[工学]金属腐蚀与防护.ppt

第五章第五章 防防 腐腐 蚀蚀 设设 计计 研究金属腐蚀是为了防止和控制金属腐蚀的 危害，延长金属的使用寿命。各种金属工程材 料，无论是原材料、产品加工、使用和储存都 会遇到不同的使用环境，产生不同程度的腐蚀 。而金属腐蚀是一个自发过程，完全避免材料 的腐蚀是不可能的，只能在对金属在各种腐蚀 环境中的腐蚀破坏规律和机理充分了解的基础 上，以保证材料正常使用为前提，通过防腐蚀 设计，使其腐蚀破坏限制在一定的范围或降低 到最小程度，即进行腐蚀控制。 防腐蚀设计：为预防和控制破坏和损 失而进行的设计。 金属的防腐蚀设计主要包括： 一、金属材料的正确选择； 二、防腐蚀结构设计； 三、防腐蚀工艺流程的选择； 四、防护方法的选择。 一、金属材料的正确选择 金属材料是构成设备或结构件的主 要物质基础，防腐蚀材料的选择是防 腐蚀设计的首要环节。金属构件的腐 蚀破坏事故经常由选材不当造成，因 此正确选材是最重要也是最广泛使用 的防腐蚀办法。 用于腐蚀环境中的设备和结构，制 造材料要考虑的因素： 耐蚀性能； 物理性能、机械性能和加工性能； 经济上的可行性。 必须遵循正确的选材原则，采取合 理的选材步骤。 一）正确选材的基本原则 1、全面考察材料的综合性能，优先做好 腐蚀控制。 金属材料是指由纯金属及其合金组成 的材料。包括钢铁材料和有色金属材料 （非铁材料）。钢铁占人类金属总消耗 的90以上，是最常见也是最重要的金 属材料。 有色金属材料是除钢铁以外的其他 金属及其合金的总称。工程上最重要 的有色金属是Al、Cu、Zn、Sn、Pb、 Mg、Ti、Ni及其合金。有色金属材料 的消耗虽然不到金属材料总消耗的10 ，但是因为它们具有优良的导电、 导热性，同时相对密度小，化学性能 稳定，耐热、耐腐蚀，因而在工程上 占有重要地位。 纯金属的热力学稳定性 各种金属在电解质中的热力学不稳定性 可根据标准电解电势来近似判断。 在自然条件下很多金属在热力学上是不 稳定的。 在潮湿气氛和有氧的条件下，只有极少 数金属可视为是稳定的。 在中性水溶液介质中甚至在无氧时，绝 大多数能被腐蚀。 热力学上的稳定性不但取决于金属本身 ，而且也与腐蚀介质有关。即使在热力学 上很稳定的金属，在有些介质中也可能变 为不稳定。相反在惰性介质中最活泼的金 属都可能成为完全稳定的。 常见的最易钝化的金属：Zr、Ti、Nb 、Al、Cr、Be、Ni、Co、Fe等 金属材料的性能包括力学性能、热 性能、电学性能、光学性能、化学性 能等。具体来说包括强度、弹性、硬 度、塑性、韧性、热导率、比热容、 热膨胀性、耐热性、电导率、电阻率 、磁性以及化学稳定性等。其中化学 稳定性与材料的耐蚀性密切相关，而 其他的性能是材料实现其使用功能的 基础。 在选材过程中，要注意设备中各种金 属材料的性能协调，既要保证设备的实用 功能，又要保证其可靠性与使用寿命。尤 其要重视金属在不同状态和环境介质中的 耐蚀性。对于关键的、经常维修或不易维 修的零部件，选用耐蚀性高的材料。在提 高材料强度而耐蚀性有所下降的情况下， 应考虑其综合性能，如强度许可，有时宁 可牺牲某些力学性能，也要满足耐蚀性的 要求。 从材料的综合性能出发，正确选择材料，应 遵循以下原则。 按产品的工作条件要求正确选材。 这是正确选材首先要注意的原则。必须按照 产品使用时所处环境、腐蚀介质的种类、浓度 、温度、压力、流速等特定条件，选择适当的 金属材料。 详尽的数据及其材料的耐蚀性能，可参阅国 内外的相关文献资料，如我国出版的金属腐 蚀手册、腐蚀数据与选材手册、材料 的耐蚀性和腐蚀数据等。 例如不锈钢、钛、锆等被认为是耐蚀性 优良的材料，但并不是说它们在任何环境 下都适用。例如不锈钢在大气和水中比碳 钢更优越，但在浓硫酸中碳钢却优于不锈 钢，如果水中含有微量氯离子，奥氏体不 锈钢可能发生危险的应力腐蚀破裂，碳钢 却没有这种危险。因此，对于任何一个材 料环境体系，都必须有针对性地调查研 究，以便了解这种材料在特定环境中的耐 蚀性。 按产品的用途、物理、力学性能及 特殊要求正确选材。 选材时除考虑材料的耐蚀性外，还 要考虑产品（或设备）的用途及物理 、力学方面的性能要求。 综合考察材料对各种腐蚀类型的耐蚀性 。 针对不同的腐蚀环境，选择材料时除了 要考虑金属的均匀腐蚀外，要特别注意可 能产生的电偶腐蚀、孔蚀、缝隙腐蚀、晶 间腐蚀、选择性腐蚀、剥蚀、应力腐蚀破 裂、氢脆、腐蚀疲劳和磨损腐蚀等各种局 部腐蚀。针对特定的腐蚀类型选用合适的 耐蚀材料，针对特定腐蚀环境进用综合耐 蚀性能最优的材料。 不锈钢是不锈耐蚀钢的简称，包含两大 类型钢。 一类是在大气、水蒸气和淡水等弱电介 质中耐腐蚀或具有不锈性的钢种，称为不 锈钢； 另一类是在酸碱盐等化学介质中耐腐蚀 性钢种，称为耐酸钢。不锈钢一般不耐酸 ，而耐酸钢一般均具有不锈性。然而耐酸 钢的使用是有条件的，并不能抵抗所有酸 的腐蚀。 要注意合金成分、晶体缺陷、金相组 织对金属材料耐蚀性能的影响。 首先，为了提高金属材料的力学性能 或满足其他性能的要求，工业上很少使 用纯金属，一般使用合金，由于加入的 合金成分及组织状态的不同，耐蚀性也 不相同。 单相固溶体合金 两相或多相合金 其次，位错等晶体缺陷和晶粒边界对 腐蚀有很大影响，常常成为腐蚀的起源 。因为这些因素将影响金属表面膜的生 成及其厚度、强度、孔隙度、附着力等 ，因此也就影响着金属的腐蚀行为，加 工的金属表面位错程度增加，点缺陷增 大，腐蚀速度将加大。 整个设备的材料应综合考虑，而不是 分开材料考虑。 对关键性零部件和修配成本高一些的 部位，应该选择比较耐用的材料。在腐 蚀速率很低或很高的那些部位，选择起 来比较容易，而对于腐蚀速度居中部位 ，需从力学性能、防腐性能、成本等各 方面综合考察。 2、 选材的经济性与技术性综合考虑 正确的选材是在保证使用期内产品性能 可靠的基础上，尽量减少成本，以获得最 大经济效益的选材。因此，产品的选材还 必须考虑产品的使用寿命、更新周期、基 本材料费用、加工制造费、维护和检修费 、停产和废品损失费等。 二）正确选材的基本步骤 1、了解所设计产品的基本情况； 2、腐蚀环境分析； 3、查阅有关资料，掌握各种金属、合 金及可供选择材料的腐蚀性能； 4、调查研究实际生产中材料的使用情 况，了解类似构件或设备的腐蚀事故 ； 5、掌握热处理状态与材料耐蚀性能 的关系，保证材料在满足力学性能的 前提下具有满意的耐蚀性能； 6、做必要的实验室辅助试验，试验 条件必须紧密结合实际； 7、综合评定材料的使用、加工和耐 蚀性能，核算经济成本。 例、某单位为某个生产设备进行的选材 试验表明，蒙乃尔（Monel）合金具有 良好的耐腐蚀性能。于是用蒙乃尔合金 制造了容器（钢壳内衬瓷板）内部的搅 拌器和加热管以及离心机。溶液从容器 底部输送到离心机，分离后的溶液部分 再返回到容器。使用不久，蒙乃尔合金 部件和离心机都发生了广泛的腐蚀破坏 ，表明蒙乃尔合金不耐蚀。 在实际生产中，离心分离工艺造成液体和空 气的充分接触，加之容器中的液体回流进口管 比液面高，这些都使生产溶液含有较多的溶解 氧，而蒙乃尔合金对氧化性介质是不耐蚀的。 选材实验是用生产溶液在实验室进行的，试验 溶液中不含这种饱和的溶解氧，即使开始有溶 解氧，也会很快消耗完。正是这种实际使用环 境条件与试验环境条件的差异，造成了试验认 定的耐蚀性优良的蒙乃尔合金设备和部件出乎 意料地迅速腐蚀。 腐蚀试验既要注意大环境，也不能忽视 小环境。 例、某工厂生产的战术导弹采用了涂料 保护，全部通过了规定的腐蚀试验。导弹 装入木箱，木材用五氯酚做过防腐处理； 木箱外部涂了漆以防腐。储存几个月后发 现导弹发生了广泛的腐蚀。 分析结果表明，腐蚀的原因是木材在较 高温度时水分蒸发，五氯酚分解产生腐蚀 性极强的盐酸。 三）一般构造金属结构物的理想金属材料 应具备下列特征： 货源充足，现货供应； 加工方便，价格低廉； 节能； 强度高，刚度大，尺寸稳定； 质量轻； 耐腐蚀； 环境对工件无不利影响； 构造物的其他功能要求。 选材的顺序： 第一个环节：设定设计方案，确定材料 应有的性能； 第二个环节：借助经验及相关实验，进 行材料初选； 第三个环节：考虑经济性与加工的可行 性，各种腐蚀类型的控制方法，综合因素 。 二、防腐蚀结构设计 金属的腐蚀总是从表面开始，结构 设计的目的就是使表面处于最佳状态 ，既能完成其使用性能，又便于腐蚀 控制，避免机械应力、热应力、液体 的留滞、固体颗粒的沉积和积累、金 属表面膜的破损、局部过热、电偶电 池等腐蚀隐患。 从腐蚀控制的观点来说，合理的结构 设计包含两个方面的基本要求。 一方面，在满足产品使用性能的前提 下，尽可能减少或消除产品及环境中的 不均匀性，使腐蚀电池不能形成，或者 虽能形成，但腐蚀阻力很大，因而腐蚀 速度很低； 另一方面，在设计时就要考虑使用何 种防护技术，并为这些技术提供条件， 方便其顺利实施，达到良好防护效果。 防腐蚀结构设计的一般原则： 预留腐蚀裕量，避免因均匀腐蚀导致的 产品失效。一般壁厚的设计为预期使用年 限厚度的两倍。 外形结构应尽量简单，外表面平滑、均 匀，承载件应避免应力集中。 防止腐蚀介质滞留和沉积物腐蚀。容器 底部及出口管应能使容器内的液体排空， 能存积液体的地方应设排液孔，并布置合 适的通风口，防止湿气的汇集和凝聚。 结构连接时应减少间隙，防止缝隙腐蚀 ，防止闭塞的缝隙结构。 整体结构优于分段结构，连接部位往往 是耐蚀性最弱的地方。但分段结构有利于 运输、检查，对必不可少的分段结构要设 计合理的连接方式。连接时尽可能不采用 铆接结构而采用焊接结构，焊接时尽可能 采用双面对焊、连续焊，而不采用搭接焊 、间断焊，以免形成缝隙腐蚀，或者采用 措施（如敛缝、涂层等）将缝隙封闭起来 。 为避免电偶腐蚀，同一结构尽可能选用 同一种金属材料或电位较近的材料（两种 材料电位差小于25mV）。不同材料连接 时要用绝缘垫片等绝缘材料将二者完全隔 离，避免小阳极大阴极式的金属间的直接 接触。如果不能使用绝缘材料，则可以采 用涂料或镀层密封保护。采用涂料保护时 ，不仅要将阳极材料覆盖上，还应将阴极 一起覆盖上。 防止冲刷腐蚀的结构设计。 为避免高速流体直接冲刷设备，设计时 可考虑增加管径和管子的弯曲半径，以保 持层流、避免严重的湍流和涡流。在高速 流体的接头部位，不要采用T形分叉结构 ，而应优先采用曲线过渡的结构形式。在 易产生严重冲刷腐蚀的部位，设计时应考 虑安装容易更换的缓冲挡板或折流板。 三、防腐蚀方法的选择 在防腐蚀设计中，防腐蚀方法的选择 与防腐蚀材料的选择、防腐蚀结构设计 及制造工艺的选择是相互补充、相互关 联的。在上述三种防腐蚀设计的基础上 ，合理的防腐蚀方法对已有的不可变的 金属结构的腐蚀保护，是最关键也最能 体现防腐经济性原则的设计环节。 防腐蚀方法一般包括以下三种： 采用耐腐蚀的各种涂镀层或转化 层等表面的工程防护法； 设法改造腐蚀环境，其中主要是 采用各种防腐剂； 施行电化学保护。 这些防护方法可以单独使用，也 可以联合使用。究竟使用哪种方法 可以达到良好的防护效果，必须了 解具体腐蚀过程的控制因素，还要 了解各种防护方法的控制原理。只 有掌握具体腐蚀过程的控制因素及 各种防护方法的防护原理，才能根 据具体的被保护对象提出可行而有 效的防护方法。 防护方法的选择遵从下列原则： 按照控制因素，选用防腐方法。 a.对于由热力学稳定性控制的腐蚀过 程，可采用完全抑制腐蚀反应(阴、阳 极反应都抑制)的一切措施：用涂层完 全隔绝金属与环境介质的接触；从溶 液中完全去除H溶解氧等去极化剂 。 b.对于阳极控制的腐蚀过程，可以进 行阳极保护，镀覆易钝化金属镀层涂 料中加入钝化填料或在溶液中加入易 钝化的氧化膜型缓蚀剂，增强腐蚀过 程的阳极控制程度，减轻腐蚀。 c.对于阴极控制的腐蚀过程，采取进 一步增强阴极控制的措施，主要是使 用阴极型缓蚀剂或施加阴极保护以抑 制腐蚀。 根据设备装置的寿命要求和环境特点 ，选用在指定环境中能维持其防护效果 且寿命最长的单一或联合的防护方法。 选择与被保护材料相容的防护方法。 如果考虑联合保护，还要考虑几种防护 方法之间的相容性。 经济性原则，即单一保护或联合保护 的效益与成本核算。 按照已发表的数据，金属结构物，如海 船的涂装费占5；阴极保护所需的费用 约为结构物造价的1 2；而阴极保护 和涂层的联合保护所需要费用仅为造价的 0.10.2%