金属在某些环境中的腐蚀与防护.ppt

材料腐蚀与防护,贵州大学材料与冶金学院,7.1 大气腐蚀,7.2 土壤腐蚀,7.3 海水腐蚀,第七章 金属在某些环境中的腐蚀,大气的腐蚀性,大气腐蚀的特点,大气腐蚀的影响因素,防锈,大气腐蚀,土壤腐蚀的特点,埋地钢铁管道的保护,土壤腐蚀的几种常见形式,土壤腐蚀,海水腐蚀,船舶和海洋设施的保护,海水腐蚀,7.1 大气腐蚀,大气的近似组成(10oC，100KPa),空气中氧的含量约23%，是大量的也是主要的腐蚀剂，直接参与金属的腐蚀反应。空气相对湿度对金属的大气腐蚀也有重要影响。(相对湿度：空气中水蒸气含量与同温度下饱和水蒸气含量的比值的百分数)。,大气的次要成分(杂质),当空气湿度达到100%，形成肉眼可见的水膜；当空气的相对湿度低于100%，金属表面也可能形成水膜，原因是：由于金属表面上形成的水膜并不是纯净的水，形成电解质溶液。因此，大气腐蚀属于电化学腐蚀范畴。,毛细凝聚,化学凝聚,吸附凝聚,构件中的狭缝金属表面上的灰尘腐蚀产物中的细孔,大气腐蚀条件下水汽毛细凝聚的可能中心,毛细管半径与水汽冷疑所需相对湿度的关系,与饱和盐溶液平衡的空气相对湿度(20oC),吸附水膜厚度与空气相对湿度的关系(洁净的细磨过的铁表面),:干大气腐蚀=10100:潮大气腐蚀=100 1m:湿大气腐蚀=1 m1mm:全浸,1mm,大气腐蚀的类型干大气腐蚀：空气十分干燥，金属表面上不存在水 膜,金属的腐蚀属于常温氧化。潮大气腐蚀：Rh100%，在金属表面上存在肉眼 不可见的薄液膜,随水膜厚度增加,V-迅速增大。湿大气腐蚀：Rh100%，金属表面上形成肉眼可 见的水膜，随水膜厚度增加，V-逐渐减小。,大气腐蚀的特点氧分子还原反应速度较大，成为主要的阴极过程。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；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化控制；此外，腐蚀产物的性质对大气腐蚀过程有重要影响。,析出H2或吸收O2的体积,(cm3/dm2),镁在全浸，蒸镏水薄膜和洁净大气条件下腐蚀时的氢去极化及氧去极化 全浸 薄水膜 大气腐蚀 氧去极化 氢去极化(根据ToMawoB),(根据 Po3eHeb4),大气腐蚀的影响因素（1）气候条件：湿度、降水量、温度、日照量；（2）大气污染物质：SO2：能强烈促进钢铁的大气腐蚀 盐粒：溶解于金属表面水膜，增加吸湿性和导电性，氯离子还具有强腐蚀性。烟尘：烟尘落在金属表面，能吸附腐蚀性物质，或 者在金属表面上形成缝隙，增加水汽凝聚。,铁的大气腐蚀(大气中含0.01%SO2)暴露55天的结果,抛光钢试样大气腐蚀（空气中杂质）,相对湿度(%),E:烟尘颗粒+0.01%SO2D:硫铵颗粒+0.01%SO2C:无颗粒+0.01%SO2 B:硫铵颗粒 无SO2 A:纯净空气,E,D,C,B,A,SO2对钢铁大气腐蚀的影响(根据Evans),曲线A:暴露到不 含SO2湿空气中;曲线B:暴露到含 SO2 空气中;,SO2对钢铁大气腐蚀的影响(根据Evans),1 2 4 8 16 时间(天),32,2222,222,22,CDDC,防锈各种金属耐大气腐蚀性能：普通碳钢在潮湿和污染大气中很容易生锈，须使用油漆涂料之类的覆盖层进行保护。含铜、磷、铬、镍的低合金钢有良好的耐大气腐蚀性能。当大气污染严重时，不含钼的奥氏体不锈钢也会产生锈点。有色金属铝、铜、铅、锌有良好耐大气腐蚀性能，但当存在污染物质时，腐蚀速度增大。,部分金属大气腐蚀速度（mm/y）,涂料和金属镀层对于机器设备和管道的外表面，构件和建筑物，最常用的防锈方法是油漆涂料覆盖层。化工大气防腐蚀涂料：各种环氧树脂漆、过氯乙烯漆、乙烯漆、有机硅耐热漆、铝粉漆、聚氨酯漆等。金属镀层用得较多的是钢管和部件镀锌、镉和铬。,金属制品在加工贮存和运输中的防锈(1)降低空气湿度(2)暂时性防锈层“暂时”并不是指时间短，而是指金属制品在连续加工或使用时可以顺利地将防锈材料除去。常见的防锈材料：防锈水、防锈切削液、防锈油和防锈脂、防锈塑料、气相缓蚀剂(记为VPI或VCI)。,几种防锈油(脂)的配方及使用,7.2 土壤腐蚀,(1)土壤是土粒、水和空气的混合物。由于水中溶有各种盐类，故土壤是一种腐蚀性电解质，金属在土壤中的腐蚀属于电化学腐蚀。(2)土壤是多相结构，含有多种无机和有机物质，这些物质的种类和含量既影响土壤的酸碱性，又影响土壤的导电性。土壤是不均匀的，长距离地下管道和大尺寸地下设施，其各个部位接触的土壤的结构和性质变化大。还有大量微生物，对金属腐蚀起加速作用。,(3)影响土壤腐蚀性的主要因素 含水量既影响土壤导电性又影响含氧量。氧的含量对金属的土壤腐蚀有很大影响。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，随电阻率减小，土壤腐蚀性增强。pH值愈低，土壤腐蚀性愈强。,土壤腐蚀性划分标准,电阻率(m)判断土壤腐蚀性,(1)阴极过程 主要是氧分子还原反应。土壤的结构和湿度(透气性)决定了氧的输送速度，从而决定了阴极反应速度。(2)阳极过程 在中性和碱性土壤中，腐蚀产物与土壤粘结在一起，形成一种紧密层，使阳极过程受到阻碍，对金属起到保护作用。,土壤腐蚀的特点,(3)控制特征对微电池腐蚀，a)在干燥疏松土壤中，氧易透过，阴极反应易进行，而铁转变为钝态，阳极反应阻力大，故腐蚀属于阳极极化控制。b)在大多数土壤中，氧的输送比较困难，阴极反应阻力大，腐蚀属阴极极化控制。对大电池腐蚀，如果阴极区与阳极区距离较远，欧姆电阻有重要作用，腐蚀过程属于阴极极化和欧姆电阻混合控制。,I,E,(I),c,a,(II),I,E,c,a,IRl,c,(III),I,E,a,（I）大多数土壤中微电池腐蚀（阴极控制）；（II）疏松干燥土壤中微电池腐蚀（阳极控制）；（III）长距离大电池腐蚀（阴极和欧姆电阻控制）；,（1）全面腐蚀 对于小金属制品，主要是全面腐蚀。对于大型设备，长距离管道，以大电池造成的局部腐蚀为主。（2）氧浓差电池腐蚀 富氧区和贫氧区接触的金属部分组成氧浓差电池，富氧区接触的金属表面为阴极；贫氧区接触的金属表面为阳极。,土壤腐蚀的几种常见形式,富氧区阳极极化曲线较陡，Pa较大，因而贫氧区腐蚀电流较大。,粘土(贫氧区),砂土(富氧区),阴极,阳极,埋地钢管,地面,土壤中构成氧浓差电池的一种情况,氧浓差电池腐蚀(钢铁),E,Log i,（3）杂散电流腐蚀杂散电流是指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。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。腐蚀掉的金属量和流过的杂散电流的电量成正比，按法拉弟电解定律进行估算。,电车轨道漏出的杂散电流对土壤中钢铁管道的腐蚀作用图,轨道,架空线,电车,电流流出,阳极区域（严重腐蚀）,阴极区域,土壤,钢管,(4)细菌腐蚀或微生物腐蚀(MIC)有的细菌的生命活动的代谢产物具有很强的腐蚀性。有的细菌的生命活动能促进金属腐蚀的阴极反应，影响电极反应动力学过程。有的细菌活动改变了金属周围的环境条件，如氧浓度，盐浓度，pH值，增加土壤的不均匀性。有的细菌活动能破坏金属表面保护性覆盖层的稳定性，或使缓蚀剂分解失效。,土壤腐蚀中常见的细菌硫氧化菌：与腐蚀有关的硫氧化菌主要是硫杆菌属的细菌，包括氧化硫杆菌，排硫杆菌和水泥崩解硫杆菌。它们属于喜氧性细菌，在有氧的条件下才能生存。硫酸盐还原菌(SRB)：属厌氧性细菌，在缺氧条件下才能生存。在缺氧的中性土壤中，腐蚀过程是很难进行。,总反应：4Fe+SO42+4H2O FeS+3Fe(OH)2+2OH硫酸盐还原菌腐蚀图解,8H2O 8OH+8H+8H+6OH+2OH,SO42-S2+4O8H+4O 4H2O,FeS,Fe2+,3Fe2+,3Fe(OH),6OH,S2,硫酸盐还原菌,软钢的阳极和阴极极化曲线（30C）左：阳极室无菌，阴极室不接种去磺弧菌(D.desulfuricans)右：阴极室无菌，阴极室不接种去磺弧菌(D.desulfuricans),E(V),i(mA/cm),E(V),i(mA/cm),（1）减小土壤的腐蚀性 加强排水，保持土壤干燥。在酸性土壤地段，可以在钢管周围填充石灰石碎块。在埋置管道时用腐蚀性较小的土壤回填。（2）覆盖层保护 石油沥青层有良好的防水性和耐蚀性。氧煤焦沥青耐蚀性很好，但毒性大。塑料粘结带适宜长距离管道的现场机械化施工，但费用较高。,埋地钢铁管道的保护,（3）阴极保护和涂料联合阴极保护和涂料联合是保护地下钢铁管道最经济有效的方法。地下管道的阴极保护可采用牺牲阳极保护法，也可以采用外加电流保护法。外加电流法阴极保护系统对其他地下管道(以及其他设施)的干扰杂散电流腐蚀。,阴极保护系统产生的杂散电流对其他设备的干拢腐蚀,控制杂散电流的方法(1)直流电源要加强绝缘，不使电流流入土壤。(2)改善管道绝缘质量。(3)将受干扰的管道与被保护管道连接起来，共同保 护。(4)在多管道地区，最好采用多个阳极站，每个站的保护电流较小，以缩小保护电流范围。(5)采用深井阳极。(6)采取排流措施,防止杂散电流腐蚀的排流保护法,7.3 海水腐蚀,海水近似看做3%或3.5%的氯化钠溶液。几乎含有地壳中所有的自然状态的元素。海水中含氧量大，表层海水可以认为被氧饱和，随温度变化，氧含量在5 10mg/L范围。pH：7.2 8.6，呈微碱性。温度：2 35C导电性强。,海水的组成和性质,海水的主要成分,碳钢腐蚀率与海水流速的关系,由于海水导电性好，腐蚀电池的欧姆电阻很小，因此异金属接触能造成阳极性金属发生显著的电偶腐蚀破坏。海水中含大量氯离子，容易造成金属钝态局部破坏。碳钢在海水中发生吸氧腐蚀，凡是使氧极限扩散电流密度增大的因素，如流速增大，都会使碳钢腐蚀速度增大。海洋环境的腐蚀分为几个区域：海洋大气区、飞溅区、潮汐区、全浸区和海泥区。,海水腐蚀的特点,耐海水钢Mariner与碳钢的试验结果（九年暴露，美国）,船舶和海洋设施的保护,（1）材料 低合金海水用钢与碳钢的比较,（2）设计和施工在选材、设计和施工中要避免造成电偶腐蚀和缝隙腐蚀。与高流速海水接触的设备(泵、推进器、海水冷却器等)要避免湍流腐蚀和空泡腐蚀。（3）涂料保护（4）阴极保护阴极保护与涂料联合应用是最有效的防护方法。现在海洋船舶、军舶普遍采用这种防护方法。,