《水工藝設(shè)備基礎(chǔ)》-第二章

第2章材料設(shè)備的腐蝕防護(hù)與保溫主要內(nèi)容：材料設(shè)備的腐蝕與防護(hù)設(shè)備的保溫重點與難點：水工藝設(shè)備及常用材料的腐蝕與防護(hù)的根本原理、技術(shù)與方法。2.1材料設(shè)備的腐蝕與防護(hù)1、腐蝕概念腐蝕是材料與它所處環(huán)境介質(zhì)之間發(fā)生作用而引起材料的變質(zhì)和破壞。材料(金屬材料和非金屬材料均存在著腐蝕)介質(zhì)〔電解質(zhì)溶液和非電解質(zhì)溶液能存為腐蝕的介質(zhì)〕發(fā)生作用〔化學(xué)作用、電化學(xué)作用、物理作用、生物作用、機械載荷〕2.1.1概述金屬腐蝕定義：是指金屬與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用，由單質(zhì)變成化合物的過程，即金屬從元素態(tài)又返回到自然礦物態(tài)的過程。金屬腐蝕種類：化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕

2.1.2腐蝕與防護(hù)的根本原理2.1.2腐蝕與防護(hù)根本原理1、金屬的化學(xué)腐蝕*指金屬與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用，生成金屬化合物并使材料性能退化的現(xiàn)象。純氧化復(fù)原過程，金屬被氧化，腐蝕介質(zhì)被復(fù)原，它們之間的電子交換是直接進(jìn)行的。2、化學(xué)腐蝕的范圍很廣，包括枯燥氣體介質(zhì)的腐蝕〔氧化、硫化、鹵化、氫蝕等〕和液體介質(zhì)的腐蝕〔非電解質(zhì)的腐蝕、液態(tài)金屬的腐蝕、低熔點氧化物的腐蝕等〕。*反響進(jìn)行中沒有電流產(chǎn)生。2.1.2腐蝕與防護(hù)根本原理〔1〕金屬氧化及其氧化膜原因：空氣中氧的分壓為0.022MPa，在一定溫度下，金屬氧化反響進(jìn)行取決于金屬氧化物的分解壓與環(huán)境中氧的分壓的相對大小。假設(shè)金屬氧化物的分解壓低于0.022MPa，該金屬就可能在空氣中氧化。大多數(shù)金屬從室溫到高溫都有自發(fā)氧化的傾向。氧化膜：除少數(shù)金屬〔如鉬、鎢〕高溫氧化所生成的氧化物具有揮發(fā)性外，大多數(shù)金屬氧化的結(jié)果在其外表形成一層氧化物固相膜。隨著溫度升高，氧化膜增厚。呈現(xiàn)一定的色彩。2.1.2腐蝕與防護(hù)根本原理〔2〕鋼鐵的氣體〔高溫〕腐蝕鋼鐵在高溫氣體環(huán)境中很容易受到腐蝕。腐蝕類型：高溫氧化〔570℃以下較易生成Fe3O4、Fe2O3；570℃以上較易生成FeO〕脫碳〔除了生成氧化皮層外，與氧化皮層相連的內(nèi)層將發(fā)生滲碳體減少的現(xiàn)象〕氫蝕〔當(dāng)溫度超過200～300℃,壓力超過30.4MPa時，氫對鋼產(chǎn)生腐蝕，使鋼劇烈脆化、造成氫蝕?！宠T鐵腫脹〔實際上是一種晶間氣體腐蝕，氧化物的生成，體積變大〕2.1.2腐蝕與防護(hù)根本原理〔3〕防止鋼鐵氣體腐蝕的方法*合金化〔元素Cr、Al、Si是改善鋼鐵材料抗氧化性能最有效的合金屬元素。在氧化性介質(zhì)中首先與氧結(jié)合形成極穩(wěn)定的氧化物，能夠牢固地與金屬基體結(jié)合，形成保護(hù)層〕*應(yīng)用保護(hù)性覆蓋層〔利用金屬或非金屬涂層將金屬和氣體介質(zhì)隔離開來。常用熱擴散法，將元素滲入被保護(hù)金屬的外表。〕*改善介質(zhì)成分〔設(shè)法改善介質(zhì)成分，可減輕乃至消除某些特定環(huán)境條件下的腐蝕?！?、金屬腐蝕原電池定義：金屬的電化學(xué)腐蝕是一個短路的原電池發(fā)生的電化學(xué)過程，其反響釋放出的化學(xué)能全部以熱的形式放出，不能對外界做有用功，這種引起金屬腐蝕的短路原電池叫腐蝕原電池?；瘜W(xué)原電池：將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。電化學(xué)腐蝕〔1〕金屬電化學(xué)腐蝕的發(fā)生條件：*化學(xué)成分不均一：含有各種雜質(zhì)和合金元素，它們和基體金屬的電極電位不同；*組織結(jié)構(gòu)不均一：鋼鐵中存在鐵素體、滲碳體和石墨、晶粒和晶界等；*物理狀態(tài)不均一：受力、變形不均勻；*外表氧化(保護(hù))膜不完整：引起金屬外表電極電位不同。

電化學(xué)腐蝕〔2〕極化：指原電池由于電流通過，使其陰極和陽極的電極電位偏離其起始電位值的現(xiàn)象。電流流過陰極使陰極電位降低的現(xiàn)象，稱為陰極極化。極化的機理可分為：*活化極化：當(dāng)電流通過電極時，因電化學(xué)反響緩慢而造成電極電位偏離平衡電位的現(xiàn)象；*濃差極化：當(dāng)電流通過電極時，因電化反響物〔或反響生成物〕輸運緩慢而造成電極電位偏離平衡電位的現(xiàn)象；*電阻極化：由于在電極外表上生成了具有保護(hù)作用的氧化膜或不溶性的腐蝕產(chǎn)物等引起的；電化學(xué)腐蝕〔3〕鈍化：能千百倍地提高金屬的耐蝕性。鈍化就是金屬與介質(zhì)作用后，失去其化學(xué)活性，變得更為穩(wěn)定的現(xiàn)象。使金屬發(fā)生鈍化的物質(zhì)稱為鈍化劑。如：硝酸、硝酸銀、重鉻酸鉀、高錳酸鉀等。*成相膜理論：當(dāng)金屬溶解時，可在金屬外表生成一層致密的、覆蓋性良好的固體產(chǎn)物。這些產(chǎn)物作為一個獨立的相存在，把金屬和溶液機械地隔離開來，從而使金屬的溶解速度大大降低，使金屬轉(zhuǎn)入鈍化；*吸附理論：引起金屬鈍化不一定要形成固相膜，而只要在金屬外表或局部外表上形成氧或含氧離子的吸附層就可以了。這種吸附層改變了金屬/溶液外表的結(jié)構(gòu)，使金屬反響的活化能顯著升高，故金屬同腐蝕介質(zhì)的化學(xué)反響速度將顯著減少。電化學(xué)腐蝕〔4〕氫去極化和氧去極化腐蝕：*氫去極化腐蝕：以氫離子復(fù)原反響為陰極過程的腐蝕稱為氫去極化腐蝕；只有當(dāng)金屬的電極電位較氫電極的平衡電位為負(fù)時，才有可能發(fā)生析氫腐蝕。氫去極化過程包括：水化氫離子脫水形成吸附氫原子吸附氫原子脫附氫分子形成氣泡影響氫去極化腐蝕的因素主要有：金屬材料的形狀、溶液的PH值、陰極面積和溫度。

*氧去極化腐蝕：在中性和堿性溶液中，由于氫離子的濃度較低，析氫反響的電位較負(fù)，一般金屬腐蝕過程的陰極反響往往不是析氫反響，而是溶液中的氧的復(fù)原反響，此時腐蝕去及極化劑是氧分子。氧去極化過程包括：氧通過氣/液界面?zhèn)髻|(zhì)，由空氣進(jìn)入溶液；溶液氧通過對流擴散均布在溶液中；氧以擴散的方式通過電極表而后擴散層，到達(dá)金屬的外表；氧在金屬外表進(jìn)行復(fù)原反響。影響氧去極化腐蝕的因素主要有：陽極材料、溶液中溶解氧的濃度、溶液流速、溶液中鹽的濃度及溫度。2.1.2腐蝕與防護(hù)根本原理一、金屬腐蝕破壞的形態(tài)2.1.2腐蝕與防護(hù)根本原理5、應(yīng)力作用下的腐蝕應(yīng)力腐蝕開裂：防止此腐蝕，必須采取措施：正確選材、合理設(shè)計改進(jìn)制造工藝、改善環(huán)境介質(zhì)、電化學(xué)保護(hù)。腐蝕疲勞：腐蝕介質(zhì)和交變應(yīng)力協(xié)同作用所引起的材料破壞的現(xiàn)象。防止此腐蝕，必須采取措施：正確選材、合理設(shè)計改進(jìn)制造工藝、改善介質(zhì)條件、電化學(xué)保護(hù)。磨損腐蝕：流體介質(zhì)與金屬之間或金屬零件間的相對運動，引起金屬局部區(qū)域加速腐蝕破壞的現(xiàn)象。防止此腐蝕，必須采取措施：阻止接觸面的相對微動、使用潤滑劑、外表電渡、提高接觸金屬的硬度。微生機腐蝕：由于介質(zhì)中存在著某些微生物而使金屬的腐蝕過程的現(xiàn)象。防止此腐蝕，必須采取措施：使用殺菌劑或抑制劑、改變環(huán)境條件、覆蓋防護(hù)層、陰極保護(hù)。2.1.2腐蝕與防護(hù)根本原理二、非金屬材料的腐蝕定義：非金屬材料與環(huán)境介質(zhì)作用，性能蛻化或完全喪失使用功能的現(xiàn)象。腐蝕機理：

與金屬完全不同，兩者的腐蝕原理也有著本質(zhì)的區(qū)別。非金屬材料的腐蝕主要是由物理作用和化學(xué)作用引起的。除石墨外，非金屬材料的導(dǎo)電性很差或完全不導(dǎo)電，所以即使將其置于電解質(zhì)溶液中，也不會發(fā)生電化學(xué)腐蝕。2.1.3設(shè)備腐蝕防護(hù)技術(shù)設(shè)備腐蝕防護(hù)技術(shù)包括七大方面：一、腐蝕防護(hù)設(shè)計：除選材外、還包括防蝕方法的選擇、防蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計[構(gòu)件盡量簡單合理，防止殘留液和沉積物造成腐蝕，防止電偶腐蝕，防止縫隙腐蝕，防止液體的湍流腐蝕，防止應(yīng)力過分集中，設(shè)備和構(gòu)筑物的位置要合理]、防蝕強度設(shè)計、滿足防蝕要求的加工方法。二、設(shè)備的電化學(xué)保護(hù)：分為陰極保護(hù)[用一定的方法使被保護(hù)的金屬設(shè)備發(fā)生陰極極化以減少或防止其腐蝕的方法。常采用外加電流的陰極保護(hù)和犧牲陽極的陰極保護(hù)]和陽極保護(hù)[將被保護(hù)的金屬設(shè)備進(jìn)行陽極極化，使其由活化態(tài)轉(zhuǎn)入鈍化態(tài)，從而減輕或防止金屬設(shè)備腐蝕的方法]三、設(shè)備環(huán)境介質(zhì)的控制〔1〕控制環(huán)境介質(zhì)中的有害成分〔介質(zhì)的成分、濃度、pH值、濕度、壓力、溫度、流速等均影響金屬在介質(zhì)中草藥腐蝕行為?！场?〕緩蝕劑：是一種在很低的濃度下，能阻止或減緩金屬在腐蝕性介質(zhì)中腐蝕還度的化學(xué)物質(zhì)或復(fù)合物。四、電鍍[使電解液中的金屬離子在直流電作用下，于陰極外表沉積出金屬而成為鍍層的工藝過程]、化學(xué)鍍[利用一種適宜的復(fù)原劑，使溶液中的金屬離子復(fù)原并沉積在基體外表的過程]及化學(xué)轉(zhuǎn)化膜防護(hù)[金屬外表的原子層與某些特定介質(zhì)的陰離子反響后，在金屬外表生成的膜層，它可分為電化學(xué)轉(zhuǎn)化膜和化學(xué)轉(zhuǎn)化膜兩在類]五、浸渡[把金屬制件浸入熔融金屬液中形成鍍層的方法]、滲渡[采用擴散處理方法，將一種或幾種元素從外表擴散到基體金屬中去，形成滲層，以改變外表層的化學(xué)成分及組織，從而改善金屬材料外表性能]、包渡[將被保護(hù)金屬壞料放在保護(hù)金屬板中間，加以熱軋，靠機械力、熱擴散使保護(hù)金屬與被保護(hù)金屬粘合在一起]及熱噴涂防護(hù)技術(shù)六、襯里防護(hù)技術(shù)[玻璃鋼襯里、橡膠襯里]七、有機涂料防護(hù)技術(shù)2.1.4材料的選用一、材料選取的根本原那么材料的選取除了根據(jù)不同設(shè)備在功能、工藝需要、工作環(huán)境條件等方面的特殊要求進(jìn)行針對選取處，必須遵循如下幾條根本原那么：1、材料的耐蝕性能要滿足要求。2、材料的物理、機械和加工工藝性能要滿足要求。3、要力爭最好的經(jīng)濟效益?！惨獌?yōu)選國產(chǎn)、廉價的材料，在可以用普通結(jié)構(gòu)材料時，不采用昂貴的貴金屬?！?.1.4材料的選用二、選材料時考慮的因素

1、設(shè)備或構(gòu)件的工作環(huán)境是選材必須明確的條件，使用者與設(shè)計者應(yīng)密切配合，詳細(xì)列出環(huán)境介質(zhì)參數(shù)。

2、參考已有的腐蝕數(shù)據(jù)資料，選出在相應(yīng)腐蝕環(huán)境下的耐蝕材料。

3、從事故調(diào)查的分析記錄中吸取教益。

4、做一些腐蝕試驗。

5、經(jīng)濟與耐用的綜合考慮。

6、選材時還應(yīng)考慮與之相適應(yīng)的防護(hù)措施。

7、材料最后的選定，還應(yīng)考慮其加工性能、焊接性能，加工后是否會降低其耐蝕性能。。2.1.5水工藝中常用防腐措施〔1〕水下設(shè)備常用防腐方法名稱特點應(yīng)用鍍鋅鋼鐵表面鍍鋅后，在水中及潮濕大氣中與氧或二氧化碳作用生成氧物或碳酸鋅薄膜，可以防止鋅續(xù)繼氧化起保護(hù)作用。鍍鋅層厚度在0.02~0.03mm。鋼管、緊固件、彈簧等鋼鐵機械零件氧化（發(fā)藍(lán)或發(fā)黑）將鋼鐵零件放入含苛性鈉、硝酸鈉或亞硝酸鈉的溶液中處理，使零件表面生成一層由磁性氧化鐵所組成的有色氧化膜，能提高零件表面一定的抗蝕能力。氧化膜厚度在0.5~1.5∪m。緊固件、彈簧等鋼鐵機械零件氮化將切削加工后的零件，先進(jìn)行人工時效處理，隨后利用稀薄的含氮氣體的輝光放電現(xiàn)象進(jìn)行氮化處理。氣體電離后所產(chǎn)生的氮被零件表面所吸附，并向內(nèi)擴散成氮化層，以提高表面硬度及其耐磨、耐蝕性齒輪、軸等滲鉻向零件表面滲鉻，形成一層結(jié)合牢固的鉻-鐵-碳合金層，滲鉻后零件表面抗氧化、耐磨、耐蝕性提高，可以代替鉻不銹鋼材料軸、軸套、緊固件等朔料噴涂鋼鐵表面噴涂一層工程朔料的涂覆層，使金屬與水分、空氣等外界腐蝕介質(zhì)隔開，達(dá)到提高金屬的抗蝕能力適用于不進(jìn)行摩擦的小零件金色噴涂利用乙炔、氧等火焰燃燒或電源電弧溶融能防腐蝕的金屬，噴涂于零件表面，達(dá)到表面防腐能力。軸等常用的水下設(shè)備防腐措施：1〕鋼絲繩和拉鏈的防腐措施：一方面要加強日常的防腐保養(yǎng)，及時去除外表污泥和定期涂油，另一方面應(yīng)定期用專用工具撬開鋼絲繩，檢查內(nèi)部的腐蝕銹蝕情況，不行就更換。2〕水下軸承的防腐措施：采有合理的密封措施。3〕攪拌設(shè)備的防腐措施：應(yīng)根據(jù)攪拌介質(zhì)的腐蝕情況、水質(zhì)要求、使用壽命要求和造價而定，常采用環(huán)氧玻璃鋼防腐蝕、橡膠防腐蝕和化工搪瓷防腐蝕等。4〕曝氣轉(zhuǎn)刷的防腐措施：轉(zhuǎn)刷由一根直徑為300~400mm的空心軸和安裝在軸上的無數(shù)刷片構(gòu)成，轉(zhuǎn)刷的長度由氧化溝的寬度確定，但由于結(jié)構(gòu)的限制，長度一般為3~12m。為防止生銹，空心軸的外表一般涂以環(huán)氧瀝青或包裹一層氯丁橡膠，刷片用不銹鋼或塑料制成，安裝在不銹鋼制的組合包箍上，組合包箍按一定間距緊固在空心軸上。2.1.5水工藝中常用防腐措施2.2設(shè)備的保溫?zé)崴┙o系統(tǒng)中的加熱設(shè)備、貯熱設(shè)備、蒸汽管道、熱水管道及某些凝結(jié)水管道都必須保溫。保溫良好的管網(wǎng)熱損失一般為總輸送熱量的5％～8％，而保溫結(jié)構(gòu)費用約為管網(wǎng)本錢的25％～40％，由此可見，熱水供給系統(tǒng)中的設(shè)備和管道的保溫對保證熱水的水溫、節(jié)能、