第五章自然环境中的腐蚀

1、15.1 5.1 大气腐蚀大气腐蚀5.2 5.2 海水腐蚀海水腐蚀5.3 5.3 土壤腐蚀土壤腐蚀 23大气腐蚀大气腐蚀 金属材料暴露在空气中，由于空气中的金属材料暴露在空气中，由于空气中的水水和和氧氧的化学和电化学作用而引起的腐蚀。大气腐蚀一般属的化学和电化学作用而引起的腐蚀。大气腐蚀一般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于液膜下的电化学腐蚀，区别于浸于电解质溶液中的腐蚀5.1.1 5.1.1 大气腐蚀大气腐蚀大气腐蚀形貌大气腐蚀形貌4阳极过程阳极过程阴极过程阴极过程22nMxHOMxHOn eOHeOHO442225.1.2 5.1.2 大气腐蚀的电极过程大气腐蚀的电极过

2、程l氧分子还原反应速度较大，成为主要的阴极过程氧分子还原反应速度较大，成为主要的阴极过程, ,即使即使液膜呈酸性，氧分子还原反应仍占阴极过程的主要地位液膜呈酸性，氧分子还原反应仍占阴极过程的主要地位l在薄的液膜下氧容易到达金属表面，有利于金属钝化；在薄的液膜下氧容易到达金属表面，有利于金属钝化；潮的大气腐蚀受阳极极化控制，湿的大气腐蚀受阴极极潮的大气腐蚀受阳极极化控制，湿的大气腐蚀受阴极极化控制化控制l由于水膜薄，腐蚀过程的产物仍留在水膜中，因此腐蚀由于水膜薄，腐蚀过程的产物仍留在水膜中，因此腐蚀产物的性质对大气腐蚀过程有重要影响产物的性质对大气腐蚀过程有重要影响 大气腐蚀的特点大气腐蚀的特点

3、55.1.3 5.1.3 大气分类大气分类工业性大气：工业性大气：在工厂集中的工业区内，被工业性介质在工厂集中的工业区内，被工业性介质( (如如SOSO2 2、H H2 2S S、NHNH3 3、煤灰等、煤灰等) )污染较严重的大气条污染较严重的大气条件件海洋性大气：海洋性大气：农农 村村 大大 气：气：城城 郊郊 大大 气：气：靠海边靠海边200m200m以内的地区，容易受到盐雾污染以内的地区，容易受到盐雾污染的大气条件的大气条件远离城市的乡村，空气洁净，基本上是没有远离城市的乡村，空气洁净，基本上是没有被工业性介质及盐雾污染的大气条件被工业性介质及盐雾污染的大气条件在城市边沿地区，被工业性

4、介质轻微污染的在城市边沿地区，被工业性介质轻微污染的大气条件大气条件按暴露场地所处地区的环境条件按暴露场地所处地区的环境条件65.1.4 5.1.4 大气腐蚀的类型大气腐蚀的类型 l当当RH100%RH100%，金属表面上形成肉眼可见的水膜，随金属表面上形成肉眼可见的水膜，随水膜厚度增加，水膜厚度增加，V-V-逐渐减小逐渐减小l金属表面在电解液膜下腐蚀，电化学腐蚀金属表面在电解液膜下腐蚀，电化学腐蚀(1) (1) 干的大气腐蚀干的大气腐蚀(2) (2) 潮的大气腐蚀潮的大气腐蚀(3) (3) 湿的大气腐蚀湿的大气腐蚀l当空气十分干燥，金属表面上不存在水膜当空气十分干燥，金属表面上不存在水膜l金

5、属的腐蚀属于常温氧化金属的腐蚀属于常温氧化 l简单，腐蚀速度小，破坏性小，纯化学作用引起简单，腐蚀速度小，破坏性小，纯化学作用引起l当当RH100%RH1mm1mm，就相当于金属全浸在电解质溶液，就相当于金属全浸在电解质溶液中的腐蚀，腐蚀速度基本不变中的腐蚀，腐蚀速度基本不变95.1.5 5.1.5 大气腐蚀的影响因素大气腐蚀的影响因素 (1) (1) 气候条件的影响气候条件的影响l大气相对湿度（最重要因素）大气相对湿度（最重要因素）l温度和温差（影响水汽凝结和水膜中气体、盐类溶解度温度和温差（影响水汽凝结和水膜中气体、盐类溶解度等）等）l日照时间和气温日照时间和气温l风向和风速风向和风速(2

6、) (2) 大气中有害杂质的影响大气中有害杂质的影响(3)(3)腐蚀产物膜腐蚀产物膜l腐蚀产物膜在金属表面有一定保护作用，各种金属锈膜腐蚀产物膜在金属表面有一定保护作用，各种金属锈膜结构不同结构不同l纯纯FeFe上的锈膜为粉状疏松物，腐蚀速度较大上的锈膜为粉状疏松物，腐蚀速度较大l低合金钢锈膜完整致密，附着力好，耐腐蚀低合金钢锈膜完整致密，附着力好，耐腐蚀l空气中的空气中的SOSO2 2、氮化物、盐粒等影响、氮化物、盐粒等影响105.1.6 5.1.6 防止大气腐蚀的措施防止大气腐蚀的措施 l提高材料的耐蚀性：向碳钢中加入提高材料的耐蚀性：向碳钢中加入CuCu、P P、CrCr、NiNi、微、

7、微量量CaCa和和SiSil表面涂层保护：油漆、金属镀层或暂时性保护涂层表面涂层保护：油漆、金属镀层或暂时性保护涂层l改变局部大气环境：使用气相缓蚀剂和控制大气湿度改变局部大气环境：使用气相缓蚀剂和控制大气湿度l合理设计和环境保护：防止缝隙中存水，避免落灰，加合理设计和环境保护：防止缝隙中存水，避免落灰，加强环保，减少大气污染强环保，减少大气污染1112海水腐蚀海水腐蚀 金属材料在海洋环境中的腐蚀过程。海水是金属材料在海洋环境中的腐蚀过程。海水是一种含有多种盐类近中性的电解质溶液，并溶有一定量的一种含有多种盐类近中性的电解质溶液，并溶有一定量的氧，这就决定了大多数金属在海水中腐蚀的电化学特征氧

8、，这就决定了大多数金属在海水中腐蚀的电化学特征5.2.1 5.2.1 海水腐蚀海水腐蚀海水腐蚀形貌海水腐蚀形貌1314金属在海水中的腐蚀主要是氧去极化的电化学腐蚀过程，通金属在海水中的腐蚀主要是氧去极化的电化学腐蚀过程，通常受阴极过程控制常受阴极过程控制 eFeFe22OHeOHO22212222)(2OHFeOHFe3222)(42)(4OHFeOHOOHFeOHOFeOHOHFe232232)(2FeOOHOHOHFe23)(阳极反应阳极反应： 阴极反应：阴极反应： 溶液中：溶液中： 进一步氧化进一步氧化 ： 氢氧化铁脱水氢氧化铁脱水成为铁锈：成为铁锈：5.2.2 5.2.2 海水腐蚀的电

9、极过程海水腐蚀的电极过程155.2.3 5.2.3 海水腐蚀的特点海水腐蚀的特点l海水腐蚀为电化学腐蚀海水腐蚀为电化学腐蚀l海水腐蚀的阳极极化阻滞对大多数金属（铁、钢、铸铁、海水腐蚀的阳极极化阻滞对大多数金属（铁、钢、铸铁、锌等）都很小，因而腐蚀速度相当大锌等）都很小，因而腐蚀速度相当大l海水氯离子含量很高，海水氯离子含量很高，ClCl- -破坏钝化膜，因此大多数金属破坏钝化膜，因此大多数金属在海水中不能建立钝态，不锈钢在海水中也遭到严重腐蚀在海水中不能建立钝态，不锈钢在海水中也遭到严重腐蚀l多数金属阴极过程为氧去极化作用，少数负电性很强金属多数金属阴极过程为氧去极化作用，少数负电性很强金属（

10、MgMg）及合金腐蚀时发生阴极氢去极化作用）及合金腐蚀时发生阴极氢去极化作用l海水电导率很大，海水腐蚀电阻性阻滞很小，所以海水腐海水电导率很大，海水腐蚀电阻性阻滞很小，所以海水腐蚀中不仅腐蚀微电池的活性大，腐蚀宏电池的活性也很大，蚀中不仅腐蚀微电池的活性大，腐蚀宏电池的活性也很大，异种金属接触造成显著的电偶腐蚀异种金属接触造成显著的电偶腐蚀l在海水中由于钝化膜局部破坏，很易发生点蚀和缝隙腐蚀在海水中由于钝化膜局部破坏，很易发生点蚀和缝隙腐蚀165.2.4 5.2.4 海水腐蚀的分类海水腐蚀的分类海洋大气腐蚀海洋大气腐蚀 浪花飞溅区腐蚀浪花飞溅区腐蚀 海水间浸腐蚀海水间浸腐蚀海水半浸腐蚀海水半浸

11、腐蚀海水全浸腐蚀海水全浸腐蚀 海泥腐蚀海泥腐蚀 飞溅区以上部分以及不会直接受飞溅区以上部分以及不会直接受到海水作用的海岸设施的腐蚀到海水作用的海岸设施的腐蚀 经常遭受浪花飞溅作用的海上和经常遭受浪花飞溅作用的海上和沿岸构件的腐蚀沿岸构件的腐蚀 港口结构和船体外部结构的腐蚀港口结构和船体外部结构的腐蚀船壳水线以下部件及各种水下构船壳水线以下部件及各种水下构件的腐蚀件的腐蚀海水水线腐蚀，海洋飘浮结构的海水水线腐蚀，海洋飘浮结构的气气/ /水交界处腐蚀水交界处腐蚀埋在海泥中的管道、电缆及水下埋在海泥中的管道、电缆及水下构件的腐蚀构件的腐蚀17不同海洋区域示意图不同海洋区域示意图 （1 1）大气区）大

12、气区环境条件：环境条件：腐蚀特点：腐蚀特点：（2 2）飞溅区）飞溅区风带来细小的海盐风带来细小的海盐颗粒颗粒海盐颗粒使腐蚀加海盐颗粒使腐蚀加快，随距离而不同快，随距离而不同，背风面腐蚀严重，背风面腐蚀严重环境条件：环境条件：腐蚀特点：腐蚀特点：潮湿、充分充气的潮湿、充分充气的表面，无海生物沾表面，无海生物沾污污海水飞溅，干湿交海水飞溅，干湿交替腐蚀最严重，涂替腐蚀最严重，涂层易破坏层易破坏1819不同海洋区域示意图不同海洋区域示意图 （3 3）潮汐区）潮汐区环境条件：环境条件：腐蚀特点：腐蚀特点：（4 4）全浸区）全浸区周期沉浸，供氧充周期沉浸，供氧充足，海生物沾污足，海生物沾污钢和水线下区组

13、成钢和水线下区组成氧浓差电池氧浓差电池环境条件：环境条件：腐蚀特点：腐蚀特点：在浅水区海水通常在浅水区海水通常为氧饱和为氧饱和腐蚀随深度变化，腐蚀随深度变化，浅水区腐蚀较重，浅水区腐蚀较重，随着深度增加，腐随着深度增加，腐蚀减轻蚀减轻2021不同海洋区域示意图不同海洋区域示意图 （5 5）深海区）深海区环境条件：环境条件：腐蚀特点：腐蚀特点：（6 6）海泥区）海泥区氧含量比表层低，氧含量比表层低，水流速度小水流速度小钢的腐蚀通常较轻钢的腐蚀通常较轻环境条件：环境条件：腐蚀特点：腐蚀特点：常有细菌，环境条常有细菌，环境条件多变件多变有可能形成泥浆海有可能形成泥浆海水腐蚀电池，有微水腐蚀电池，有微

14、生物腐蚀作用生物腐蚀作用22235.2.5 5.2.5 海水腐蚀的影响因素海水腐蚀的影响因素l盐类以盐类以ClCl- -为主，使海水腐蚀性很强为主，使海水腐蚀性很强l盐浓度增大使溶解氧浓度下降，超过一定值使金属腐盐浓度增大使溶解氧浓度下降，超过一定值使金属腐蚀速度下降蚀速度下降（1 1）盐类及浓度）盐类及浓度（2 2）pHpH值值（3 3）碳酸盐饱和度）碳酸盐饱和度l海水海水pHpH在在7.2-8.67.2-8.6之间，为弱碱性，对腐蚀影响不大之间，为弱碱性，对腐蚀影响不大l在海水在海水pHpH条件下，碳酸盐达到饱和，易沉积在金属表条件下，碳酸盐达到饱和，易沉积在金属表面形成保护层。若未饱和，

15、则不会形成保护层，使腐面形成保护层。若未饱和，则不会形成保护层，使腐蚀速度增加蚀速度增加24（4 4）含氧量）含氧量（5 5）温度）温度（6 6）流速）流速l含氧量增加，金属腐蚀速度增加含氧量增加，金属腐蚀速度增加l流速增加，金属腐蚀速度增加流速增加，金属腐蚀速度增加l温度升高，腐蚀速度加快温度升高，腐蚀速度加快l另一方面，温度升高，氧在海水中溶解度下降，引起腐另一方面，温度升高，氧在海水中溶解度下降，引起腐蚀速度减小蚀速度减小25265.3.1 5.3.1 土壤腐蚀土壤腐蚀土壤腐蚀土壤腐蚀 金属在土壤的作用下所产生的一种腐蚀。如埋金属在土壤的作用下所产生的一种腐蚀。如埋在地下的水管、蒸汽管、

16、石油输送管等管道，由于土壤中存在地下的水管、蒸汽管、石油输送管等管道，由于土壤中存在的水分、杂散电流和微生物的作用，都会遭受腐蚀。在的水分、杂散电流和微生物的作用，都会遭受腐蚀。土壤腐蚀形貌土壤腐蚀形貌27l金属土壤腐蚀的阴极过程主要是氧的去极化金属土壤腐蚀的阴极过程主要是氧的去极化l在强酸性土壤中，氢去极化过程可能参与阴极还原过程在强酸性土壤中，氢去极化过程可能参与阴极还原过程 l在某些情况下，微生物可能参与阴极还原过程在某些情况下，微生物可能参与阴极还原过程 (2)(2)阴极过程阴极过程l铁在潮湿土壤中的阳极过程和在溶液中腐蚀时相类似，铁在潮湿土壤中的阳极过程和在溶液中腐蚀时相类似，阳极过

17、程没有明显的阻碍阳极过程没有明显的阻碍l在干燥且透气性良好的土壤中，阳极过程接近于大气腐在干燥且透气性良好的土壤中，阳极过程接近于大气腐蚀的阳极行为，即阳极过程因钝化和离子水化的困难而蚀的阳极行为，即阳极过程因钝化和离子水化的困难而有很大的极化有很大的极化(1)(1)阳极过程阳极过程5.3.2 5.3.2 土壤腐蚀的电极过程土壤腐蚀的电极过程285.3.3 5.3.3 土壤腐蚀的特点土壤腐蚀的特点（1 1）气、液、固组成的多相体系）气、液、固组成的多相体系（2 2）毛细管效应）毛细管效应（3 3）不均匀性）不均匀性（4 4）不流动性）不流动性气体气体 空气、水蒸气空气、水蒸气液体液体 溶有各种

18、盐类的电解质溶有各种盐类的电解质固体固体 土壤颗粒土壤颗粒l土壤颗粒间形成大量毛细管微孔和间隙土壤颗粒间形成大量毛细管微孔和间隙微观：土壤微结构松紧程度以及固、液、气成分含量均有差异微观：土壤微结构松紧程度以及固、液、气成分含量均有差异宏观：不同区域土壤类型、理化性质不同宏观：不同区域土壤类型、理化性质不同l固相相对固定，气、液相有限流动，腐蚀产物扩散不容易固相相对固定，气、液相有限流动，腐蚀产物扩散不容易295.3.4 5.3.4 土壤腐蚀的影响因素土壤腐蚀的影响因素含水量含水量含盐量含盐量pHpH值值电阻率电阻率l土壤含水量既影响土壤导电性又影响含氧量土壤含水量既影响土壤导电性又影响含氧量

19、 l氧的含量对金属的土壤腐蚀有很大影响氧的含量对金属的土壤腐蚀有很大影响l土壤愈干燥，含盐量愈少，土壤电阻率愈大；土壤土壤愈干燥，含盐量愈少，土壤电阻率愈大；土壤愈潮湿，含盐量愈多，土壤电阻率就愈小，随电阻愈潮湿，含盐量愈多，土壤电阻率就愈小，随电阻率减小，土壤腐蚀性增强率减小，土壤腐蚀性增强 lpHpH值愈低，土壤腐蚀性愈强值愈低，土壤腐蚀性愈强 305.3.5 5.3.5 土壤腐蚀的类型土壤腐蚀的类型（1 1）构成氧浓差电池的土壤腐蚀）构成氧浓差电池的土壤腐蚀粘土粘土透气性差透气性差氧含量低氧含量低阳极过程阳极过程砂土砂土透气性好透气性好氧含量高氧含量高阴极过程阴极过程31（2 2）杂散电

20、流腐蚀）杂散电流腐蚀+架空线架空线路轨路轨供电所供电所管道管道阳极区阳极区阴极区阴极区+ -l直流电源设备漏电进入土壤产生的电流，对地下管道、直流电源设备漏电进入土壤产生的电流，对地下管道、贮罐、电缆等金属设施，造成严重的腐蚀破坏贮罐、电缆等金属设施，造成严重的腐蚀破坏l杂散电流流出的部位成为腐蚀电池的阳极区，金属发生杂散电流流出的部位成为腐蚀电池的阳极区，金属发生氧化反应转变为离子进入土壤氧化反应转变为离子进入土壤 l腐蚀掉的金属量和流过的杂散电流的电量成正比腐蚀掉的金属量和流过的杂散电流的电量成正比 ，可以，可以按法拉弟电解定律进行估算按法拉弟电解定律进行估算 32(3) (3) 硫酸盐还

21、原菌腐蚀硫酸盐还原菌腐蚀eFeFe8442OHHOH8882HeH888OHSHSO222448FeSSFe2222)(363OHFeOHFeOHOHFeFeSOHSOFe2)(3442224移去阴极区移去阴极区氢原子氢原子阳极反应阳极反应水电离水电离阴极反应阴极反应细菌引起的阴极去极化细菌引起的阴极去极化腐蚀产物腐蚀产物整个反应整个反应33中、碱性土壤碳钢试件腐蚀形貌中、碱性土壤碳钢试件腐蚀形貌345.3.6 5.3.6 土壤腐蚀的控制方法土壤腐蚀的控制方法(1) (1) 涂层防护涂层防护 在金属表面施加保护涂层的作用是使金属表面与土壤介在金属表面施加保护涂层的作用是使金属表面与土壤介质隔离

22、开来，以阻碍金属表面上微电池的腐蚀作用质隔离开来，以阻碍金属表面上微电池的腐蚀作用(2) (2) 阴极保护阴极保护 阴极保护是利用外加电流或牺牲阳极法对金属施加外加阴极保护是利用外加电流或牺牲阳极法对金属施加外加阴极电流以减小或防止金属腐蚀的一种电化学保护方法阴极电流以减小或防止金属腐蚀的一种电化学保护方法(3) (3) 联合保护联合保护 目前为止，金属管线的土壤腐蚀防护都采用涂层和阴极目前为止，金属管线的土壤腐蚀防护都采用涂层和阴极保护联合防腐措施保护联合防腐措施355.3.7 5.3.7 土壤的理化性能测试土壤的理化性能测试(1) (1) 土壤含水率土壤含水率 测试方法测试方法( (烘干法

23、烘干法) )：用铝盒从试件埋藏深度采集约为铝：用铝盒从试件埋藏深度采集约为铝盒容积五分之四左右土壤样品，在盒容积五分之四左右土壤样品，在105-110105-110温度下烘温度下烘6 6小时，取出后放入干燥器内冷却小时，取出后放入干燥器内冷却2020分钟后，称重分钟后，称重 1000221GGGGwWW含水量（含水量（% %）G G0 0铝盒的重量铝盒的重量G G1 1铝盒加湿土的重量铝盒加湿土的重量G G2 2铝盒加烘干样品的重量铝盒加烘干样品的重量 36(2) (2) 土壤容重测定土壤容重测定 土壤容重土壤容重在自然结构状况下，单位体积土壤的重量在自然结构状况下，单位体积土壤的重量测试方法

24、（环刀法）测试方法（环刀法）在开挖现场，在采样深度用小在开挖现场，在采样深度用小铁铲铲出一个平面，将环刀用环刀托垂直压入土中，用铁铲铲出一个平面，将环刀用环刀托垂直压入土中，用铁铲挖去环刀周围的土壤，取出环刀，用削土刀削去环铁铲挖去环刀周围的土壤，取出环刀，用削土刀削去环刀两端多余的土壤，并擦净环刀外面的土壤，使环刀内刀两端多余的土壤，并擦净环刀外面的土壤，使环刀内的土壤体积与环刀容积相等。最后环刀两端用盖子盖紧，的土壤体积与环刀容积相等。最后环刀两端用盖子盖紧，称重。按下面公式计算：称重。按下面公式计算： )100(100)(0WVGGdVd dv v土壤容重（土壤容重（g/cmg/cm3

25、3）G G0 0环刀重量（环刀重量（g g）GG环刀加湿土重量（环刀加湿土重量（g g）VV环刀容积（环刀容积（cmcm3 3）WW样品中的含水量（样品中的含水量（% %）37(3) (3) 土壤孔隙度测试土壤孔隙度测试 直接用土壤容重，通过经验公式计算：直接用土壤容重，通过经验公式计算：vdP995.32947.93PP土壤的孔隙度（土壤的孔隙度（% %）d dv v土壤容重（土壤容重（g/cmg/cm3 3）38(4) (4) 土壤含气率测试土壤含气率测试 土壤含气率是指单位土壤容积中空气所占的容积百分比，土壤含气率是指单位土壤容积中空气所占的容积百分比，即土壤总孔隙度减去土壤容积含水量的

26、百分数。可根据即土壤总孔隙度减去土壤容积含水量的百分数。可根据土壤总孔隙度、容重和含水量按下式求得：土壤总孔隙度、容重和含水量按下式求得：P P0 0土壤含气率（土壤含气率（% %）PP土壤总孔隙率（土壤总孔隙率（% %）WW土壤含水量（土壤含水量（wt%wt%）d dv v土壤容重（土壤容重（g/cmg/cm3 3）W. dW. dv v土壤容积含水量（土壤容积含水量（% %），相当于土壤），相当于土壤含水孔隙度（含水孔隙度（% %） vadWPP39(5)(5)测试土壤电阻率测试土壤电阻率( (四点法四点法) )aVC1P1P2C2aaAIVa628C C1 1,C,C2 2- -金属电极

27、金属电极 P P1 1,P,P2 2- -硫酸铜电极硫酸铜电极 - -土壤电阻率土壤电阻率aVI- -电极间距电极间距- -电位差电位差- -电流电流40土壤电阻率土壤电阻率(ohm.cm)(ohm.cm)土壤腐蚀性土壤腐蚀性钢的平均腐蚀速率钢的平均腐蚀速率(mm/a)(mm/a)0-5000-500很高很高11500-1000500-1000高高0.1-10.1-11000-100001000-10000中等中等0.05-0.20.05-0.21000010000低低0.050.05土壤电阻率与腐蚀性的关系土壤电阻率与腐蚀性的关系41(6)(6)氧化还原电位氧化还原电位氧化还原电位氧化还原电位(mV Vs. S.H.E.)(mV Vs. S.H