材料腐蚀与防护-第十二章-防腐设计

第十二章防腐蚀设计

防腐蚀设计是材料腐蚀与防护研究中一个非常重要的课题。通过正确运用已有的知识和经验，经过周密的防腐蚀设计来减少和避免的损失。

防腐蚀设计包括；

(1)选材；

(2)防腐蚀结构设计；

(3)防腐蚀措施的选择；

(4)防腐蚀强度设计；

(5)防腐蚀工艺设计。12.1选材

12.1.1正确选材基本原则

正确合理选材是一个调查研究、综合分析与比较鉴别的复杂而细致的过程，是防腐蚀设计成功与否的关键一环。

选材应遵循如下基本原则：（1）材料的耐蚀性能要满足设备或物件使用环境的要求；

根据环境选择材料，所选择材料才能适应环境。例如，“材料一环境”搭配证明：不锈钢用于硝酸；钢用于浓硫强；锡用于蒸馏水：钛用于热的强氧化性溶液；包铝用于除氢氟酸和烧碱溶液外的介质。（2）材料的物理、机械和加工工艺性能要满足设备或物件的设计与加工制造要求；结构材料除具有一定的耐蚀性外，一般还要具有必要的机械性能(如强度、硬度、弹性、塑性、冲击韧性、疲劳性能等)、物理性能(如耐热、导电、导热、光、磁及密度、比重等)及工艺性能(如机加工、铸造、焊接性能等)。（3）选材时力求最好的经济效益和社会效益；要优先考虑国产的、价廉质优的、资源丰富的材料。12.1.2选材时应考虑的因素选材顺序如图所示（1）明确产品的工作环境；

材料的选定主要是通过工艺流程中各种环境因素来决定的。选材时必须了解的环境因素包括化学因素和物理因素。（2）查阅权威手册，借鉴失效经验；

可以参考资料：左景伊编写的《腐蚀数据手册》；朱日彰等编写的《金属防腐蚀手册》；美国腐蚀工程师协会(NACE)出版的《CorrosionDataSurvey》；查询我国自然环境条件下的腐蚀数据库；（3）腐蚀试验；

资料中所列的使用条件有时与实际使用条件并不完全一致，这时就必须进行腐蚀试验。腐蚀试验应是接近十实际环境的浸泡试验或模拟试验．条件许可时还应进行现场(挂片)试验，甚至实物或应用试验，以便获得材料可靠的腐蚀性能数据。（4）兼顾经济性与耐用性；

（5）考虑防腐措施；

在选材的同时，应考虑行之有效的防护措施。适当的防护如涂层保护、电化学保护及施加缓蚀剂等，不仅可以降低选材标准．而且有利于延长材料的使用寿命。（6）考虑材料的加工性能；

材料最后的选定还应考虑其加工焊接性能，加工后是否可进行热处理，是否会降低耐蚀性。12.2防腐蚀结构设计1）

合理的结构形式和表面状态

结构件的形式力求简单。便于采取防腐蚀措施，便于检查、排除故障，有利于维修。

形状复杂的构件，往往存在死角、缝隙、接头，在这些部位容易积液或积尘，从而引起腐蚀。在无法简化结构的情况下，可将构件设计成分体结构，使腐蚀严重的部位易于拆卸、更换。构件的表面状态，要尽量致密、光滑。通常光亮的表面比粗糙的表面更耐腐蚀。2）防止积水或积尘在有积水或积尘的地方，往往腐蚀的危险性大。因此在结构设计时，应尽可能不存在积水或积尘的坑洼。

例如，容器的出口应位于最低处(图)；积液的部位，开排液孔；不让水或尘埃积聚等(图)。3）防止缝隙腐蚀缝隙中的介质可引起金属的缝隙腐蚀，但可通过拓宽缝隙、填塞缝隙、改变缝隙位置或防止介质进入等措施加以避免。4）

防止电偶腐蚀

防止电偶腐蚀的常用办法是避免腐蚀电池不同的金属连接。电偶腐蚀仅在有电解质（如潮湿）环境下局部接触地方才可能发生，若在干燥的环境就没有这种腐蚀危险。

防止或减少电偶腐蚀的措施如下：

(1)不应把电位序相差过大的金属连接在一起。在海洋大气及金属表面可能长期接触潮气的场合，此要求务必满足。

(2)将异种金属相互隔开，防止金属接触。例如采用抗老化塑料或橡胶．如图所示。(3)在两种异类金属之间插入第三种金属材料，减少电位差，如图所示。(4)若不能避免异类金属接触时，一定要尽量降低阴极面积与阳极面积比，避免大阴极／小阳极的组合，如图所示。

当阳极面积比阴极面积大且溶液有良好导电性时，腐蚀呈大面积分布，因而在大多数情况下不严重，如图(a)。但若溶液导电性不好时，则在靠近阴极附近的阳极区域会发生严重腐蚀，如图(b)。当阳极面积比阴极面积小时，严重腐蚀的危险性很大，如图(c)。(5)结构的合理设计使水分不会在接触点集聚或存留。(6)用防腐蚀漆或沥青涂覆接触区及其周围。涂覆后由于电流路径加长，电阻增大，导致电偶腐蚀速率显著降低。不能只涂贱金属，因为在涂层的气孔处会发生局部腐蚀：只涂贵金属，在许多场合是可行的。

5）

防止磨损腐蚀当金属表面处于流速很高的腐蚀性液体中时，会发生磨损腐蚀。磨损腐蚀在具有局部高流速和湍流显著的地方特别大。因此在设计时，应避免构件出现可造成湍流的凸台、沟槽、直角等突变结构(如图所示)，而应尽可能采用流线型结构。·为使流速不超过一定的限度，管子的曲率半径一般应为管径的3倍以上，而且不同金属这个数值也不同，如软钢和钢管为3倍，高强钢取5倍。流速越高，管子曲率半径则越大。在高流速的接头部位，也应采用流线型结构，而不采用丁型结构，如图所示。

·为避免高流速液体直接冲击容器壁，可在适当位置安装易于拆卸的缓冲板或折流板．如图所示，还可以考虑采取加固该处的容器壁的措施。6）

防止环境诱发破裂环境诱发破裂是由机械应力和腐蚀联合作用产生，包括应力腐蚀破裂和腐蚀疲劳。防止这类破坏的措施旨在消除奴应力〔或交变应力)或腐蚀环境，或者可能时使两者一并消除。

（1）减少应力集中设计。零件在改变形状和尺寸时，不要有尖角，而应有足够的圆弧过渡，如图所示。当不同壁厚的管子需要直接焊在一起时，应将焊接处厚壁管径逐渐减小到与薄壁管径相同．以使焊缝和过渡区分开（l≥δ）．因而焊缝处于低应力区．如图所示，这样会防止焊接应力与工作应力叠加而出现很高的拉应力。(2)加大危险截面的尺寸和局部强度。避免构件的承载能力在应力最大的地方被凹槽、截面的突然变化、尖角、切口、键槽、油孔、螺纹等所削弱。(3)结构构件中的开口应开在低应力部位。选择合适的开口形状和方向控制应力集中。

如图所示是不同开口形状和方向所对应的应力集中系数Kt及Kt与相对寿命曲线。

(4)对各种载荷，流线型的填角焊缝可减少应力集中和改善应力线，如图所示。(5)设计的结构不能产生颤动、振动或传递振动，禁止载荷、温度或压力的急剧变化。(6)结构设计中应尽量避免间隙和可能造成废渣、残液留存的死角，防止有害物质如c1-的浓缩，以改变或抑制腐蚀性环境。（7）减少结构偏心，避免复合应力集中等措施在设计中也应注意。7）避免温度不均引起的腐蚀加热器或加热盘管的位置应向着容器的中心，以防止出现温差电池，如图所示。建在导热支架上的贮气罐，在外部温度低于气体的露点时，可能因保温不均而引起气体凝露而腐蚀罐壁。这种露点腐蚀可通过用良好绝缘的方法来避免，如图所示。8）

设备和建筑物的位置合理性建筑物的位置如有选择可能，应选择自然腐蚀较低的位置，如避免海洋大气、工业排水、化工厂有害烟尘的加速腐蚀，如图所示。设备的位置分布应避免其中一部分对另一部分的有害作用，

如图所示：12.3防腐蚀措施的选择根据具体情况选择方便、有效、可行的防腐蚀措施，是减缓材料及设备腐蚀的重要环节。·选择防腐蚀措施的原则：

（1）考虑设备、装置的整体件及主要部件的结构特征；

（2）考虑组成材料的性质和环境性质；

（3）考虑防腐蚀措施的使用条件和特点。

只有将上述因素统筹考虑、才能选择最佳的防腐措施。·可供选择的防腐措施总体上可分三大类：

(1)覆盖层保护。通过在设备表面涂覆保护层而使设备与介质隔开。这些措施包括：电镀层、化学镀层、扩散镀层、热浸镀层、热喷涂层、涂料涂层、塑料和橡胶涂层、陶瓷涂层、密封、衬里等。

(2)电化学保护。电化学保护可分为阴极保护利阳极保护两类。

（3）改善环境。改善环境就是去除有害的物质，加入有利的物质。去除有害物质．首先要干燥脱水，控制相对湿度在60％以下；防止水及水溶液进入设备。如果设备服役时，必须与水或水溶液接触，则要考虑脱气和脱盐。

脱气就是去除腐蚀性大气、烟气等；

脱盐就是去除盐的沉积物。此外还要去尘，即防止灰尘积聚。加入有利物质就是添加各种类型的缓蚀剂。上述三类措施可单独使用或联合使用，联合使用往往具有最好的防腐蚀效果。

（各类防腐蚀措施在前面章节有详细讨论，在此不再介绍）12.4防腐蚀强度设计（1）均匀腐蚀的强度设计均匀腐蚀的强度设计．常采用留取腐蚀余量的方法。腐蚀余量----根据预计的腐蚀量增加材料的尺寸以资补偿，来保证原设计的寿命要求。腐蚀余量的计算方法：（1）先根据腐蚀数据手册，查出结构材料在一定腐蚀介质条件下的年腐蚀量，然后按构件使用年限．计算腐蚀尺寸。

（2）还要考虑结构部位的重要性和其他安全系数，所以，实际留出的腐蚀余量比计算的要大一些。腐蚀余量的大小，要根据具体情况而定。—般来说，介质的腐蚀性越大，腐蚀余量也越大。对于管道和槽体，由于所接触的往往是腐蚀性较强的介质，所以设计时壁厚常为计算量的2倍。腐蚀余量一般局限于预计腐蚀率特别高的结构部分，例如液-气交界区。

（2）局部腐蚀的强度设计

局部腐蚀类型较多．破坏形式相差较大。目前还很难根据局部腐蚀的强度降低，采用强度公式对腐蚀余量进行估算。在设计中常将腐蚀与机械强度综合起来考虑，通过正确选材、合理的结构设计、加工工艺设计、施加涂层以及控制环境介质等措施来防止腐蚀发生。例如：在有残余应力和诱发应力的场合．优先选择抗晶间腐蚀和应力腐蚀的材料。又如在可能遭受振动的场合，避免采用铆接装配，应采用在摩擦面增加垫片、衬垫或设计挠性支架等办法．防止磨损腐蚀。对应力腐蚀断裂和腐蚀疲劳，在材料的数据齐全的情况下，可能作出合适可靠的设计。例如：在有应力腐蚀断裂危险的场合，设计时应保证构件所受拉应力不超过该结构材料在实际应用环境中的应力腐蚀临界应力。在可能出现腐蚀疲劳的场合，应保证可变载荷不超过构件疲劳极限。（3）加工中的强度设计在加工、装配过程中，可能引起材料腐蚀强度特性发生变化，应引起注意。有些加工工艺可提高材料的强度，应尽可能采用。如：喷九强化可将压应力引入材料表面；热处理、表面处理、超声波振荡等措施可解除材料的残余应力。·

有些加工会使材料的强度降低。如：酸洗或电镀可使材料渗氢，而引起氢脆。某些不锈钢在焊接时，由于敏化温度影响而造成晶间腐蚀，使材料强度下降，在使用中造成断裂。

所以在加工、装配中应严格遵守工艺规程，并采用有效的补救措施。12.5防腐蚀工艺设计金属材料在加工制造、装配及贮运等过程中，可能发生腐蚀或留下腐蚀隐患．因此必须重视防腐蚀工艺设计。（1）机械加工

在机械加工中产生的残余应力对耐蚀有不利的影响。

·金属材料最好在退火状态下进行机械加工和冷弯、冷冲等成型工艺，以使制件的残余应力较小；

·在加工后要进行应力解除热处理。

·有时采用磨光、抛光和喷九强化等加工来增加金属表面残余压应力，以提高材料的耐蚀性。

·机加工还要保证制件表面有较高的光洁度，较少的表面缺陷。

·机械加工中使用的切削冷却液，应对所加工的材料没有腐蚀作用。对机加工周期较长的零件，应采取必要的工序间防锈措施。（2）热处理

应正确选择热处理气氛，例如为防止金属氧化，最好选用真空或可控气氛热处理；也可考虑使用热处理保护涂层；对有氢脆敏感性的材料，要禁止在氢气氛中加热。应有严格的热处理规范，避免因热处理不当引起的晶间腐蚀和应力腐蚀等：对可产生较大残余应力的热处理，应有解除残余应力的措施。可能时，应尽量采用可造成制件表面产生压应力的工艺、如表面淬火、化学热处理等。此外，要注意消除热处理中可能带来的腐蚀性残余物。（3）锻造和挤压锻造和挤压件的性能呈各向异性。在短横向上应力腐蚀最敏感，因此在设计时应避免在此方向上承受大的工作应力；在纵向上可承受大的载荷。在锻造前应选择合适的锻造工艺，如自由锻比模锻高强铝合金的抗应力腐蚀性能好。在锻造时，应控制流线末端的外露。锻造后应对锻件采取解除残余应力的措施。这些考虑均可提高锻件的耐蚀能力。（4）铸造铸件表面存在大量的孔洞、砂眼和夹杂等缺．这些地方易于积聚腐蚀介质而被腐蚀，而且还可能成为应力腐蚀或腐蚀疲劳的危险区。

此外，表面多孔层还影响对铸件进行表面处理的效果。所以要选择合适工艺予以避免。

通常精密铸造和压力铸造比普通铸造的表面质量好．从而有利于铸件耐蚀性能的提高。（5）焊接·为防止缝隙腐蚀，要用对接焊而不用搭接焊，用连续焊而不用间断焊和点焊。·为防止电偶腐蚀，焊条的成分和组织结构应与基体的相似，或其电位比基体更正一些，避免大阴极小阳极的不良组合。·为防止焊缝两侧热影响区发生的腐蚀，应采用淬火的热处理，予以消除。·防止焊接中起焊和停焊位置、焊缝端部以及引弧点位置易于发生的腐蚀疲劳和应力腐蚀，应采取热处理和喷丸强化来解除残余应力。·对氢敏感的材料，避免在能产生氢原子的气织中进行焊接。诸如镀锌、镀铬层等易引起金属脆性的镀层，严禁镀后焊接．以免产生金属脆致裂纹或发生断裂。·焊接后，焊缝处的残渣应及时清理，以免残渣引起局部腐蚀。

（6）表面处理

表面处理属防腐措施，应注意处理不当引起的腐蚀或留下腐蚀隐患。涂镀前的脱脂、酸洗．既要使零件表面清洁没有污物，又要防止产生过腐蚀或渗氢。在电镀、氧化等表而处理之后，要及时清洗，以免残液腐蚀零件。对高强钢，酸洗、电镀后，要进行除氢处理。对超高强钢，可导致氢脆的表面处理。对于组合件，应先进行表面处理而后组合。（7）装配设备装配时．应严格施工．不得用镀层有损伤的零件；也不宜赤手装配精密产品或易于腐蚀的零件。装配时应不要造成过大的装配应力，要采用提高设计精度、减少公差、适当加垫以及采用合理装配方法来减少装配应力。对有密封要求的部位，在装配中要保证密封质量，防止有害介质的侵入。装配结束后，应及时进行清理检查，除去装配中留下的灰尘、金属屑等残留物；检查通风孔、排水孔等孔口，使其不被堵塞。作业1．防腐蚀设计包括哪几个方面?2．选材的原则及应考虑的因素是什么?3．防腐蚀措施大体分哪几类?4．防腐蚀工艺设计中应注意哪些问题?在线作业（3）查找并分析1-2例子的防腐蚀设计。本课程复习题1．指出高温氧化理论(Wagner)要点，结合金属氧化的等效电池模型推导出高温氧化速度常数的表达式，并说明式中各参数的意义。图有哪些作用?举例说明。并请参考右图，确定1000℃下，

Fe、Al、Mg、C