屏蔽作用。从远处阴极保护电源来的电流，很容易被外层构件所吸收，只有少量电流能达到内层构件，于是外层构件就形成了一种电的屏蔽。15此时，阴极的数量和配置应尽量做到与被保护结构的各部位距离大致相等，使电流的分散均匀。4.经济因素使用阴极保护时，应考虑阴极保护在经济上是否合算。如果阴极保护是解决腐蚀问题的经济办法，那么选择的阴极保护系统应该是成本最低，其中需要考虑设计和安装成本、电源成本以及系统维护的成本。5.保护寿命设计时，应该知道被保护结构预期的使用期限。在实际应用阴极保护的地方，应该使阴极保护系统的设计寿命与被保护结构的寿命相同。寿命过低，保护效果不好；过高，则会增加成本，造成浪费。166.杂散电流的影响在设计阴极保护系统之前，必须了解该地区是否有杂散电流。它主要来自电气化铁路、采矿机械、电焊等直流电源。杂散电流使被保护结构产生很快的腐蚀，通常比其它环境因素引起的腐蚀更加严重。在设计阴极保护时，应该很好地选择阳极系统的位置，尽量避开杂散电流。7.温度温度对阴极保护设计的影响，主要是改变介质的电阻。土壤和水的电阻通常是随着温度的升高而降低。热带海水电阻比寒冷地区的同样海水的电阻低得多。178.牺牲阳极材料适合做牺牲阳极的材料有铝、镁、锌。阳极材料可以浇铸成多种不同重量不同形状的牺牲阳极，以满足阴极保护设计的需要。9.外加电流阳极用于外加电流阴极保护系统的阳极，最好在输出电流时有一个符合实际的最低的腐蚀率。废钢管、棒及类似的废钢材料都可以用作外加电流保护系统的阳极。虽消耗较多，但来源广泛。含硅14.5%的铸铁作为阳极，其消耗速度很低，来源充足。碳或石墨消耗量很小，也可作为阳极，且容易成为所需的各种形状和尺寸。18金属铂的制品用作外加电流阳极，消耗速度极低，十分理想，但价格昂贵。通常将它镀在一种较便宜的材料上使用。10、阳极回填料多数情况下，牺牲阳极埋入地下时，其周围都要用化学回填料。好处是：使阳极周围有均匀的介质，使阳极均匀消耗，发挥最大的效率。防止与土壤里的化学物质发生反应，否则会在阳极表面形成一层高电阻的钝化膜。防止有效电流排出，对其它金属形成杂散电流。19例如：用于镁阳极的回填料锌阳极的回填料：50%熟石膏与50%膨润土75%的水合石膏20%膨润土5%硫酸钠11.预留保护参数的监测点实际操作中，为了便于对保护参数进行测量和监控，在被保护设备上预留保护参数的监测点。工程上往往是监控保护电位。总之，阴极保护比较适宜于腐蚀性不太强的介质，如：海水、土壤、中性盐溶液。在强腐蚀性介质中，因电能与护屏材料消耗太大，一般不采用。20五、阴极保护设计程序（一）牺牲阳极设计1.根据被保护金属工作条件、表面涂层的有无与好坏，确定保护电流密度和保护电位以及保护后的腐蚀率。2.根据被保护面积S和保护电流密度ip，确定总保护电流强度Ip：Ip=ip·S3.确定牺牲阳极种类和规格型号。214.根据阳极消耗率R(kg/A·a)，阳极设计寿命T(a)和保护电流Ip(A)，求出所需阳极总重量W(kg):RTIaWp式中：a为安全系数，一般取1.1~1.25。5.根据保护电流Ip和每个牺牲阳极的发生电流量Io，计算出理论上所需阳极个数n。0pI/In考虑到分散能力，计算个数时需加入修正系数。226.根据分散能力和保护半径决定阳极布置。7.复验阳极重量。根据阳极个数和单重计算总重，该值应大于（4）的计算值。8.若为地下保护，应根据阳极性质和土壤条件确定牺牲阳极的回填料。9.设计电联接方式和绝缘结构。10.选定参比电极和电位测量仪表，设计检测点和测量接线。23（二）外加电源法设计1.确定保护电流密度、保护电位和保护效果。2.计算所需保护电流强度。3.选择合适的辅助阳极材料。4.根据分散能力要求设计阳极的个数、分布及阳极结构，并验算辅助阳极实际的工作电流密度是否在允许值内。5.验算阳极重量。6.确定直流电源输出电压。7.确定控制方式：精确控制时，采用恒电位法或控制电流法。8.选择直流电源类型、规格及个数；设计电联接及绝缘结构。24六、联合保护1.阴极保护和涂料联合防腐只有涂料防腐时虽涂料可将金属与介质机械隔开，起到保护金属的作用，但由于涂层本身存在微孔、老化、龟裂、剥离及施工不良使涂层发生针孔、机械损伤等，大大缩短了涂层使用寿命；另外，裸露部分金属形成小阳极，涂层部分形成大阴极，使金属腐蚀加剧。联合保护时裸露部分的金属表面，由于获得集中的保护电流而得到阴极保护，则可以弥补涂层的缺陷，防止涂层劣化，可大大延长设备的检修周期。25例如，某油田的地下输油管道，在单独使用涂料防腐时，不到三年发生穿孔漏油，造成停产。在采用涂层与阴极保护联合防腐后，五年多未发现腐蚀穿孔现象。2.阴极保护和缓蚀剂联合防腐采用缓蚀剂防腐是为了加入少量某些物质，能使金属腐蚀程度大为降低，甚至停止。但在有些情况下，单独使用缓蚀剂效果不好，或使用量太大，不经济。联合防腐发电厂列管式海水凝汽器黄铜管的腐蚀，主要是黄铜脱锌引起的穿孔腐蚀破坏。在海水中只加缓蚀剂FeSO4，防腐效果不好；若单独采用阴极26保护，由于遮蔽作用，只能对管板和管端起良好的保护作用。采用联合保护后，很好地解决了这一问题。27腐蚀事例事例一：某公司选用不锈钢管作地下输油管道。安装后大约一年准备投入使用，油从一端泵入，在另一端却未见油出现。检查发现管道上因腐蚀形成了许多小孔，油全部漏掉了。又发现该管道附近有一条碳钢管道实施了阴极保护，认为不锈钢是耐蚀材料，并没有将不锈钢连接到阴极保护系统。28阴极保护造成杂散电流腐蚀的防护方法：最好的方法是在设计时将附近的管道和设施都纳入阴极保护系统，一道进行保护。提高管道相交段的绝缘等级，或涂覆新的绝缘层，以避免杂散电流流入。涂覆长度一般10m左右。在多管道地区，最好采用多个阳极站每个站的保护电流较小，阳极离被保护管道较近，以缩小保护电流范围。29事例二：海边一座混凝土石油装运码头，混凝土台面支撑在钢管上。钢管表面涂漆并加阴极保护。电源负极连在钢筋上。阳极是镀铂钛悬挂在海水中。在石油装卸过程中，码头受到周期性机械应力，引起混凝土某些物理破坏。使用12年后发现，平台的混凝土台面出现严重胀裂，钢筋暴露出来。30第二节阳极保护阳极保护是金属在电解液中利用外加阳极电流产生阳极极化而建立钝态的特性来产生保护的方法。直流电源辅助阳极被保护设备-Eiicpip31阳极保护原理依据金属钝化的原理。对于能够在某些电解质溶液中产生钝化的金属，若通以一定的电流，当电流密度达到致钝电流密度时，则金属表面开始产生钝化现象，形成钝化膜，从而阻止腐蚀的进行。阳极保护是把金属设备与外加直流电源正极相连，另有一个辅助阴极与外加直流电源负极相连。一、阳极保护的主要参数1.致钝电流密度icp为了尽量减小设备投资和耗电量，希望致钝电流密度越小越好，可以减少阳极溶解量。主要取决于32金属的本身性质和介质条件，也与致钝时间有关。p131当电流密度较小时，则不能建立钝态。由于致钝过程中有一部分电流消耗在电解腐蚀上。电流密度小，电解腐蚀消耗的电流相对较多，而用于致钝的部分相对较少。当电流密度小到一定程度时，电流全部消耗于电解腐蚀了，因而无法致钝。所以，设计阳极保护时，要合理选择致钝电流密度。工程上一般采用逐步钝化法。即将被