第七章 材料的防護(hù)

第六章材料的防護(hù)設(shè)計(jì)原理§6.1腐蝕經(jīng)濟(jì)學(xué)簡(jiǎn)介§6.2正確選材和制定合理的加工工藝§6.3選擇合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)§6.4耐蝕金屬材料設(shè)計(jì)§6.5陰極保護(hù)§6.6陽(yáng)極保護(hù)§6.7緩蝕劑§6.8覆蓋層§6.9金屬腐蝕實(shí)驗(yàn)研究方法§6.1腐蝕經(jīng)濟(jì)學(xué)簡(jiǎn)介一腐蝕經(jīng)濟(jì)損失計(jì)算（一）尤里格的估算1.直接損失：包括（1）更換被腐蝕的結(jié)構(gòu)、機(jī)器或其零部件所需的費(fèi)用（2）勞力費(fèi)用（3）材料費(fèi)用（4）添加緩蝕劑的費(fèi)用（5）干燥貯存金屬設(shè)備及零部件的費(fèi)用1950年，尤里格估算美國(guó)直接年損失55億美元。2.間接損失：難以估算。一般包括：（1）停工。（2）產(chǎn)品損失。（3）降低產(chǎn)品效率（4）產(chǎn)品污染（5）腐蝕余量設(shè)計(jì)1950年，間接損失十幾億美元。3.社會(huì)和政治因素腐蝕導(dǎo)致人身安全事故，重大事故會(huì)導(dǎo)致重大的社會(huì)及政治影響。(2).腐蝕費(fèi)用：4方面12項(xiàng)①資本費(fèi)用：更換設(shè)備及建筑；富裕容量；多余的設(shè)備；②控制費(fèi)用：維修費(fèi)；腐蝕控制；③設(shè)計(jì)費(fèi)用：建筑材料；腐蝕余量；特殊工藝；④相關(guān)費(fèi)用：產(chǎn)品損失；技術(shù)支持；保險(xiǎn)；零件及設(shè)備存貨。不包括腐蝕的費(fèi)用、生命損失、信譽(yù)喪失等?？偢g費(fèi)用CcCc=CT-Co

CT:總費(fèi)用Co：無(wú)腐蝕時(shí)的費(fèi)用可避免的腐蝕費(fèi)用CACA=Cc-CBCB:采用最佳腐蝕控制方法之后的腐蝕費(fèi)，由專家確定。計(jì)算CA時(shí)，還要考慮不同工業(yè)界采用最佳腐蝕控制方法的積極性。2.模型和結(jié)果CA,Cc與CT,Co,CB有關(guān)。選定某年作為共同的基準(zhǔn)，計(jì)算“三個(gè)世態(tài)”的費(fèi)用第一世態(tài)（worldI）――CT：調(diào)整到某年全額生產(chǎn)的總費(fèi)用；第二世態(tài)（worldII）――Co：計(jì)算上述條件下無(wú)腐蝕時(shí)的生產(chǎn)費(fèi)用；第三世態(tài)（worldIII）――CB：計(jì)算上述條件下采用最佳腐蝕控制方法后的生產(chǎn)費(fèi)用二腐蝕管理1.腐蝕失效分析（1）腐蝕失效：產(chǎn)品功能失去效果（2）分析方法①現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查對(duì)破壞部位照相了解工作條件，如化學(xué)介質(zhì)的溫度、濕度、pH、雜質(zhì)、是否負(fù)載等②實(shí)驗(yàn)室分析收集數(shù)據(jù)。腐蝕形貌及產(chǎn)物，材料力學(xué)性能檢測(cè)等，提出失效原因和機(jī)理進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)/和前人結(jié)果，驗(yàn)證失效原因和機(jī)理。

（3）提出防止或搶救措施2.失效與管理失效的原因涉及從設(shè)計(jì)、材料、工藝及使用四個(gè)方面的工作。(1)設(shè)計(jì)：對(duì)失效起了主導(dǎo)作用采用強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)工作應(yīng)力確定后，強(qiáng)度越高則安全系數(shù)越大。設(shè)計(jì)規(guī)定了材料和工藝。(2)材料材料的耐蝕性防護(hù)涂層防護(hù)技術(shù)(3)工藝良好的材料需要合適的工藝焊接工藝→脆性斷裂不銹鋼→晶間腐蝕(4)使用材料是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是主導(dǎo)工藝是保證使用是監(jiān)護(hù)全面管理腐蝕失效圖三防腐蝕對(duì)策的評(píng)價(jià)方法自學(xué)§6.3選擇合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一表面狀態(tài)致密、光滑、均勻二結(jié)構(gòu)（1）結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單化。材料最少，結(jié)構(gòu)變化最?。?）防止積水、積塵、沉積物（3）防止電偶腐蝕（4）消除拉應(yīng)力（5）盡可能不采用鉚接而采用焊接，但焊接時(shí)要注意縫隙腐蝕§6.4耐蝕金屬材料設(shè)計(jì)金屬耐蝕合金化原理通過(guò)合金化或熱處理等途徑，從成分和組織上使合金具有高的耐蝕性?！?.5陰極保護(hù)一、陰極保護(hù)1.定義金屬由于自身（同一金屬本體）電化學(xué)不均勻性而引起腐蝕（微觀電池腐蝕），當(dāng)通以適當(dāng)大小的陰極電流時(shí)，則由于它的極化作用可使金屬表面原來(lái)存在的電位差消失，抑制金屬的離子化過(guò)程，從而防止腐蝕，這種保護(hù)方法稱為陰極保護(hù)法。2.外加陰極極化保護(hù)的方法（1）外加電流陰極保護(hù)法：將被保護(hù)金屬與直流電源的負(fù)極相連通以陰極電流陽(yáng)極為一個(gè)不溶性的輔助件二者組成宏觀電池，實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)。（2）犧牲陽(yáng)極保護(hù)法在被保護(hù)設(shè)備上接上一個(gè)更負(fù)的金屬作陽(yáng)極，使被保護(hù)件免遭腐蝕。二、陰極保護(hù)的基本原理1、E—pH圖以Fe—H2O體系的E—pH圖可以看出（1）將處于腐蝕區(qū)的金屬（圖A）進(jìn)行陰極極化，使其電位向負(fù)移至穩(wěn)定區(qū)（圖B，則金屬可由腐蝕狀態(tài)進(jìn)入熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)，使金屬腐蝕停止而得到保護(hù)。（2）將處于過(guò)鈍化的金屬（D點(diǎn)）進(jìn)行陰極極化使其電位向負(fù)移至鈍化區(qū)（C點(diǎn)），則金屬可由過(guò)鈍化狀態(tài)進(jìn)入鈍化狀態(tài)而得到保護(hù)2、陽(yáng)極極化曲線圖（1）當(dāng)金屬處于F點(diǎn)—活化區(qū)時(shí)，進(jìn)行陰極極化，就可使電位向負(fù)移至穩(wěn)定區(qū)（E＜EA0）（2）當(dāng)金屬處于過(guò)鈍化區(qū)G點(diǎn)時(shí)，通以陰極電流也可使電位向負(fù)移至鈍化區(qū)，使金屬得到保護(hù)。3.腐蝕金屬及外加電流陰極保護(hù)Ik：外加電流ia:腐蝕原電池電流ik：陰極電流ik＝ia+Ikia=ik-Ik=0即ik=Ik，說(shuō)明外加電流等于陰極電流時(shí)，即ia=0，則陰極極化電位與陽(yáng)極電位一致，陽(yáng)極反應(yīng)就停止了4.腐蝕極化圖即伊文思圖(1)未通外加電流，腐蝕金屬微電池的陽(yáng)極化曲線與陰極極化曲線相交于S點(diǎn)

(2)通以外加陰極電流使金屬的總電位由Ec極化至E1時(shí)，此時(shí)金屬微電池陽(yáng)極腐蝕電流為ia1，陰極電流為ik1,可見(jiàn)ia1＜Icorr

保護(hù)效應(yīng):

Icorr—ia1(3)總電位降至與微電池的起始電位Eea相等，則陽(yáng)極腐蝕電流ia為0，外加電流Ik=If，此時(shí)金屬得到了完全保護(hù)

結(jié)論：要使金屬得到完全保護(hù)，必須把金屬陰極極化到其腐蝕微電池陽(yáng)極的平衡電位。5、犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法電偶腐蝕原理的應(yīng)用借助一個(gè)比被保護(hù)金屬電位更負(fù)的金屬如Zn與被保護(hù)的金屬（Fe）組成腐蝕電池，靠它們之間的電位差引起的陰極電流，使被保護(hù)件陰極極化。電流從較低電位的陽(yáng)極流向被保護(hù)件（陰極）。陽(yáng)極被腐蝕—犧牲。三、陰極保護(hù)的基本控制參數(shù)1、最小保護(hù)電位最小保護(hù)電位：要使金屬達(dá)到完全保護(hù)，必須將金屬加以陰極極化，使它的總電位達(dá)到其腐蝕微電池陽(yáng)極的平衡電位。說(shuō)明：（1）其數(shù)值與金屬的種類，介質(zhì)條件有關(guān)，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定（2）對(duì)不知最小保護(hù)電位的情況，也可以采用比腐蝕電位負(fù)0.2~0.3V（對(duì)鋼鐵）和負(fù)0.15V（對(duì)鋁）的辦法來(lái)確定（3）并不是說(shuō)陰極保護(hù)電位越負(fù)越好2、最小保護(hù)電流If最小保護(hù)電流If：使金屬得到完全保護(hù)時(shí)所需的電流說(shuō)明：（1）它的數(shù)值也與金屬的種類、金屬的表面狀態(tài)、介質(zhì)條件等有關(guān)（2）一般金屬在介質(zhì)中的腐蝕性越強(qiáng)，陰極極化程度越低，所需的保護(hù)電流密度越大四、陰極保護(hù)的應(yīng)用范圍1.陰極保護(hù)的效果很好，簡(jiǎn)單易行EX：地下輸油及輸氣管線、地下電纜、艦船、海上采油平臺(tái)、水閘、碼頭2.特別應(yīng)用于局部腐蝕EX：應(yīng)力腐蝕破裂、腐蝕疲勞、黃銅脫鋅3.進(jìn)行陰極保護(hù)要考慮以下幾個(gè)因素：(1)、腐蝕介質(zhì)必須是能導(dǎo)電的，并且要有足夠的量以便能建立連續(xù)的電路。(2)、金屬材料在所處的介質(zhì)中要容易進(jìn)行陰極極化，否則耗電量大，但必須注意：金屬在介質(zhì)中已處于鈍態(tài)，外加陰極保護(hù)可能使它活化，反而加速腐蝕。(3)、被保護(hù)設(shè)備的形狀，結(jié)構(gòu)不要太復(fù)雜五、犧牲陽(yáng)極保護(hù)法與外加電流陰極保護(hù)法的比較1.犧牲陽(yáng)極保護(hù)優(yōu)點(diǎn):不外加電流，適用于電源困難的場(chǎng)合，適用于需要局部保護(hù)的場(chǎng)合。缺點(diǎn)：能產(chǎn)生的有效電位差及輸出電流量有限，陽(yáng)極消耗大2.外加電流陰極保護(hù)優(yōu)點(diǎn)：可以調(diào)節(jié)電流和電壓，適用范圍廣，可用于要求大電流的情況。缺點(diǎn)：需要經(jīng)常的操作費(fèi)用，要有直流電源設(shè)備，當(dāng)附近有其他結(jié)構(gòu)時(shí)可能產(chǎn)生干擾腐蝕。六、陰極保護(hù)用的陽(yáng)極材料兩種方法都要選擇陽(yáng)極，但所選用的材料是根本不同的。1、外加電流法中的陽(yáng)極材料作用：是把電流輸送到被保護(hù)金屬上材料應(yīng)具有：（1）導(dǎo)電性良好（2）本身穩(wěn)定，不受介質(zhì)的侵蝕（3）有良好的機(jī)械強(qiáng)度，容易加工（4）價(jià)格便宜等常用材料：石墨、高硅鐵、磁性氧化鐵、鉛銀合金、鍍鉑鈦等可供長(zhǎng)期使用2、犧牲陽(yáng)極法中的陽(yáng)極材料條件：必須能與被保護(hù)的金屬構(gòu)件之間形成高電位差。材料應(yīng)具有：（1）足夠低的電位，去極化能力強(qiáng)；（2）陽(yáng)極表面活化不鈍化，消耗單位重量金屬時(shí)提供的電量多，單位面積輸出電流大，消耗金屬少（3）自腐蝕很小，電流效率高；（4）有一定的強(qiáng)度，加工性能良好常用材料：Zn—0.5%Al—0.1%Cd，Al—2.5%Zn—0.02%In，Mg—6%Al—3%Zn—0.2%Mn，其中Al合金多做為在海水中的犧牲陽(yáng)極材料使用陽(yáng)極保護(hù)中，輔助材料作為陰極，受到保護(hù)§6.6陽(yáng)極保護(hù)一、概念1、定義用外電源將被保護(hù)的金屬電位向正方向移動(dòng)（即進(jìn)行陽(yáng)極極化），極化至一定電位，金屬能建立起鈍態(tài)并維持鈍態(tài)。此時(shí)陽(yáng)極過(guò)程受到抑制，而使金屬的腐蝕速度顯著降低，這種方法稱陽(yáng)極保護(hù)。2、發(fā)展史：陽(yáng)極保護(hù)是一門(mén)較新的防腐技術(shù)，1945年有人提出了陽(yáng)極保護(hù)的可能；1958年正式應(yīng)用到工業(yè)上。我國(guó)自1961年開(kāi)始這方面研究，1967年成功地應(yīng)用到碳酸氫氨生產(chǎn)中的碳化塔上，效果很好。3、金屬必須有鈍性。外加陽(yáng)極電流對(duì)不能鈍化的金屬不但不能起保護(hù)作用，反而會(huì)加劇溶解腐蝕的作用。二、陽(yáng)極保護(hù)的基本原理1.Fe—H2O系的E—pH圖可以看出，將處于腐蝕區(qū)的金屬（圖中的A點(diǎn)，電位φA）進(jìn)行陽(yáng)極極化，使其電位正移至鈍化區(qū)（圖中C點(diǎn)，電位φC），則金屬可由活化態(tài)進(jìn)入鈍化狀態(tài)，使金屬腐蝕大大減慢而得到保護(hù)。簡(jiǎn)言之，就是將金屬進(jìn)行陽(yáng)極極化，使其進(jìn)入鈍化區(qū)而得到保護(hù)。判斷一個(gè)腐蝕體系可否采用陽(yáng)極保護(hù)，首先要根據(jù)用恒電位法測(cè)得的陽(yáng)極極化曲線來(lái)分析沒(méi)有鈍化特征的金屬不能采用陽(yáng)極保護(hù)。具有鈍化特征，說(shuō)明這一體系具有采用陽(yáng)極保護(hù)的可能性。陽(yáng)極保護(hù)的基本原理：對(duì)金屬通以對(duì)應(yīng)于B點(diǎn)（至鈍）的電流，使其表面生成一層鈍化膜，電位進(jìn)入鈍化區(qū)，再用維鈍電流將其電位維持在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，保持其表面的鈍化膜不消失，則金屬的腐能速度會(huì)大大降低三、陽(yáng)極保護(hù)的基本參數(shù)1、致鈍電流密度i致鈍(ib)致鈍電流密度i致鈍越小越好可以選用小容量的電源設(shè)備，減少設(shè)備投資和耗電量，同時(shí)也減少致鈍過(guò)程中設(shè)備的陽(yáng)極溶解。與致鈍時(shí)間有關(guān)。對(duì)于一定的電量，致鈍時(shí)間越長(zhǎng)，所需的電流就愈小。但電流密度不能小于某一極限，使之處于活化區(qū)。2、維鈍電流密度i維鈍(ip)i維鈍代表著陽(yáng)極保護(hù)時(shí)金屬的腐蝕速度i維鈍越小越好?！遡維鈍↓，設(shè)備的腐蝕速度↓，保護(hù)效果↑。3、鈍化區(qū)電位范圍鈍化區(qū)電位范圍越寬越好范圍寬，電位就允許在較大的數(shù)值范圍內(nèi)波動(dòng)而不致發(fā)生進(jìn)入活化區(qū)的危險(xiǎn)。4、最佳保護(hù)電位陽(yáng)極處于這一電位時(shí)，維鈍電流密度及雙電層電容值最小，表面膜電阻值最大，鈍化膜最致密，保護(hù)效果最好5、實(shí)施陽(yáng)極保護(hù)的必要與充分條件1）必要條件：有鈍化特征。2）充分條件：i致鈍小，i維鈍小，鈍化區(qū)電位范圍寬。盡管有鈍化特征，但i致鈍↑，則致鈍很困難，需要的電源容量很大，而且在致鈍過(guò)程中可能造成較大的陽(yáng)極溶解；如果i維鈍相當(dāng)大，則在陽(yáng)極保護(hù)后金屬仍以相當(dāng)大的速度進(jìn)行腐蝕，保護(hù)效果不好而且不經(jīng)濟(jì)；如果鈍化區(qū)電位范圍相當(dāng)窄，則進(jìn)行陽(yáng)極保護(hù)時(shí)操作困難，只有采用恒電位儀才能保證陽(yáng)極不致處于活化電位。四、使用陽(yáng)極保護(hù)法時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)（1）在Cl-濃度很高的環(huán)境下，由于Cl-能局部地破壞鈍化膜造成孔蝕，不可應(yīng)用；（2）陽(yáng)極保護(hù)電流若利用不當(dāng)，反而會(huì)加劇腐蝕；（3）陽(yáng)極保護(hù)在酸性介質(zhì)中最為有利，電能全部消耗于致鈍和維鈍上，而不析氫。（4）應(yīng)用陽(yáng)極保護(hù)設(shè)備多，成本高；（5）陽(yáng)極保護(hù)中陰極的布局應(yīng)合理，以防止局部腐蝕。五、陽(yáng)極保護(hù)與陰極保護(hù)的比較1、從原理上講：一切金屬在電解液中都可以進(jìn)行陰極保護(hù)（除少數(shù)有負(fù)保護(hù)效應(yīng)者），陽(yáng)極保護(hù)是有條件的，只適用于有鈍化特征的情況。2、陰極保護(hù)時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生電解腐蝕，保護(hù)電流也不代表腐蝕速度。如果電位控制得當(dāng)，可以停止腐蝕。陽(yáng)極保護(hù)開(kāi)始要大電流建立鈍化，因此電源容量要比陰極保護(hù)大得多，鈍化后以維鈍電流密度相近的速率腐蝕。3、陰極保護(hù)時(shí)電位偏離，只是降低保護(hù)效率，不會(huì)加速腐蝕（自鈍化金屬例外），而陽(yáng)極保護(hù)電位如果偏離鈍化電位區(qū)會(huì)加速腐蝕4、對(duì)強(qiáng)氧化性介質(zhì)，如H2SO4，HNO3，采用陰極保