《水工艺设备基础》-第二章

第2章材料设备的腐蚀防护与保温主要内容：材料设备的腐蚀与防护设备的保温重点与难点：水工艺设备及常用材料的腐蚀与防护的根本原理、技术与方法。2.1材料设备的腐蚀与防护1、腐蚀概念腐蚀是材料与它所处环境介质之间发生作用而引起材料的变质和破坏。材料(金属材料和非金属材料均存在着腐蚀)介质〔电解质溶液和非电解质溶液能存为腐蚀的介质〕发生作用〔化学作用、电化学作用、物理作用、生物作用、机械载荷〕2.1.1概述金属腐蚀定义：是指金属与环境介质发生化学或电化学作用，由单质变成化合物的过程，即金属从元素态又返回到自然矿物态的过程。金属腐蚀种类：化学腐蚀电化学腐蚀

2.1.2腐蚀与防护的根本原理2.1.2腐蚀与防护根本原理1、金属的化学腐蚀*指金属与环境介质发生化学作用，生成金属化合物并使材料性能退化的现象。纯氧化复原过程，金属被氧化，腐蚀介质被复原，它们之间的电子交换是直接进行的。2、化学腐蚀的范围很广，包括枯燥气体介质的腐蚀〔氧化、硫化、卤化、氢蚀等〕和液体介质的腐蚀〔非电解质的腐蚀、液态金属的腐蚀、低熔点氧化物的腐蚀等〕。*反响进行中没有电流产生。2.1.2腐蚀与防护根本原理〔1〕金属氧化及其氧化膜原因：空气中氧的分压为0.022MPa，在一定温度下，金属氧化反响进行取决于金属氧化物的分解压与环境中氧的分压的相对大小。假设金属氧化物的分解压低于0.022MPa，该金属就可能在空气中氧化。大多数金属从室温到高温都有自发氧化的倾向。氧化膜：除少数金属〔如钼、钨〕高温氧化所生成的氧化物具有挥发性外，大多数金属氧化的结果在其外表形成一层氧化物固相膜。随着温度升高，氧化膜增厚。呈现一定的色彩。2.1.2腐蚀与防护根本原理〔2〕钢铁的气体〔高温〕腐蚀钢铁在高温气体环境中很容易受到腐蚀。腐蚀类型：高温氧化〔570℃以下较易生成Fe3O4、Fe2O3；570℃以上较易生成FeO〕脱碳〔除了生成氧化皮层外，与氧化皮层相连的内层将发生渗碳体减少的现象〕氢蚀〔当温度超过200～300℃,压力超过30.4MPa时，氢对钢产生腐蚀，使钢剧烈脆化、造成氢蚀。〕铸铁肿胀〔实际上是一种晶间气体腐蚀，氧化物的生成，体积变大〕2.1.2腐蚀与防护根本原理〔3〕防止钢铁气体腐蚀的方法*合金化〔元素Cr、Al、Si是改善钢铁材料抗氧化性能最有效的合金属元素。在氧化性介质中首先与氧结合形成极稳定的氧化物，能够牢固地与金属基体结合，形成保护层〕*应用保护性覆盖层〔利用金属或非金属涂层将金属和气体介质隔离开来。常用热扩散法，将元素渗入被保护金属的外表。〕*改善介质成分〔设法改善介质成分，可减轻乃至消除某些特定环境条件下的腐蚀。〕3、金属腐蚀原电池定义：金属的电化学腐蚀是一个短路的原电池发生的电化学过程，其反响释放出的化学能全部以热的形式放出，不能对外界做有用功，这种引起金属腐蚀的短路原电池叫腐蚀原电池。化学原电池：将化学能转化为电能的装置。电化学腐蚀〔1〕金属电化学腐蚀的发生条件：*化学成分不均一：含有各种杂质和合金元素，它们和基体金属的电极电位不同；*组织结构不均一：钢铁中存在铁素体、渗碳体和石墨、晶粒和晶界等；*物理状态不均一：受力、变形不均匀；*外表氧化(保护)膜不完整：引起金属外表电极电位不同。

电化学腐蚀〔2〕极化：指原电池由于电流通过，使其阴极和阳极的电极电位偏离其起始电位值的现象。电流流过阴极使阴极电位降低的现象，称为阴极极化。极化的机理可分为：*活化极化：当电流通过电极时，因电化学反响缓慢而造成电极电位偏离平衡电位的现象；*浓差极化：当电流通过电极时，因电化反响物〔或反响生成物〕输运缓慢而造成电极电位偏离平衡电位的现象；*电阻极化：由于在电极外表上生成了具有保护作用的氧化膜或不溶性的腐蚀产物等引起的；电化学腐蚀〔3〕钝化：能千百倍地提高金属的耐蚀性。钝化就是金属与介质作用后，失去其化学活性，变得更为稳定的现象。使金属发生钝化的物质称为钝化剂。如：硝酸、硝酸银、重铬酸钾、高锰酸钾等。*成相膜理论：当金属溶解时，可在金属外表生成一层致密的、覆盖性良好的固体产物。这些产物作为一个独立的相存在，把金属和溶液机械地隔离开来，从而使金属的溶解速度大大降低，使金属转入钝化；*吸附理论：引起金属钝化不一定要形成固相膜，而只要在金属外表或局部外表上形成氧或含氧离子的吸附层就可以了。这种吸附层改变了金属/溶液外表的结构，使金属反响的活化能显著升高，故金属同腐蚀介质的化学反响速度将显著减少。电化学腐蚀〔4〕氢去极化和氧去极化腐蚀：*氢去极化腐蚀：以氢离子复原反响为阴极过程的腐蚀称为氢去极化腐蚀；只有当金属的电极电位较氢电极的平衡电位为负时，才有可能发生析氢腐蚀。氢去极化过程包括：水化氢离子脱水形成吸附氢原子吸附氢原子脱附氢分子形成气泡影响氢去极化腐蚀的因素主要有：金属材料的形状、溶液的PH值、阴极面积和温度。

*氧去极化腐蚀：在中性和碱性溶液中，由于氢离子的浓度较低，析氢反响的电位较负，一般金属腐蚀过程的阴极反响往往不是析氢反响，而是溶液中的氧的复原反响，此时腐蚀去及极化剂是氧分子。氧去极化过程包括：氧通过气/液界面传质，由空气进入溶液；溶液氧通过对流扩散均布在溶液中；氧以扩散的方式通过电极表而后扩散层，到达金属的外表；氧在金属外表进行复原反响。影响氧去极化腐蚀的因素主要有：阳极材料、溶液中溶解氧的浓度、溶液流速、溶液中盐的浓度及温度。2.1.2腐蚀与防护根本原理一、金属腐蚀破坏的形态2.1.2腐蚀与防护根本原理5、应力作用下的腐蚀应力腐蚀开裂：防止此腐蚀，必须采取措施：正确选材、合理设计改进制造工艺、改善环境介质、电化学保护。腐蚀疲劳：腐蚀介质和交变应力协同作用所引起的材料破坏的现象。防止此腐蚀，必须采取措施：正确选材、合理设计改进制造工艺、改善介质条件、电化学保护。磨损腐蚀：流体介质与金属之间或金属零件间的相对运动，引起金属局部区域加速腐蚀破坏的现象。防止此腐蚀，必须采取措施：阻止接触面的相对微动、使用润滑剂、外表电渡、提高接触金属的硬度。微生机腐蚀：由于介质中存在着某些微生物而使金属的腐蚀过程的现象。防止此腐蚀，必须采取措施：使用杀菌剂或抑制剂、改变环境条件、覆盖防护层、阴极保护。2.1.2腐蚀与防护根本原理二、非金属材料的腐蚀定义：非金属材料与环境介质作用，性能蜕化或完全丧失使用功能的现象。腐蚀机理：

与金属完全不同，两者的腐蚀原理也有着本质的区别。非金属材料的腐蚀主要是由物理作用和化学作用引起的。除石墨外，非金属材料的导电性很差或完全不导电，所以即使将其置于电解质溶液中，也不会发生电化学腐蚀。2.1.3设备腐蚀防护技术设备腐蚀防护技术包括七大方面：一、腐蚀防护设计：除选材外、还包括防蚀方法的选择、防蚀结构设计[构件尽量简单合理，防止残留液和沉积物造成腐蚀，防止电偶腐蚀，防止缝隙腐蚀，防止液体的湍流腐蚀，防止应力过分集中，设备和构筑物的位置要合理]、防蚀强度设计、满足防蚀要求的加工方法。二、设备的电化学保护：分为阴极保护[用一定的方法使被保护的金属设备发生阴极极化以减少或防止其腐蚀的方法。常采用外加电流的阴极保护和牺牲阳极的阴极保护]和阳极保护[将被保护的金属设备进行阳极极化，使其由活化态转入钝化态，从而减轻或防止金属设备腐蚀的方法]三、设备环境介质的控制〔1〕控制环境介质中的有害成分〔介质的成分、浓度、pH值、湿度、压力、温度、流速等均影响金属在介质中草药腐蚀行为。〕〔2〕缓蚀剂：是一种在很低的浓度下，能阻止或减缓金属在腐蚀性介质中腐蚀还度的化学物质或复合物。四、电镀[使电解液中的金属离子在直流电作用下，于阴极外表沉积出金属而成为镀层的工艺过程]、化学镀[利用一种适宜的复原剂，使溶液中的金属离子复原并沉积在基体外表的过程]及化学转化膜防护[金属外表的原子层与某些特定介质的阴离子反响后，在金属外表生成的膜层，它可分为电化学转化膜和化学转化膜两在类]五、浸渡[把金属制件浸入熔融金属液中形成镀层的方法]、渗渡[采用扩散处理方法，将一种或几种元素从外表扩散到基体金属中去，形成渗层，以改变外表层的化学成分及组织，从而改善金属材料外表性能]、包渡[将被保护金属坏料放在保护金属板中间，加以热轧，靠机械力、热扩散使保护金属与被保护金属粘合在一起]及热喷涂防护技术六、衬里防护技术[玻璃钢衬里、橡胶衬里]七、有机涂料防护技术2.1.4材料的选用一、材料选取的根本原那么材料的选取除了根据不同设备在功能、工艺需要、工作环境条件等方面的特殊要求进行针对选取处，必须遵循如下几条根本原那么：1、材料的耐蚀性能要满足要求。2、材料的物理、机械和加工工艺性能要满足要求。3、要力争最好的经济效益。〔要优选国产、廉价的材料，在可以用普通结构材料时，不采用昂贵的贵金属。〕2.1.4材料的选用二、选材料时考虑的因素

1、设备或构件的工作环境是选材必须明确的条件，使用者与设计者应密切配合，详细列出环境介质参数。

2、参考已有的腐蚀数据资料，选出在相应腐蚀环境下的耐蚀材料。

3、从事故调查的分析记录中吸取教益。

4、做一些腐蚀试验。

5、经济与耐用的综合考虑。

6、选材时还应考虑与之相适应的防护措施。

7、材料最后的选定，还应考虑其加工性能、焊接性能，加工后是否会降低其耐蚀性能。。2.1.5水工艺中常用防腐措施〔1〕水下设备常用防腐方法名称特点应用镀锌钢铁表面镀锌后，在水中及潮湿大气中与氧或二氧化碳作用生成氧物或碳酸锌薄膜，可以防止锌续继氧化起保护作用。镀锌层厚度在0.02~0.03mm。钢管、紧固件、弹簧等钢铁机械零件氧化（发蓝或发黑）将钢铁零件放入含苛性钠、硝酸钠或亚硝酸钠的溶液中处理，使零件表面生成一层由磁性氧化铁所组成的有色氧化膜，能提高零件表面一定的抗蚀能力。氧化膜厚度在0.5~1.5∪m。紧固件、弹簧等钢铁机械零件氮化将切削加工后的零件，先进行人工时效处理，随后利用稀薄的含氮气体的辉光放电现象进行氮化处理。气体电离后所产生的氮被零件表面所吸附，并向内扩散成氮化层，以提高表面硬度及其耐磨、耐蚀性齿轮、轴等渗铬向零件表面渗铬，形成一层结合牢固的铬-铁-碳合金层，渗铬后零件表面抗氧化、耐磨、耐蚀性提高，可以代替铬不锈钢材料轴、轴套、紧固件等朔料喷涂钢铁表面喷涂一层工程朔料的涂覆层，使金属与水分、空气等外界腐蚀介质隔开，达到提高金属的抗蚀能力适用于不进行摩擦的小零件金色喷涂利用乙炔、氧等火焰燃烧或电源电弧溶融能防腐蚀的金属，喷涂于零件表面，达到表面防腐能力。轴等常用的水下设备防腐措施：1〕钢丝绳和拉链的防腐措施：一方面要加强日常的防腐保养，及时去除外表污泥和定期涂油，另一方面应定期用专用工具撬开钢丝绳，检查内部的腐蚀锈蚀情况，不行就更换。2〕水下轴承的防腐措施：采有合理的密封措施。3〕搅拌设备的防腐措施：应根据搅拌介质的腐蚀情况、水质要求、使用寿命要求和造价而定，常采用环氧玻璃钢防腐蚀、橡胶防腐蚀和化工搪瓷防腐蚀等。4〕曝气转刷的防腐措施：转刷由一根直径为300~400mm的空心轴和安装在轴上的无数刷片构成，转刷的长度由氧化沟的宽度确定，但由于结构的限制，长度一般为3~12m。为防止生锈，空心轴的外表一般涂以环氧沥青或包裹一层氯丁橡胶，刷片用不锈钢或塑料制成，安装在不锈钢制的组合包箍上，组合包箍按一定间距紧固在空心轴上。2.1.5水工艺中常用防腐措施2.2设备的保温热水供给系统中的加热设备、贮热设备、蒸汽管道、热水管道及某些凝结水管道都必须保温。保温良好的管网热损失一般为总输送热量的5％～8％，而保温结构费用约为管网本钱的25％～40％，由此可见，热水供给系统中的设备和管道的保温对保证热水的水温、节能、