热带材料腐蚀与防护设计

1、热带材料腐蚀与防护设计热带材料腐蚀与防护设计学院： 专业： 班级： 姓名： 学号： 指导老师： 摘要腐蚀问题遍及国民经济建设的各个领域。大量的构件、装备和设施因腐蚀而失效，给国家带来了巨大的经济损失。其中金属的大气腐蚀最为普遍和严重。金属大气腐蚀造成的经济损失约占各类腐蚀总和的50%。因此，研究金属在大气环境中的腐蚀性能，了解其在不同环境中的腐蚀规律和耐蚀特性对于合理选用材料、提供相应的防护措施、控制其在大气中的腐蚀速度、延长设备材料的使用寿命、减少腐蚀造成的经济损失等不仅有重要的理论意义，而且有广泛的应用价值。本文以热带金属材料为主体研究其腐蚀与防护设计。尤其以碳钢和低合金钢为主要研究方向。

2、在热带地区内，整个白天温度都是较高的，经常出现大的降雨量，并且在这个地区没有或只有不明显的季节之分。按通常的说法，热带主要就是具有热带气候的地区， 热带的气候是指从赤道旁的热带雨林带的湿热气候到回归线附近的沙漠中的干热气候。热带地区温度和湿度对金属腐蚀有很大影响，因此如何处理金属材料在热带环境下的腐蚀防护问题是一个很重要的课题。本文就以热带地区的金属材料为重点介绍了一些在这种气候条件下常见的腐蚀及材料表面的防腐蚀处理，以寻求解决热带海洋性季风气候地区材料腐蚀的方法。 关键词：热带材料 腐蚀 防护措施 目录 1绪论42热带海洋性季风气候材料的腐蚀52.1气候特点52.2材料的腐蚀特点52.2.1

3、电化学腐蚀52.2.2大气腐蚀52.2.3海水腐蚀63金属腐蚀分类及腐蚀机理73.1腐蚀分类73.2腐蚀机理73.3影响金属腐蚀的因素74采取的防护措施94.1隔离法94.2增大电极电势法94.3缓蚀剂法104.4钝化法104.5研制易钝化的新合金材料114.6金属表面处理114.7涂料114.8喷锌保护12结论13参考文献141 绪论金属材料在周围环境作用下发生性能下降导致状态改变，直至损坏变质的现象称为金属的腐蚀。它是人们生活中司空见惯的普遍现象。例如锅炉壁和管道受锅炉水的腐蚀；海边钢结构建筑物的逐步破坏；各种金属制品，乃至桥梁钢架在潮湿空气中的腐蚀；几日不用的自来水管打开后会有红水流出；

4、铝锅装盐久了会穿孔等等。金属腐蚀后其使用性能显著降低，其危害不仅是金属本身的损失，更严重的是整个金属结构因此而败坏。一般说来，金属结构的价值比金属本身大得多，例如：汽车、飞机及精密仪器等，其制造费用就远远超过金属本身的价格。据估计，发达国家每年为解决腐蚀问题所花的费用占国民经济的2%到4%,而且呈逐年增加趋势。如美国1982年的腐蚀损失和防腐费用计为1260亿美元；最近美国腐蚀工程师国际协会州透露：目前美国每年的腐蚀经济损失己高达3000亿美元，平均每人每年腐蚀损失费超过1100美元。而我国因腐蚀直接造成的经济损失也非常巨大。腐蚀问题遍及国民经济建设的各个领域，大量的构件、装备和设施因腐蚀而失

5、效，给国家带来了巨大的经济损失。据2002年中国工程院完成调查表明：我国环境腐蚀造成的直接损失超过2288亿元，若考虑间接损失，国民经济花费在腐蚀方面的费用总和估计达5000亿元，约占国民经济总值的5%，相当于每个国民每年要承担约500元的腐蚀费用。而其中大气腐蚀造成的经济损失约占各类腐蚀总和的50%。因此，大气腐蚀既普遍又严重，每年由此造成的损失就难以估量，更何况金属材料的使用范围远远超出了其在化工中的应用。金属在其它大气环境中的损失也同样可观。因此，研究大气环境中的金属腐蚀性能、腐蚀规律，对于合理选用材料、提供相应的防护措施有着重要的意义。 2 热带海洋性季风气候材料的腐蚀2.1 气候特点

6、常年受来自热带海洋的信风影响，终年盛行热带海洋气团，气候具有海洋性。气温年、日较差都小，但最冷月平均气温比赤道稍低，年较差比赤道多雨气候稍大，年降水量一般在2000毫米以上，季节分配比较均匀。即高温、高湿、高盐、空气流通强。2.2 材料的腐蚀特点由于多风，有高温高湿，所以材料腐蚀既有磨蚀，又有大气腐蚀、海水腐蚀和电化学腐蚀。材料需要韧性高，抗疲劳强度好，抗氧化等。2.2.1 电化学腐蚀电化学腐蚀就是铁和氧形成两个电极，组成腐蚀原电池。因为铁的电极电位总比氧的电极电位低，所以铁是阳极，遭到腐蚀。当金属被放置在水溶液中或潮湿的大气中，金属表面会形成一种微电池。腐蚀电池的形成原因主要是由于金属表面吸

7、附了空气中的水分，形成一层水膜，也叫腐蚀电池。因而使空气中co2，so2，no2等溶解在这层水膜中，形成电解质溶液。而浸泡在这层溶液中的金属又总是不纯的，如工业用的钢铁，实际上是合金，即除铁之外，还含有石墨、渗碳体(fe3c)以及其它金属和杂质，它们大多数没有铁活泼。这样形成的腐蚀电池的阳极为铁，而阴极为杂质，又由于铁与杂质紧密接触，使得腐蚀不断进行。主要分两类：析氢腐蚀和吸氧腐蚀。（1） 析氢腐蚀：负极(fe)：fe=fe2+2e- fe2+2h2o=fe(oh)22h+ 正极(杂质)：2h+2e-=h2 电池反应：fe2h2o=fe(oh)2h2（2） 吸氧腐蚀：负极(fe)：fe=fe2

8、+2e- 正极：o22h2o4e-=4oh-2.2.2 大气腐蚀材料或零件在大气环境下发生的腐蚀。金属置于大气环境中时，其表面通常会形成一层极薄的不易看见的湿气膜（水膜）。当这层水膜达到2030个分子厚度时，它就变成电化学腐蚀所需要的电解液膜。大气腐蚀造成的全球经济损失每年不少于一亿美元。腐蚀成分是水汽和氧。其腐蚀性主要来自水汽及其他杂质。如海洋大气中的氯化钠。2.2.3 海水腐蚀即金属构件在海洋环境中发生的腐蚀。影响因素有很多，在海洋环境中，海水本身是一种强的腐蚀介质，同时波、浪、潮、流又对金属构件产生低频往复应力和冲击，加上海洋微生物、附着生物及它们的代谢产物等都对腐蚀过程产生直接或间接的

9、加速作用。海洋腐蚀主要是局部腐蚀，即从构件表面开始，在很小区域内发生的腐蚀，如电偶腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀等。此外，还有低频腐蚀疲劳、应力腐蚀及微生物腐蚀等 。通常，金属构件在海洋飞溅区（指风浪、潮汐等激起的海浪、飞沫溅散到的区域）的全面腐蚀速率最高。3 金属腐蚀分类及腐蚀机理金属腐蚀是在其周围介质作用下，因发生化学或电化学反应产生的重量耗损和性能变化现象。3.1 腐蚀分类金属腐蚀的分类方法很多，按腐蚀作用机理可分为化学腐蚀和电化学腐蚀；按破坏特征可分为全面腐蚀、局部腐蚀和应力腐蚀断裂等类型。按周围介质和环境条件又可分为大气腐蚀、土壤腐蚀、接触腐蚀、应力腐蚀、缝隙腐蚀和其他条件下的腐蚀（如生物腐

10、蚀、杂散电流的腐蚀、摩擦腐蚀、熔融介质中的腐蚀、液态金属中的腐蚀以及放射条件下的腐蚀）等类型。金属腐蚀的特点是从金属制件（或材料）的表面或快或慢地向其内部发展，由轻微的腐蚀发展到对金属制件（或材料）的严重破坏。3.2 腐蚀机理根据电化学腐蚀的机理，在水溶液中，由于不同金属的电位差，可以产生微电池效应而导致腐蚀的发生。即使同一金属板，由于其内部应力的差异、焊缝成分的不同、电解质溶液中的浓度差、温度差、氧浓度差等，都可以产生电位差而导致腐蚀。如果没有氧气存在，在阴极区的h+会被耗尽，产生阴极极化，钢铁发生的电池反应会很快结束。而在阳极区由于fe2 +的积累而产生阳极极化。但是在有氧气存在的条件下，

11、阴极发生氧化还原反应，这样阴极反应不再与 h+浓度有关，腐蚀反应可以继续进行下去。腐蚀的电池反应可归纳如下：阳极： fefe2 + 2e阴极： 2h+ 2e 2h h2 (酸性溶液的析氢反应)o2 + 4h+ 4e 2h2o (酸性溶液的还原反应)o2 + 2h2o + 4e 4oh- (中性或酸性介质中的还原反应)3.3 影响金属腐蚀的因素(1)气相对湿度和金属腐蚀的临界相对湿度。空气中氧气始终是充分供给的，腐蚀反应的速度主要取决于水分出现的机会，如果达到或超过某一相对湿度时，锈蚀便很快发生与发展。一般的说，钢铁生锈的临界相对湿度约为75 %。 (2)空气中污染性物质的影响。常见的如：so2

12、，co2，灰尘等，大都是酸性气体。 (3)温度的影响：环境温度及其变化影响金属表面水份凝聚及电化学腐蚀反应速度。 (4)酸碱盐的影响：主要表现在影响水膜电解质浓度和h浓度，从而加速腐蚀。 (5)生产过程中的一些影响因素：如人汗、金属切削液、洗涤液、油污等均会加速腐蚀。4 采取的防护措施4.1 隔离法所谓“一个巴掌拍不响”。既然微电池作用是造成金属腐蚀的主要因素，而单单一个电极是构不成电池的，要构成电池就必须同时具备对立的阴阳两极。据此，防治金属腐蚀第一大对策就是要想办法将金属（阳极）和其介质（阴极）隔离开来，使之构不成电池。这可以通过涂油、涂漆（包括刷涂、浸涂、淋涂、辊涂、手工喷涂、自动喷涂、

13、静电喷涂、电泳涂漆等）、烧结、磷化、氧化（或钝化，包括化学钝化和电化学钝化）、电镀等方法在金属表面覆盖一层金属或非金属（包括无机物和有机物）保护层来实现；在建设工程设备安装过程中，室外埋地镀锌钢管和钢管的埋地防腐通常采用的三油两布就是使用隔离法来实现保护的。就电镀镀层来说，又可分为阳极性镀层和阴极性镀层两种。前者是镀上去的金属比被保护的金属有较低的电极电势，比如把锌镀在铁上（锌为阳极，铁为阴极）-白铁皮即是；后者是镀上去的金属被保护的金属有较高的电极电势，比如把锡镀在铁上（锡为阴极，铁为阳极）-马口铁即是。当镀层完整时，这两种镀层的作用并无区别，都是将被保护金属与腐蚀介质分隔开来。然而，一旦镀

14、层破坏，不同的镀层就会产生不同的效果。阳极性镀层由于被保护的金属是阴极，即使损坏，受腐蚀的也是镀层本身，被保护的金属则仍不受腐蚀（锌因此而被称为“钢铁的卫士”）；阴极性镀层由于被保护的金属是阳极，一旦损坏，受腐蚀的将是被保护的金属，此时镀层的存在反而加速了被保护金属的腐蚀；在建筑工程中，镀锌钢管与法兰的焊接处应二次镀锌，就是为了保护被破坏的金属管道。4.2 增大电极电势法 金属的腐蚀，即金属的氧化，其电极电势越小则该金属就越容易失去电子而被氧化，也即越容易被腐蚀，故所有能使其电极电势变正的因素均能减缓或防止腐蚀。因此，防治金属腐蚀的第二大对策就是增大其电极电势。可以利用极化(因极化总是使阳极电

15、势变大)等方法来实现。比如，可以将被保护的金属接到外加电源的正极上(负极则接铂、镍、铜、磁性氧化铁等作为惰性阴极) ，使之进行阳极极化，电极电势正移，使金属“钝化”而得到保护。这也称为阳极保护法。再比如，不锈钢中都含有一定量的铬，铬有一种神奇的作用，把它加入钢中即可提高钢的电极电势，在钢中加入13 %的铬即可使其抗蚀性有一个显著的提高。后面将要介绍的阳极缓蚀剂，其作用之一也在于增大阳极极化，提高其电极电势。4.3 缓蚀剂法缓蚀剂是一类能够防止或减缓金属腐蚀的无机物或有机物。目前应用范围较广，具有用量少，保护效能高，不改变金属制品性能，使用方便等优点。无机缓蚀剂如铬酸盐、钼酸盐、钨酸盐、亚硝酸盐

16、等。有机缓蚀剂如炔醇类、羧酸盐类、杂环类、有机膦酸盐类、胺类、醛类等。譬如医院中常用0.1%新洁尔灭和0.5%亚硝酸钠溶液浸泡钢制器械，以达到消毒和防腐蚀的双重目的。4.4 钝化法钝化是一种电化学现象，当金属在一定的环境中由于显著的电位提高而产生强的抗蚀能力，该金属就发生了钝化。图1为铁水体系的电位-ph 图，图中由2a、3、2b和纵轴围成的直角梯形区域以及由2b、1和纵轴围成的区域分别为亚铁离子和铁离子稳定存在的区域，称为腐蚀区。由1、3线右侧及fe3o4存在区的上部围成的区域，fe2o3可以稳定存在，称为钝化区。由图1不难看出，钢铁的钝化状态与ph值和电极电位有很大关系，当采用一些手段将p

17、h值与金属电极电位调整到恰当位置时，钢铁就处于钝化区，不会发生腐蚀。钝化工艺总体上可分为形成氧化性膜和沉积性膜(吸附膜)两类钝化工艺。前者是使用具有氧化性的钝化剂进行处理，使钢铁表面形成致密的氧化铁膜，合金钢中形成氧化铁膜和含铬的氧化性膜。后者是利用各种无机盐的溶液对金属进行处理，由于各种不同的金属盐在水中的溶度积不同，形成的难溶盐在金属表面沉积而形成致密的钝化膜。根据常用钝化剂种类，钝化工艺可分为磷酸及磷酸盐工艺、磷酸及聚磷酸盐工艺、有机膦酸工艺、亚硝酸盐工艺、联胺及各种有机除氧剂工艺等。这些工艺都存在一些问题，比如ph值高、钝化剂具有毒性等。双氧水无毒性，是一种环保药剂，与其他的钝化剂相比

18、，具有更优异的发展前景。其工艺为：在用柠檬酸漂洗后控制铁在200 mg/ l以下，温度50以下，用氨水调节ph值910，加入双氧水得到0.4 %浓度的溶液后，循环钝化6 h左右，后期控制双氧水浓度在0.1%左右，但不能过低。其缺点是：双氧水工艺对水质要求高，高ph值条件下双氧水易分解，铁离子对其影响大，其效果有时不如其他氧化性钝化剂，尚不能全面替代其他钝化剂。4.5 研制易钝化的新合金材料制备方法差别较大，但其宗旨是改变金属内部结构，提高材料本身的耐蚀性。例如，在铁基体中加入足量的铬(12%)，就成为不锈钢，其于氧化环境中，表面容易生成钝化膜，有很高的耐蚀性。又如，在某些活性金属中掺入微量析氢

19、过电位较低的钯、铂等，利用电偶腐蚀可以加速基体金属表面钝化，使合金耐蚀性增强。4.6 金属表面处理与金属接触环境使用之前先经表面预处理，用以提高材料的耐腐蚀能力。例如，钢铁部件先用钝化剂或成膜剂(铬酸盐、磷酸盐等) 处理后，其表面生成了稳定、致密的钝化膜，抗蚀性能因而显著增加，这在往后的使用环境中就不必另外再加入缓蚀剂防护。钢铁部件表面发蓝是一个广为应用的实例。又如，将易钝化的合金成分如铬、钼、硅掺入钢铁表面，形成表面合金，该材料表层的抗高温氧化性能和某些耐蚀性能就明显优于底层钢。4.7 涂料用涂料来防止钢铁腐蚀是最古老的方法，然而至今还是被广泛地采用着。涂料保护是利用涂料涂装在结构表面而形成

20、保护层，把钢铁基体与电解质溶液、空气隔离开来，以杜绝产生腐蚀的条件。这种方法的特点：（1）性能优良的涂料品种配合精良的施工工艺，可以获得良好的保护效果，保护周期有34年。（2）徐料保护适应性较好，对于比较复杂的结构表面都可以涂装而得到 良好的涂层。（3）涂料的涂层具有一定的柔韧性，能适应结构因温度变化或受外力作用而引起的变形，并能在振动等不利的工作情况下不发生裂缝、脱落和破坏。（4）涂料保护单价低廉，施工操作比较简单。4.8 喷锌保护喷锌保护是通过一套专用设备将锌丝熔融喷射到钢铁表面上而成为锌镀层。该镀层对钢铁具有双重的保护作用：一方面象涂料那样起着覆盖作用，将钢铁基体与水和空气隔离开来；另一

21、方面，当镀层有孔隙或局部损坏而使水与钢铁基体接触时，锌镀层与基体构成腐蚀电池，镀层成为阳极，钢铁基体成为阴极，以锌的溶解产生保护电流来制止钢铁腐蚀。从而发挥了牺牲阳极类型的阴极保护作用。喷锌保护的特点：（1）它具有双重的保护作用，保护周期较长，喷锌0.3mm厚度的锌保护层，可使钢结构在二、三十年内不发生严重锈蚀。若在锌镀层表面上再加涂料封闭孔隙时，则会获得更好的防腐效果。（2）锌镀层与钢铁基体之间具有良好的附着力，而且有一定韧性，也能适应结构受力变形、热胀冷缩及振动等情况而不发生翘皮，脱壳和破坏。（3）锌镀层具有一定的抗冲击和抗磨损能力，能经受泥沙、杂草、波浪的冲击和摩擦而不发生破坏锌镀层完成

22、后，日常维护工作量很少。结论无论在生活中，还是在工业生产中，金属的防腐工作都占据着举足轻重的作用，对环境、经济、安全都有着重大的影响。石油化工装置如新建油库、管道、大型石化生产装置等等，必须做好防腐工作。而防腐蚀的方法有多种，腐蚀的成因也多样，这也就要大量具备有专业知识的人士为此付出更多的努力和汗水。对于热带海洋性季风气候地区，高温高湿多风条件下，材料的腐蚀比其他地区更加严重，给这些地区带来巨大的经济损失，我们可以针对性的采取一系列的措施如添加涂层、牺牲阳极、表面改性、镀膜等方法进行防护。从而减少材料腐蚀带来的经济损失。随着科学技术的进步，对工业应用材料的要求越来越高，特别是金属材料的防腐蚀尤其受关注。腐蚀防护常用的隔离法、缓蚀剂法等只能防护，不