金属在某些环境中的腐蚀与防护.ppt

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1、材料腐蚀与防护,贵州大学材料与冶金学院,7.1 大气腐蚀,7.2 土壤腐蚀,7.3 海水腐蚀,第七章 金属在某些环境中的腐蚀, 大气的腐蚀性, 大气腐蚀的特点, 大气腐蚀的影响因素, 防锈,大气腐蚀, 土壤腐蚀的特点, 埋地钢铁管道的保护, 土壤腐蚀的几种常见形式,土壤腐蚀, 海水腐蚀, 船舶和海洋设施的保护,海水腐蚀,7.1 大气腐蚀,大气的近似组成(10oC，100KPa),空气中氧的含量约23%，是大量的也是主要的腐蚀剂，直接参与金属的腐蚀反应。 空气相对湿度对金属的大气腐蚀也有重要影响。 (相对湿度 ：空气中水蒸气含量与同温度下饱和水蒸气含量的比值的百分数)。,大气的次要成分(杂质),

2、当空气湿度达到100%，形成肉眼可见的水膜； 当空气的相对湿度低于100%，金属表面也可能形成水膜，原因是： 由于金属表面上形成的水膜并不是纯净的水，形成电解质溶液。因此，大气腐蚀属于电化学腐蚀范畴。,毛细凝聚,化学凝聚,吸附凝聚,构件中的狭缝 金属表面上的灰尘 腐蚀产物中的细孔,大气腐蚀条件下水汽毛细凝聚的可能中心,毛细管半径与水汽冷疑所需相对湿度的关系,与饱和盐溶液平衡的空气相对湿度( 20oC ),吸附水膜厚度与空气相对湿度的关系(洁净的细磨过的铁表面),:干大气腐蚀 =10100 :潮大气腐蚀 =100 1m :湿大气腐蚀 =1 m1mm :全浸, 1mm,大气腐蚀的类型 干大气腐蚀：

3、空气十分干燥，金属表面上不存在水 膜,金属的腐蚀属于常温氧化。 潮大气腐蚀：Rh100%，在金属表面上存在肉眼 不可见的薄液膜,随水膜厚度增加,V-迅速增大。 湿大气腐蚀：Rh100%，金属表面上形成肉眼可 见的水膜，随水膜厚度增加， V-逐渐减小。,大气腐蚀的特点 氧分子还原反应速度较大，成为主要的阴极过程。即使液膜呈酸性，氧分子还原反应仍占阴极过程的主要地位； 在薄的液膜下氧容易到达金属表面，有利于金属钝化；潮的大气腐蚀受阳极极化控制，湿的大气腐蚀受阴极极化控制； 此外，腐蚀产物的性质对大气腐蚀过程有重要影响。,析出H2或吸收O2的体积,(cm3/dm2),镁在全浸，蒸镏水薄膜和洁净大气条

4、件下腐蚀时的氢去极化及氧去极化 全浸 薄水膜 大气腐蚀 氧去极化 氢去极化 (根据ToMawoB),(根据 Po3eHeb4),大气腐蚀的影响因素 （1）气候条件：湿度、降水量、温度 、日照量； （2）大气污染物质： SO2 ：能强烈促进钢铁的大气腐蚀 盐粒：溶解于金属表面水膜，增加吸湿性和导电性， 氯离子还具有强腐蚀性。 烟尘：烟尘落在金属表面，能吸附腐蚀性物质，或 者在金属表面上形成缝隙，增加水汽凝聚。,铁的大气腐蚀(大气中含0.01%SO2)暴露55天的结果,抛光钢试样大气腐蚀（空气中杂质）,相对湿度 (%),E: 烟尘颗粒 +0.01%SO2 D: 硫铵颗粒 +0.01%SO2 C:

5、无颗粒 +0.01%SO2 B: 硫铵颗粒 无SO2 A: 纯净空气,E,D,C,B,A,SO2对钢铁大气腐蚀的影响(根据Evans),曲线A:暴露到不 含SO2湿空气中; 曲线B:暴露到含 SO2 空气中;,SO2对钢铁大气腐蚀的影响(根据Evans),1 2 4 8 16 时间(天),3 2,2 2 2 2,2 2 2,2 2,C D D C,防锈 各种金属耐大气腐蚀性能：普通碳钢在潮湿和污染大气中很容易生锈，须使用油漆涂料之类的覆盖层进行保护。含铜、磷、铬、镍的低合金钢有良好的耐大气腐蚀性能。当大气污染严重时，不含钼的奥氏体不锈钢也会产生锈点。有色金属铝、铜、铅、锌有良好耐大气腐蚀性能，

6、但当存在污染物质时，腐蚀速度增大。,部分金属大气腐蚀速度（mm/y）,涂料和金属镀层 对于机器设备和管道的外表面，构件和建筑物，最常用的防锈方法是油漆涂料覆盖层。 化工大气防腐蚀涂料：各种环氧树脂漆、过氯乙烯漆、乙烯漆、有机硅耐热漆、铝粉漆、聚氨酯漆等。 金属镀层用得较多的是钢管和部件镀锌、镉和铬。,金属制品在加工贮存和运输中的防锈 (1)降低空气湿度 (2)暂时性防锈层 “暂时”并不是指时间短，而是指金属制品在连续加工或使用时可以顺利地将防锈材料除去。 常见的防锈材料：防锈水 、防锈切削液 、防锈油和防锈脂 、防锈塑料 、 气相缓蚀剂(记为VPI或VCI)。,几种防锈油(脂)的配方及使用,7

7、.2 土壤腐蚀,(1)土壤是土粒、水和空气的混合物。由于水中溶有各种盐类，故土壤是一种腐蚀性电解质，金属在土壤中的腐蚀属于电化学腐蚀。 (2)土壤是多相结构，含有多种无机和有机物质，这些物质的种类和含量既影响土壤的酸碱性，又影响土壤的导电性。土壤是不均匀的，长距离地下管道和大尺寸地下设施，其各个部位接触的土壤的结构和性质变化大。还有大量微生物，对金属腐蚀起加速作用。,(3) 影响土壤腐蚀性的主要因素 含水量既影响土壤导电性又影响含氧量。氧的含量对金属的土壤腐蚀有很大影响。 土壤愈干燥，含盐量愈少，土壤电阻率愈大；土壤愈潮湿，含盐量愈多，土壤电阻率就愈小，随电阻率减小，土壤腐蚀性增强。 pH值愈

8、低，土壤腐蚀性愈强。,土壤腐蚀性划分标准,电阻率( m)判断土壤腐蚀性,(1)阴极过程 主要是氧分子还原反应。土壤的结构和湿度(透气性)决定了氧的输送速度，从而决定了阴极反应速度。 (2)阳极过程 在中性和碱性土壤中，腐蚀产物与土壤粘结在一起，形成一种紧密层，使阳极过程受到阻碍，对金属起到保护作用。,土壤腐蚀的特点,(3)控制特征 对微电池腐蚀，a) 在干燥疏松土壤中，氧易透过，阴极反应易进行，而铁转变为钝态，阳极反应阻力大，故腐蚀属于阳极极化控制。b) 在大多数土壤中，氧的输送比较困难，阴极反应阻力大，腐蚀属阴极极化控制 。 对大电池腐蚀，如果阴极区与阳极区距离较远，欧姆电阻有重要作用，腐蚀

9、过程属于阴极极化和欧姆电阻混合控制。,I,E,(I),c,a,(II),I,E,c,a,IRl,c,(III),I,E,a,（I）大多数土壤中微电池腐蚀（阴极控制）； （II）疏松干燥土壤中微电池腐蚀（阳极控制）； （III）长距离大电池腐蚀（阴极和欧姆电阻控制）；,（1）全面腐蚀 对于小金属制品，主要是全面腐蚀。对于大型设备，长距离管道，以大电池造成的局部腐蚀为主。 （2）氧浓差电池腐蚀 富氧区和贫氧区接触的金属部分组成氧浓差电池，富氧区接触的金属表面为阴极；贫氧区接触的金属表面为阳极。,土壤腐蚀的几种常见形式,富氧区阳极极化曲线较陡，Pa较大，因而贫氧区腐蚀电流较大。,粘土 (贫氧区),砂

10、土(富氧区),阴极,阳极,埋地钢管,地面,土壤中构成氧浓差电池的一种情况,氧浓差电池腐蚀(钢铁),E,Log i,（3）杂散电流腐蚀 杂散电流是指直流电源设备漏电进入土壤产生的电流，对地下管道、贮罐、电缆等金属设施，造成严重的腐蚀破坏。 杂散电流流出的部位成为腐蚀电池的阳极区，金属发生氧化反应转变为离子进入土壤 。 腐蚀掉的金属量和流过的杂散电流的电量成正比 ，按法拉弟电解定律进行估算。,电车轨道漏出的杂散电流对土壤中钢铁管道的腐蚀作用图,轨道,架空线,电车,电流流出,阳极区域（严重腐蚀）,阴极区域,土壤,钢管,(4)细菌腐蚀或微生物腐蚀(MIC) 有的细菌的生命活动的代谢产物具有很强的腐蚀性

11、。 有的细菌的生命活动能促进金属腐蚀的阴极反应，影响电极反应动力学过程。 有的细菌活动改变了金属周围的环境条件，如氧浓度，盐浓度，pH值，增加土壤的不均匀性。 有的细菌活动能破坏金属表面保护性覆盖层的稳定性，或使缓蚀剂分解失效。,土壤腐蚀中常见的细菌 硫氧化菌 ：与腐蚀有关的硫氧化菌主要是硫杆菌属的细菌，包括氧化硫杆菌，排硫杆菌和水泥崩解硫杆菌。它们属于喜氧性细菌，在有氧的条件下才能生存。 硫酸盐还原菌(SRB)： 属厌氧性细菌，在缺氧条件下才能生存。在缺氧的中性土壤中，腐蚀过程是很难进行。,总反应：4Fe+SO42+4H2O FeS+3Fe(OH)2+2OH 硫酸盐还原菌腐蚀图解,8H2O

12、8OH+8H+ 8H+6OH+2OH,SO42- S2+4O 8H+4O 4H2O,FeS,Fe2+,3Fe2+,3Fe(OH),6OH,S2,硫酸盐还原菌,软钢的阳极和阴极极化曲线（30C） 左：阳极室无菌，阴极室不接种去磺弧菌(D.desulfuricans) 右：阴极室无菌，阴极室不接种去磺弧菌(D.desulfuricans),E(V),i (mA/cm),E(V),i (mA/cm),（1）减小土壤的腐蚀性 加强排水，保持土壤干燥。在酸性土壤地段，可以在钢管周围填充石灰石碎块。在埋置管道时用腐蚀性较小的土壤回填 。 （2）覆盖层保护 石油沥青层有良好的防水性和耐蚀性。氧煤焦沥青耐蚀性

13、很好，但毒性大 。塑料粘结带适宜长距离管道的现场机械化施工，但费用较高。,埋地钢铁管道的保护,（3）阴极保护和涂料联合 阴极保护和涂料联合是保护地下钢铁管道最经济有效的方法。 地下管道的阴极保护可采用牺牲阳极保护法，也可以采用外加电流保护法。 外加电流法阴极保护系统对其他地下管道(以及其他设施)的干扰杂散电流腐蚀。,阴极保护系统产生的杂散电流对其他设备的干拢腐蚀,控制杂散电流的方法 (1) 直流电源要加强绝缘，不使电流流入土壤。 (2) 改善管道绝缘质量。 (3) 将受干扰的管道与被保护管道连接起来，共同保 护。 (4) 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，以缩小保护电流

14、范围。 (5) 采用深井阳极。 (6) 采取排流措施,防止杂散电流腐蚀的排流保护法,7.3 海水腐蚀,海水近似看做3%或3.5%的氯化钠溶液。几乎含有地壳中所有的自然状态的元素。海水中含氧量大，表层海水可以认为被氧饱和，随温度变化，氧含量在5 10mg/L范围。 pH：7.2 8.6，呈微碱性。 温度： 2 35C 导电性强。,海水的组成和性质,海水的主要成分,碳钢腐蚀率与海水流速的关系,由于海水导电性好，腐蚀电池的欧姆电阻很小，因此异金属接触能造成阳极性金属发生显著的电偶腐蚀破坏。 海水中含大量氯离子，容易造成金属钝态局部破坏。 碳钢在海水中发生吸氧腐蚀，凡是使氧极限扩散电流密度增大的因素，如流速增大，都会使碳钢腐蚀速度增大。 海洋环境的腐蚀分为几个区域 ：海洋大气区、飞溅区、潮汐区、全浸区和海泥区。,海水腐蚀的特点,耐海水钢Mariner与碳钢的试验结果（九年暴露，美国）,船舶和海洋设施的保护,（1）材料 低合金海水用钢与碳钢的比较,（2）设计和施工 在选材、设计和施工中要避免造成电偶腐蚀和缝隙腐蚀。与高流速海水接触的设备(泵、推进器、海水冷却器等)要避免湍流腐蚀和空泡腐蚀 。 （3）涂料保护 （4）阴极保护 阴极保护与涂料联合应用是最有效的防护方法。现在海洋船舶、军舶普遍采用这种防护方法。,