1、海洋石油工程股份有限公司2006年5月海洋環(huán)境中金屬的腐蝕與防護內(nèi) 容一. 金屬腐蝕的危害二. 金屬為什么會腐蝕？三. 海洋環(huán)境對腐蝕的影響四. 腐蝕的分類和腐蝕電池五. 控制金屬腐蝕的方法一. 金屬腐蝕的危害 腐蝕的危害是非常巨大的。據(jù)資料報道，全世界每年生產(chǎn)的鋼鐵約有10因腐蝕而變?yōu)殍F銹，大約30的鋼鐵設備因此而損壞。這不僅浪費了材料，還往往會帶來停產(chǎn)、人身安全和環(huán)境污染等事故。根據(jù)世界上幾個主要工業(yè)發(fā)達國家的一些統(tǒng)計數(shù)字表明：這些國家由于金屬的腐蝕造成的直接經(jīng)濟損失約占國民生產(chǎn)總值的24%，可見數(shù)字是驚人的，損失是巨大的。 金屬腐蝕的危害不僅在于金屬本身的損失，更重要的是金屬結(jié)構(gòu)遭到破壞

2、，金屬結(jié)構(gòu)的價值比起金屬本身來說要大得多，例如制造汽車、飛機及精密儀器時，制造費用遠超過金屬本身的價值。此外，由于金屬設備受腐蝕而引起的停工減產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量下降，爆炸以及大量有用物質(zhì)或有害物質(zhì)的滲漏等造成的損失也非常驚人。一. 金屬腐蝕的危害 實際上，如沒有腐蝕，我們的經(jīng)濟面貌會大大改變。例如，汽車、船只、地下管道和家庭用具都不需要涂層了，不銹鋼工業(yè)將無存在的必要，而銅也許只會用于電器。大多數(shù)金屬設備和消費產(chǎn)品將用鋼或鑄鐵制造。 腐蝕除了引起直接的經(jīng)濟損失外，另一個更嚴重的問題是必將導致自然資源的耗損和枯竭。例如，鋼是由鐵礦石煉制的，能直接熔煉的高品位的鐵礦石的量已經(jīng)減少了。如最近幾年鐵礦石的連

3、續(xù)漲價，說明隨著許多國家的迅速工業(yè)化，對金屬和其它自然資源的競爭的加劇和導致國際市場原材料的價格增加。一. 金屬腐蝕的危害二. 金屬為什么會腐蝕？1.熱力學穩(wěn)定性要求： 眾所周知，除了“貴金屬”外，大多數(shù)金屬在空氣中都會發(fā)生腐蝕。根本的原因是這些金屬處于熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)，在一定條件下，它們要回復到原來在地殼中所處的狀態(tài)中去。生成氧化物、硫化物、碳酸鹽或生成可溶性離子，這就是金屬腐蝕的熱力學原因。礦石鋼鐵冶煉腐蝕二. 金屬為什么會腐蝕？ 自然界中大多數(shù)金屬通常是以礦石形式存在，亦即以金屬化合物的形式存在。例如鐵在自然界中多為赤鐵礦，其主要成分是Fe2O3， 而鐵的腐蝕產(chǎn)物鐵銹，其主要成分也是Fe

4、2O3?？梢?，鐵的腐蝕過程就是金屬鐵回復到它的自然存在狀態(tài)(礦石)的過程。但若要從礦石冶煉金屬，則需要提供一定量的能量 (如熱能或電能)才可完成這種轉(zhuǎn)變。所以金屬狀態(tài)的鐵和礦石中的鐵存在著能量上的差異即金屬鐵比它的化合物具有更高的自由能。所以，金屬鐵具有放出能量而回到熱力學上更穩(wěn)定的自然存在形式氧化物、硫化物、碳酸鹽及其他化合物的傾向。顯而易見，能量上的差異是產(chǎn)生腐蝕反應的推動力，而放出能量的過程便是腐蝕過程。伴隨著腐蝕過程的進行，將導致腐蝕體系自由能的減少，故它是一個自發(fā)過程。 從能量的觀點看，金屬腐蝕的傾向可從礦石中冶煉金屬時所消耗能量的大小來判斷。凡是冶煉時消耗能量大的金屬較易產(chǎn)生腐蝕，

5、耗費能量小的金屬則其腐蝕傾向就小。黃金在自然界中可以單質(zhì)的形式存在(如砂金)，因此它不易腐蝕。 二. 金屬為什么會腐蝕？ 2.金屬材料的電化學不均勻性： 金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生反應而遭到破壞的最常見的是電化學腐蝕。由于金屬表面與介質(zhì)，如濕空氣、電解質(zhì)溶液等接觸，在接觸界面上發(fā)生金屬陽極溶解過程，同時還存在相應的陰極過程，構(gòu)成自發(fā)的腐蝕電池，使金屬陽極溶解持續(xù)進行。從而引起金屬的各種形式的腐蝕。 從微觀的尺度看，所有金屬都存在結(jié)構(gòu)的電化學不均勻性。比如金屬晶間的位錯、變形、斷裂、金屬某種成分的偏析、晶體結(jié)構(gòu)的缺陷等。 二. 金屬為什么會腐蝕？ 3.外部環(huán)境的電化學不均勻性： 除了金屬材料本身的電化學

6、不均勻性外，外界環(huán)境的不均勻或不一致也導致各種腐蝕電池的形成。 例如： 由于微觀尺度的溶解氧的濃度不同，導致金屬不同區(qū)域形成氧濃差電池。 由于荷載的不同，導致金屬不同區(qū)域形成應力腐蝕電池。 由于宏觀尺度的介質(zhì)電阻率的不同，導致海底管線路由區(qū)域的宏觀腐蝕電池等等。三. 海洋環(huán)境對腐蝕的影響 海洋占地球表面面積的70%以上，海水是最豐富的天然電解質(zhì)，常用的結(jié)構(gòu)金屬和合金，大多均受海水或多霧的海洋大氣侵蝕。由于材料的行為隨暴露條件的不同而會有很大的變化，因而通常是按具體的環(huán)境區(qū)域來討論其性能的。這些區(qū)域是：海洋大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮汐區(qū)、淺海區(qū)、深海區(qū)及泥漿區(qū)。大氣區(qū)飛濺區(qū)潮汐區(qū)全浸區(qū)泥漿區(qū)金屬厚度的相

7、對損失三. 海洋環(huán)境對腐蝕的影響鹽度的分布規(guī)律: 世界大洋的平均鹽度為 3.5%，由南北半球副熱帶海區(qū)，分別向兩側(cè)高、低緯度遞減。 世界鹽度最高海區(qū)紅海為4.1% 世界鹽度最低海區(qū)波羅的海為 1%影響鹽度分布的因素： 外?；虼笱螅航邓?、蒸發(fā) 近岸：河川徑流三. 海洋環(huán)境對腐蝕的影響三. 海洋環(huán)境對腐蝕的影響三. 海洋環(huán)境對腐蝕的影響 海水中溶解氧含量與海水的溫度、鹽度有密切關系，水溫、鹽度升高，溶解氧含量下降，水溫、鹽度下降，溶解氧含量上升。海水中溶解氧含量具有周日變化和周年變化的特點。當溫度和鹽度變化不大時，其日變化取決于海水中浮游植物的光合作用，因而在受到光照的水層中，可以觀察到在午后不久

8、溶解氧含量最高、黎明前最低的周日變化情況。而同一海區(qū)溶解氧含量的年變化，則取決于該海區(qū)溫度和鹽度的變化、生物活動情況、氧化作用過程、海區(qū)的環(huán)流特點等。表層海水的氧含量為4.598.72毫克/升。在高富氧區(qū)，中心極值達8.73毫克/升， 底層海水的氧含量為4.067.59毫克/升。近岸海域的氧含量略高于大洋。四. 腐蝕的分類和腐蝕電池 1.化學腐蝕 金屬表面與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學作用而引起的腐蝕叫化學腐蝕。它的特點是在化學作用過程中沒有腐蝕電流產(chǎn)生。金屬在干燥的氣體介質(zhì)中和不導電的液體介質(zhì)（如酒精、石油）中發(fā)生的腐蝕，都屬于化學腐蝕。2.電化學腐蝕 金屬在導電的液態(tài)介質(zhì)中由于電化學作用而發(fā)生的腐蝕叫

9、做電化學腐蝕，在腐蝕進行過程中有腐蝕電流產(chǎn)生。大氣腐蝕、海水腐蝕、土壤腐蝕等都屬于電化學腐蝕。例如碳鋼在電解質(zhì)中的腐蝕，F(xiàn)e3C電位較正而Fe電位較負，它們會組成腐蝕微電池，F(xiàn)e3C為微陰極而析出氫氣，F(xiàn)e為微陽極被腐蝕成為鐵離子。如由兩種以上電位不同的金屬組合在一起和電解質(zhì)溶液接觸形成的電池叫做大電池，電位較正的金屬（如銅）為陰極，電位較負的金屬（如鐵）為陽極而被腐蝕。 四. 腐蝕的分類和腐蝕電池 腐蝕電池可以分為兩類，一類是宏電池，另一類是微電池宏電池可用肉眼看到，如，兩種金屬浸入同一電解質(zhì)溶液，電勢高的成為陰極，電勢低的成為陽極。當短路時，陽極發(fā)生氧化而腐蝕即使同一金屬浸入同一電解質(zhì)溶液

10、，由于不同的部位電解質(zhì)濃度不同，也可以形成濃差電池，或者由于不同部分溫度不同，甚至流速不同，都可以形成原電池使金屬腐蝕。 四. 腐蝕的分類和腐蝕電池四. 腐蝕的分類和腐蝕電池四. 腐蝕的分類和腐蝕電池四. 腐蝕的分類和腐蝕電池四. 腐蝕的分類和腐蝕電池四. 腐蝕的分類和腐蝕電池四. 腐蝕的分類和腐蝕電池 1.均勻腐蝕當金屬發(fā)生腐蝕時，腐蝕作用均勻地分布在整個金屬表面上。這類腐蝕造成的損失，相對來說其危害性沒有局部腐蝕嚴重。2.局部腐蝕當金屬發(fā)生腐蝕時，腐蝕作用集中在某一定的區(qū)域內(nèi)，而金屬的其余部分卻幾乎沒有發(fā)生腐蝕，這類腐蝕造成的危害較均勻腐蝕嚴重。局部腐蝕又可分為：電偶腐蝕、縫隙腐蝕、孔蝕、

11、晶間腐蝕、選擇性腐蝕、磨損腐蝕、應力腐蝕以及腐蝕疲勞等不同類型。腐蝕破壞的各種形式 1.大氣腐蝕金屬在大氣以及任何潮濕氣體中的腐蝕，這是最普遍的腐蝕情況。 2.電解質(zhì)溶液中的腐蝕天然水及大部分水溶液對金屬的腐蝕，如酸、堿、鹽水溶液對金屬的腐蝕。 四. 腐蝕的分類和腐蝕電池 3.海水腐蝕艦船和海洋設施在海水中發(fā)生的腐蝕。4.土壤腐蝕埋設在地下的金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕，如地下金屬管道及地下電纜的腐蝕。5.熔鹽腐蝕金屬與熔融鹽類接觸時發(fā)生的腐蝕，例如熱處理的熔鹽對金屬的腐蝕。6.有機氣氛腐蝕金屬在某些塑料、橡膠等非金屬材料揮發(fā)出的有機氣氛中的腐蝕，例如鋅及鎘電鍍層在有機羧氣氛中的腐蝕。7.生物腐蝕某些細菌、

12、海洋生物以及人體對金屬的腐蝕。8.其它特殊環(huán)境的腐蝕金屬在高溫純水、宇宙空間等環(huán)境下的腐蝕。 四. 腐蝕的分類和腐蝕電池五. 控制金屬腐蝕的方法1.合理選用耐腐蝕材料： 在所有控制腐蝕的方法中，正確設計、合理選材是十分重要的。合理選材是一項細致而又復雜的技術，既要考慮到工藝條件及生產(chǎn)中可能的變化，又要考慮材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)在使用中的變化，同時要進行材料選擇的技術經(jīng)濟評估。 選材過程中要根據(jù)材料在不同介質(zhì)中的耐腐蝕性能、平均腐蝕速率、特定體系的電位-PH圖、工藝系統(tǒng)設計參數(shù)、技術經(jīng)濟評估等因素綜合比較確定。 對金屬的耐腐蝕性，有如下通用的規(guī)則，對還原性或非氧化性環(huán)境，如不含空氣的酸和水溶液，通常使

13、用鎳、銅及其合金。對氧化性條件，采用含鉻的合金。對于氧化性極強的條件，鈦和鈦合金顯示優(yōu)良的耐腐蝕性。五. 控制金屬腐蝕的方法2.陰極保護：犧牲陽極陰極保護： 犧牲陽極陰極保護是使用電動序中較活潑的金屬，如鋁、鋅、鎂作為主要成分的合金作為犧牲陽極，為被保護金屬提供保護電流，減輕或防止被保護金屬腐蝕的一種電化學方法。五. 控制金屬腐蝕的方法五. 控制金屬腐蝕的方法五. 控制金屬腐蝕的方法五. 控制金屬腐蝕的方法五. 控制金屬腐蝕的方法外加電流陰極保護： 外加電流陰極保護是使用外加電源，通過整流、降壓通過輔助電極對為被保護金屬提供保護電流，減輕或防止被保護金屬腐蝕的一種電化學方法。五. 控制金屬腐蝕的方法五. 控制金屬腐蝕的方法3.表面涂裝和覆蓋物： 用一層較薄的金屬涂層和無機涂層能夠在金屬和環(huán)境之間提供有效的屏障。就是涂層的作用。主要包括： 電鍍：將要鍍部件浸入有鍍層金屬的溶液中，然后在被鍍部件和另外一個電極間通入直流電，給被鍍部件鍍上一層不同厚度的保護層。 火焰噴涂：包括高溫噴鋁、噴鋅。 熱浸鍍：如浸鋁、浸鋅等。 化學轉(zhuǎn)化膜和鈍化等。 涂裝：在被保護物外表面涂裝一層或若干層保護層，阻斷金屬表面與外