材料腐蚀与防护 第六讲 自然环境中的腐蚀.ppt

第六章自然环境中的腐蚀,6.1大气腐蚀6.2淡水和海水腐蚀6.3土壤腐蚀6.4微生物腐蚀,6.1大气腐蚀,世界上60%以上的钢材在大气环境中使用大气腐蚀损失占总腐蚀损失量50%对于某些功能材料（微电子电路）、文物、装饰材料等，轻微大气腐蚀也不允许,大气腐蚀（AtmosphericCorrosion）金属材料暴露在空气中，由于空气中的水和氧的化学和电化学作用而引起的腐蚀。,最常见的大气腐蚀现象生锈,大气腐蚀属于液膜下的电化学腐蚀区别于浸于电解质溶液中的腐蚀,6.1大气腐蚀,大气腐蚀以均匀腐蚀为主也包括点蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、微动腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳等,大气腐蚀环境,大气环境不同腐蚀严重性不同,与地域、季节、时间等条件有关地表附近大气主要成分在全球范围内几乎不变大气中的水蒸气含量随地域、季节和时间有所变化,大气中的水汽是决定大气腐蚀速度和历程的主要因素,氧（参与电化学过程）水分（水膜是电解液层）其次是二氧化碳、二氧化硫、氯气等,参与大气腐蚀过程的主要是,含水汽和氯化物大气,SO2与水汽共同作用加速腐蚀,钢在海岸的腐蚀比在沙漠中大400-500倍,工业区比沙漠区大气腐蚀大50-100倍,大气腐蚀环境,二氧化硫、硫化氢、氯气硫化物、氯化物、煤烟、尘埃等杂质大大加速大气腐蚀,乡村大气：清洁城镇大气：污染工业大气：SO2污染海洋大气：含氯化物,大气腐蚀环境,大气腐蚀环境分类,全球大气污染日趋严重,大气的近似组成(10oC，100KPa),根据Meetham.转引自Corrosion上卷P2.4,大气的次要成分(杂质),根据Meetham.转引自Shreired.Corrosion,大气腐蚀的类型,干大气腐蚀潮大气腐蚀湿大气腐蚀,案例：金属Cu、Ag等在含有硫化物污染了的空气中失泽,干大气腐蚀,定义：在空气非常干燥的条件下，金属表面不存在液膜层的腐蚀,特点：,金属表面的吸附水膜厚度不超过10nm没有形成连续的电解液膜（I区）腐蚀速度很低，化学氧化的作用较大在金属表面形成一层保护性氧化膜,水膜达几十到几百个水分子层厚，约10nm-1m形成了连续的电解液薄膜（II区）膜较薄，氧易于扩散进入界面电化学腐蚀，腐蚀速度急剧增大,潮大气腐蚀,定义：大气中的相对湿度足够高（但低于100%），在金属表面存在着肉眼看不见的薄液膜时所发生的腐蚀,特点：,案例铁在没有雨雪淋到时的生锈,湿大气腐蚀,定义：空气湿度接近于100，或当水以雨、雪、水沫等形式直接落在金属表面上时，金属表面便存在着肉眼可见的凝结水膜时发生的腐蚀,水膜较厚，约为1m-1mm随着水膜加厚，氧扩散困难腐蚀速度下降（III区）,特点：,水膜厚1mm，相当于金属全浸于电解质溶液，腐蚀速度基本不变（IV区）,纯水膜：导电性差不足以强烈腐蚀实际水膜：水溶性盐类、腐蚀性气体（CO2、O2、SO2）、汗液等,大气腐蚀条件,电化学腐蚀的特殊形式,金属表面在潮湿的大气中吸附一层很薄的水膜当水膜达到20-30分子层厚时电解液膜,液膜来源,水分（雨雪）直接沉降；大气湿度或温度变化等原因引起的凝聚作用,液膜特性,大气腐蚀条件,当金属表面处于比其温度高的空气中，空气中的水蒸汽将以液体凝结于金属表面上结露是发生潮大气腐蚀的前提空气温度在5-50oC范围内，气温剧烈变化达6oC左右时，只要空气相对湿度达到65%-75%就可引起结露现象。温差越大，引起结露的临界湿度就越低。昼夜温差达6oC的气候，在我国各地十分常见。,液膜的产生：结露,大气腐蚀条件,大气相对湿度100水膜凝结热带、亚热带及大陆性气候地区，气候变化剧烈相对湿度河水和雨水,温度：035,在正常情况下，海水表层被空气饱和溶氧量随温度和盐度的升高而略有下降,通常为8.18.3植物茂盛，CO2减少，溶氧上升，pH接近9.7海底有厌氧性细菌繁殖，溶氧量低且含有H2S，pH铜合金不锈钢铸铁和碳钢,电化学保护,在全浸区才有效外加电流阴极保护法便于调节，而牺牲阳极法则简便易行。海水中常用的牺牲阳极有锌合金、镁合金和铝合金，铝合金牺牲阳极较为经济,防止海水腐蚀的措施,大型海洋工程结构的设计寿命达4050年，多采用低碳钢和低合金钢制造，主要防护方法是金属和非金属涂镀。热喷涂锌、铝阳极性镀层及ZnAl合金镀层，与涂料配套使用。有机防蚀涂料中环氧漆、氯化橡胶漆和乙烯漆的耐海水腐蚀性较好，无机硅酸盐富锌底漆适于作为海洋钢结构的底漆。,涂镀层保护,防止海水腐蚀的措施,第六章自然环境中的腐蚀,6.1大气腐蚀6.2淡水和海水腐蚀6.3土壤腐蚀6.4微生物腐蚀,地下铺设的输油管、输水管和煤气管道，大量电缆、通讯设施和各种地下建筑物,危害：,埋地管线维修费用增加，导致泄漏，引发火灾、爆炸和环境污染金属构件一般埋在地下1-2m处，不易发现，维修困难土壤腐蚀影响因素复杂，工业污染及杂散电流参与，有时难以采取有效的防护措施。,土壤腐蚀（SoilCorrosion）：埋在土壤中的金属及其构件的腐蚀,土壤腐蚀,土壤：一种特殊的电解质,（1）多相性,土壤由土粒、水、空气等固、液、气三相组成土粒中包含着多种无机矿物质及有机物质不同土壤其土粒大小不相同,砂砾土的颗粒为0.072mm粉砂土的颗粒为0.0050.07mm粘土的颗粒小于0.005mm实际土壤是不同土粒按比例混合,土壤电解质的特性,土壤颗粒间形成大量毛细管微孔或孔隙孔隙中充满了空气和水土壤中的水分,土壤电解质的特性,（2）多孔性,土粒、气孔、水分、结构紧密程度差异不同性质的土壤交替更换各种物理化学性质，尤其是电化学性质明显变化,土壤的固体部分固定不动的气相和液相有限的运动,土壤孔穴中的对流和定向流动，以及地下水的移动,土壤电解质的特性,（3）不均匀性,（4）相对固定性,阳极过程,潮湿土壤中：,与溶液中类似，阳极过程阻碍小,干燥且透气性良好的土壤中：,与大气腐蚀类似，阳极过程因钝化和离子水化困难而大大极化,潮湿、透气不良且含有氯离子的土壤中：,Mg、Zn、Al、Mn、Sn：无阳极极化Fe、碳钢、Cu、Pb：阳极极化率低Cr、Zr、含铬或铬镍的不锈钢：钝化，但受Cl-破坏Ti、Ta：完全钝化，稳定，无阳极溶解,土壤腐蚀的电极过程,氧的去极化强酸性土壤中氢去极化可能参与微生物可能参与,土壤中氧的去极化过程,两个基本步骤：氧向阴极的传输氧离子化的阴极反应氧离子化反应与电解液中相同氧的传输过程复杂,土壤腐蚀的电极过程,阴极过程,氧的输送方式：气相和液相两条途径,土壤中气相或液相的定向流动,土壤中的空气和水分流动输送氧土壤表层温度周期波动、大气压力及土壤湿度的变化、下雨、风吹及地下水位的涨落等因素的变化疏松粗粒结构的土壤传递氧速度很大密实潮湿的土壤传递氧效果很小导致氧在不同土壤中输送速度的差异,土壤腐蚀的电极过程,氧的扩散是土壤中供氧的主要途径扩散速度取决于土层的厚度、结构和湿度湿度和粘土组分含量的增加，氧的扩散速度降低34个数量级氧的扩散最后还要通过金属表面在土壤毛细孔隙下形成的电解液薄层及腐蚀产物层,土壤腐蚀的电极过程,氧的输送方式：气相和液相两条途径,在土壤的气相或液相中的扩散,土壤腐蚀电池类型,土壤介质的不均匀性,土壤中的腐蚀电池,（1）长距离腐蚀宏电池,长距离金属构件通过不同土壤时形成,在从土壤（I）进入另一种土壤（II）的地方形成电池：,土壤中氧的渗透性不同造成氧浓差电池土壤性质的变化（有机物和污染）形成腐蚀宏电池,长线电流,产生相当可观的腐蚀电流电流强度可达5A流动的范围可超过1.5km,土壤中的腐蚀宏电池类型,（2）土壤的局部不均匀性引起的腐蚀宏电池,土壤中的腐蚀宏电池类型,（3）埋设深度不同及边缘效应引起的腐蚀宏电池,均匀的土壤中，埋设深度不同氧浓差电池,离地面较深的部位局部腐蚀更严重的直径较大的水平输送管道，下部比上部腐蚀更严重,边缘效应：氧更容易到达电极的边缘,在同一水平面上金属构件的边缘就成为阴极构件中央部分成为阳极如地下大型储罐,土壤中的腐蚀宏电池类型,（4）金属所处状态差异引起的腐蚀宏电池,土壤中异种金属接触、温差、应力及金属表面状态的不同，形成腐蚀宏电池，造成局部腐蚀新旧管线构成的腐蚀,旧管线表面有腐蚀产物层，电极电位比新管线正，成为阴极，加速新管线的腐蚀,新旧管道连接埋于土壤中形成腐蚀电池1旧管（阴极）；2新管（阳极）,土壤中的腐蚀宏电池类型,（5）盐浓差电池,土壤介质的含盐量不同盐浓度高的部位电位较负，成为阳极而加速腐蚀,（6）温差电池,油气井的套管位于地下深层的套管处于较高的温度，成为阳极位于地表附近即浅层的套管温度低，成为阴极，形成温差电池腐蚀,土壤中的腐蚀宏电池类型,腐蚀微电池作用下的土壤腐蚀,多数土壤阴极过程所控制，与电解液中相似疏松干燥的土壤阳极控制占优势，近于大气腐蚀,长距离宏观电池作用下的土壤腐蚀,地下管道经过透气性不同的土壤形成氧浓差腐蚀电池土壤电阻成为主要的腐蚀控制因素阴极-电阻混合控制或电阻控制,土壤腐蚀的控制特征,（1）材料因素,铸铁、碳钢，低合金钢土壤腐蚀速度无明显差别冶炼方法、冷加工和热处理对土壤腐蚀影响不大Pb在土壤中的耐蚀性比碳钢高45倍以上生成铅盐保护层Zn的腐蚀速度比钢略低锌镀层在土壤中有很好的保护效果，镀锌层起了阴极保护作用Al在土壤中的耐蚀性透气良好的土壤中，Al的平均腐蚀速度略低于钢铁透气不良的土壤中，Al的腐蚀相当严重，比钢铁还差,土壤腐蚀的影响因素,（2）土壤性质的影响,孔隙度（透气性）含水量电阻率酸度含盐量,土壤腐蚀的影响因素,孔隙度（透气性）,孔隙度较大：利于氧渗透和水分保存,透气性良好,加速微电池作用的腐蚀生成保护性腐蚀产物层，减缓腐蚀,减缓微电池作用的腐蚀形成腐蚀宏电池，成为氧浓差电池阳极而严重腐蚀考古：埋在透气不良的土壤中的铁器历久无损密不透气的粘土中金属常发生更严重的腐蚀,透气性不良,土壤性状对土壤腐蚀的影响,微电池作用的腐蚀（曲线I）,长距离氧浓差宏电池作用的腐蚀（曲线）,含水量增加，土壤电阻率减少，氧浓差电池增强，腐蚀增大在含水量为7090时出现最大值含水量增至饱和，氧扩散受阻，氧浓差电池减轻，腐蚀下降埋得较浅的含水量少的部位的管道是阴极，埋得较深接近地下水位的管道，因土壤湿度大，成为氧浓差电池的阳极而被腐蚀,土壤性质对土壤腐蚀的影响,含水量,含水量很高（80），氧扩散受阻，腐蚀减小含水量减少，氧去极化变易，腐蚀增加含水量10，阳极极化和土壤电阻率加大，腐蚀急速降低,土壤电阻率与孔隙度、含水量及含盐量等有关土壤电阻率越小，腐蚀越严重,酸性矿物质、生物活动形成有机酸和无机酸、工业污水大部分土壤属中性，pH68碱性土壤：pH810，盐碱土酸性土壤：pH36，沼泽土、腐殖土酸度增高，氢去极化增强，土壤腐蚀性增加,土壤性质对土壤腐蚀的影响,电阻率,酸度,土壤性质对土壤腐蚀的影响,含盐