金屬腐蝕與防護(hù)緒論

1、金屬腐蝕與防護(hù) 2022/9/41 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(xué)反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)或物理溶解作用而導(dǎo)致金屬損壞。 這個(gè)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(gè)具有反應(yīng)作用的體系。金屬為什么很容易受腐蝕？從熱力學(xué)的觀點(diǎn)看，是因?yàn)榻饘偬幱诓环€(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。 2022/9/42 金屬及其合金的腐蝕主要是化學(xué)和電化學(xué)作用引起的破壞，有時(shí)伴隨有機(jī)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，F(xiàn)e在高溫下被液態(tài)鋅溶解，使容器壁變?。@種情況比較少。 不包含化學(xué)變化的純

2、機(jī)械破壞不屬于腐蝕范疇，例如鋼索斷裂、機(jī)器軸的損壞等 ，這是材料本身性能的失效。 2022/9/43 二、金屬腐蝕的危害性與防護(hù)的意義 1.金屬腐蝕的危害性 金屬腐蝕給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至帶來(lái)災(zāi)難性的事故，浪費(fèi)寶貴的資源與能源，而且污染環(huán)境。在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門中，每年都有大量的金屬構(gòu)件和設(shè)備因腐蝕而報(bào)廢。據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家調(diào)查，每年由于腐蝕造成的損失約占國(guó)民經(jīng)濟(jì)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。 2022/9/44 在油氣田開發(fā)生產(chǎn)中，從油水井到管道和儲(chǔ)罐以及各種工藝設(shè)備都會(huì)遭受嚴(yán)重的腐蝕，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。有關(guān)資料報(bào)道，世界各國(guó)每年僅管道腐蝕造

3、成的損失，美國(guó)約為20億美圓，英國(guó)約17億美圓，德國(guó)和日本各位33億美圓。據(jù)美國(guó)國(guó)家輸送安全局統(tǒng)計(jì)，美國(guó)45%管道損壞是由外壁腐蝕引起的。而在美國(guó)輸氣干線和集氣管線的泄漏事故中，有74%是腐蝕造成的。2022/9/45 19811987年前蘇聯(lián)輸氣管道事故統(tǒng)計(jì)表明，總長(zhǎng)約24萬(wàn)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(wèn)題造成的事故280次，占23.2%。 我國(guó)的地下油氣管道投產(chǎn)12年后即發(fā)生腐蝕穿孔的情況已屢見(jiàn)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(lái)的材料和人力上的浪費(fèi)，停工停產(chǎn)所造成的損失，而且

4、還可能因腐蝕引起火災(zāi)。2022/9/46 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(yán)重。 據(jù)大慶油田1980年的不完全統(tǒng)計(jì)，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(wàn)元。2022/9/47 以中原油田為例，其生產(chǎn)系統(tǒng)平均腐蝕速率高達(dá)1.53.0mm/a，點(diǎn)蝕速率高達(dá)515mm/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(jì)損失7000多萬(wàn)元，間接經(jīng)濟(jì)損失近2億元。19911993年注水井因腐蝕而更換油管176 104m ，30多口井因腐

5、蝕報(bào)廢，腐蝕嚴(yán)重制約了油田的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)效益。 2022/9/48 1)防護(hù)的意義 鑒于腐蝕問(wèn)題的嚴(yán)重性，國(guó)內(nèi)外對(duì)防腐蝕工作都很重視，采取各種措施來(lái)減輕腐蝕的危害。為了保證油氣管道的長(zhǎng)期安全運(yùn)行，各國(guó)政府和企業(yè)都制定有防腐法規(guī)，作為設(shè)計(jì)、施工、管理必需遵循的準(zhǔn)則。 研究腐蝕和防護(hù)的意義是多方面的。 2022/9/49 （1）經(jīng)濟(jì)方面，這包括降低因管道、儲(chǔ)罐、設(shè)備和結(jié)構(gòu)的腐蝕所造成的金屬損失。 經(jīng)濟(jì)因素是當(dāng)前腐蝕與防護(hù)領(lǐng)域中許多研究工作的原動(dòng)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(dá)數(shù)十億美圓。 經(jīng)濟(jì)損失可分為： 2022/9/410 直接損失 直接損失是指更換被腐蝕的構(gòu)件、機(jī)械或它們的

6、零部件，如管道、金屬屋頂，并包括這種更換工作所需的勞動(dòng)力在內(nèi)合計(jì)花費(fèi)的金額。另類直接損失的例子是對(duì)構(gòu)件進(jìn)行以防銹為主要目的的重新油漆的費(fèi)用和建立對(duì)管道陰極保護(hù)的基本投資及維持費(fèi)用。 2022/9/411 直接損失還包括因使用耐蝕材料代替機(jī)械強(qiáng)度足夠，但耐蝕性不足的碳鋼時(shí)所需支付的額外費(fèi)用，此外還包括鋼上鍍鋅或鍍鎳的費(fèi)用以及向水里加緩蝕劑的費(fèi)用和對(duì)儲(chǔ)存金屬設(shè)備的倉(cāng)庫(kù)內(nèi)除濕所需的費(fèi)用。 2022/9/412間接損失 間接損失比較難以估計(jì)，但對(duì)這類損失的簡(jiǎn)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： 2022/9/413 A.停產(chǎn)損失 更換一根腐蝕的煉油裝置的管道可能只花

7、費(fèi)幾百美圓，但檢修時(shí)設(shè)備停產(chǎn)可能在生產(chǎn)上會(huì)造成每小時(shí)高達(dá)2萬(wàn)美圓的損失。同樣，在一個(gè)大型發(fā)電廠內(nèi)更換一個(gè)受腐蝕的鍋爐時(shí)，可能不得不每天支付5萬(wàn)美圓用來(lái)從聯(lián)網(wǎng)的其他電廠系統(tǒng)購(gòu)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(guó)電力系統(tǒng)每年因這類損失達(dá)數(shù)千萬(wàn)美圓。 2022/9/414 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(bǔ)為止的損失。 2022/9/415 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(jì)在美國(guó)，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(dāng)于每年多花幾百萬(wàn)美圓）。2

8、022/9/416 D.產(chǎn)品污染 E.過(guò)度設(shè)計(jì) 這種情況常見(jiàn)在設(shè)計(jì)反應(yīng)容器、油井、埋地管道等，因?yàn)楦g速率未知，或者控制腐蝕的方法不明確，所以常常設(shè)計(jì)得比正常操作壓力及外應(yīng)力所需的笨重好幾倍，以確保合理的使用壽命。隨著對(duì)腐蝕知識(shí)的熟悉，可作出對(duì)設(shè)備壽命更可靠的估計(jì)，并在材料及勞力方面也可簡(jiǎn)化。 2022/9/417 （2）提高了設(shè)備運(yùn)行的安全性，因?yàn)楦g可能造成設(shè)備災(zāi)難性的破斷事故。 （3）保護(hù)環(huán)境，主要是指金屬資源，因?yàn)樗鼈冊(cè)谌虻膬?chǔ)量有限，并且，它們的浪費(fèi)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(fèi)。 2022/9/418 三、金屬腐蝕的分類 1.按腐蝕形態(tài)分類 （1）全面腐蝕（Gene

9、ral Corrosion） 腐蝕分布在整個(gè)金屬表面上，可以是均勻的，也可以是不均勻的。如碳鋼在強(qiáng)酸中發(fā)生的腐蝕即屬此例。均勻腐蝕的危害性相對(duì)較小，因?yàn)槿糁懒烁g的速度，即可推知材料的使用壽命，并在設(shè)計(jì)時(shí)將此因素考慮進(jìn)去。 2022/9/419 （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(jiàn)的幾種局部腐蝕如圖1所示： 圖1 腐蝕形態(tài)示意圖2022/9/420 點(diǎn)蝕（Pitting） 又稱小孔腐蝕。這種破壞常集中在某些活性點(diǎn)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(yán)重時(shí)可使金屬穿孔。如不銹鋼在含有氯離子的溶

10、液中常呈現(xiàn)這種破壞形式。2022/9/421 電偶腐蝕（Galvanic corrosion） 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(xué)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(yáng)極而被腐蝕。 2022/9/422 氫脆（Hydrogen embrittlement） 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(yīng)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。 2022/9/423 應(yīng)力腐蝕開裂(Stress Corrosion Cracking) 它在局部腐蝕中居首位。根據(jù)腐蝕介質(zhì)的性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)的不同，裂紋

11、特征會(huì)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(yīng)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(yīng)力腐蝕破裂發(fā)生。 2022/9/424 晶間腐蝕（Intergranular corrosion） 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(shí)，金屬外觀雖看不出什么變化，但其機(jī)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。 2022/9/425 選擇性腐蝕（Selective leaching） 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(lái)。如黃銅脫鋅就是此類腐蝕

12、。 2022/9/426 其他局部腐蝕: 縫隙腐蝕（Crevice corrosion） 沉積腐蝕 濃差電池腐蝕 湍流腐蝕 腐蝕疲勞（Corrosion fatigue） 磨損腐蝕（Erosion corrosion） 氫致開裂（Hydrogen induced cracking） 2022/9/427 2.按腐蝕環(huán)境分類 (1)化學(xué)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2022/9/428 液態(tài)金屬腐蝕 熔鹽腐蝕 燃?xì)飧g 3.按作用原理分類 （1）化學(xué)腐蝕 金屬的化學(xué)腐蝕是指金屬表面與非電解質(zhì)直接發(fā)生純化學(xué)作用而引起的破壞。 2022/9

13、/429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(shí)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(jī)液體（如苯、汽油）中的腐蝕。 2022/9/430 化學(xué)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(yīng)是在反應(yīng)粒子相互作用的瞬間于碰撞的那一個(gè)反應(yīng)點(diǎn)上完成的。在化學(xué)腐蝕過(guò)程中，電子的傳遞是在金屬與氧化劑之間直接進(jìn)行，因而沒(méi)有電流發(fā)生。過(guò)去，普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，金屬的高溫氧化屬典型的化學(xué)腐蝕。 2022/9/431 （2）電化學(xué)腐蝕 電化學(xué)腐蝕指金屬與電解質(zhì)因發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的破壞。任何一種按電化學(xué)機(jī)理進(jìn)行的腐

14、蝕反應(yīng)至少包含有一個(gè)陽(yáng)極反應(yīng)和一個(gè)陰極反應(yīng)，并與流過(guò)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(yáng)極反應(yīng)是金屬原子從金屬轉(zhuǎn)移到介質(zhì)中并放出電子的過(guò)程，即氧化過(guò)程。陰極反應(yīng)是介質(zhì)中的氧化劑奪取電子發(fā)生還原反應(yīng)的還原過(guò)程。 2022/9/432 例如，碳鋼在酸中腐蝕時(shí)，在陽(yáng)極區(qū)Fe被氧化為Fe2+，所放出的電子自陽(yáng)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(yáng)極反應(yīng)：Fe Fe2+ +2e 陰極反應(yīng)： 2H+ +2e H2 總反應(yīng)：Fe+ 2H+ Fe2+ + H2 2022/9/433 由此可見(jiàn)，電化學(xué)腐蝕的特點(diǎn)是： 1)介質(zhì)為離子導(dǎo)電的電解質(zhì)。 2)金屬

15、電解質(zhì)界面反應(yīng)過(guò)程是因電荷轉(zhuǎn)移而引起的電化學(xué)過(guò)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(xué)過(guò)程可以分為兩個(gè)相互獨(dú)立的氧化和還原過(guò)程，金屬電解質(zhì)界面上伴隨電荷轉(zhuǎn)移發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)稱為電極反應(yīng)。2022/9/434 4)電化學(xué)腐蝕過(guò)程伴隨電子的流動(dòng)，即電流的產(chǎn)生。 綜上所述，電化學(xué)腐蝕實(shí)際上是一個(gè)短路的原電池電極反應(yīng)的結(jié)果，這種原電池又稱為腐蝕原電池。油氣管道和儲(chǔ)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(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽ㄈ绺呻姵兀?，作有用功，而腐蝕原電池則只能導(dǎo)致材料的破壞，不對(duì)2022/9/435外

16、界作有用功。當(dāng)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(shí)，腐蝕金屬電極的陽(yáng)極溶解，即發(fā)生所謂的“雜散電流腐蝕”。電解池的正極進(jìn)行陽(yáng)極反應(yīng)，負(fù)極進(jìn)行陰極反應(yīng)，其電極的正、負(fù)極性正好與腐蝕原電池相反。故電化學(xué)反應(yīng)是借助于原電池或電解池進(jìn)行的。 2022/9/436 四、金屬腐蝕的評(píng)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(dá)方法。單位時(shí)間內(nèi)單位面積上的腐蝕量稱為腐蝕率；單位時(shí)間內(nèi)侵入的深度稱為侵蝕率。腐蝕率對(duì)于同種金屬的比較是很方便的，但對(duì)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。2022/9/4

17、37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(guān)系可以按表1-5進(jìn)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(shí)間內(nèi)單位面積上的失重或增重來(lái)表示。最常用的是失重法： 2022/9/438式中 V 腐蝕率，g/(m2h)； S 試件表面積，m2； t 試驗(yàn)時(shí)間，h； W 試驗(yàn)前后試件的重量變化，g；2022/9/439 腐蝕率單位除克/(米2時(shí))g/(m2h)外，也常用克/)厘米2時(shí))g/(cmh)表示。國(guó)外常用毫克/(分米2日)mg/(dm2d)，代號(hào)為 mdd。各種單位的腐蝕率

18、之間的換算關(guān)系，列于表l。 2022/9/4402022/9/441（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(hào)mpy或英寸/年(in/y)代號(hào)為ipy(1密耳=10-3英寸=0.0254毫米)。美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)（NACE）有時(shí)也采用微米/年(m/a)表示侵蝕率。2022/9/442 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(biāo)，mm/a； 被腐蝕金屬的密度，g/cm3。2022/9/443（3）由腐蝕速率電流換算成腐蝕電流 以金屬電化學(xué)腐蝕過(guò)程的陽(yáng)極電流密度的大小來(lái)衡量金屬的電化學(xué)腐蝕速度?？赏ㄟ^(guò)法拉第定律把電流指標(biāo)和質(zhì)量指標(biāo)聯(lián)系起來(lái)，兩者關(guān)系為： 2022/9/444式中：ia腐蝕的陽(yáng)極電流密度，