金屬腐蝕與防護(hù)

1、材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院金屬腐蝕與防護(hù)課程設(shè)計(jì)學(xué) 號(hào)：S專 業(yè)：材料科學(xué)與工程學(xué)生姓名：魯佳男任課教師：邵亞薇 教授 2014年12月金屬及合金在海洋環(huán)境中腐蝕與防護(hù)魯佳男材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院摘要：概述了金屬及合金材料常見的幾種海洋腐蝕形態(tài)以及目前常用的腐蝕防控技術(shù) 并對(duì)金屬及合金在海洋環(huán)境中腐蝕防控技術(shù)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行展望關(guān)鍵詞：海洋環(huán)境 金屬及合金 腐蝕防控技術(shù)隨著人口的快速增長(zhǎng)，資源短缺以及環(huán)境的日益惡化，人們?cè)絹?lái)越深刻地認(rèn)識(shí)到，海洋是解決上述難題的希望所在，隨海洋開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，海洋產(chǎn)業(yè)包括臨海工業(yè)海洋通道人工島和碼頭以及海上石油平臺(tái)海底油氣輸送管線等，將成倍增加大量的金屬及合金材料

2、被廣泛使用，由于海洋環(huán)境是一個(gè)腐蝕性很強(qiáng)的災(zāi)害環(huán)境，因此，金屬及合金材料在海洋環(huán)境中的腐蝕不可避免，不僅造成經(jīng)濟(jì)損失，而且往往會(huì)造成災(zāi)難性事故，造成環(huán)境污染危及人身安全。因此，采取適當(dāng)?shù)母g控制技術(shù)，防止或減緩腐蝕破壞具有重要的實(shí)際意義。一、海洋環(huán)境的腐蝕規(guī)律從海洋環(huán)境對(duì)腐蝕問題影響的角度考慮，沿垂直方向?qū)⒑Ｑ蟓h(huán)境劃分為5個(gè)不同特性的腐蝕區(qū)帶，分別是：海洋大氣區(qū)、海洋飛濺區(qū)、海水潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海底泥土區(qū)具體如圖1所示。我們將海平面平均高潮線以上的區(qū)域稱為海洋大氣區(qū)，該區(qū)域金屬常年不接觸海水。影響腐蝕的主要因素是大氣環(huán)境中的含鹽粒子會(huì)在金屬表面沉積，這里面吸濕性較強(qiáng)的氯化物容易在表面形成濕

3、膜。此外，影響海洋大氣區(qū)腐蝕行為的因素還有溫度、雨量、降露周期、距離海面的高度、硫化氫，這些腐蝕性氣體的產(chǎn)生使得金屬材料的腐蝕行為更加復(fù)雜。圖1：海洋腐蝕環(huán)境區(qū)域圖二、金屬及合金材料的腐蝕與防護(hù)通常關(guān)于金屬及合金材料在海洋環(huán)境中腐蝕行為研究主要采用實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)法和實(shí)海暴露試驗(yàn)法。實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)的腐蝕過程及影響因素易于精確控制，可通過加速腐蝕實(shí)驗(yàn)縮短實(shí)驗(yàn)周期，實(shí)驗(yàn)費(fèi)用較低，其主要缺點(diǎn)是不能完全代表實(shí)海腐蝕情況，主要用于材料腐蝕規(guī)律及腐蝕機(jī)理的研究。因此，世界各國(guó)相繼開展大量實(shí)海暴露試驗(yàn)來(lái)考察金屬及合金材料在不同海域的腐蝕情況1-3，這為評(píng)價(jià)世界范圍內(nèi)海水的腐蝕性能提供了豐富依據(jù)。近年來(lái)，有研究

4、者結(jié)合金屬及合金材料在海洋環(huán)境中已有的腐蝕數(shù)據(jù)，提出了一些相關(guān)的腐蝕數(shù)學(xué)模型，對(duì)于指導(dǎo)海洋腐蝕的研究具有非常重要的意義。Jeom等4利用統(tǒng)計(jì)分析法建立了船用低合金鋼的腐蝕數(shù)學(xué)模型，獲得了腐蝕質(zhì)量損失，腐蝕速率與船的使用壽命之間的關(guān)系。Melchers5-8通過大量研究提出金屬材料在海水環(huán)境中的腐蝕質(zhì)量損失與腐蝕時(shí)間關(guān)系模型得出碳鋼和低合金鋼在海水全浸區(qū)的腐蝕模型，認(rèn)為它們的腐蝕過程主要分為以下三個(gè)階段：第一，金屬的失重過程與其表面狀態(tài)，氧含量以及起始腐蝕速率有關(guān)，該階段的腐蝕過程主要受動(dòng)力學(xué)過程所控制；第二，金屬表面腐蝕產(chǎn)物的增厚以及海洋生物的生長(zhǎng)抑制了海水中O2向材料內(nèi)部的擴(kuò)散，該階段的腐蝕

5、過程主要受O2的擴(kuò)散過程所控制；第三，在腐蝕過程中無(wú)O2參加，該階段的腐蝕過程主要受硫酸鹽還原菌所控制。此外，他們還指出氧濃度和溫度對(duì)材料的腐蝕質(zhì)量損失有明顯影響，而對(duì)海水深度影響不大。（一）金屬及合金材料的腐蝕類型如前所述，海洋腐蝕環(huán)境十分復(fù)雜，不同種類的金屬及合金材料的腐蝕形態(tài)明顯不同，即使是同一種材料，在不同海洋腐蝕環(huán)境下其腐蝕形態(tài)也存在差異。一般來(lái)說(shuō)，按材料的破壞程度及形式可分為全面腐蝕和局部腐蝕，其中局部腐蝕又可分為點(diǎn)蝕，縫隙腐蝕，沖刷腐蝕，電偶腐蝕及應(yīng)力腐蝕等9。1、全面腐蝕全面腐蝕又稱為均勻腐蝕，是指金屬及合金材料與腐蝕介質(zhì)互相接觸的部位均勻地遭到腐蝕損壞的現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，材料全

6、面腐蝕的腐蝕速率隨時(shí)間的延長(zhǎng)變化不大，是一種可預(yù)測(cè)的海洋腐蝕形態(tài)，其危險(xiǎn)性相對(duì)較小，在工程設(shè)計(jì)上可通過預(yù)留腐蝕余量來(lái)保證結(jié)構(gòu)物使用壽命。研究表明，碳鋼在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿中發(fā)生的腐蝕，通常屬于全面腐蝕此外少數(shù)碳鋼與低合金鋼在腐蝕介質(zhì)全浸條件下也會(huì)呈現(xiàn)出全面腐蝕形態(tài)。2、局部腐蝕局部腐蝕是相對(duì)全面腐蝕而言的，指金屬及合金與腐蝕介質(zhì)互相接觸時(shí)，僅僅在某些特定區(qū)域發(fā)生腐蝕破壞的現(xiàn)象。局部腐蝕主要是由于材料存在表面電化學(xué)不均一性，形成局部腐蝕電池而形成。局部腐蝕雖然重量損失較小，但集中發(fā)生在某些特突發(fā)性事故。因而其危險(xiǎn)性較大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約有80%以上的腐蝕事故是由局部腐蝕造成的10。一般來(lái)說(shuō)，海洋環(huán)境中金屬及

7、合金材料的局部腐蝕主要有點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、沖刷腐蝕、電偶腐蝕及應(yīng)力腐蝕等。點(diǎn)蝕：又稱為小孔腐蝕，材料的大部分表面不腐蝕或輕微腐蝕，而在局部區(qū)域出現(xiàn)不均勻的腐蝕麻坑，且麻坑從表面向內(nèi)部縱深發(fā)展，形成腐蝕小孔甚至穿孔。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)侵蝕性陰離子如和氧化劑在溶液中共存時(shí)，通常在金屬及合金的表面缺陷處容易引起點(diǎn)蝕發(fā)生，表面缺陷包括非金屬夾雜，鹽粒及污染物的局部沉積，保護(hù)膜破裂，成分偏析，晶界及晶格缺陷等。在前述的海洋環(huán)境五個(gè)區(qū)域內(nèi)，金屬及合金材料都會(huì)出現(xiàn)不同程度的點(diǎn)蝕例如低碳合金鋼不銹鋼鋁合金等在浪花飛濺區(qū)均發(fā)生明顯的點(diǎn)蝕現(xiàn)象11。縫隙腐蝕：在電解質(zhì)溶液中，當(dāng)金屬與金屬，金屬與非金屬之間存在狹縫時(shí)，由于縫

8、隙中電解質(zhì)溶液的溶氧量較低，而縫隙外電解質(zhì)溶液中的溶氧量較高，形成氧濃差電池，導(dǎo)致縫隙部位發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕的現(xiàn)象?？p隙腐蝕在水下區(qū)或者在浪濺區(qū)最為嚴(yán)重，通常依靠氧來(lái)維持鈍態(tài)的金屬及合金材料在海水中都容易發(fā)生縫隙腐蝕，例如不銹鋼和部分鋁合金等 12。沖刷腐蝕：指金屬及合金材料表面與腐蝕介質(zhì)之間由于高速的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的損壞現(xiàn)象，它是材料受沖刷和腐蝕協(xié)同作用的結(jié)果。某些金屬及合金材料對(duì)海水的流速十分敏感，當(dāng)海水流速超過某一臨界點(diǎn)時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生快速侵蝕，即發(fā)生沖刷腐蝕，例如鑄鐵，銅及銅合金等13-14。電偶腐蝕：在電解質(zhì)溶液中，當(dāng)腐蝕電位不同的異種金屬互相接觸時(shí)即產(chǎn)生電位差，形成宏觀腐蝕電池，導(dǎo)致電

9、極電位較負(fù)的金屬發(fā)生溶解腐蝕，即為電偶腐蝕，它屬于電化學(xué)腐蝕的范疇。影響電偶腐蝕的因素眾多，主要包括電極電位差、極化性、介質(zhì)性質(zhì)及其導(dǎo)電性、溫度、PH值以及面積比等在海洋工程技術(shù)中采用不同金屬或合金來(lái)制造結(jié)構(gòu)物是不可避免的，因此在海洋環(huán)境中發(fā)生電偶腐蝕的情況較普遍。應(yīng)力腐蝕：在某一特定介質(zhì)中，當(dāng)金屬及合金材料在一定的拉伸應(yīng)力持續(xù)作用下，將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重腐蝕的現(xiàn)象，即為應(yīng)力腐蝕，通常認(rèn)為敏感材料，特定環(huán)境和拉伸應(yīng)力是發(fā)生應(yīng)力腐蝕的基本條件。影響應(yīng)力腐蝕的因素包括應(yīng)力大小、金屬及合金成分及組織結(jié)構(gòu)、介質(zhì)的種類及濃度、溫度等。應(yīng)力腐蝕往往會(huì)發(fā)生沒有形變先兆的突然斷裂，容易造成嚴(yán)重事故，其危險(xiǎn)性較大。如海

10、水中的奧氏體不銹鋼、高強(qiáng)度鋼以及鋁合金等都存在應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象。（二）金屬及合金材料的腐蝕防控技術(shù)由于海洋腐蝕環(huán)境的復(fù)雜性與多變性,如不同海域的海水PH值,溫度,含鹽量,海洋生物,潮流等條件不,同對(duì)于同一海域,存在著大氣區(qū),浪花飛濺區(qū),潮差區(qū),海水全浸區(qū)和海泥區(qū)等不同部位,即使是同一部位,由于季節(jié)變化將會(huì)導(dǎo)致氣溫,濕度,日照等條件發(fā)生變化,從而導(dǎo)致金屬及合金材料的腐蝕情況存在著較大差異,這就決定了海洋結(jié)構(gòu)物的腐蝕防控是一復(fù)雜的問題。對(duì)于海洋結(jié)構(gòu)物的腐蝕防控來(lái)說(shuō)，要具體問題具體分析從而采取恰當(dāng)有效的科學(xué)防腐蝕措施。目前，關(guān)于海洋結(jié)構(gòu)物的防腐措施眾多，總體來(lái)說(shuō)可歸納為以下幾種；1、合理選材及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)

11、化選用性能優(yōu)異的金屬及合金材料是提高海洋結(jié)構(gòu)物耐腐蝕性能的有效措施，如鎳鋁青銅，錳青銅，海軍黃銅，含鉬不銹鋼，蒙乃爾合金以及鈦合金等材料在海洋環(huán)境下都具有良好的抗腐蝕性能15。此外，通過對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，減少海水及腐蝕介質(zhì)在其表面的積存，并使其利于實(shí)現(xiàn)腐蝕防護(hù)，也是提高海洋結(jié)構(gòu)物耐腐蝕性能的措施。2、采用防護(hù)涂層及包覆防腐技術(shù)利用金屬鍍層（如電鍍熱浸鍍滲鍍化學(xué)鍍噴鍍等）或有機(jī)涂層（如油漆塑料樹脂涂層等）覆蓋在金屬及合金材料表面，形成保護(hù)性覆蓋層，避免金屬及合金與腐蝕介質(zhì)直接接觸，從而達(dá)到防腐目的。此外采用表面包覆技術(shù)是海洋結(jié)構(gòu)物在浪花飛濺區(qū)的有效防腐措施，例如包覆防腐繃帶有機(jī)聚合物

12、，蒙乃爾合金以及鈦合金等。3、添加緩蝕劑在相對(duì)封閉的海洋環(huán)境中，通?？梢圆扇√砑泳徫g劑的方法來(lái)抑制金屬及合金材料的腐蝕，如在海水循環(huán)系統(tǒng)和海底管線中添加緩蝕劑以防腐。緩蝕劑是具有抑制金屬腐蝕功能的一類無(wú)機(jī)物質(zhì)和有機(jī)物質(zhì)的總稱，主要包括鉬酸鹽，鋅鹽，鋁系金屬鹽，葡萄糖酸鹽，咪唑啉及其衍生物胺類醛類及季銨鹽等。4、采用電化學(xué)陰極保護(hù)金屬及合金材料的腐蝕主要是由于其在所形成的微觀腐蝕電池中處于陽(yáng)極地位，因而發(fā)生溶解腐蝕。陰極保護(hù)就是通過給被保護(hù)金屬及合金通入足夠的陰極電流，使其電極電位變負(fù)，降低其溶解速度，以達(dá)到材料防腐的目的。目前，陰極保護(hù)主要有犧牲陽(yáng)極法和外加電流法。犧牲陽(yáng)極法是利用電位更負(fù)的金

13、屬鎂及鎂合金鋅及鋅合金鋁及鋁合金作為陽(yáng)極與被保護(hù)金屬及合金互相連接，形成宏觀腐蝕電池，通過陽(yáng)極的不斷溶解給被保護(hù)金屬及合金提供保護(hù)電流，使其得到陰極極化而受到保護(hù)。外加電流法是將外加直流電源的負(fù)極接在被保護(hù)金屬上，正極接在附加惰性電極上，使被保護(hù)金屬及合金通入所需的保護(hù)電流，獲得陰極極化而受到保護(hù)。陰極保護(hù)防腐措施不但能控制全面腐蝕，而且能有效抑制局部腐蝕，其技術(shù)可靠，使用年限長(zhǎng)，是海洋結(jié)構(gòu)物的有效防腐手段之一。但是陰極保護(hù)通常僅適用于海洋結(jié)構(gòu)物水下部位的防腐。針對(duì)不同的環(huán)境特點(diǎn)，以上4種方法往往各有側(cè)重，例如海洋大氣區(qū)通常采用涂層保護(hù)法，浪花飛濺區(qū)可以采用涂層與包覆聯(lián)合防腐技術(shù)，潮差區(qū)可以采

14、用涂層與陰極保護(hù)聯(lián)合防腐技術(shù)，海水全浸區(qū)和海泥區(qū)可以采用陰極保護(hù)法，也可采用涂層與陰極保護(hù)聯(lián)合防腐技術(shù)?？傊鲜龅母g防控技術(shù)在工業(yè)上都有廣泛應(yīng)用，為減緩、防止金屬及合金材料在海洋環(huán)境中的腐蝕做出了較大貢獻(xiàn)。三、展望黨的十八大報(bào)告首次明確提出：提高海洋資源開發(fā)能力，堅(jiān)決維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益，建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略部署。將海洋強(qiáng)國(guó)定為加快我國(guó)發(fā)展的重要目標(biāo)。在能源日益緊張。高能耗和外向型經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式難以為繼的今天，海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展無(wú)疑為中國(guó)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。海洋事業(yè)的發(fā)展直接關(guān)系到世紀(jì)中國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的興衰，而海洋開發(fā)如何進(jìn)行，如何有效，關(guān)鍵在于科技。因此開展海洋環(huán)境下金屬材料的腐蝕研究

15、制定海洋腐蝕研究的發(fā)展戰(zhàn)略具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。在海洋腐蝕研究的方向上，既要瞄準(zhǔn)國(guó)際先進(jìn)水平，不斷開拓創(chuàng)新，提升我國(guó)海洋腐蝕研究的總體水平，又要從我國(guó)的具體情況出發(fā)，以經(jīng)濟(jì)建設(shè)為中心，走具有中國(guó)特色的科技發(fā)展道路。結(jié)語(yǔ)隨著海洋資源開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，以及向深海的快速發(fā)展，大量金屬及合金結(jié)構(gòu)物將被投入使用，因此，深入研究金屬及合金材料在海洋環(huán)境中的腐蝕防控技術(shù)，有效提高結(jié)構(gòu)物的使用性能顯得至關(guān)重要。其未來(lái)發(fā)展應(yīng)該主要集中在兩個(gè)方面;一是在充分利用現(xiàn)有防腐技術(shù)的基礎(chǔ)上,大力研制防腐新材料以及新方法;二是利用計(jì)算機(jī)微電子和人工神經(jīng)元等高新技術(shù)實(shí)現(xiàn)金屬及合金材料在海洋環(huán)境中腐蝕情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),掌握其腐蝕

16、規(guī)律,預(yù)測(cè)材料的剩余壽命,避免由于腐蝕破壞而造成重大事故。參考文獻(xiàn)1 朱相榮，黃桂橋，林樂耘，金屬材料長(zhǎng)周期海水腐蝕規(guī)律研究J,中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2005,25（3）；142-148.2 Joslin R. D., Morris P. J. Effect of compliant walls on secondary instabilities in boundary-layer transiton J. AIAA Journal, 1992，30(2): 332-339 3 Carpenter P. W. Optimization of multiple-panel compliant w

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18、 5th PDA Annual Conference MeetingC. Tampa, Florida: March 2-4, 20046 Zheng Z. C. Effects of flexible walls on radiated sound from a turbulent boundary layerJ.J of Fluids and Structures, 2003, 18: 93-1017 Jay A.Johnston and Samantha Smith(Huntsman Polyurethanes). The Softer Side of Polyurea Elastomer CoatingsA. Presented at the 3rd PDA Annual Conference MeetingC. San Autonio, Texas: Nov.9-11, 2002 8豐衛(wèi)東,海洋環(huán)境對(duì)金屬材料的腐蝕及其評(píng)價(jià)方法J 裝備環(huán)境工程, 2005（6）:86-899劉鋒,辜家莉,金屬表面腐蝕的可靠性評(píng)價(jià)方法研究J,質(zhì)量與可靠性, 2004（4）:22-2510黃桂橋,郁春娟,金屬材料