1、過(guò)程裝備腐蝕與防護(hù),講授人：劉 新寶 專業(yè)：過(guò)程裝備與控制工程 西北大學(xué),第2章 影響局部腐蝕的結(jié)構(gòu)因素,本章提示：主要針對(duì)金屬的局部腐蝕進(jìn)行研究，其中包括由于受力而產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕、疲勞腐蝕、磨損腐蝕、氫致腐蝕；表面狀態(tài)和幾何因素引起的小孔腐蝕、縫隙腐蝕；異種金屬組合產(chǎn)生的電偶腐蝕以及由于焊接引起的晶間腐蝕等。 全面腐蝕和局部腐蝕的比較 力學(xué)因素 表面狀態(tài)和幾何因素 異種金屬組合 焊接因素,2.1局部腐蝕和全面腐蝕比較,(1) 局部腐蝕和全面腐蝕的定義 全面腐蝕(General Corrosion)腐蝕是在整個(gè)金屬表面上進(jìn)行?？墒孪阮A(yù)測(cè)。 局部腐蝕(Localized Corrosion)腐蝕

2、只集中在金屬表面局部特定部位進(jìn)行，其余大部分幾乎不腐蝕。事先無(wú)法預(yù)知，容易發(fā)生脆性斷裂失效，危害性特別大。,2.1局部腐蝕和全面腐蝕比較,Table1:1976年日本Mitsubishi化工對(duì)服役10年的機(jī)械化工裝置損壞調(diào)查,2.1局部腐蝕和全面腐蝕比較,(2) 局部腐蝕和全面腐蝕的比較,2.2 力學(xué)因素,(1) 應(yīng)力腐蝕 應(yīng)力腐蝕破裂指金屬結(jié)構(gòu)在應(yīng)力和特定腐蝕環(huán)境共同作用下引起的破裂，Stress Corrosion Cracking-SCC。,2.2 力學(xué)因素,應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生條件和特征 條件敏感材料、特定環(huán)境和拉應(yīng)力 拉應(yīng)力來(lái)自制造加工過(guò)程，例如剪、沖、切削等冷加工以及鍛造、焊接、熱處理造成

3、的殘余應(yīng)力等。 特征 SCC具有如下特征： . 材料本身對(duì)SCC的敏感性，純金屬不 會(huì)發(fā)生SCC，而合金容易。 . 有效應(yīng)力(工作應(yīng)力和殘余應(yīng)力之和) 低于某一臨界值時(shí)，不發(fā)生SCC。,2.2 力學(xué)因素, 特定組合環(huán)境 對(duì)給定的材料只有其對(duì)應(yīng)的特定環(huán)境下才能發(fā)生SCC。 例如碳鋼的OH-、 低合金 高強(qiáng)度鋼 潮濕的大氣 滯后效應(yīng) 包括孕育期、裂紋擴(kuò)展 期、 快速斷裂期。,2.2 力學(xué)因素, SCC裂紋形態(tài) 晶間形（碳鋼）、穿晶形（鎂合金）和混合型（鈦合金）。,2.2 力學(xué)因素,應(yīng)力腐蝕機(jī)理 電化學(xué)溶解理論存在活性途徑優(yōu)先進(jìn)行，陽(yáng)極侵蝕處形成狹小裂紋。,小陽(yáng)極的裂紋內(nèi)部 大陰極的金屬表面 由于活

4、性陰離子Cl填充到裂紋處，使?jié)饪s的電解質(zhì)溶液水被酸化，導(dǎo)致裂紋尖端的陽(yáng)極溶解加速，在應(yīng)力作用下裂紋不斷擴(kuò)展，直至破裂。,2.2 力學(xué)因素,應(yīng)力腐蝕保護(hù) 降低設(shè)計(jì)應(yīng)力 在空氣條件下， K1-應(yīng)力強(qiáng)度；-拉應(yīng)力；a-裂紋深度；Y-修正系數(shù)；K1c-材料臨界斷裂韌性。 在腐蝕條件下同樣存在K1SSC(小于K1c，通常為1/2-1/5)。,2.2 力學(xué)因素, 合理設(shè)計(jì)與加工減少局部應(yīng)力集中 選用對(duì)接焊接結(jié)構(gòu)、大的曲率半徑、采用流型設(shè)計(jì)等。,2.2 力學(xué)因素, 降低材料對(duì)SCC的敏感性 退火熱處理消除殘余應(yīng)力，時(shí)效處理改善合金組織（消除晶間偏析）降低對(duì)SCC的敏感性。 其他方法 合理選材，采取陰極保護(hù)。

5、 (2) 疲勞腐蝕 疲勞斷裂金屬構(gòu)件在變動(dòng)負(fù)荷作用下，經(jīng)過(guò)一定周期后所發(fā)生的斷裂。疲勞腐蝕由腐蝕介質(zhì)和變動(dòng)負(fù)荷的聯(lián)合作用而引起的斷裂破壞。 循環(huán)應(yīng)力以交變的張應(yīng)力和壓應(yīng)力(拉-壓應(yīng)力交替變化)最為常見(jiàn)。如海上、礦山的卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引鋼索、油井鉆桿、深井泵軸等。脈動(dòng)應(yīng)力為交變應(yīng)力和拉伸應(yīng)力的疊加。如鑿巖機(jī)所承受的是脈動(dòng)應(yīng)力。,2.2 力學(xué)因素,疲勞腐蝕特點(diǎn) 不存在疲勞極限。 疲勞腐蝕判據(jù)斷口形貌 裂紋多為穿晶型，斷口大部分有腐蝕產(chǎn)物覆蓋，小部分?jǐn)嗫谳^為光滑，呈脆性斷裂。在掃描電鏡觀察下，斷口呈貝殼狀，或帶有疲勞紋斷口。,2.2 力學(xué)因素,疲勞腐蝕影響因素 pH值、溫度、含氧量以及變動(dòng)負(fù)荷(大振幅、低頻

6、)，pH值越小、溫度越高以及含氧量越大， 疲勞腐蝕機(jī)理 蝕孔應(yīng)力集中理論力學(xué)電化學(xué)交互作用，金屬內(nèi)部位錯(cuò)滑移面上的原子處于較高的自由能而成為陽(yáng)極，暴露于新鮮金屬表面產(chǎn)生溶解。當(dāng)金屬受壓應(yīng)力時(shí)，即逆向滑移，不能復(fù)原，從而形成裂紋源，交變應(yīng)力往復(fù)，裂紋不斷擴(kuò)展沿滑移面擴(kuò)展。,2.2 力學(xué)因素,疲勞腐蝕預(yù)防 合理選材 一般來(lái)說(shuō)抗點(diǎn)蝕能力高的材料，其腐蝕疲勞極限也較高；而應(yīng)力腐蝕斷裂敏感性高的材料，則其腐蝕疲勞極限也低。但是應(yīng)注意的是提高金屬或合金抗拉強(qiáng)度對(duì)改善疲勞有利，但對(duì)腐蝕疲勞有害，由于高強(qiáng)度材料能阻止裂紋成核，但一旦產(chǎn)生裂紋，裂紋的擴(kuò)展速度和低強(qiáng)材料相比更快。 腐蝕措施 常用的有涂層、緩蝕劑及

7、電化學(xué)保護(hù)。采用這些措施時(shí)，應(yīng)注意表面層的殘余內(nèi)應(yīng)力及滲氫問(wèn)題。介質(zhì)中添加鉻 酸鹽或乳化油，均可延長(zhǎng)鋼材的腐蝕疲勞的壽命。采用陰極保護(hù)，已廣泛用于海洋金屬結(jié)構(gòu)的防腐蝕疲勞中，但注意出現(xiàn)氫脆問(wèn)題。,2.2 力學(xué)因素,(3) 磨損腐蝕 磨損腐蝕(Erosion-Corrosion)腐蝕介質(zhì)與金屬構(gòu)件以較高速度作相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的金屬腐蝕破壞，也叫沖刷腐蝕。 影響因素 耐磨損腐蝕性能與它的耐蝕性和耐磨性都有關(guān)系。 表面膜的保護(hù)性能和損壞后的修復(fù)能力，對(duì)材料耐磨損腐蝕性能有決定性的作用。 流速：流速對(duì)金屬材料腐蝕的影響是復(fù)雜的，當(dāng)液體流動(dòng)有利于金屬鈍化時(shí)，流速增加將使腐蝕速度下降。流動(dòng)也能消除液體停滯而

8、使孔蝕等局部腐蝕不發(fā)生。只有當(dāng)流速和流動(dòng)狀態(tài)影響到金屬表面膜的形成、破壞和修復(fù)時(shí)，才會(huì)發(fā)生磨損腐蝕。 液體中含量懸浮固體顆粒(如泥漿、料漿)或氣泡，氣體中含有微液滴 (如蒸氣中含冷凝水滴)，都使磨損腐蝕破壞加重。,2.2 力學(xué)因素,磨損腐蝕的兩種形式湍流腐蝕、空泡腐蝕 湍流腐蝕(沖擊腐蝕) 高速流體或流動(dòng)截面突然變化形成了湍流或沖擊，對(duì)金屬材料表面施加切應(yīng)力，使表面膜破壞。湍流形成的切應(yīng)力使表面膜破壞，不規(guī)則的表面使流動(dòng)方向更為紊亂，產(chǎn)生更強(qiáng)的切應(yīng)力，在磨損和腐蝕的協(xié)同作用下形成腐蝕坑。,2.2 力學(xué)因素,空泡腐蝕(Cavitation erosion)，又叫氣蝕、穴蝕。 當(dāng)高速流體流經(jīng)形狀復(fù)

9、雜的金屬部件表面在某些區(qū)域流體靜壓可降低到液體蒸氣壓之下，因而形成氣泡在高壓區(qū)氣泡受壓力而破滅。氣泡的反復(fù)生成和破滅產(chǎn)生很大的機(jī)械力使表面膜局部毀壞，裸露出的金屬受介質(zhì)腐蝕形成蝕坑。蝕坑表面可再鈍化，氣泡破滅再使表面膜破壞。,2.2 力學(xué)因素,磨損腐蝕的防護(hù) 合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與正確地選材。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要避免渦流和湍流的形成。 選擇能形成保護(hù)性好的表面膜材料，例如 碳鋼管在輸送含硫介質(zhì)時(shí)形成的硫化膜等。,2.2 力學(xué)因素,(4) 氫致腐蝕 氫致腐蝕由氫引起的金屬材料力學(xué)性能的破壞現(xiàn)象，在外界應(yīng)力作用下更容易發(fā)生。主要于金屬中的捕氫量和缺陷開裂的臨界氫濃度有關(guān)。內(nèi)氫來(lái)源于冶煉、熱處理、鑄造、焊接、酸洗等

10、。外氫來(lái)源于含氫的介質(zhì)。分為如下幾類： 氫腐蝕高溫條件下氫與金屬的化學(xué)作用引起的不可逆腐蝕（第3章）。 氫鼓泡或氫開裂由于分子在夾雜或基體交界處積聚成很高的壓力，引發(fā)表面氫鼓泡HB或內(nèi)部氫致開裂HIC。其中受介質(zhì)、溫度和夾雜物的影響較大。酸性越大，越容易引起；HB主要出現(xiàn)于室溫；降低夾雜有利改善材料對(duì)HB或HIC的敏感性。 氫脆氫與金屬由于物理作用引起的可逆腐蝕。金屬中的氫在應(yīng)力梯度作用下向高的三向應(yīng)力區(qū)富集，當(dāng)濃度超過(guò)臨界值時(shí)，在應(yīng)力場(chǎng)的聯(lián)合作用下導(dǎo)致材料開裂。裂紋通常不在表面，很少分枝，而且不連續(xù)?？赏ㄟ^(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に囀箽鋸牟牧现幸莩鰜?lái)消除。,2.2 表面狀態(tài)和幾何因素,(1) 孔蝕-p

11、itting corrosion 定義 金屬的大部分表面不發(fā)生腐蝕或腐蝕很輕微，但局部地方(粗糙界面的不連續(xù)保護(hù)膜)出現(xiàn)腐蝕小孔并向深處發(fā)展的現(xiàn)象，稱為小孔腐蝕或點(diǎn)蝕。 小孔腐蝕是一種破壞性和隱患大的腐蝕形態(tài)之一。在金屬失重不大的情況下，設(shè)備就會(huì)發(fā)生穿孔破壞，造成介質(zhì)流失，設(shè)備報(bào)廢。,2.2 表面狀態(tài)和幾何因素,小孔腐蝕機(jī)理 小孔腐蝕的過(guò)程包括： 在鈍態(tài)金屬表面上小孔的成核孔蝕核主要與活性陰離子有關(guān)，Cl，蝕孔優(yōu)先在一些敏感位置上形成，這些敏感位置(即腐蝕活性點(diǎn))包括：晶界(特別是有碳化物析出的晶界)，晶格缺陷；非金屬夾雜，特別是硫化物，如FeS、MnS是最為敏感的活性點(diǎn)；鈍化膜的薄弱點(diǎn)(如位

12、錯(cuò)露頭、劃傷等)。,2.2 表面狀態(tài)和幾何因素, 小孔的成長(zhǎng)閉塞電池模型 形成的蝕孔處于活態(tài)，電位較低；而蝕孔周圍的金屬表面處于鈍態(tài)，電位較高；構(gòu)成了活態(tài)鈍態(tài)微電池： 孔內(nèi)金屬氧化：FeFe22e Ni Ni22e Cr Cr22e 孔外發(fā)生陰極：1/2O2+H2O+2e2OH- 孔外金屬陰極保護(hù)，處于鈍態(tài)。 孔內(nèi)富集氧離子，為了保持電中性。 陰離子不斷遷入，形成了氯化物FeCl2。 可進(jìn)一步水解 M2Cl22H2OM(OH)2+HCl 自催化酸性作用,2.2 表面狀態(tài)和幾何因素,孔蝕發(fā)生的條件 具有鈍化膜的金屬表面，同時(shí)鈍化膜有破損，即腐蝕電位處于鈍化膜破損的某一區(qū)域。Ebr孔蝕電位 或臨界

13、破裂電位，Ep保護(hù)電位或鈍化 電位。 電位 Ebr 發(fā)生孔蝕 Ebr電位 Ep 不產(chǎn)生新蝕核，原有的 蝕核長(zhǎng)大 電位 Ep 不產(chǎn)生新的蝕核，原有的 也鈍化而停止發(fā)展 Ebr越高，耐孔蝕性越好； Ep越大，金屬表面的鈍化膜越穩(wěn)定。,2.2 表面狀態(tài)和幾何因素,Ebr影響因素 材料因素 自鈍化金屬相對(duì)耐點(diǎn)蝕能力高；金屬的表面粗糙核位錯(cuò)越容易形成點(diǎn)蝕。 環(huán)境因素 介質(zhì)的成分、pH值以及流速核溫度等。 點(diǎn)蝕的防護(hù) 合理的選材，加入適量的能提高抗點(diǎn)蝕的合金元素，如Cr、Mo、Ni等的不銹鋼改善表面處理工藝，提高鈍態(tài)穩(wěn)定性。 降低環(huán)境介質(zhì)的有害元素 特別是鹵素離子 合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 采用陰極保護(hù) 對(duì)金屬設(shè)備

14、、裝置采用電化學(xué)保護(hù)是防止小孔腐蝕發(fā)生的較好措施。陰極極化使電位低于保護(hù)電位Ep，使設(shè)備材料處于穩(wěn)定的鈍化區(qū)。 緩沖劑 封閉系統(tǒng)中采用緩沖劑，不銹鋼采用硝酸鹽、亞硝酸鈉等。,2.2 表面狀態(tài)和幾何因素,(2) 縫隙腐蝕 定義 縫隙腐蝕金屬與金屬或與非金屬之間存在很小的縫隙(0.025-0.1mm)時(shí)，縫隙內(nèi)介質(zhì)不易流動(dòng)而形成滯留狀態(tài)，促使縫隙內(nèi)的金屬加速腐蝕。 縫隙腐蝕實(shí)例：螺紋連接、鉚接板的接合面、設(shè)備底板與基礎(chǔ)接觸面等。,2.2 表面狀態(tài)和幾何因素,縫隙腐蝕機(jī)理 目前，大家較能接受的機(jī)理是，縫隙腐蝕的起因是氧濃差電池的作用，而閉塞電池引起的酸化自摧化作用是造成縫隙腐蝕加速進(jìn)行的根本原因。也

15、就是說(shuō)，只有氧濃差電池的作用，而沒(méi)有閉塞電池引起的自催化作用，是不能構(gòu)成嚴(yán)重的縫隙腐蝕的。 縫隙內(nèi)陽(yáng)極FeFe2+十2e；縫隙外陰極1/2O2+H2O+2e2OH-。由于陰、陽(yáng)極分離，二次腐蝕產(chǎn)物Fe(OH)3；在縫隙口形成，很快發(fā)展為閉塞電池。,2.2 表面狀態(tài)和幾何因素,縫隙腐蝕防護(hù) 避免形成縫隙或造成表面沉積的幾何構(gòu)造,2.2 表面狀態(tài)和幾何因素, 防止溶液濃縮，避免積液和死區(qū),2.3 表面狀態(tài)和幾何因素,電偶腐蝕galvanic corrosion 定義 異種金屬彼此接觸或通過(guò)其他導(dǎo)體連通，處于同一介質(zhì)中，會(huì)造成接觸部位的局部腐蝕。電位低的金屬溶解速度大，電位高的溶解速度小。實(shí)際為不同

16、電極構(gòu)成的宏觀腐蝕電池所致。,2.3 表面狀態(tài)和幾何因素,電偶腐蝕原理混合電位 金屬M(fèi)1和M2分別發(fā)生共軛電極反應(yīng)：,2.3 表面狀態(tài)和幾何因素,面積比與有效距離 小陽(yáng)極、大陰極的結(jié)構(gòu)危害，面積比Sk/Sa，析氫反應(yīng)(電化學(xué)控制)時(shí)，陰極電流密度減小，氫的超電壓降低，陽(yáng)極溶解加速；耗氧(擴(kuò)散控制)腐蝕時(shí)，陰極面積增加，提高了擴(kuò)散電流，陽(yáng)極溶解加速。 應(yīng)采用小陰極、大陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)。 電偶腐蝕的因素 金屬材料的電極電位 差值越大，腐蝕 面積效應(yīng) 避免小陽(yáng)極、大陰極 溶液電阻 腐蝕經(jīng)常集中在結(jié)合（突起）處。 環(huán)境介質(zhì),2.3 表面狀態(tài)和幾何因素,電偶腐蝕的防護(hù) 選擇相容性材料 由于所處介質(zhì)大多不好金屬

17、離子本身，因而不能使用標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)序來(lái)衡量。通常要實(shí)際測(cè)量。 電位50mV時(shí)，電偶效應(yīng)可 不考慮。,2.3 表面狀態(tài)和幾何因素, 合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 避免小陽(yáng)極、大陰極的結(jié)構(gòu)。焊縫相對(duì)被焊金屬時(shí)陰性的，螺釘、鉚釘也是陰性的。 . 將不同金屬部件相互絕緣。 . 插入其他金屬或采用涂層， 以降低兩種金屬間的電位差。 .將陽(yáng)極材料換成廉價(jià)材料， 同時(shí)可適當(dāng)增加厚度。 電化學(xué)保護(hù)犧牲陽(yáng)極 保護(hù)陰極,2.4 焊接因素,(1) 焊接缺陷和腐蝕 焊接表面缺陷 焊瘤熔化金屬流淌到焊縫之外未熔化部位堆積而成，與木材沒(méi)有融合。 咬邊在工件上沿焊縫邊緣所形成的溝槽會(huì)凹陷。電流過(guò)大、焊縫太長(zhǎng)等。,2.4 焊接因素,異種金屬焊接 化工設(shè)備常采用異種金屬焊接，例如碳鋼不銹鋼，奧氏體不銹鋼鐵素體不銹鋼，復(fù)合鋼板等，如果焊縫金屬的電位遠(yuǎn)低于母體的金屬時(shí)，就