1、毕 业 设 计(论文)题 目：海洋大气环境下钢结构腐蚀行为的研究专业班级：材料物理 毕业设计(论文)摘 要随着科学技术的不断发展，海洋经济日益成为国民经济支柱产业的主要组成部分，大量的近海和海上设施投入运营，其中包括海底隧道、沿海机场、近海石油储罐群和海上钻井平台等，这些建筑设施所需的主要材料为钢结构。然而，在海洋大气中钢结构的腐蚀问题日益严重，严重影响设备的使用寿命，同时也给设备的安全带来隐患。针对海洋大气环境中钢结构的腐蚀行为和机理进行研究有助于建立有效的防腐蚀措施，减少经济损失。本文通过盐雾试验、表观腐蚀形貌分析、金相分析、极化曲线测量试验及腐蚀产物的 XRD 分析几种手段，分别研究了不
2、同温度氯离子浓度以及干湿交替环境下 Q235 钢的腐蚀规律。研究结果表明：腐蚀速率随温度升高而增加；随着氯离子浓度增加腐蚀速率先增加后减小；干湿交替可以加速腐蚀；在海洋大气环境下，钢的主要腐蚀产物为 Fe2O3H2O 和 Fe3O4。关键词：海洋大气环境；盐雾试验；温度；氯离子浓度；干湿交替毕业设计(论文)ABSTRACTMarine economy has become part of pillar with the development of science and technology. The Cross Harbor Tunnel is included the new marin
3、e industry. Steel is the main material of these devices. Corrosion of steel in the atmosphere is more and more serious in recent years. and it affects the service life of the equipments. Studying on the mechanism of offshore corrosion helps us master the regulation of corrosion , based on that we ca
4、n take measures to reduce economic losses. In these paper we use salt spray testpolarization curve and so on to study the regulars patterns of corrosion. We study on the temperature ，concentration of chloride ion and alternating the wet and dry environment corrosion behavior. The corrosion rate is i
5、ncreased with the increasing temperature. Chloride ion concentration rate has a maximum value. Alternating wet and dry environment increases corrosion.The corrosion poruduct film is Fe2O3H2O and Fe3O4.Keywords: offshore; corrosion; temperature; Chloride ion concentration; wet and dry毕业设计(论文)目 录第 1 章
6、 前 言.11.1 近海大气腐蚀的研究意义 .11.2 近海大气腐蚀的特点 .11.3 近海大气钢结构的腐蚀机理 .21.4 近海大气腐蚀影响因素研究现状 .21.4.1 温度.21.4.2 氯离子浓度.31.4.3 干湿交替.31.4.4 其它影响因素.3第 2 章 实验方法介绍.52.1 盐雾试验 .52.1.1 实验仪器及试剂.52.1.2 实验原理.62.1.3 实验步骤.62.2 极化曲线实验 .92.2.1 实验仪器与试剂.92.2.2 实验原理.92.2.3 实验步骤.10第 3 章 结果分析与讨论.123.1 温度对钢结构腐蚀的影响 .123.1.1 盐雾试验.123.1.2
7、腐蚀形貌.133.1.3 极化曲线.143.1.4 腐蚀产物膜分析.153.1.5 分析与讨论.163.2 氯离子浓度对钢结构腐蚀的影响 .173.2.1 盐雾试验.17毕业设计(论文)3.2.2 腐蚀形貌.183.2.3 极化曲线.193.2.4 腐蚀产物膜分析.213.2.5 分析与讨论.213.3 干湿交替对钢结构的腐蚀的影响 .223.3.1 盐雾实验.223.3.2 腐蚀形貌.223.3.3 腐蚀产物膜分析.243.3.4 分析与讨论.25第 4 章 结 论.26致谢.27参考文献.28毕业设计(论文)1第 1 章 前 言1.1 近海大气腐蚀的研究意义海洋面积约三亿六千万平方公里，约
8、占地球总面积的十分之七，海洋具有丰富的资源，随着科学技术的迅速发展，海洋经济逐渐成为国民经济的支柱产业之一。人类开发海洋已经有几千年的历史，早期的海洋开发仅限于“兴海盐之利，行舟楫之便”；20 世纪 60 年代初；海洋开采拉开序幕；80 年代，海洋开采进入高技术革命时期；90年代全面开发利用管理海洋的黄金时代到来，海洋产业成为新的经济增长点。世界范围内已成熟的海洋产业有：海洋石油工业、海水制盐及盐化工业、海洋交通运输业和滨海砂矿开采业；新型的海洋工业还有海洋空间的建设(包括海上人工岛、海底隧道、海上桥梁、海上机场、海上城市及海上娱乐场等)。钢材由于其高强度、优异的焊接性能及力学性能，且其来源广
9、泛、价格便宜而成为主要的建筑材料。近年来，海洋大气中钢结构的腐蚀问题越来越严重，严重影响了设备的使用寿命，同时也带来了巨大的安全隐患。我国每年因环境腐蚀损失的钢材相当于包头公司的年产量 1。所以，对近海钢结构的腐蚀机理进行研究是极其必要的。1.2 近海大气腐蚀的特点海水腐蚀大致分为 5 个区：海洋大气区、海水飞溅区、海水潮差区、海水全浸区和海泥区 2,每个区有不同的腐蚀特点。浪花飞溅区是钢铁腐蚀最严重的区域，其次是潮差区和全浸区之间，全浸区的腐蚀速率明显低于两者 3。近海地区的腐蚀主要由海洋大气环境引起。一般的大气腐蚀环境分为乡村大气、工业大气和海洋大气。乡村大气比较纯净，含杂质较少；工业大气
10、一般含有 SO2 和 H2S 等；海洋大气环境则不同，海洋大气是指在海平面以上由于海水的蒸发，形成含有大量盐分的大气环境 4。此种大气中盐雾含量较高，对金属有很强的腐蚀作用。与浸于海水中的钢铁腐蚀不同 ,海洋大气腐蚀同其它环境中的大气腐蚀一样是由于潮湿的气体在物体表面形成一个薄水膜而引起的。这种腐蚀大多发生在海上的船只、海上平台以及沿岸码头设施上。普通碳钢在海洋大气中的腐蚀比沙漠大气中大 50 倍100 倍 5。海洋大气中相对湿度较大，同时由于海水飞沫中含有氯化钠粒子，所以对于海洋钢结构来说，空气的相对湿度都高于它的临界值。因此，海洋大气中的钢铁表面很容易形成有腐蚀性的水膜。薄水膜对钢铁作用而
11、发生大气腐蚀的过程，符合电解质中电化学腐蚀的规律。这个过程的特点是氧特别容易到达钢铁表面，因而钢铁腐蚀速度受氧极化过程控制。空气中所含杂质对毕业设计(论文)2大气腐蚀影响很大，海洋大气中富含大量的海盐粒子，这些盐粒子杂质溶于钢铁表面的水膜中，使这层水膜变为腐蚀性很强的电解质，加速了腐蚀的进行，与干净大气的冷凝水膜比，被海雾周期饱和的空气能使钢的腐蚀速度增加 8 倍 6。1.3 近海大气钢结构的腐蚀机理钢结构海洋大气腐蚀是大气中诸多因素共同作用的结果，暴露在大气中的钢结构的腐蚀更容易受所处环境的影响 7。海洋大气区含有 CO2、SO 2、O 2、水蒸气等一些气体，除此之外还有一些硫酸盐和氯化钠的
12、悬浮颗粒。海洋大气环境具有高盐分高湿度干湿循环等特点。海洋大气有相当高的湿度，钢结构在水蒸气的毛细作用、吸附和凝结的共同作用下在钢结构表面形成一层肉眼看不见的水膜，溶解 CO2、SO 2、O 2，成为强电解质。钢结构里主要成分是铁，其中也含有碳等微量元素，不同的成分的导电性不一样，加上强电解液使之构成原电池。铁作为阳极失去电子被氧化，生成铁锈。腐蚀速度主要取决于温度、湿度、含氧量以及大气组成盐分等。海洋大气由于湿度高温度高盐含量大，加上白天日照水分蒸发快，表面含盐量高。夜间降温形成高含盐水膜，使得腐蚀速率大大增加。大气中的 CO2SO2O2 融入水膜中，使得水膜酸度增大，加速腐蚀，加之氯离子的
13、自催化作用，破坏表面的氧化膜，与金属离子结成络合物，使水膜中的氢含量增大，腐蚀加剧。距离海岸线 200 m 以内的区域，受到大气腐蚀的影响更严重 8。由此可见，海洋大气腐蚀在多种因素的共同作用下，比内陆腐蚀更加恶劣。1.4 近海大气腐蚀影响因素研究现状1.4.1 温度我国的海岸线绵延一万八千多公里，跨越温带、亚热带和热带。昼夜的变化和四季交替引起的温度变化都会对钢结构的腐蚀造成影响。渤海冬季各水层温度分布基本相同，等温线与等深线大体上平行分布。黄海冬季各水层温度分布极为相似，水温为1；夏季表层水为 28。刘学庆 9关于温度对海洋钢结构腐蚀影响的研究表明，在一般情况下，温度升高使化学反应速度增加
14、，加重腐蚀，但对于一些板材来说温度升高反应速度可能降低，溶解氧的浓度也是一项影响腐蚀的因素，温度升高溶解氧含量减少，腐蚀减缓。Jung-Gu Kim 10等研究了温度对埋地钢管阴极保护效果的影响，结果表明：腐蚀电流密度随温度的升高而增加。聂向辉等人 11对 Q235 钢在大港油田中温度的影响进行了研究，得出在 20-50时其腐蚀电位比较接近阳极反应的平衡电位，其腐蚀过程受阴极反应氧的传输过程控制，在较高温度下是通过促进阴极反应的传质过程毕业设计(论文)3增加了 Q235 的腐蚀速率。在一般的干大气环境中，由于湿度很低，低 于金属的临界湿度，温度对腐蚀的影响不是很明显。而对于近海大气这种湿度很高
15、的环境，环境湿度往往大于金属的临界湿度，此时温度升高金属腐蚀加重。1.4.2 氯离子浓度 海水盐度会因纬度、气象、水文条件的不同而有差异。这些因素导致海水盐度在小范围内波动。全球表面海水盐度的变化在赤道附近最低，在纬度 20N 和纬度 20S 处最高 12。近海大气中含盐量比较高，其中含量最多的是氯离子，海水的盐度是指 1 Kg海水中溶解的盐类物质的总克数，海水的氯度是指 1 Kg 海水中溶解的氯离子的总克数13。 Corvo14认为氯离子浓度对于大气腐蚀的加速作用取决于一个地区的降雨机制，如果一个地区有较长时间的雨季或较大量的雨水，则会减少氯离子沉积率，从而降低腐蚀速率。海洋大气中有钙和镁的
16、氯化物，这些氯化物的吸湿性增加了金属表面水膜形成的趋势，这在夜间更为明显 8。Cl 一 被认为是一种腐蚀加速剂，对大气腐蚀有重大影响。文献 15认为 Cl 一 对大气腐蚀的影响与 SO2 浓度、相对湿度值密切相关，而它们之间的联系相当复杂，有待于进一步研究。近海湿度高，使金属表面存在一层水膜，水膜中含有许多离子形成强电解液，氯离子的存在增加了导电性，随着氯离子的增多海水的腐蚀越来越严重。氯离子能破坏钢结构表面的氧化膜，并能和金属离子水解产生络合物，后者能产生氢离子，使得腐蚀更加严重。王光雍 16等人认为海水的含盐量还会影响电导率和含氧量，在氯离子不断增加的过程中海水的电导率和含氧量也会发生变化
17、，通常存在极值点。1.4.3 干湿交替四季交替昼夜变化使钢结构长期处于干湿交替的环境中，刘刚 17等人研究了滨海电厂腐蚀，指出干湿交替影响钢结构表面的盐浓度从而影响腐蚀速率。陈伟 18等人认为干湿交替会加重混凝土中钢筋的腐蚀，造成严重的后果。长时间日照使钢结构表面的水分蒸发，空气中的相对湿度通过影响金属表面的水膜厚度而影响干湿交替的频率。日照时间过长将导致金属表面水膜的消失，降低表面的润湿时间，腐蚀总量减小。另外降雨、风速对金属表面液膜的干湿交替频率也有一定的影响。在海洋大气区金属表面常会有真菌和霉菌沉积，这样由于它保持了表面的水分，影响了干湿交替的频率，从而增强了环境介质的腐蚀性。1.4.4
18、 其它影响因素 毕业设计(论文)4海水是个复杂的系统，多个因素相互作用共同影响海水的腐蚀。除了上述几个原因外还存在其他影响因素：关于溶解氧对近海钢结构腐蚀的已有很多学者对其进行了研究 19。氧是在金属电化学腐蚀过程中阴极反应的去极化剂。对碳钢、低合金钢等在海水中不发生钝化的金属，海水中含氧量增加，会加速阴极去极化过程，使金属腐蚀速度增加；对那些依靠表面钝化膜提高耐蚀性的金属，如铝和不锈钢等，含氧量增加有利于钝化膜的形成和修补，使钝化膜的稳定性提高，点蚀和缝隙腐蚀的倾向性减小。由于海风、海浪、潮汐激起海水不断流动，构成力学因素和电化学因素共同作用的腐蚀环境，海水中还容易发生应力腐蚀、腐蚀疲劳、冲
19、击腐蚀、空蚀等力学与环境因素协调作用下产生的各种腐蚀 20。海洋生物对钢结构也有影响，在海水这个生物系统中存在一些海洋生物，包括动物植物微生物等。第一篇关于微生物腐蚀的报告是 1892 年由 Garrett 21发表的，他发现微生物活动产生的氨、亚硝酸盐和硝酸盐导致了电缆铅护套的腐蚀。对于处于近海大气环境下的钢结构，由于空气湿度以及含盐量均高于内陆，因此其腐蚀程度更加严重，对此学者做了一些针对性的研究。黄桂乔 22等人研究了碳钢在我国不同海域暴露 8-10 年的腐蚀行为，得出了碳钢在海水中第一、二年的腐蚀比较快，长期浸泡趋于稳定。点腐蚀的速度约等于它的稳定腐蚀速度，稳定腐蚀速度反应了腐蚀的强弱
20、；王建军 23等人对在青岛和海南两地海洋大气暴露 4 年的碳钢和耐候钢进行分析，对挂片表面的锈层的组成及合金元素进行分析，得出耐候钢表面是由外锈层和内锈层组成，内外锈层的成分不同，并且在青岛挂片中发现了 Cl 元素的存在；苏璐璐24研究 Q235 和不锈钢的海水腐蚀机理，得出 Q235 钢在天然海水中按腐蚀影响因素不同可分为三个腐蚀阶段，渗碳体与铁素体的电偶作用为腐蚀全过程最重要的推动力，由于杂散分布的球状渗碳体与铁素体的电偶作用更大，Q235 钢正火组织抗腐蚀性能优于退火组织。综上所述，不同的海洋气候对不同钢结构的影响也不相同。毕业设计(论文)5第 2 章 实验方法介绍2.1 盐雾试验盐雾试
21、验是一种利用盐雾设备所创造的人工模拟盐雾作为试验条件，主要用于考核金属材料或产品耐腐蚀性能。该方法已广泛用于确定各种保护涂层的厚度、均匀性和孔隙度。近年来，某些盐雾试验已被用来检验铝合金的剥落腐蚀敏感性。盐雾试验被认为是模拟海洋大气对不同金属(有保护涂层和无保护涂层的)作用的最有效的实验室加速实验方法。盐雾试验按标准分为中性盐雾试验(NSS)、醋酸盐雾试验(ASS) 铜盐加速盐雾试验(CASS) 。本实验参照的盐雾试验标准有 GB/T2423.17-1993 电工电子产品基本实验规程 试验 Ka：盐雾试验方法 25，GB/T2433.18-2000 电工电子产品环境试验 第二部分：试验 Kb：盐雾，交变(氯化钠溶液 ) 26，GB5938-86轻工产品金属镀层和化学处理层的耐腐蚀试验方法 27。2.1.1 实验仪器及试剂精密型盐雾实验机、便携式往复活塞空气压缩机、数码金相显微镜、P-2B 金相试样抛光机、半微量分析天平 C-225D、JPT-5 型架盘天平(砝码)、烧杯、镊子、玻璃棒、吹风机、游标卡尺、去离子水、无水乙醇、丙酮、氯化钠、盐酸、六次甲基四胺、义齿基托树脂、义齿基托树脂液剂。本实验所用的盐雾试验箱如图 2-1 所示：图 2-1 盐雾试验箱盐雾试验箱整机结构由腐蚀工作室、气路系统、盐水补给器、电气控制系统等部分组成。
