1、工业设备的腐蚀与防护综述姓名：学号：学院：班级：大学2013 年 1 月 11 月过程装备腐蚀与防护综述2工业设备的腐蚀与防护综述摘要：近年来，工业生产中对设备的腐蚀防护越来越重视。由于过程设备的使用材料金属或者非金属都有其自身的特性，所以导致它们在不同的情况下都会有不同的腐蚀程度；还有外部的因素（环境，介质等等）的影响也会导致工业中设备的材料被腐蚀。因此，我们在选择工业设备的材料时，要综合考虑材料的特性以及材料所处的介质环境，然后给予合理的设计，或者对设备进行腐蚀的防护措施，以降低由过程设备腐蚀而发生的事故，减少由腐蚀导致的经济损失。关键词 设备腐蚀；防护措施；材料；降低过程装备腐蚀与防护综
2、述3Industrial equipment corrosion and protection of the reviewAbstractIn recent years, the industrial production of the corrosion protection of the equipment is more and more attention. Due process equipment use metal or nonmetal material has its own characteristics, so lead to they will be different
3、 in different situations of the corrosion degree; There are external factors (environment, media, etc.) can lead to the influence of industry material corrosion of the equipment. Therefore, we in the choice of industrial equipment material, to comprehensive consideration of the material and the char
4、acteristics of the medium environment, and then gives the reasonable design, or to the equipment corrosion of protective measures, in order to reduce the process equipment corrosion and accident, reduce the economic loss caused by corrosion.Keywords: equipment corrosion; Protection measures; Materia
5、ls; To reduce过程装备腐蚀与防护综述4前 言 一 腐蚀的危害性与控制腐蚀的重要意义1 经济损失经济损失可以划分为直接经济损失和间接经济损失，大多数由政府或者一些组织有针对性的调查所获得的数据我们称它为直接经济损失，这些数据的统计在世界范围内也已进行多次，其结果如表 1 所示。表 1-1 国外腐蚀损失调查国家 年份 直接损失 占国民生产总值%可能减少损失%美国 1949197319751983198455 亿美元150 亿美元700 亿美元1430 亿美元1680 亿美元4.2 15英国 1957197119856 亿英镑13.65 亿英镑100 亿英镑3.5 23西德 1968-1
6、9691982190 亿马克450 亿马克25前苏联 19851987400 亿卢布600-700 亿卢布日本 1976 92 亿美元 20前捷克斯洛伐克1986 150 亿捷克克郎瑞典 1986 350 亿瑞典法郎印度 1960-19611984-199515 亿卢比400 亿卢比45澳大利亚 1973 4.7 亿澳元除了调查所得出的直接经济损失数据以外，还存在着间接经济损失，即由于腐蚀导致装置效率低，或者产品污染，或者腐蚀使设备更新换代的周期更加短，并且腐蚀也需要更多的工人来进行设备的维护，或者停车以及设计上的富裕容量等给国民经济带来巨大的损失。2 资源损失地球上的矿藏是有限的，腐蚀过程在
7、资源上表现为金属铁，铬，镍，铝，铜等资源的消耗过程，不加以防止，如同能源一样，大多数腐蚀掉的金属是不能再回收利用的。这样，不仅是经济上的巨大损失，也是资源上的巨大损失，因此，我们必须更加珍惜地球上的不可再生和不可回收资源。3 道义的损失过程装备腐蚀与防护综述5由于腐蚀的存在，偶尔会引发一些突发，意想不到的事故，并且造成人员的生命或者财产损失。例如英国制造的世界第一架喷气式客机彗星号，由于窗框氢脆，飞机分为两半。又如北海采油平台的局部被腐蚀从而引发的腐蚀疲劳，最终倒塌，这些类似的事件各国都有发生。随着社会的发展，文明程度越来越高，腐蚀所引起的事故几率就会越大，全世界必须将经济发展，防护工程以及环
8、保技术结合起来，才能保证文明的可持续发展。4 腐蚀的其他影响腐蚀的现象无处不在，它几乎涉及我们国民经济的所有领域。例如，各种设备，桥梁，机器，交通工具，建筑材料在空气中因腐蚀而生锈；舰船、沿海的港口设施因为遭受了海水和海洋微生物的腐蚀会导致盐化；埋在地底下的输油、输气管线和地下电缆会因土壤和细菌的腐蚀而导致穿孔；钢材在轧制过程因高温下与空气中的氧作用而产生大量的氧化皮；人工器官材料在血液、体液中被慢慢地腐蚀；化工机器与设备常常与各种酸、碱、盐等强腐蚀性介质接触，这一类的腐蚀问题严重突出，特别是在高温、高压、高流速工况下的机械设备，往往会使材料迅速被腐蚀破坏。并且，我们目前在工业上使用的材料，没
9、有绝对不腐蚀金属材料或者非金属材料的。腐蚀不仅会造成经济上的巨额损失，并且往往也会阻碍新技术、新工艺的发展。例如，硝酸工业在有了不锈钢以后才能进行大规模的生产；合成尿素新工艺在上世纪初就已完成试验，但是直到 20 世纪 50 年代，解决了熔融尿素对钢材的腐蚀问题之后才能进行工业化的生产。因此，研究材料的腐蚀规律，弄清腐蚀发生的真正原因然后对其采取有效的防腐措施。对于延长设备的寿命、降低产品的成本、提高社会劳动生产率具有非常重要的意义。二 设计者掌握腐蚀基本知识的必要性延长设备的使用寿命，避免事故发生的重要前提是保证对腐蚀进行有效的控制。如果我们在方案设计阶段的时候就能够充分考虑到对腐蚀的控制，
10、那么巨大的设备维修费用（由腐蚀引起的）就可以大大得到节约。腐蚀控制通常有两种措施，第一是补救性控制，就是在腐蚀发生之后再对它进行消除，或者改善控制；第二是预防性控制，就是设计时考虑防腐，或者事先有效地采取防腐措施，避免或延缓腐蚀，尽量减少由腐蚀引起的有害影响。三 有关防腐的管理机制和教育有关防护重要性的认识，需要有关部门（立法机构和教育部门）进行管理和教育。首先要立法，比如美国政府就地埋地管线的保护从法律上做了规定，即各类埋地管线必须进行保护盒定期检查。德国，前苏联也都有相应的规定，这是强制性的法规，目的是为了提高各类人员特别是管理人员的重视。其次是建立教育体制，广泛开展教育工作，提高防护的自
11、觉性，努力做到防护工作的自觉性与科学性相结合，只有防护水平的提高，才能减少经济损失以及减少突发事故发生的几率。四 腐蚀的定义与分类1 金属的腐蚀金属的腐蚀是金属材料在环境的作用下所引起的破坏或变质。或者说是金属介质在相界面上反应作用产生的结果。腐蚀有不同的分类方法。按照腐蚀机理我们可以将金属腐蚀分为化学腐蚀与电化学腐蚀两大类。（1) 化学腐蚀是指金属与非电解质直接发生化学作用而引起的破坏。过程装备腐蚀与防护综述6（2) 电化学腐蚀是金属与电解质溶液发生电化学作用而引起的破坏。按照金属腐蚀破坏的形态特征，可分为全面腐蚀和局部腐蚀两类。(1) 全面腐蚀是指发生在整个金属表面均匀的或者不均匀的腐蚀。
12、(2) 局部腐蚀是指金属的局部区域被腐蚀，而其他部分几乎没有腐蚀或腐蚀很轻微。2 局部腐蚀可分为以下几种情况：A磨损腐蚀 金属在高速流动中或者在含固体颗粒的腐蚀介质中，在有摩擦的腐蚀性质中发生的腐蚀破坏叫做磨损腐蚀。B腐蚀疲劳 材料或者构件在腐蚀环境和交变应力的共同作用下引起的脆性断裂称为腐蚀疲劳。C晶间腐蚀 在物质的沿晶结构中被腐蚀，导致晶粒间失去结合力，金属的机械强度急剧降低。一版在金属被破坏前外观常常没有明显的变化。D电偶腐蚀 异种金属在电解质溶液接触时，电位较正的金属会使电位较负的金属加速腐蚀，叫做电偶腐蚀。E小孔腐蚀 腐蚀的破坏主要是集中在某些活性的点上，蚀孔的直径一般小于等于蚀孔的
13、深度，严重时会使设备穿孔。F应力腐蚀破裂 它是在拉应力和腐蚀介质共同作用下迅速发生和扩展的一种开裂破坏。G缝隙腐蚀 一般都发生在铆接、螺纹接头、密封垫片等缝隙处。H. 氢脆、选择性腐蚀、空泡腐蚀、丝状腐蚀等。1.金属设备的电化学腐蚀基本理论1.1 金属电化学腐蚀原理1.1.1 金属的电化学的历程金属的腐蚀实际上就是金属和介质之间发生了氧化还原反应生成金属化合物的过程。其主要原理是化合价为零的金属容易受到介质中氧化剂的作用从而被氧化成正价的离子然后转移到腐蚀的产物中去，同时，介质中的氧化剂会被还原。氧化还原反应根据条件的不同，可以按照按以下两种不同的历程进行。一种历程是氧化剂直接和金属的表面的原
14、子接触，碰撞，化合从而形成的腐蚀产物，就是氧化还原在反应粒子相碰撞的那一个瞬间直接在相碰撞的反应点上完成，这种腐蚀历程所引起的金属破坏我们可以称为化学腐蚀。例如金属锌在高温的含氧气氛中的腐蚀：2Zn+O22ZnO另一种历程是金属腐蚀的氧化还原反应中有着两个同时进行但是又相对独立的过程。例如金属锌在含氧的中性水溶液中的腐蚀，总得方程式如下：2Zn+O2+H2OZn（OH） 2这是一个氧化还原反应，锌被氧化，氧被还原，但是它们的氧还反应产物Z（OH） 2 却 不是通过氧分子和锌原子直接碰撞结合而形成的，几个步骤形成的：（1） ZnZn 2+2e（2） 1/2O 2+H2O+2e2OH -(3) Z
15、n2+2OHZn（OH） 2(1)+(2)+(3): Zn+1/2O2-Zn(OH)2过程装备腐蚀与防护综述7在上面的式子中，反应（1）和反应（2）它们是同时进行但是又是相对独立地进行，就是说反应（1）中的锌原子并没有和反应（2）中的氧分子直接碰撞。实际上是锌原子被氧化成锌离子后进入溶液，它释放出的电子从发生反应（1）的表面部位通过金属锌的本身传递到发生反应（2）的表面部位，然后再和氧分子结合使其发生氧还原。所以直接生成的腐蚀产物从金属表面进入溶液的 Zn2+和 OH-我们称为一次产物。而这两种离子在水溶液中扩散相遇后按反应（3）生成白色腐蚀产物 Zn（OH） 2,通常我们称后者为二次产物。电
16、化学腐蚀的构成一般分为三个环节：1）阳极过程金属溶解后在金属上留下可以自由移动的离子。2）电子的流动可自由移动的离子从阳极流向阴极，形成回路。3）阴极过程离子，原子和分子在阴极上发生氧化还原反应。腐蚀电池也是金属电化学的一种例子，腐蚀电池分为两个大类：1.宏观腐蚀电池一般形成宏观腐蚀电池有三种情况：金属偶接、浓差电池及温差电池。2.微电池工业用金属及其合金的表面因化学不均一性导致存在大量的微小的阴极和阳极，它们在合适的条件下都会构成微电池腐蚀系统。它们的分布以及它们的阴阳极面积比都没有一定的规律，所以我们预防与控制起来都比较困难。构成金属表面的电化学不均一性的主要因素为：（1）化学成分不均一
17、（2）组织结构不均一 （3）物理状态不均一 （4）表面膜不完整1.1.2 金属电化学的原理和分类电化学腐蚀是最广泛的一种金属腐蚀原理。金属被放置在水溶液中或者潮湿的大气中时，金属的表面会形成微电池，我们也称它为腐蚀电池(电极习惯上称阴、阳极，不叫正、负极)。阴极发生还原反应，一般只起到传递电子的作用；而阳极发生氧化反应，它会使阳极发生溶解。腐蚀电池形成的原因是由于金属表面吸附了空气中的水分后形成水膜，然后空气中 CO2，SO 2，NO 2等物质溶解在这层水膜中，从而形成电解质溶液。而浸泡在这层溶液中的金属非纯金属，例如工业中用的钢铁，他的成分是合金，还含有石墨、渗碳体(Fe 3C)以及其它的金
18、属和杂质，它们大多数没有纯金属铁活泼。因此，腐蚀电池的阳极为铁，而阴极为杂质，并且腐蚀不断进行因为铁与杂质紧密接触。1.1.3 电化学腐蚀热力学金属和溶液的界面特性双电层金属浸入电解质的溶液内，它表面的正离子由于极性水分子的作用，很容易与溶液中的极性水分子、电解质离子相互作用，使界面的金属和溶液侧分别形成带有异性电荷的双电层。双电层的模式是随着金属、电解质溶液的性质来决定的，一般有三种类型。 金属的离子和极性水分子之间的水化力大于金属离子与电子之间的结合力 金属的离子和极性水分子之间的水化力小于金属离子与电子的结合力 金属的离子不能进入溶液，溶液中的金属离子也不能沉积到金属表面。上述各类双电层
19、都具有以下特点：1）双电层的两层“极板”它们分别处于不同的两相金属相和电解质溶液中；2）双电层的内层有过剩的电子或者阳离子，当系统形成回路的时候，电子就可过程装备腐蚀与防护综述8以沿着导线流入或者流出电极；3）双电层就像平板的电容器，由于两侧之间的距离是非常小的（一般约为510-8cm） ，因此这个“电容器”中的电场强度非常高，据估计它们的电场强度可以达 107109 V/cm。1.1.4 电极电位电极：完整的腐蚀电池一般是由两个电极组成。电极包括自身和所处的电解质溶液。所以电极就是电子导体和离子导体互相接触并且它们之间的电子发生移动从而发生氧化还原。电极电位：我们在通常把由电极反应使金属电极
20、和溶液界面上建立起来的双电层电位跃（双电层两侧之间的电位差）称为电极电位（也称为电极电势简称电位） ，它是一个矢量，其数值是由电极的本身、电解液的浓度、温度等因素决定的，电极电位包括平衡电极电位和非平衡电极电位。（1）标准电极电位：当离子的活度为 1M 或者气体的逸度为 1atm 时，温度为25 摄氏度的时候，就是标准状态下的平衡电极电位。（2）平衡电极电位：对于一个电极系统，在一定的温度和压力条件下，当电化学的反应达到平衡的状态时，该电极的电位就叫做平衡电极电位。或者说电极反应的正逆过程的电荷运送速度和物质迁移的速度相等时，反应就能达到动态平衡状态。（3）非平衡电极电位：对于一个电极系统，当
21、电化学的反应为非平衡状态时，该电极的电位就叫做非平衡电极电位。金属接触的溶液，大多数都是不含有金属本身离子的溶液，而且金属表面进行的是两对或者两对以上的电极过程，并且过程中的物质并不平衡不可逆电极，这种状态的电极电位我们称为非平衡电极电位。它和金的属性质、电解液的组成、温度等因素有关。1.1.5 金属电化学腐蚀的趋势判断：由热力学第二定律可知：当 G=-nFE0, 反应会自发进行，E=EkE m0,就是金属的电极电位小于介质中阴极元素的电极电位时，腐蚀就可以自动发生。在有氧的介质中，当金属的电极电位 Ee,m 比介质中氧的电极电位 Ee,o更负时，金属会有腐蚀的发生；在没有氧的还原性酸中，当
22、Ee,mEe,H 时，金属也会发生腐蚀；当两种不同的金属偶接在一起时，电位较负的金属就可能会发生腐蚀，而电位较正的则可能不发生腐蚀。 1.2 电化学腐蚀动力学1.2.1 极化现象极化现象是由于电池在工作的过程中，电流的流动而引起的电极电位偏离初始值的一种现象。一般来说，阳极电位向正方向偏离我们称为阳极极化；而阴极电位向负方向偏离我们称为阴极极化。1.2.2 极化的原因1）活化极化：金属离子进入溶液中的速度小于电子从阳极转移到阴极的速度，因此阳极上就会有大量的金属离子积累在上面，当阳极过程进行得缓慢的时候，我们称之为活化极化。2）浓差极化：金属离子的浓度差引起的阳极极化我们称之为浓差极化。3）钝
23、化：由于金属的表面可以形成一层钝化膜，影响到阳极过程的进行。过程装备腐蚀与防护综述91.2.3、极化的三种形式：产生极化现象的根本原因是阳极或阴极的电极反应与电子迁移速度存在差异引起的。1）.电化学的极化：电极反应速度电子迁移速度；2）.浓差的极化：去极剂或者反应产物在溶液中的扩散速度电极反应速度；3.）膜阻的极化：金属表面形成的保护性薄膜阻滞了阳极反应，使阳极电位急剧正移；同时由保护膜的存在，系统电阻大大增加。极化的实质是一种阻力，增大极化，有利于降低腐蚀电流和腐蚀速度，对防腐有利。1.2.4、超电压超电压是当腐蚀电池在工作的时候，由于极化的作用从而使阴极的电极电位降低或者阳极的电极电位升高
24、，它偏离平衡电极电位的差值我们就称为超电压或。一般来说，如果超电压越大，极化的程度就越大，电极得反应就越难进行，腐蚀得速率就会越小，反之亦然。超电压也有三种形式：1）.活化超电压 2）.扩散超电压 3）.膜阻超电压 1.2.5、去极化的作用去极化作用是能减弱或者消除极化过程的行为。增加去极剂的浓度、升高温度、搅拌、扩大极板的面积等都有可能产生去极化的效果。从控制腐蚀的角度来看，我们总是希望如何增大去极化的作用来降低腐蚀的速度。1.3 腐蚀速度前面提到，电极的电位能够决定电化学腐蚀的倾向性，但是不能表示腐蚀的速度，金属的电极电位越接近负的，其电化学的腐蚀的倾向性就越大，但是并不能说明它的腐蚀速度
25、就越快。比如铝和铁。铁比铝要靠后，但是其腐蚀速度不一定就快。腐蚀的速度快慢是电化学反应中人们最关心的问题，它由电极本身的性质、介质的种类、浓度、温度、状态等许多因素影响。1.3.1 腐蚀速度的计算：电化学它的腐蚀过程也是严格地遵守电子能量守恒定律，就是阳极失去的电子数和阴极得到的电子数目是相等的。根据据法拉第定律，电极上溶解或者析出 1mol 的物质所需要的电量为 96500 库伦，所以此，知道腐蚀电流或者腐蚀电流的密度就能够计算出所溶解的或者所析出的物质的数量。1.3.2、腐蚀速度的表示法：1）.质量法：一般都是用腐蚀前后的金属质量的变化来表示K 失重=（W oW 1）/STWo-初始时的质
26、量，W1-腐蚀后的质量，S表面积（m 2） ，T-时间（h）2）深度法：一般用腐蚀后的金属厚度减少来表示D=24x365K/1000=8.76K/(mm/a)毫米每年D腐蚀深度， -金属的密度，g/cm31.3.3 金属腐蚀速度的影响因素：1）.金属本身：电极电位、钝性、组成、组织结构、超电压、表面状态、腐蚀产物性质等2）.金属的热处理工艺：影响合金的盈利状态和晶相结构等；3）.环境介质：组成、温度、压力、流速、浓度、PH 值等；过程装备腐蚀与防护综述104）.其他环境：电偶效应、微量氧、微量高价离子、微量氯离子、析出氢等。1.3.4 耐蚀性的评定：对受到均匀腐蚀的金属，我们通常以年腐蚀的深度
27、来评定其耐蚀性的等级。但是对于一些要求比较严格的场合，通常要用十级得评定标准，一般在工程的应用中三级或者四级的评定就够了。1.4 金属的钝性1.4.1 钝化现象金属从活性的溶解状态向耐蚀状态（钝性状态）的转化做叫金属的钝化。钝化后的状态叫做钝态。金属钝化现象的特征：（1）金属钝化的难易程度通常与钝化剂、金属本性以及温度等有关。钝化后金属的整体不会发生改变只是金属的表面改变而已。（2）金属钝化后电位常常是往正方向上升。（3）金属钝态与活态之间的转换往往具有一定程度的不可逆性。它在相当程度上一直都会保持钝态。（4）金属在一定的条件下，利用外加阳极电流或者局部阳极电流可以使金属从活态转变为钝态。钝化
28、之后腐蚀的速度会大大地降低。1.4.2 影响钝化的因素1）金属材料：许多金属在特定的条件下都能钝化，但是它们的难易程度和稳定性却不一样。2）温度：温度较低的时候，有利于产生钝化，温度越高钝化就越困难。3）环境：大多数的钝化剂是有氧化性的物质，例如氧化性酸和氧化性酸的盐。氧化剂的氧化能力越强，就越容易使金属发生钝态变化。钝化剂的浓度也会影响钝化的形成。4）其他因素：活性离子（氯离子）和还原性的气体（氢气） ，非氧化性酸，阴极极化，碱溶液，机械磨损等等。1.4.3 钝化膜的破坏1）化学，电化学因素：如果在介质中加入一些活性的阴离子，例如氯离子，氢氧根离子，碘离子和溴离子等，会导致钝化膜的破坏。2）机械因素：机械碰撞电极的表面也会使钝化膜遭到损坏，膜的介电性质也会使钝化膜破坏。2.影响局部腐蚀的结构因素2.1 力学因素材料或者机械设备结构上存在的或者外加的不同性质的应力，例如：拉应力、交变应力、剪应力，或者化学变化，相变引起的应力，它们和腐蚀介质共同作用下，发生开裂或者断裂现象，导致应力腐蚀、腐蚀疲劳、磨损腐蚀，冲击腐蚀等应力腐蚀的产生。它们的腐蚀特征和腐蚀机理都是不相同的。SCC (Stress Corrosion Cracking)：中文翻译是“应力腐蚀开裂” ，它是指金属结构在拉应力以及特定的腐蚀环境中共同作用而引起的破裂，也简称应力腐蚀。2.1.1 应力腐蚀产生的条件
