金屬腐蝕與防護(緒論).ppt

2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 1 金屬腐蝕與防護 主講 黃坤 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 2 緒論一 金屬腐蝕的定義金屬腐蝕 是指金屬與周圍環(huán)境發(fā)生化學反應 電化學反應或物理溶解作用而導致金屬損壞 這個定義明確指出了金屬腐蝕是包括金屬材料和環(huán)境介質(zhì)兩者在內(nèi)的一個具有反應作用的體系 金屬為什么很容易受腐蝕 從熱力學的觀點看 是因為金屬處于不穩(wěn)定狀態(tài) 它有與周圍介質(zhì)發(fā)生作用轉(zhuǎn)變成金屬離子的傾向 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 3 金屬及其合金的腐蝕主要是化學和電化學作用引起的破壞 有時伴隨有機械 物理或生物作用 單純的物理作用的破壞 如合金在液態(tài)金屬中的物理溶解 存放熔融鋅的鋼容器 Fe在高溫下被液態(tài)鋅溶解 使容器壁變薄 這種情況比較少 不包含化學變化的純機械破壞不屬于腐蝕范疇 例如鋼索斷裂 機器軸的損壞等 這是材料本身性能的失效 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 4 二 金屬腐蝕的危害性與防護的意義1 金屬腐蝕的危害性金屬腐蝕給國民經(jīng)濟造成了巨大的經(jīng)濟損失 甚至帶來災難性的事故 浪費寶貴的資源與能源 而且污染環(huán)境 在國民經(jīng)濟各部門中 每年都有大量的金屬構(gòu)件和設備因腐蝕而報廢 據(jù)發(fā)達國家調(diào)查 每年由于腐蝕造成的損失約占國民經(jīng)濟總產(chǎn)值的2 4 在腐蝕作用下 世界上每年生產(chǎn)的鋼鐵中有10 被腐蝕消耗 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 5 在油氣田開發(fā)生產(chǎn)中 從油水井到管道和儲罐以及各種工藝設備都會遭受嚴重的腐蝕 造成了巨大的經(jīng)濟損失 有關資料報道 世界各國每年僅管道腐蝕造成的損失 美國約為20億美圓 英國約17億美圓 德國和日本各位33億美圓 據(jù)美國國家輸送安全局統(tǒng)計 美國45 管道損壞是由外壁腐蝕引起的 而在美國輸氣干線和集氣管線的泄漏事故中 有74 是腐蝕造成的 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 6 1981 1987年前蘇聯(lián)輸氣管道事故統(tǒng)計表明 總長約24萬Km的管線上曾發(fā)生事故1210次 其中外腐蝕517次 占事故的42 7 內(nèi)腐蝕29次 占2 4 因施工質(zhì)量問題造成的事故280次 占23 2 我國的地下油氣管道投產(chǎn)1 2年后即發(fā)生腐蝕穿孔的情況已屢見不鮮 它不僅造成因穿孔而引起的油 氣 水泄漏損失 以及由于維修所帶來的材料和人力上的浪費 停工停產(chǎn)所造成的損失 而且還可能因腐蝕引起火災 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 7 特別是天然氣管道因腐蝕引起的爆炸 威脅人身安全 污染環(huán)境 后果極其嚴重 據(jù)大慶油田1980年的不完全統(tǒng)計 全油田管道腐蝕穿孔1905次 有一條輸氣管道 由于內(nèi)壁腐蝕引起爆炸著火事故 死亡4人 突然停氣使得某市電廠停產(chǎn) 造成的間接損失為7000萬元 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 8 以中原油田為例 其生產(chǎn)系統(tǒng)平均腐蝕速率高達1 5 3 0mm a 點蝕速率高達5 15mm a 1993年其生產(chǎn)系統(tǒng) 管線 容器腐蝕穿孔8345次 更換油管590Km 直接經(jīng)濟損失7000多萬元 間接經(jīng)濟損失近2億元 1991 1993年注水井因腐蝕而更換油管176 104m 30多口井因腐蝕報廢 腐蝕嚴重制約了油田的發(fā)展和經(jīng)濟效益 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 9 1 防護的意義鑒于腐蝕問題的嚴重性 國內(nèi)外對防腐蝕工作都很重視 采取各種措施來減輕腐蝕的危害 為了保證油氣管道的長期安全運行 各國政府和企業(yè)都制定有防腐法規(guī) 作為設計 施工 管理必需遵循的準則 研究腐蝕和防護的意義是多方面的 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 10 1 經(jīng)濟方面 這包括降低因管道 儲罐 設備和結(jié)構(gòu)的腐蝕所造成的金屬損失 經(jīng)濟因素是當前腐蝕與防護領域中許多研究工作的原動力 每年在工業(yè)上 軍事上和民政上因腐蝕造成的損失高達數(shù)十億美圓 經(jīng)濟損失可分為 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 11 直接損失直接損失是指更換被腐蝕的構(gòu)件 機械或它們的零部件 如管道 金屬屋頂 并包括這種更換工作所需的勞動力在內(nèi)合計花費的金額 另類直接損失的例子是對構(gòu)件進行以防銹為主要目的的重新油漆的費用和建立對管道陰極保護的基本投資及維持費用 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 12 直接損失還包括因使用耐蝕材料代替機械強度足夠 但耐蝕性不足的碳鋼時所需支付的額外費用 此外還包括鋼上鍍鋅或鍍鎳的費用以及向水里加緩蝕劑的費用和對儲存金屬設備的倉庫內(nèi)除濕所需的費用 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 13 間接損失間接損失比較難以估計 但對這類損失的簡約調(diào)查得到的結(jié)論是約在上述直接損失上再增加幾十億美圓 間接損失的例子有 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 14 A 停產(chǎn)損失更換一根腐蝕的煉油裝置的管道可能只花費幾百美圓 但檢修時設備停產(chǎn)可能在生產(chǎn)上會造成每小時高達2萬美圓的損失 同樣 在一個大型發(fā)電廠內(nèi)更換一個受腐蝕的鍋爐時 可能不得不每天支付5萬美圓用來從聯(lián)網(wǎng)的其他電廠系統(tǒng)購買電能 以便在鍋爐停產(chǎn)期間可以繼續(xù)向自己的用戶供電 美國電力系統(tǒng)每年因這類損失達數(shù)千萬美圓 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 15 B 產(chǎn)品損失油 氣或水從腐蝕損壞了的管道系統(tǒng)中泄漏 直到被修補為止的損失 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 16 C 效率損失其原因可能是因腐蝕產(chǎn)物積累引起的熱傳遞效率降低 或是因鐵銹等腐蝕產(chǎn)物阻塞管道而不得不提高泵功率 估計在美國 因鐵銹等腐蝕產(chǎn)物阻塞主干線而不得不提高泵功率所造成的損失大約相當于每年多花幾百萬美圓 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 17 D 產(chǎn)品污染E 過度設計這種情況常見在設計反應容器 油井 埋地管道等 因為腐蝕速率未知 或者控制腐蝕的方法不明確 所以常常設計得比正常操作壓力及外應力所需的笨重好幾倍 以確保合理的使用壽命 隨著對腐蝕知識的熟悉 可作出對設備壽命更可靠的估計 并在材料及勞力方面也可簡化 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 18 2 提高了設備運行的安全性 因為腐蝕可能造成設備災難性的破斷事故 3 保護環(huán)境 主要是指金屬資源 因為它們在全球的儲量有限 并且 它們的浪費還伴隨著這些金屬構(gòu)件生產(chǎn)制造中的能源和水的浪費 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 19 三 金屬腐蝕的分類1 按腐蝕形態(tài)分類 1 全面腐蝕 GeneralCorrosion 腐蝕分布在整個金屬表面上 可以是均勻的 也可以是不均勻的 如碳鋼在強酸中發(fā)生的腐蝕即屬此例 均勻腐蝕的危害性相對較小 因為若知道了腐蝕的速度 即可推知材料的使用壽命 并在設計時將此因素考慮進去 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 20 2 局部腐蝕 LocalizedCorrosion 腐蝕主要集中在金屬表面某一區(qū)域 而表面的其他部分幾乎未被破壞 常見的幾種局部腐蝕如圖1所示 圖1腐蝕形態(tài)示意圖 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 21 點蝕 Pitting 又稱小孔腐蝕 這種破壞常集中在某些活性點上 并向金屬內(nèi)部深處發(fā)展 通常其腐蝕深度大于其孔徑 嚴重時可使金屬穿孔 如不銹鋼在含有氯離子的溶液中常呈現(xiàn)這種破壞形式 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 22 電偶腐蝕 Galvaniccorrosion 凡具有不同電極電位的金屬相互接觸 并在一定的介質(zhì)中所發(fā)生的電化學腐蝕即屬此類 如不銹鋼和碳鋼的連接處 碳鋼在介質(zhì)中做為陽極而被腐蝕 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 23 氫脆 Hydrogenembrittlement 在某些介質(zhì)中 因腐蝕或其他原因所產(chǎn)生的氫原子可滲入金屬內(nèi)部 使金屬變脆 并在應力作用下發(fā)生脆裂 如含硫化氫的油 氣輸送管道中常發(fā)生這種腐蝕 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 24 應力腐蝕開裂 StressCorrosionCracking 它在局部腐蝕中居首位 根據(jù)腐蝕介質(zhì)的性質(zhì)和應力狀態(tài)的不同 裂紋特征會有所不同 顯微裂紋呈穿晶 晶界或兩者混合形式 裂紋呈樹枝狀 其走向與所受拉應力的方向垂直 如奧氏體不銹鋼在熱氯化物水溶液 如NaCl2 MgCl2 BaCl2溶液 中常有應力腐蝕破裂發(fā)生 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 25 晶間腐蝕 Intergranularcorrosion 這種腐蝕首先在晶粒邊界上發(fā)生 并沿晶界向縱深處發(fā)展 這時 金屬外觀雖看不出什么變化 但其機械性能確已大大降低了 例如奧氏體不銹鋼 鐵素體不銹鋼常出現(xiàn)這種腐蝕 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 26 選擇性腐蝕 Selectiveleaching 合金中的某一組分由于腐蝕優(yōu)先溶解到溶液中去 而另一種金屬富集下來 如黃銅脫鋅就是此類腐蝕 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 27 其他局部腐蝕 縫隙腐蝕 Crevicecorrosion 沉積腐蝕濃差電池腐蝕湍流腐蝕腐蝕疲勞 Corrosionfatigue 磨損腐蝕 Erosioncorrosion 氫致開裂 Hydrogeninducedcracking 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 28 2 按腐蝕環(huán)境分類 1 化學介質(zhì)腐蝕 2 大氣腐蝕 3 海水腐蝕 4 土壤腐蝕 5 工業(yè)水腐蝕 6 高溫腐蝕 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 29 液態(tài)金屬腐蝕 熔鹽腐蝕 燃氣腐蝕3 按作用原理分類 1 化學腐蝕金屬的化學腐蝕是指金屬表面與非電解質(zhì)直接發(fā)生純化學作用而引起的破壞 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 30 氣體腐蝕 一般是指金屬在干燥氣體中發(fā)生的腐蝕 例如 用氧氣切割和焊接管道時在金屬表面上產(chǎn)生的氧化皮 在非電解質(zhì)溶液中的腐蝕 例如金屬在某些有機液體 如苯 汽油 中的腐蝕 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 31 化學腐蝕是在一定的條件下 非電解質(zhì)中的氧化劑直接與金屬表面的原子相互作用 即氧化還原反應是在反應粒子相互作用的瞬間于碰撞的那一個反應點上完成的 在化學腐蝕過程中 電子的傳遞是在金屬與氧化劑之間直接進行 因而沒有電流發(fā)生 過去 普遍的觀點認為 金屬的高溫氧化屬典型的化學腐蝕 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 32 2 電化學腐蝕電化學腐蝕指金屬與電解質(zhì)因發(fā)生電化學反應而產(chǎn)生的破壞 任何一種按電化學機理進行的腐蝕反應至少包含有一個陽極反應和一個陰極反應 并與流過金屬內(nèi)部的電子流和介質(zhì)中定向遷移的離子聯(lián)系在一起 陽極反應是金屬原子從金屬轉(zhuǎn)移到介質(zhì)中并放出電子的過程 即氧化過程 陰極反應是介質(zhì)中的氧化劑奪取電子發(fā)生還原反應的還原過程 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 33 例如 碳鋼在酸中腐蝕時 在陽極區(qū)Fe被氧化為Fe2 所放出的電子自陽極 Fe 流至鋼表面的陰極區(qū) 如Fe3C 上 與H 作用而還原成氫氣 即陽極反應 Fe Fe2 2e陰極反應 2H 2e H2 總反應 Fe 2H Fe2 H2 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 34 由此可見 電化學腐蝕的特點是 1 介質(zhì)為離子導電的電解質(zhì) 2 金屬 電解質(zhì)界面反應過程是因電荷轉(zhuǎn)移而引起的電化學過程 必須包括電子和離子在界面上的轉(zhuǎn)移 3 界面上的電化學過程可以分為兩個相互獨立的氧化和還原過程 金屬 電解質(zhì)界面上伴隨電荷轉(zhuǎn)移發(fā)生的化學反應稱為電極反應 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 35 4 電化學腐蝕過程伴隨電子的流動 即電流的產(chǎn)生 綜上所述 電化學腐蝕實際上是一個短路的原電池電極反應的結(jié)果 這種原電池又稱為腐蝕原電池 油氣管道和儲罐在潮濕的大氣中 海水中 土壤中以及油氣田的污水 注水系統(tǒng)等環(huán)境中的腐蝕均屬此類 腐蝕原電池與一般原電池的差別僅在于原電池是把化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?如干電池 作有用功 而腐蝕原電池則只能導致材料的破壞 不對 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 36 外界作有用功 當管 罐金屬表面受到外界的交 直流雜散電流的干擾 產(chǎn)生電解電池作用時 腐蝕金屬電極的陽極溶解 即發(fā)生所謂的 雜散電流腐蝕 電解池的正極進行陽極反應 負極進行陰極反應 其電極的正 負極性正好與腐蝕原電池相反 故電化學反應是借助于原電池或電解池進行的 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 37 四 金屬腐蝕的評定1 均勻腐蝕均勻腐蝕或全面腐蝕程度一般采用平均腐蝕速率表示 平均腐蝕速率又有腐蝕率和侵蝕率兩種表達方法 單位時間內(nèi)單位面積上的腐蝕量稱為腐蝕率 單位時間內(nèi)侵入的深度稱為侵蝕率 腐蝕率對于同種金屬的比較是很方便的 但對不同的金屬 盡管腐蝕率相同 輕金屬比重金屬的侵蝕率要大得多 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 38 因此 異種金屬的比較以侵蝕率為好 腐蝕速率因使用單位的不同而有多種表示法 腐蝕率和侵蝕率之間的關系可以按表1 5進行換算 1 按重量變化表示的腐蝕率根據(jù)腐蝕產(chǎn)物容易除去還是牢固地附著于試件表面的不同情況 可分別采用單位時間內(nèi)單位面積上的失重或增重來表示 最常用的是失重法 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 39 式中V 腐蝕率 g m2 h S 試件表面積 m2 t 試驗時間 h W 試驗前后試件的重量變化 g 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 40 腐蝕率單位除克 米2 時 g m2 h 外 也常用克 厘米2 時 g cm h 表示 國外常用毫克 分米2 日 mg dm2 d 代號為mdd 各種單位的腐蝕率之間的換算關系 列于表l 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 41 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 42 2 按腐蝕深度 即厚度變化 表示的侵蝕率常稱年腐蝕深度 最常用的單位是毫米 年 mm a 英美也常用密耳 年 mil a 代號mpy或英寸 年 in y 代號為ipy 1密耳 10 3英寸 0 0254毫米 美國腐蝕工程師協(xié)會 NACE 有時也采用微米 年 m a 表示侵蝕率 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 43 根據(jù)金屬的密度 由以重量變化表示的腐蝕率可以換算成年侵蝕深度 式中VL 腐蝕的深度指標 mm a 被腐蝕金屬的密度 g cm3 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 44 3 由腐蝕速率電流換算成腐蝕電流以金屬電化學腐蝕過程的陽極電流密度的大小來衡量金屬的電化學腐蝕速度 可通過法拉第定律把電流指標和質(zhì)量指標聯(lián)系起來 兩者關系為 2020 3 14 西南石油學院儲運研究所 45 式中