工學(xué)金屬腐蝕與防護(hù)課件

第五章防腐蝕設(shè)計(jì)第五章防腐蝕設(shè)計(jì)

研究金屬腐蝕是為了防止和控制金屬腐蝕的危害，延長(zhǎng)金屬的使用壽命。各種金屬工程材料，無(wú)論是原材料、產(chǎn)品加工、使用和儲(chǔ)存都會(huì)遇到不同的使用環(huán)境，產(chǎn)生不同程度的腐蝕。而金屬腐蝕是一個(gè)自發(fā)過程，完全避免材料的腐蝕是不可能的，只能在對(duì)金屬在各種腐蝕環(huán)境中的腐蝕破壞規(guī)律和機(jī)理充分了解的基礎(chǔ)上，以保證材料正常使用為前提，通過防腐蝕設(shè)計(jì)，使其腐蝕破壞限制在一定的范圍或降低到最小程度，即進(jìn)行腐蝕控制。

研究金屬腐蝕是為了防止和控制金屬腐蝕的危害，延長(zhǎng)

防腐蝕設(shè)計(jì)：為預(yù)防和控制破壞和損失而進(jìn)行的設(shè)計(jì)。金屬的防腐蝕設(shè)計(jì)主要包括：一、金屬材料的正確選擇；二、防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；三、防腐蝕工藝流程的選擇；四、防護(hù)方法的選擇。防腐蝕設(shè)計(jì)：為預(yù)防和控制破壞和損失而進(jìn)行的設(shè)計(jì)。一、金屬材料的正確選擇金屬材料是構(gòu)成設(shè)備或結(jié)構(gòu)件的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，防腐蝕材料的選擇是防腐蝕設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)。金屬構(gòu)件的腐蝕破壞事故經(jīng)常由選材不當(dāng)造成，因此正確選材是最重要也是最廣泛使用的防腐蝕辦法。

一、金屬材料的正確選擇

用于腐蝕環(huán)境中的設(shè)備和結(jié)構(gòu)，制造材料要考慮的因素：耐蝕性能；物理性能、機(jī)械性能和加工性能；經(jīng)濟(jì)上的可行性。必須遵循正確的選材原則，采取合理的選材步驟。用于腐蝕環(huán)境中的設(shè)備和結(jié)構(gòu)，制造材料要考慮的因素：一）正確選材的基本原則1、全面考察材料的綜合性能，優(yōu)先做好腐蝕控制。金屬材料是指由純金屬及其合金組成的材料。包括鋼鐵材料和有色金屬材料（非鐵材料）。鋼鐵占人類金屬總消耗的90％以上，是最常見也是最重要的金屬材料。

一）正確選材的基本原則

有色金屬材料是除鋼鐵以外的其他金屬及其合金的總稱。工程上最重要的有色金屬是Al、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ti、Ni及其合金。有色金屬材料的消耗雖然不到金屬材料總消耗的10％，但是因?yàn)樗鼈兙哂袃?yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，同時(shí)相對(duì)密度小，化學(xué)性能穩(wěn)定，耐熱、耐腐蝕，因而在工程上占有重要地位。

有色金屬材料是除鋼鐵以外的其他金屬及其合金的總稱。工程純金屬的熱力學(xué)穩(wěn)定性

各種金屬在電解質(zhì)中的熱力學(xué)不穩(wěn)定性可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電解電勢(shì)來(lái)近似判斷。在自然條件下很多金屬在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的。在潮濕氣氛和有氧的條件下，只有極少數(shù)金屬可視為是穩(wěn)定的。在中性水溶液介質(zhì)中甚至在無(wú)氧時(shí)，絕大多數(shù)能被腐蝕。純金屬的熱力學(xué)穩(wěn)定性

熱力學(xué)上的穩(wěn)定性不但取決于金屬本身，而且也與腐蝕介質(zhì)有關(guān)。即使在熱力學(xué)上很穩(wěn)定的金屬，在有些介質(zhì)中也可能變?yōu)椴环€(wěn)定。相反在惰性介質(zhì)中最活潑的金屬都可能成為完全穩(wěn)定的。常見的最易鈍化的金屬：Zr、Ti、Nb、Al、Cr、Be、Ni、Co、Fe等熱力學(xué)上的穩(wěn)定性不但取決于金屬本身，而且也與腐蝕介

金屬材料的性能包括力學(xué)性能、熱性能、電學(xué)性能、光學(xué)性能、化學(xué)性能等。具體來(lái)說包括強(qiáng)度、彈性、硬度、塑性、韌性、熱導(dǎo)率、比熱容、熱膨脹性、耐熱性、電導(dǎo)率、電阻率、磁性以及化學(xué)穩(wěn)定性等。其中化學(xué)穩(wěn)定性與材料的耐蝕性密切相關(guān)，而其他的性能是材料實(shí)現(xiàn)其使用功能的基礎(chǔ)。

金屬材料的性能包括力學(xué)性能、熱性能、電學(xué)性能、光學(xué)性能

在選材過程中，要注意設(shè)備中各種金屬材料的性能協(xié)調(diào)，既要保證設(shè)備的實(shí)用功能，又要保證其可靠性與使用壽命。尤其要重視金屬在不同狀態(tài)和環(huán)境介質(zhì)中的耐蝕性。對(duì)于關(guān)鍵的、經(jīng)常維修或不易維修的零部件，選用耐蝕性高的材料。在提高材料強(qiáng)度而耐蝕性有所下降的情況下，應(yīng)考慮其綜合性能，如強(qiáng)度許可，有時(shí)寧可犧牲某些力學(xué)性能，也要滿足耐蝕性的要求。

在選材過程中，要注意設(shè)備中各種金屬材料的性能協(xié)調(diào)，既

從材料的綜合性能出發(fā)，正確選擇材料，應(yīng)遵循以下原則。①按產(chǎn)品的工作條件要求正確選材。這是正確選材首先要注意的原則。必須按照產(chǎn)品使用時(shí)所處環(huán)境、腐蝕介質(zhì)的種類、濃度、溫度、壓力、流速等特定條件，選擇適當(dāng)?shù)慕饘俨牧稀Ｔ敱M的數(shù)據(jù)及其材料的耐蝕性能，可參閱國(guó)內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)資料，如我國(guó)出版的《金屬腐蝕手冊(cè)》、《腐蝕數(shù)據(jù)與選材手冊(cè)》、《材料的耐蝕性和腐蝕數(shù)據(jù)》等。

從材料的綜合性能出發(fā)，正確選擇材料，應(yīng)遵循以下原則

例如不銹鋼、鈦、鋯等被認(rèn)為是耐蝕性優(yōu)良的材料，但并不是說它們?cè)谌魏苇h(huán)境下都適用。例如不銹鋼在大氣和水中比碳鋼更優(yōu)越，但在濃硫酸中碳鋼卻優(yōu)于不銹鋼，如果水中含有微量氯離子，奧氏體不銹鋼可能發(fā)生危險(xiǎn)的應(yīng)力腐蝕破裂，碳鋼卻沒有這種危險(xiǎn)。因此，對(duì)于任何一個(gè)材料－環(huán)境體系，都必須有針對(duì)性地調(diào)查研究，以便了解這種材料在特定環(huán)境中的耐蝕性。例如不銹鋼、鈦、鋯等被認(rèn)為是耐蝕性優(yōu)良的材料，但并不②按產(chǎn)品的用途、物理、力學(xué)性能及特殊要求正確選材。選材時(shí)除考慮材料的耐蝕性外，還要考慮產(chǎn)品（或設(shè)備）的用途及物理、力學(xué)方面的性能要求。

②按產(chǎn)品的用途、物理、力學(xué)性能及特殊要求正確選材。③綜合考察材料對(duì)各種腐蝕類型的耐蝕性。針對(duì)不同的腐蝕環(huán)境，選擇材料時(shí)除了要考慮金屬的均勻腐蝕外，要特別注意可能產(chǎn)生的電偶腐蝕、孔蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、選擇性腐蝕、剝蝕、應(yīng)力腐蝕破裂、氫脆、腐蝕疲勞和磨損腐蝕等各種局部腐蝕。針對(duì)特定的腐蝕類型選用合適的耐蝕材料，針對(duì)特定腐蝕環(huán)境進(jìn)用綜合耐蝕性能最優(yōu)的材料。

③綜合考察材料對(duì)各種腐蝕類型的耐蝕性。

不銹鋼是不銹耐蝕鋼的簡(jiǎn)稱，包含兩大類型鋼。一類是在大氣、水蒸氣和淡水等弱電介質(zhì)中耐腐蝕或具有不銹性的鋼種，稱為不銹鋼；另一類是在酸堿鹽等化學(xué)介質(zhì)中耐腐蝕性鋼種，稱為耐酸鋼。不銹鋼一般不耐酸，而耐酸鋼一般均具有不銹性。然而耐酸鋼的使用是有條件的，并不能抵抗所有酸的腐蝕。不銹鋼是不銹耐蝕鋼的簡(jiǎn)稱，包含兩大類型鋼。④要注意合金成分、晶體缺陷、金相組織對(duì)金屬材料耐蝕性能的影響。首先，為了提高金屬材料的力學(xué)性能或滿足其他性能的要求，工業(yè)上很少使用純金屬，一般使用合金，由于加入的合金成分及組織狀態(tài)的不同，耐蝕性也不相同。

單相固溶體合金兩相或多相合金

④要注意合金成分、晶體缺陷、金相組織對(duì)金屬材料耐蝕性能的影響

其次，位錯(cuò)等晶體缺陷和晶粒邊界對(duì)腐蝕有很大影響，常常成為腐蝕的起源。因?yàn)檫@些因素將影響金屬表面膜的生成及其厚度、強(qiáng)度、孔隙度、附著力等，因此也就影響著金屬的腐蝕行為，加工的金屬表面位錯(cuò)程度增加，點(diǎn)缺陷增大，腐蝕速度將加大。

其次，位錯(cuò)等晶體缺陷和晶粒邊界對(duì)腐蝕有很大影響，常常成為⑤整個(gè)設(shè)備的材料應(yīng)綜合考慮，而不是分開材料考慮。對(duì)關(guān)鍵性零部件和修配成本高一些的部位，應(yīng)該選擇比較耐用的材料。在腐蝕速率很低或很高的那些部位，選擇起來(lái)比較容易，而對(duì)于腐蝕速度居中部位，需從力學(xué)性能、防腐性能、成本等各方面綜合考察。

⑤整個(gè)設(shè)備的材料應(yīng)綜合考慮，而不是分開材料考慮。2、選材的經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)性綜合考慮正確的選材是在保證使用期內(nèi)產(chǎn)品性能可靠的基礎(chǔ)上，盡量減少成本，以獲得最大經(jīng)濟(jì)效益的選材。因此，產(chǎn)品的選材還必須考慮產(chǎn)品的使用壽命、更新周期、基本材料費(fèi)用、加工制造費(fèi)、維護(hù)和檢修費(fèi)、停產(chǎn)和廢品損失費(fèi)等。

2、選材的經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)性綜合考慮二）正確選材的基本步驟1、了解所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的基本情況；2、腐蝕環(huán)境分析；3、查閱有關(guān)資料，掌握各種金屬、合金及可供選擇材料的腐蝕性能；4、調(diào)查研究實(shí)際生產(chǎn)中材料的使用情況，了解類似構(gòu)件或設(shè)備的腐蝕事故；二）正確選材的基本步驟5、掌握熱處理狀態(tài)與材料耐蝕性能的關(guān)系，保證材料在滿足力學(xué)性能的前提下具有滿意的耐蝕性能；6、做必要的實(shí)驗(yàn)室輔助試驗(yàn)，試驗(yàn)條件必須緊密結(jié)合實(shí)際；7、綜合評(píng)定材料的使用、加工和耐蝕性能，核算經(jīng)濟(jì)成本。5、掌握熱處理狀態(tài)與材料耐蝕性能的關(guān)系，保證材料在滿足力學(xué)性例、某單位為某個(gè)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行的選材試驗(yàn)表明，蒙乃爾（Monel）合金具有良好的耐腐蝕性能。于是用蒙乃爾合金制造了容器（鋼殼內(nèi)襯瓷板）內(nèi)部的攪拌器和加熱管以及離心機(jī)。溶液從容器底部輸送到離心機(jī)，分離后的溶液部分再返回到容器。使用不久，蒙乃爾合金部件和離心機(jī)都發(fā)生了廣泛的腐蝕破壞，表明蒙乃爾合金不耐蝕。

例、某單位為某個(gè)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行的選材試驗(yàn)表明，蒙乃爾（Mone

在實(shí)際生產(chǎn)中，離心分離工藝造成液體和空氣的充分接觸，加之容器中的液體回流進(jìn)口管比液面高，這些都使生產(chǎn)溶液含有較多的溶解氧，而蒙乃爾合金對(duì)氧化性介質(zhì)是不耐蝕的。選材實(shí)驗(yàn)是用生產(chǎn)溶液在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，試驗(yàn)溶液中不含這種飽和的溶解氧，即使開始有溶解氧，也會(huì)很快消耗完。正是這種實(shí)際使用環(huán)境條件與試驗(yàn)環(huán)境條件的差異，造成了試驗(yàn)認(rèn)定的耐蝕性優(yōu)良的蒙乃爾合金設(shè)備和部件出乎意料地迅速腐蝕。

在實(shí)際生產(chǎn)中，離心分離工藝造成液體和空氣的充分接觸，加之

腐蝕試驗(yàn)既要注意大環(huán)境，也不能忽視小環(huán)境。例、某工廠生產(chǎn)的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈采用了涂料保護(hù)，全部通過了規(guī)定的腐蝕試驗(yàn)。導(dǎo)彈裝入木箱，木材用五氯酚做過防腐處理；木箱外部涂了漆以防腐。儲(chǔ)存幾個(gè)月后發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈發(fā)生了廣泛的腐蝕。分析結(jié)果表明，腐蝕的原因是木材在較高溫度時(shí)水分蒸發(fā)，五氯酚分解產(chǎn)生腐蝕性極強(qiáng)的鹽酸。

腐蝕試驗(yàn)既要注意大環(huán)境，也不能忽視小環(huán)境。三）一般構(gòu)造金屬結(jié)構(gòu)物的理想金屬材料應(yīng)具備下列特征：①貨源充足，現(xiàn)貨供應(yīng)；②加工方便，價(jià)格低廉；③節(jié)能；④強(qiáng)度高，剛度大，尺寸穩(wěn)定；⑤質(zhì)量輕；⑥耐腐蝕；⑦環(huán)境對(duì)工件無(wú)不利影響；⑧構(gòu)造物的其他功能要求。

三）一般構(gòu)造金屬結(jié)構(gòu)物的理想金屬材料應(yīng)具備下列特征：選材的順序：第一個(gè)環(huán)節(jié)：設(shè)定設(shè)計(jì)方案，確定材料應(yīng)有的性能；第二個(gè)環(huán)節(jié)：借助經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行材料初選；第三個(gè)環(huán)節(jié)：考慮經(jīng)濟(jì)性與加工的可行性，各種腐蝕類型的控制方法，綜合因素。選材的順序：二、防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)金屬的腐蝕總是從表面開始，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的就是使表面處于最佳狀態(tài)，既能完成其使用性能，又便于腐蝕控制，避免機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力、液體的留滯、固體顆粒的沉積和積累、金屬表面膜的破損、局部過熱、電偶電池等腐蝕隱患。

二、防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從腐蝕控制的觀點(diǎn)來(lái)說，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含兩個(gè)方面的基本要求。一方面，在滿足產(chǎn)品使用性能的前提下，盡可能減少或消除產(chǎn)品及環(huán)境中的不均勻性，使腐蝕電池不能形成，或者雖能形成，但腐蝕阻力很大，因而腐蝕速度很低；另一方面，在設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮使用何種防護(hù)技術(shù)，并為這些技術(shù)提供條件，方便其順利實(shí)施，達(dá)到良好防護(hù)效果。

從腐蝕控制的觀點(diǎn)來(lái)說，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含兩個(gè)方面的基本要防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則：①預(yù)留腐蝕裕量，避免因均勻腐蝕導(dǎo)致的產(chǎn)品失效。一般壁厚的設(shè)計(jì)為預(yù)期使用年限厚度的兩倍。②外形結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，外表面平滑、均勻，承載件應(yīng)避免應(yīng)力集中。③防止腐蝕介質(zhì)滯留和沉積物腐蝕。容器底部及出口管應(yīng)能使容器內(nèi)的液體排空，能存積液體的地方應(yīng)設(shè)排液孔，并布置合適的通風(fēng)口，防止?jié)駳獾膮R集和凝聚。

防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則：④結(jié)構(gòu)連接時(shí)應(yīng)減少間隙，防止縫隙腐蝕，防止閉塞的縫隙結(jié)構(gòu)。整體結(jié)構(gòu)優(yōu)于分段結(jié)構(gòu)，連接部位往往是耐蝕性最弱的地方。但分段結(jié)構(gòu)有利于運(yùn)輸、檢查，對(duì)必不可少的分段結(jié)構(gòu)要設(shè)計(jì)合理的連接方式。連接時(shí)盡可能不采用鉚接結(jié)構(gòu)而采用焊接結(jié)構(gòu)，焊接時(shí)盡可能采用雙面對(duì)焊、連續(xù)焊，而不采用搭接焊、間斷焊，以免形成縫隙腐蝕，或者采用措施（如斂縫、涂層等）將縫隙封閉起來(lái)。

④結(jié)構(gòu)連接時(shí)應(yīng)減少間隙，防止縫隙腐蝕，防止閉塞的縫隙結(jié)構(gòu)。⑤為避免電偶腐蝕，同一結(jié)構(gòu)盡可能選用同一種金屬材料或電位較近的材料（兩種材料電位差小于25mV）。不同材料連接時(shí)要用絕緣墊片等絕緣材料將二者完全隔離，避免小陽(yáng)極大陰極式的金屬間的直接接觸。如果不能使用絕緣材料，則可以采用涂料或鍍層密封保護(hù)。采用涂料保護(hù)時(shí)，不僅要將陽(yáng)極材料覆蓋上，還應(yīng)將陰極一起覆蓋上。

⑤為避免電偶腐蝕，同一結(jié)構(gòu)盡可能選用同一種金屬材料或電位較近⑥防止沖刷腐蝕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為避免高速流體直接沖刷設(shè)備，設(shè)計(jì)時(shí)可考慮增加管徑和管子的彎曲半徑，以保持層流、避免嚴(yán)重的湍流和渦流。在高速流體的接頭部位，不要采用T形分叉結(jié)構(gòu)，而應(yīng)優(yōu)先采用曲線過渡的結(jié)構(gòu)形式。在易產(chǎn)生嚴(yán)重沖刷腐蝕的部位，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮安裝容易更換的緩沖擋板或折流板。

⑥防止沖刷腐蝕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。三、防腐蝕方法的選擇在防腐蝕設(shè)計(jì)中，防腐蝕方法的選擇與防腐蝕材料的選擇、防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝的選擇是相互補(bǔ)充、相互關(guān)聯(lián)的。在上述三種防腐蝕設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，合理的防腐蝕方法對(duì)已有的不可變的金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕保護(hù)，是最關(guān)鍵也最能體現(xiàn)防腐經(jīng)濟(jì)性原則的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

三、防腐蝕方法的選擇防腐蝕方法一般包括以下三種：①采用耐腐蝕的各種涂鍍層或轉(zhuǎn)化層等表面的工程防護(hù)法；②設(shè)法改造腐蝕環(huán)境，其中主要是采用各種防腐劑；③施行電化學(xué)保護(hù)。防腐蝕方法一般包括以下三種：

這些防護(hù)方法可以單獨(dú)使用，也可以聯(lián)合使用。究竟使用哪種方法可以達(dá)到良好的防護(hù)效果，必須了解具體腐蝕過程的控制因素，還要了解各種防護(hù)方法的控制原理。只有掌握具體腐蝕過程的控制因素及各種防護(hù)方法的防護(hù)原理，才能根據(jù)具體的被保護(hù)對(duì)象提出可行而有效的防護(hù)方法。

這些防護(hù)方法可以單獨(dú)使用，也可以聯(lián)合使用。究竟使用哪種防護(hù)方法的選擇遵從下列原則：①按照控制因素，選用防腐方法。a.對(duì)于由熱力學(xué)穩(wěn)定性控制的腐蝕過程，可采用完全抑制腐蝕反應(yīng)(陰、陽(yáng)極反應(yīng)都抑制)的一切措施：用涂層完全隔絕金屬與環(huán)境介質(zhì)的接觸；從溶液中完全去除H＋溶解氧等去極化劑。防護(hù)方法的選擇遵從下列原則：b.對(duì)于陽(yáng)極控制的腐蝕過程，可以進(jìn)行陽(yáng)極保護(hù)，鍍覆易鈍化金屬鍍層涂料中加入鈍化填料或在溶液中加入易鈍化的氧化膜型緩蝕劑，增強(qiáng)腐蝕過程的陽(yáng)極控制程度，減輕腐蝕。c.對(duì)于陰極控制的腐蝕過程，采取進(jìn)一步增強(qiáng)陰極控制的措施，主要是使用陰極型緩蝕劑或施加陰極保護(hù)以抑制腐蝕。b.對(duì)于陽(yáng)極控制的腐蝕過程，可以進(jìn)行陽(yáng)極保護(hù)，鍍覆易鈍化金屬②根據(jù)設(shè)備裝置的壽命要求和環(huán)境特點(diǎn)，選用在指定環(huán)境中能維持其防護(hù)效果且壽命最長(zhǎng)的單一或聯(lián)合的防護(hù)方法。③選擇與被保護(hù)材料相容的防護(hù)方法。如果考慮聯(lián)合保護(hù)，還要考慮幾種防護(hù)方法之間的相容性。④經(jīng)濟(jì)性原則，即單一保護(hù)或聯(lián)合保護(hù)的效益與成本核算。

②根據(jù)設(shè)備裝置的壽命要求和環(huán)境特點(diǎn)，選用在指定環(huán)境中能維持其

按照已發(fā)表的數(shù)據(jù)，金屬結(jié)構(gòu)物，如海船的涂裝費(fèi)占5％；陰極保護(hù)所需的費(fèi)用約為結(jié)構(gòu)物造價(jià)的1～2％；而陰極保護(hù)和涂層的聯(lián)合保護(hù)所需要費(fèi)用僅為造價(jià)的0.1～0.2%；某油田的地下的油管道在單獨(dú)使用涂層（瀝青玻璃布）防腐蝕使用不到三年就發(fā)生了穿孔漏油，造成停產(chǎn)檢修，在使用涂層與陰極保護(hù)聯(lián)合保護(hù)后，五年多未發(fā)現(xiàn)腐蝕穿孔現(xiàn)象。按照已發(fā)表的數(shù)據(jù)，金屬結(jié)構(gòu)物，如海船的涂裝費(fèi)占5％；陰極

碳鋼在海水中陰極保護(hù)時(shí)，裸鋼板的電流密度為0.15～0.1A/m2，在有涂料時(shí)，保護(hù)電流密度只要0.004～0.015A/m2，有涂層的鋼板用0.11A/m2電流密度進(jìn)行極化，僅需要幾個(gè)小時(shí)就到達(dá)保護(hù)電位。而無(wú)涂層鋼板用45A/m2的電流密度需要幾天才能極化到同一電位，因此降低了陰極保護(hù)的投資和操作費(fèi)用。實(shí)踐證明，陰極保護(hù)和防腐聯(lián)合保護(hù)是經(jīng)濟(jì)有效地防腐蝕措施。

碳鋼在海水中陰極保護(hù)時(shí)，裸鋼板的電流密度為0.15～0.第五章防腐蝕設(shè)計(jì)第五章防腐蝕設(shè)計(jì)

研究金屬腐蝕是為了防止和控制金屬腐蝕的危害，延長(zhǎng)金屬的使用壽命。各種金屬工程材料，無(wú)論是原材料、產(chǎn)品加工、使用和儲(chǔ)存都會(huì)遇到不同的使用環(huán)境，產(chǎn)生不同程度的腐蝕。而金屬腐蝕是一個(gè)自發(fā)過程，完全避免材料的腐蝕是不可能的，只能在對(duì)金屬在各種腐蝕環(huán)境中的腐蝕破壞規(guī)律和機(jī)理充分了解的基礎(chǔ)上，以保證材料正常使用為前提，通過防腐蝕設(shè)計(jì)，使其腐蝕破壞限制在一定的范圍或降低到最小程度，即進(jìn)行腐蝕控制。

研究金屬腐蝕是為了防止和控制金屬腐蝕的危害，延長(zhǎng)

防腐蝕設(shè)計(jì)：為預(yù)防和控制破壞和損失而進(jìn)行的設(shè)計(jì)。金屬的防腐蝕設(shè)計(jì)主要包括：一、金屬材料的正確選擇；二、防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；三、防腐蝕工藝流程的選擇；四、防護(hù)方法的選擇。防腐蝕設(shè)計(jì)：為預(yù)防和控制破壞和損失而進(jìn)行的設(shè)計(jì)。一、金屬材料的正確選擇金屬材料是構(gòu)成設(shè)備或結(jié)構(gòu)件的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，防腐蝕材料的選擇是防腐蝕設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)。金屬構(gòu)件的腐蝕破壞事故經(jīng)常由選材不當(dāng)造成，因此正確選材是最重要也是最廣泛使用的防腐蝕辦法。

一、金屬材料的正確選擇

用于腐蝕環(huán)境中的設(shè)備和結(jié)構(gòu)，制造材料要考慮的因素：耐蝕性能；物理性能、機(jī)械性能和加工性能；經(jīng)濟(jì)上的可行性。必須遵循正確的選材原則，采取合理的選材步驟。用于腐蝕環(huán)境中的設(shè)備和結(jié)構(gòu)，制造材料要考慮的因素：一）正確選材的基本原則1、全面考察材料的綜合性能，優(yōu)先做好腐蝕控制。金屬材料是指由純金屬及其合金組成的材料。包括鋼鐵材料和有色金屬材料（非鐵材料）。鋼鐵占人類金屬總消耗的90％以上，是最常見也是最重要的金屬材料。

一）正確選材的基本原則

有色金屬材料是除鋼鐵以外的其他金屬及其合金的總稱。工程上最重要的有色金屬是Al、Cu、Zn、Sn、Pb、Mg、Ti、Ni及其合金。有色金屬材料的消耗雖然不到金屬材料總消耗的10％，但是因?yàn)樗鼈兙哂袃?yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，同時(shí)相對(duì)密度小，化學(xué)性能穩(wěn)定，耐熱、耐腐蝕，因而在工程上占有重要地位。

有色金屬材料是除鋼鐵以外的其他金屬及其合金的總稱。工程純金屬的熱力學(xué)穩(wěn)定性

各種金屬在電解質(zhì)中的熱力學(xué)不穩(wěn)定性可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電解電勢(shì)來(lái)近似判斷。在自然條件下很多金屬在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的。在潮濕氣氛和有氧的條件下，只有極少數(shù)金屬可視為是穩(wěn)定的。在中性水溶液介質(zhì)中甚至在無(wú)氧時(shí)，絕大多數(shù)能被腐蝕。純金屬的熱力學(xué)穩(wěn)定性

熱力學(xué)上的穩(wěn)定性不但取決于金屬本身，而且也與腐蝕介質(zhì)有關(guān)。即使在熱力學(xué)上很穩(wěn)定的金屬，在有些介質(zhì)中也可能變?yōu)椴环€(wěn)定。相反在惰性介質(zhì)中最活潑的金屬都可能成為完全穩(wěn)定的。常見的最易鈍化的金屬：Zr、Ti、Nb、Al、Cr、Be、Ni、Co、Fe等熱力學(xué)上的穩(wěn)定性不但取決于金屬本身，而且也與腐蝕介

金屬材料的性能包括力學(xué)性能、熱性能、電學(xué)性能、光學(xué)性能、化學(xué)性能等。具體來(lái)說包括強(qiáng)度、彈性、硬度、塑性、韌性、熱導(dǎo)率、比熱容、熱膨脹性、耐熱性、電導(dǎo)率、電阻率、磁性以及化學(xué)穩(wěn)定性等。其中化學(xué)穩(wěn)定性與材料的耐蝕性密切相關(guān)，而其他的性能是材料實(shí)現(xiàn)其使用功能的基礎(chǔ)。

金屬材料的性能包括力學(xué)性能、熱性能、電學(xué)性能、光學(xué)性能

在選材過程中，要注意設(shè)備中各種金屬材料的性能協(xié)調(diào)，既要保證設(shè)備的實(shí)用功能，又要保證其可靠性與使用壽命。尤其要重視金屬在不同狀態(tài)和環(huán)境介質(zhì)中的耐蝕性。對(duì)于關(guān)鍵的、經(jīng)常維修或不易維修的零部件，選用耐蝕性高的材料。在提高材料強(qiáng)度而耐蝕性有所下降的情況下，應(yīng)考慮其綜合性能，如強(qiáng)度許可，有時(shí)寧可犧牲某些力學(xué)性能，也要滿足耐蝕性的要求。

在選材過程中，要注意設(shè)備中各種金屬材料的性能協(xié)調(diào)，既

從材料的綜合性能出發(fā)，正確選擇材料，應(yīng)遵循以下原則。①按產(chǎn)品的工作條件要求正確選材。這是正確選材首先要注意的原則。必須按照產(chǎn)品使用時(shí)所處環(huán)境、腐蝕介質(zhì)的種類、濃度、溫度、壓力、流速等特定條件，選擇適當(dāng)?shù)慕饘俨牧?。詳盡的數(shù)據(jù)及其材料的耐蝕性能，可參閱國(guó)內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn)資料，如我國(guó)出版的《金屬腐蝕手冊(cè)》、《腐蝕數(shù)據(jù)與選材手冊(cè)》、《材料的耐蝕性和腐蝕數(shù)據(jù)》等。

從材料的綜合性能出發(fā)，正確選擇材料，應(yīng)遵循以下原則

例如不銹鋼、鈦、鋯等被認(rèn)為是耐蝕性優(yōu)良的材料，但并不是說它們?cè)谌魏苇h(huán)境下都適用。例如不銹鋼在大氣和水中比碳鋼更優(yōu)越，但在濃硫酸中碳鋼卻優(yōu)于不銹鋼，如果水中含有微量氯離子，奧氏體不銹鋼可能發(fā)生危險(xiǎn)的應(yīng)力腐蝕破裂，碳鋼卻沒有這種危險(xiǎn)。因此，對(duì)于任何一個(gè)材料－環(huán)境體系，都必須有針對(duì)性地調(diào)查研究，以便了解這種材料在特定環(huán)境中的耐蝕性。例如不銹鋼、鈦、鋯等被認(rèn)為是耐蝕性優(yōu)良的材料，但并不②按產(chǎn)品的用途、物理、力學(xué)性能及特殊要求正確選材。選材時(shí)除考慮材料的耐蝕性外，還要考慮產(chǎn)品（或設(shè)備）的用途及物理、力學(xué)方面的性能要求。

②按產(chǎn)品的用途、物理、力學(xué)性能及特殊要求正確選材。③綜合考察材料對(duì)各種腐蝕類型的耐蝕性。針對(duì)不同的腐蝕環(huán)境，選擇材料時(shí)除了要考慮金屬的均勻腐蝕外，要特別注意可能產(chǎn)生的電偶腐蝕、孔蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、選擇性腐蝕、剝蝕、應(yīng)力腐蝕破裂、氫脆、腐蝕疲勞和磨損腐蝕等各種局部腐蝕。針對(duì)特定的腐蝕類型選用合適的耐蝕材料，針對(duì)特定腐蝕環(huán)境進(jìn)用綜合耐蝕性能最優(yōu)的材料。

③綜合考察材料對(duì)各種腐蝕類型的耐蝕性。

不銹鋼是不銹耐蝕鋼的簡(jiǎn)稱，包含兩大類型鋼。一類是在大氣、水蒸氣和淡水等弱電介質(zhì)中耐腐蝕或具有不銹性的鋼種，稱為不銹鋼；另一類是在酸堿鹽等化學(xué)介質(zhì)中耐腐蝕性鋼種，稱為耐酸鋼。不銹鋼一般不耐酸，而耐酸鋼一般均具有不銹性。然而耐酸鋼的使用是有條件的，并不能抵抗所有酸的腐蝕。不銹鋼是不銹耐蝕鋼的簡(jiǎn)稱，包含兩大類型鋼。④要注意合金成分、晶體缺陷、金相組織對(duì)金屬材料耐蝕性能的影響。首先，為了提高金屬材料的力學(xué)性能或滿足其他性能的要求，工業(yè)上很少使用純金屬，一般使用合金，由于加入的合金成分及組織狀態(tài)的不同，耐蝕性也不相同。

單相固溶體合金兩相或多相合金

④要注意合金成分、晶體缺陷、金相組織對(duì)金屬材料耐蝕性能的影響

其次，位錯(cuò)等晶體缺陷和晶粒邊界對(duì)腐蝕有很大影響，常常成為腐蝕的起源。因?yàn)檫@些因素將影響金屬表面膜的生成及其厚度、強(qiáng)度、孔隙度、附著力等，因此也就影響著金屬的腐蝕行為，加工的金屬表面位錯(cuò)程度增加，點(diǎn)缺陷增大，腐蝕速度將加大。

其次，位錯(cuò)等晶體缺陷和晶粒邊界對(duì)腐蝕有很大影響，常常成為⑤整個(gè)設(shè)備的材料應(yīng)綜合考慮，而不是分開材料考慮。對(duì)關(guān)鍵性零部件和修配成本高一些的部位，應(yīng)該選擇比較耐用的材料。在腐蝕速率很低或很高的那些部位，選擇起來(lái)比較容易，而對(duì)于腐蝕速度居中部位，需從力學(xué)性能、防腐性能、成本等各方面綜合考察。

⑤整個(gè)設(shè)備的材料應(yīng)綜合考慮，而不是分開材料考慮。2、選材的經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)性綜合考慮正確的選材是在保證使用期內(nèi)產(chǎn)品性能可靠的基礎(chǔ)上，盡量減少成本，以獲得最大經(jīng)濟(jì)效益的選材。因此，產(chǎn)品的選材還必須考慮產(chǎn)品的使用壽命、更新周期、基本材料費(fèi)用、加工制造費(fèi)、維護(hù)和檢修費(fèi)、停產(chǎn)和廢品損失費(fèi)等。

2、選材的經(jīng)濟(jì)性與技術(shù)性綜合考慮二）正確選材的基本步驟1、了解所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的基本情況；2、腐蝕環(huán)境分析；3、查閱有關(guān)資料，掌握各種金屬、合金及可供選擇材料的腐蝕性能；4、調(diào)查研究實(shí)際生產(chǎn)中材料的使用情況，了解類似構(gòu)件或設(shè)備的腐蝕事故；二）正確選材的基本步驟5、掌握熱處理狀態(tài)與材料耐蝕性能的關(guān)系，保證材料在滿足力學(xué)性能的前提下具有滿意的耐蝕性能；6、做必要的實(shí)驗(yàn)室輔助試驗(yàn)，試驗(yàn)條件必須緊密結(jié)合實(shí)際；7、綜合評(píng)定材料的使用、加工和耐蝕性能，核算經(jīng)濟(jì)成本。5、掌握熱處理狀態(tài)與材料耐蝕性能的關(guān)系，保證材料在滿足力學(xué)性例、某單位為某個(gè)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行的選材試驗(yàn)表明，蒙乃爾（Monel）合金具有良好的耐腐蝕性能。于是用蒙乃爾合金制造了容器（鋼殼內(nèi)襯瓷板）內(nèi)部的攪拌器和加熱管以及離心機(jī)。溶液從容器底部輸送到離心機(jī)，分離后的溶液部分再返回到容器。使用不久，蒙乃爾合金部件和離心機(jī)都發(fā)生了廣泛的腐蝕破壞，表明蒙乃爾合金不耐蝕。

例、某單位為某個(gè)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行的選材試驗(yàn)表明，蒙乃爾（Mone

在實(shí)際生產(chǎn)中，離心分離工藝造成液體和空氣的充分接觸，加之容器中的液體回流進(jìn)口管比液面高，這些都使生產(chǎn)溶液含有較多的溶解氧，而蒙乃爾合金對(duì)氧化性介質(zhì)是不耐蝕的。選材實(shí)驗(yàn)是用生產(chǎn)溶液在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，試驗(yàn)溶液中不含這種飽和的溶解氧，即使開始有溶解氧，也會(huì)很快消耗完。正是這種實(shí)際使用環(huán)境條件與試驗(yàn)環(huán)境條件的差異，造成了試驗(yàn)認(rèn)定的耐蝕性優(yōu)良的蒙乃爾合金設(shè)備和部件出乎意料地迅速腐蝕。

在實(shí)際生產(chǎn)中，離心分離工藝造成液體和空氣的充分接觸，加之

腐蝕試驗(yàn)既要注意大環(huán)境，也不能忽視小環(huán)境。例、某工廠生產(chǎn)的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈采用了涂料保護(hù)，全部通過了規(guī)定的腐蝕試驗(yàn)。導(dǎo)彈裝入木箱，木材用五氯酚做過防腐處理；木箱外部涂了漆以防腐。儲(chǔ)存幾個(gè)月后發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈發(fā)生了廣泛的腐蝕。分析結(jié)果表明，腐蝕的原因是木材在較高溫度時(shí)水分蒸發(fā)，五氯酚分解產(chǎn)生腐蝕性極強(qiáng)的鹽酸。

腐蝕試驗(yàn)既要注意大環(huán)境，也不能忽視小環(huán)境。三）一般構(gòu)造金屬結(jié)構(gòu)物的理想金屬材料應(yīng)具備下列特征：①貨源充足，現(xiàn)貨供應(yīng)；②加工方便，價(jià)格低廉；③節(jié)能；④強(qiáng)度高，剛度大，尺寸穩(wěn)定；⑤質(zhì)量輕；⑥耐腐蝕；⑦環(huán)境對(duì)工件無(wú)不利影響；⑧構(gòu)造物的其他功能要求。

三）一般構(gòu)造金屬結(jié)構(gòu)物的理想金屬材料應(yīng)具備下列特征：選材的順序：第一個(gè)環(huán)節(jié)：設(shè)定設(shè)計(jì)方案，確定材料應(yīng)有的性能；第二個(gè)環(huán)節(jié)：借助經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行材料初選；第三個(gè)環(huán)節(jié)：考慮經(jīng)濟(jì)性與加工的可行性，各種腐蝕類型的控制方法，綜合因素。選材的順序：二、防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)金屬的腐蝕總是從表面開始，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的就是使表面處于最佳狀態(tài)，既能完成其使用性能，又便于腐蝕控制，避免機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力、液體的留滯、固體顆粒的沉積和積累、金屬表面膜的破損、局部過熱、電偶電池等腐蝕隱患。

二、防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從腐蝕控制的觀點(diǎn)來(lái)說，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含兩個(gè)方面的基本要求。一方面，在滿足產(chǎn)品使用性能的前提下，盡可能減少或消除產(chǎn)品及環(huán)境中的不均勻性，使腐蝕電池不能形成，或者雖能形成，但腐蝕阻力很大，因而腐蝕速度很低；另一方面，在設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮使用何種防護(hù)技術(shù)，并為這些技術(shù)提供條件，方便其順利實(shí)施，達(dá)到良好防護(hù)效果。

從腐蝕控制的觀點(diǎn)來(lái)說，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含兩個(gè)方面的基本要防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則：①預(yù)留腐蝕裕量，避免因均勻腐蝕導(dǎo)致的產(chǎn)品失效。一般壁厚的設(shè)計(jì)為預(yù)期使用年限厚度的兩倍。②外形結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，外表面平滑、均勻，承載件應(yīng)避免應(yīng)力集中。③防止腐蝕介質(zhì)滯留和沉積物腐蝕。容器底部及出口管應(yīng)能使容器內(nèi)的液體排空，能存積液體的地方應(yīng)設(shè)排液孔，并布置合適的通風(fēng)口，防止?jié)駳獾膮R集和凝聚。

防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則：④結(jié)構(gòu)連接時(shí)應(yīng)減少間隙，防止縫隙腐蝕，防止閉塞的縫隙結(jié)構(gòu)。整體結(jié)構(gòu)優(yōu)于分段結(jié)構(gòu)，連接部位往往是耐蝕性最弱的地方。但分段結(jié)構(gòu)有利于運(yùn)輸、檢查，對(duì)必不可少的分段結(jié)構(gòu)要設(shè)計(jì)合理的連接方式。連接時(shí)盡可能不采用鉚接結(jié)構(gòu)而采用焊接結(jié)構(gòu)，焊接時(shí)盡可能采用雙面對(duì)焊、連續(xù)焊，而不采用搭接焊、間斷焊，以免形成縫隙腐蝕，或者采用措施（如斂縫、涂層等）將縫隙封閉起來(lái)。

④結(jié)構(gòu)連接時(shí)應(yīng)減少間隙，防止縫隙腐蝕，防止閉塞的縫隙結(jié)構(gòu)。⑤為避免電偶腐蝕，同一結(jié)構(gòu)盡可能選用同一種金屬材料或電位較近的材料（兩種材料電位差小于25mV）。不同材料連接時(shí)要用絕緣墊片等絕緣材料將二者完全隔離，避免小陽(yáng)極大陰極式的金屬間的直接接觸。如果不能使用絕緣材料，則可以采用涂料或鍍層密封保護(hù)。采用涂料保護(hù)時(shí)，不僅要將陽(yáng)極材料覆蓋上，還應(yīng)將陰極一起覆蓋上。

⑤為避免電偶腐蝕，同一結(jié)構(gòu)盡可能選用同一種金屬材料或電位較近⑥防止沖刷腐蝕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為避免高速流體直接沖刷設(shè)備，設(shè)計(jì)時(shí)可考慮增加管徑和管子的彎曲半徑，以保持層流、避免嚴(yán)重的湍流和渦流。在高速流體的接頭部位，不要采用T形分叉結(jié)構(gòu)，而應(yīng)優(yōu)先采用曲線過渡的結(jié)構(gòu)形式。在易產(chǎn)生嚴(yán)重沖刷腐蝕的部位，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮安裝容易更換的緩沖擋板或折流