金属腐蚀理论及应用试题答案刘维港.doc

2013金属腐蚀理论及应用试题材硕1201-1200621-刘维港一、名词解释：（5分）平衡电位：当金属正离子进入溶液成为水合金属离子后，由于静电作用不仅水合了该金属正离子能回到金属中去，而且也能将溶液中水合了的其他正离子吸引到金属上去。当这两个相反过程速率相等且又可逆时，会产生一个稳定的电极电位，称为平衡电位。腐蚀电位：在金属腐蚀过程中，腐蚀金属电极表面上常常有两个或更多个电极电极反应同时进行，当这些电极反应的阴极反应和阳极反应痛同时以相等的速率进行时，电极反应将发生相互耦合，阴、阳极反应的电位由于极化原因而相互靠拢，最后达到一个共同的非平衡电位，此电位称之为混合电位，也称为腐蚀电位。绝对电位：浸在某一电解质溶液中并在其界面发生电化学反应的导体称之为电极。当金属和电解质溶液接触时，在金属/溶液界面处将产生电化学双电层，此双电层的金属相与溶液相直接的电位差称之为电极电位。单个电极上的双电层电位差的绝对值称之为绝对电位。但是单个电极的绝对电位无法测定。AISI：AISI是美国的一种行业标准，是“美国钢铁学会标准”的英文首字母缩写。选择性氧化：在多个元素氧化过程中，存在着竞争氧化的现象，即存在着某一个元素优先氧化的问题，这个现象叫做选择性氧化。二、回答下列问题： （15分）1.含有二氧化碳的软水，通过两套不同的供水系统，（1）软水流经铜管进入镀锌的钢水槽，半年左右镀锌的钢水槽发生穿孔腐蚀；（2）软水流经镀锌管后进入镀锌的钢水槽，四年多尚未发现镀锌的钢水槽有局部腐蚀。请问这是为什么？答：（1）软水含有CO2呈酸性，为导电的腐蚀介质。铜与锌、铁比较，无论标准电位还是电偶序，其电位数值都较高，因此，理论上会发生电偶腐蚀。其原因有两种可能：第一种可能性：如果铜管与镀锌水箱直接连接，在连接处附近会发生电偶腐蚀，导致水箱泄漏。第二种可能性：如果采取了绝缘措施，对铜管而言，水中含氧可发生氧去极化腐蚀，即阳极CuCu2+2e，阴极O2+4H+4e2H2O,结果使水流经铜管后含有了Cu2+离子。含有Cu2+离子的水进入水箱后，与锌发生置换反应，实质是发生了铜离子还原的阴极反应Cu2+2eCu（Cu2+是极强的氧化剂），使铜沉积于水箱的靠近进口的部分表面，这样沉积铜的表面为阴极，金属锌为阳极，发生了间接电偶腐蚀。当镀锌层消耗后漏出铁时，铁仍为阳极，继续腐蚀，直至穿孔。（2）不存在电偶腐蚀问题，发生的腐蚀为均匀腐蚀，而且镀锌层在常温水中耐腐蚀性较好，所以使用寿命更长。2.为了防止双金属腐蚀，有人把涂料涂刷在贱金属（电位较负的金属）上，以防贱金属加速腐蚀，你对这种做法有何看法？答：这种做法是不对的，会加速贱金属的腐蚀，原因如下：涂料一般指有机涂层，除添加锌粉等的特殊涂层外，一般有机涂层不导电，多为阴极性涂层，而且有空隙，避免不了水分子的渗透，因此单独使用涂料很容易出现大阴极小阳极的局部腐蚀电池情况。而电化学腐蚀原理表明：小阳极大阴极组合会加速阳极腐蚀，反之大阳极与小阴极的连接则会降低腐蚀速率。因此，大阴极小阳极的组合不是过早穿孔，就是空隙处膜下发生腐蚀而产生的腐蚀产物使涂层鼓泡、脱落，其防腐寿命很短。3.第二次世界大战后不久，美国制造了一艘豪华游船“海洋在召唤号”，船体用蒙乃尔(Monel)做外壳，用钢钉铆接。可在海洋中试航不久，船体主要构架发生了严重的破坏，最后不得不报废了，请你分析一下是什么原因？属于什么形态腐蚀，你认为用什么防护措施可以减轻或防止其腐蚀破坏。答：船体报废的原因：船体用钢钉铆接后，钢钉与蒙乃尔合金的金属活泼性不同，在海水这种电解质溶液中形成原电池的原理，加速了两种金属中间的化学腐蚀，致使船体主要构架严重破坏，最后报废。所属的腐蚀类型：这种腐蚀是一种电化学腐蚀，是电偶腐蚀，也是缝隙腐蚀，均是局部腐蚀的一种形式。电偶腐蚀是两种或两种以上不同电极电位的金属处于腐蚀介质内相互接触而引起的电化学腐蚀，又称接触腐蚀或双金属腐蚀。缝隙腐蚀它可能发全于溶液停滞的缝隙之中或屏蔽的表面内，这样的缝隙可以在金属与金属或金属与非金属的接合处形成。防护措施：电偶腐蚀的主要防止措施有：选择在工作环境下电极电位尽量接近（最好不超过50毫伏）的金属作为相接触的电偶对；减小较正电极电位金属的面积，尽量使电极电位较负的金属表面积增大；尽量使相接触的金属电绝缘,并使介质电阻增大；充分利用防护层，或设法外加保护电位。选择防护方法时应考虑面积律的影响，以及腐蚀产物的影响等。三、奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢均会产生晶间腐蚀，它们的机理有何异同？（10）答: 奥氏体不锈钢晶间腐蚀的机理主要有“贫Cr理论”, 晶界区选择性溶解理论，阳极相理论，吸附理论（1）“贫Cr理论”含碳量较高的奥氏体不锈钢的晶间腐蚀是由于晶界区的贫铬所引起的。C在奥氏体中的饱和溶解度 30% ) 涂层防腐效果最好, 经验表明：金属涂层和有机涂层配套使用,在海洋条件下的保护寿命可达10a以上。有机涂层作为海水体系防腐涂层种类主要有：环氧树脂漆、乙烯树脂漆、氯化橡胶漆、聚氨酯漆、无机富锌底漆等。另外, 涂层与阴极保护联合使用, 是经济、有效的防腐方法。（4）缓蚀剂亚铁离子成膜是目前发电厂铜合金凝汽器海水直流冷却系统中广泛采用的一种防腐方法, 对铜合金的冲击腐蚀、脱锌腐蚀和应力腐蚀都有明显效果。成膜所需的亚铁离子可以由加入硫酸亚铁提供或采用电解法直接产生。成膜方式可以是一次造膜、运行中定期加入或低浓度连续注入。亚铁离子成膜工艺直接影响成膜效果, 成膜不当则没有保护效果, 甚至会加速腐蚀; 另外, 对于污染海水特别是H2S等还原性物质污染时, 亚铁造膜亦没有保护效果。（5）联合保护在海水直流冷却系统中, 通常采用多种防腐对策进行联合保护, 才能达到良好效果。以电厂凝汽器为例, 防止铜合金管泄漏的较有效措施为采用海绵球清洗、亚铁成膜及阴极保护三者的联合保护。海水管路通常采用涂层、阴极保护等防腐措施进行联合保护。七、有一条钢自来水管从城市的地下通过,试提出两种合理的防腐措施对其进行有效的保护.答: 水管的腐蚀环境：自来水管在城市地下通过，管内遭受自来水腐蚀，管外遭受土壤腐蚀及杂散电流腐蚀。管内防腐措施：（1）管道衬里自来水不能被污染，所以一般不使用普通有机涂层。可以使用无机涂层、金属镀层或无毒有机涂层，无机涂层常用水泥砂浆衬里，适用于直径较大管道；金属涂层可用热浸镀锌或热浸镀铝钢管；无毒有机涂层可使用聚氨酯涂层等。（2）高压水射流清洗可以采用用高压水射流对水管进行周期性清洗的方法,高压水射流清洗是一种比较普遍采用地方法,它是利用从高压泵打出来的高压水经水管到达喷嘴,然后把高压力低流速的水转换为低压力高流速的射流对管道内部进行连续不断的冲洗,从而使管道内部的垢物脱落下来,这样可以抑制管道内部的腐蚀,恢复了管道的通水能力,经试验研究这种方法有很好的效果,并且达到了高效,节能的效果。（3）在钢管内使用塑料衬里管道。管外防腐措施：腐蚀比管内严重，是防腐的重点。首先用抛光机将表面的锈除净，用破布将浮锈、灰尘、油污擦拭干净，露出金属光泽。然后涂刷涂层。使用的涂层可以是:（1）熔结环氧粉末防腐层熔结环氧粉末防腐层是将防腐用环氧粉末通过静电涂覆技术，涂覆在230度左右的钢管上，环氧粉末在钢管表面熔融并固化。（2） 三层聚乙烯防腐层三层聚乙烯防腐层的结构为溶解环氧-共聚物胶粘剂-聚乙烯防腐层，简称三层PE。该防腐层是以环氧粉末涂料为底漆，以改性聚烯烃为中间层，以聚乙烯为面层，由于改性聚烯烃分子链上接枝了马来酸酐，因此可以与环氧底漆形成化学结合，同时又可以和面层形成物理融合，从而形成统一的整体，表现出优异的性能。（3）石油沥青涂层（石油沥青+玻璃布+表面聚氯乙烯膜），特点是技术成熟，成本较低。（4）石油沥青涂层+阴极保护。或聚氨酯涂层、2PE、3PE等。八、根据腐蚀反应的特点，用系统防护的观点，控制金属腐蚀，有哪些途径和方法？（10）答: （1）合理设计结构，在设计设备时就从设备的形状、安装等方面来防止或减缓腐蚀速度。考虑制造加工方法对防腐蚀的影响及防腐施工的方便性。（2）合理选择材料。根据金属材料的腐蚀数据，选择对特定环境腐蚀率低、价格便宜、性能好的材料，是常用的、简便的控制腐蚀的方法，可以使设备获得经济、合理的使用寿命。（3）在界面上采取防腐措施，如电化学保护，施加防护涂层等。金属保护中常用对其表面进行处理以防止腐蚀。金属在接触使用环境之前，先用钝化剂或成膜剂（铬酸盐、磷酸盐、碱、硝酸盐和亚硝酸盐混合液等）处理，表面生成稳定密实的钝化膜，抗蚀性大大增加。用有机涂料保护大气中的金属结构是应用最广的传统防腐手段。（4）改进环境条件，如对介质进行处理，添加缓蚀剂等，如果能消除金属材料和设备在使用环境中引起腐蚀的各种因素，腐蚀就会中止或减缓。但是多数环境条件是无法控制的，如大气和土壤中的水分、海水中的氧等都不可能除去。生产流程也是不能任意改动的，这时可以调整局部环境。例如锅炉进水先去氧（加入脱氧剂Na2SO3和N2H4等），可保护锅炉管少受腐蚀；先除去密闭仓库进入空气的水分，可免贮存金属部件生锈；在水中经常加入碱或酸以调节pH至最佳范围（通常接近中性），可以防止冷却水对换热器和其他设备的结垢、穿孔；炼制石油的工艺中也常加碱或氨，使生产流体保持中性至弱碱性。（5）通过各种合理的管理措施，加强对关键部位的监控和改善维修等措施来最终达到提高整个设备运行中的耐腐蚀能力。九、某电站海水循环冷却系统原设计用材为耐海水腐蚀低合金钢10CrMoAl，但在使用5年后出现严重的腐蚀泄漏，检修切开管道发现管内壁被锈层覆盖，锈层中含有大量锈瘤，锈瘤外壳呈黄褐色，较为致密，打破外壳后内层为比较疏松的浮锈，锈层下的金属基体腐蚀严重，呈不均匀的溃疡状腐蚀，个别腐蚀坑深度较大，出现穿孔。在损坏的阀门内壁有水流状腐蚀沟槽。试用腐蚀失效分析方法分析与推测腐蚀失效原因。（10）答: 腐蚀失效分析方法一般分为两步:(1)现场调查；(2)实验室分析。(1)在现场调查的过程中要了解以下几点：1.了解失效设备的名称、尺寸、形状、材料牌号、制造厂家及全部的制造工艺历史(了解冶炼、铸造、加工、热处理及装配等情况)、投入运行日期、运行记录、维修记录、工艺流程及操作规程等。2.了解失效设备或部件的结构和制造特征以及失效部件和碎片的腐蚀外观,如附着物和腐蚀生成物的收集以及一切可疑的杂物和痕迹的观察等。3.了解腐蚀失效设备或管线的服役条件及服役历史(介质环境、温度、压力和以前相关的监测情况),应特别注意环境细节和异常工况,如突发超载、温度变化、压力和偶然与强腐蚀介质的接触等。4.听取操作人员及佐证人介绍发现腐蚀失效的情况及其相应的处理方法。5.收集同类或相似部件过去曾发生过的腐蚀失效情况。(2)实验室分析。题目中已经写明现场调查所需要得到的主要内容，所以以下着重从所观察的现象上分析腐蚀失效原因。1.题目中指出发现管内壁被锈层覆盖，锈层中含有大量锈瘤这可能是因为循环冷却水在冷却塔散热时暴露在空气中，会有粉尘，微生物,细菌等进入,而循环水中的环境特别适宜这类生物在里面生存,并大量繁殖,时间久了形成大量污垢,粘泥等附着在管道内壁上.对内壁造成腐蚀,剥落下来的铁锈与粘泥混杂后再与水中的钙离子镁离子等结合产生氧化铁碳酸钙碳酸镁等等的混合物,成分复杂. 因此可以在管道内部发现大量呈黄褐色的锈瘤，并且锈瘤在肉眼下观察时，显得比较致密。2.腐蚀介质：从腐蚀介质方面考虑，在循环水处理过程中，大多数用自来水补充。而自来水中一般都溶解有一定量的氯离子、O2、CO2，并且还溶解有各种各样的盐类，包括Na盐，Ca盐和Mg盐等，这些物质都会与循环水设备即管道形成原电池。3.基体严重腐蚀及穿孔的原因：一方面，在水的重复利用过程中，随着水分的蒸发，水中的溶解盐类、悬浮固体及非挥发性有机物浓度逐步增大，超过一定浓度时在管道、设备特别是在换热面上发生结垢；另一方面，在水中有溶解氧存在的条件下，以及铁的阳极发生反应，可以促进形成腐蚀电池，造成严重的垢下腐蚀；锈瘤覆盖下的贫氧区与裸露的富氧区之间也能形成氧浓差电池，使金属遭受局部腐蚀，当形成氧浓差电池后，局部区域会由于发生强烈的点蚀而产生穿孔。4.阀门内壁有水流状腐蚀沟槽的分析：材料的耐点蚀性能与钢中夹杂物特性、脱氧程度、磷含量及其偏析等冶金因素有关。钢表面形成的腐蚀沟槽，与材料中的带状组织有关。平行腐蚀沟槽与钢中的磷偏析有很好的对应性。同时，具有磷偏析的钢通常会形成铁素体和珠光体平行相间分布的带状组织。此外，钢中的条状夹杂物也会造成蚀坑沟槽状的腐蚀形态。另外条件允许的话，可进行以下分析以进一步确定腐蚀失效原因1）微观组织分析：用金相显微镜、电子显微镜观察腐蚀失效部件的显微组织2）化学成分分析：主要是采用光谱法等测定腐蚀部件的材料是否符合技术要求,有无用错材料或出现成分偏差,必要时可进行微量元素分析或微区成分分析。3）腐蚀产物分析表面形貌观察还要配合相应的腐蚀产物分析结果,才能更有效地分析出材料失效的原因。4）腐蚀形貌观察：腐蚀形貌真实地反映了材料被腐蚀的全过程,通过对材料腐蚀表面形貌的观察，可以进一步详细了解腐蚀过程十、根据自己的研究方向，查找一个以上有关的腐蚀型式试验标准，对其简要描述。（10）答：本人研究生阶段研究的课题：光功能陶瓷材料-Y2O3系透明陶瓷的制备及其光物性研究。我研究的是粉状化合物，不存在腐蚀问题，只是变质问题，因而通过查找，了解了几个腐蚀型式试验标准。所谓型式试验type test，就是在按某种设计制造一个或多个样品来确定该设计是否符合本标准的全部要求而进行的试验。标准1：不锈钢点蚀电位测量的试验标准标准号 Standard No.：GB/T 17899-1999，这个标准规定了不锈钢点蚀电位测量方法的试样、试验溶液、试验仪器和设备、试验条件和步骤、试验结果和试验报告。此标准适用于动电位法测量不锈钢在中性3.5%氯化钠溶液中的点蚀电位。(1).取样：从板材取样时应使试验面平行于板材的轧面，试验面用符合GB/T 2481.1规定的粒度的砂纸进行研磨，一直磨到粒度为W20的砂纸。为了防止缝隙腐蚀，研磨后可以进行钝化处理（在50、20% 30%的硝酸中浸泡1 h以上）。用钎焊或点焊的方法将导线焊在试样上。试样的绝缘，应使最终暴露的试验面的面积为1cm2，板材试样为10mm10mm，并使试验面处于试样上未受钎焊或点焊热影响的部位。非试验面部分和导线用环氧树脂、乙烯树脂或石蜡松香混熔物等绝缘物进行涂覆。在测定前，用符合GB/T 2481.1规定的粒度为W28号的砂纸进行仔细打磨。打磨后用蒸馏水货去离子水冲洗，再用丙酮或酒精去油。实验前至少准备三个平行试样。(2).试验溶液的配制：试验溶液为3.5%氯化钠溶液，用符合GB/T 1266规定的分析纯氯化钠35g溶于965mL蒸馏水或去离子水中配制而成。(3).试验仪器和设备由恒电位仪、电位扫描装置、记录仪、玻璃电解槽（容积大于300mL）和恒温槽组成。参比电极推荐用甘汞电极或氯化银电极，辅助电极用铂电极或石墨电极，辅助电极的面积至少是工作电极面积的2倍。但是在对比试验中，每次试验的参比电极和辅助电极应分别一致。(4).试验条件和步骤：先将试验溶液注入电解槽中，溶液的体积与试样面积之比不小于200mL/cm2，然后将试验溶液加热并在恒温槽中保温，试验温度为301，测量前向溶液通入纯氮或纯氩，进行半小时以上的预除氧。试验过程中保持对溶液连续通气，通气速度按每升