防腐蚀讲义-f第四章-金属在自然环境中的腐蚀与防护

1 第四章第四章 金属在自然环境中的腐蚀与防护金属在自然环境中的腐蚀与防护 本章主要讨论金属在大气 海水 土壤这三种主要的自然环 境中金属腐蚀的特征 规律 影响因素以及防护方法等有关内容 第一节第一节大气腐蚀大气腐蚀 一 大气腐蚀的概念及研究意义大气腐蚀的概念及研究意义 金属在常温大气中 由于空气中的水和氧等的化学和电化学 作用而引起的腐蚀称为大气腐蚀大气腐蚀 大气腐蚀是一种常见的腐蚀现 象 如钢铁在空气中的生锈即属于此类腐蚀 在大气中使用的钢 材量一般超过全世界钢产量的 60 厂房的钢梁 桥梁 钢轨 各种机械设备 车辆 电工产品 石油石化中的大部分生产设备 以及武器装备等金属材料都是在大气环境下使用的 据估计因大 气腐蚀损失的金属约占总的腐蚀损失量的一半以上 因此研究大 气腐蚀的现象和规律 了解大气腐蚀的机理和影响因素 以及金 属材料的耐大气腐蚀性能以及防止大气腐蚀的方法 都对节省能 源 保护资源等具有重要的意义 二 二 大气腐蚀分类大气腐蚀分类 大气腐蚀的相关概念 1 大气及其组成 地球表面上自然状态的空气称为大气 大气是组成复杂的混 合物 其主要成分见表 4 1 表表 4 1 大气的基本组成 不包括杂质 大气的基本组成 不包括杂质 10 成 分重量组成成 分重量组成 氮 N2 70 氖 Ne 12ppm 氧 O2 23 氪 Kr 3ppm 氩 Ar 1 26 氦 He 0 7ppm 水蒸汽 H2O 0 70 氙 Xe 0 4ppm 二氧化碳 CO2 0 04 氢 H2 0 04ppm 2 2 绝对湿度和相对湿度 参与金属大气腐蚀过程的主要组成是氧和水蒸汽 二氧化碳 虽参与锌和铁等某些金属的腐蚀过程 形成腐蚀产物的碳酸盐 但它的作用是次要的 氧在大气腐蚀中主要是参与电化学腐蚀过程 空气中的氧溶 于金属表面存在的电解液薄层中作为阴极去极化剂 而金属表面 的电解液层由大气中的水蒸汽所形成 大气中的水分常用湿度来 表示 绝对湿度 一立方米大气中的水汽含量 g m3 一定温 度下大气的最高绝对湿度叫做大气的饱和水蒸汽量 相对湿度 RH 大气中的绝对湿度与同温度下的饱和 水蒸汽量之比 大气腐蚀的分类 按照金属表面的潮湿度不同 也就是按照电解液膜层的存在 和状态不同 可把大气腐蚀分为三类 1 干大气腐蚀 在干燥大气中 通常 RH 60 80 金属表面不存在液 膜时的腐蚀 这种腐蚀属于化学腐蚀中的常温氧化 其特点是金 属表面形成不可见的保护膜 某些金属 如铜 银等非铁金属 在被硫化物所污染了的空气中产生的失泽作用就是一个例子 2 潮大气腐蚀 在相对湿度足够高 60 80 RH 100 金属表面存 在肉眼看不见的极薄水膜时发生的大气腐蚀 例如铁在没有雨雪 淋到时的生锈即属于此 3 湿大气腐蚀 当金属表面存在肉眼可见的凝结水膜时发生的大气腐蚀 也 就是说 当空气湿度接近 100 以及当水分以雨 雪 水沫等 形式直接落在金属表面上时所发生的腐蚀 大气腐蚀速度与液膜厚度的关系 3 可以定性地用图 4 1 来表示大气腐蚀速度与金属表面上膜层 厚度之间的关系 图 4 1 大气腐蚀速度与金属表面上膜层厚度之间的关系 区域区域 I 在大气湿度特别低的情况下 金属表面只有薄薄的 吸水薄膜 最多只有几个水分子厚度 10 100 还不能认为 o A 是连续的电解液 此区相当于干大气腐蚀 腐蚀速度很低 区域区域 II 随大气湿度增加 金属表面液膜层厚度也逐渐增 加 水膜厚度可达几十或几百个水分子层厚 形成连续的电解液 薄层 开始了电化学腐蚀过程 此区域腐蚀速度急剧增加 相当 于潮大气腐蚀 区域区域 III 当金属表面水膜层厚继续增加到几十微米厚时 进入到湿大气腐蚀区 由于氧通过液膜扩散到金属表面困难了 所以此区腐蚀速度有所下降 区域区域 IV 当金属水膜层变得更厚 如大于 1mm 时已相当于 全浸在电解液中的腐蚀情况 腐蚀速度已基本不变 应当指出 在实际大气腐蚀情况下 由于环境条件变化 各 种腐蚀形式可以相互转换 而通常所说的大气腐蚀 是指在常温 下潮湿空气中的腐蚀 也就是只考虑潮和湿大气腐蚀这两种主要 腐蚀形式 三 三 大气腐蚀机理大气腐蚀机理 讨论大气腐蚀的机理时 首先应认识到大气腐蚀是金属处于 表面薄层电解液下的腐蚀过程 因此既可以应用电化学腐蚀的一 般规律 又要注意到大气腐蚀电极过程的特点 金属表面上水膜的形成 大气腐蚀之所以发生 首先由于金属表面上有水膜形成 湿 大气腐蚀是水膜的形成比较容易理解 而在潮大气腐蚀时金属表 面水膜的形成一般有以下几种情况 1 毛细凝聚 4 研究表明 液面的曲率半径越小 饱和蒸汽压的值越小 水 蒸汽就越易凝聚 因此在金属表面上的微细裂纹 结构间隙 氧 化膜或涂镀层的孔隙及表面尘埃微粒等处 会形成许多曲率半径 很小的毛细管凹面 水蒸汽就会在这些部位优先凝聚 此即为毛 细凝聚 2 吸附凝聚 在 RH 100 未发生纯粹的物理凝聚之前 由于金属表面 的不饱和键力对水分子的吸附作用 也能形成很薄的水分子层 表面越粗糙 相对湿度越高 吸附效应越强 3 化学凝聚 金属表面落上或生成吸水性化合物 如 NaCl NH4NO3 手汗 等 这些物质会吸收水分并与水发生化学反应 促进水蒸汽在金 属表面上优先凝聚 上述三种优先凝聚作用使得金属表面在相对湿度未达 100 大气中水汽含量并未达到饱和蒸汽压时就会形成水膜 水 膜的形成便为金属发生电化学腐蚀创造了条件 因此在大气条件 下金属所发生腐蚀的机理主要是电化学腐蚀 大气腐蚀初期的腐蚀机理 当金属表面一旦形成连续的水膜 就会溶解一定数量的 CO2 SO2等而形成电解质溶液 并且溶入大气中的氧 由于金 属表面的电化学不均匀性 就会构成各种腐蚀电池 开始电化学 腐蚀过程 1 阴极过程 金属表面主要是依靠氧的去极化作用 通常的反应为 OHeOHO442 22 即使是电位极负的金属 如镁及其合金 当它从全浸于电解液的 腐蚀转变为大气腐蚀时 阴极过程由氢去极化为主转变到氧去极 化为主 在强酸性的溶液中 象铁 锌 铝这些金属在全浸时主 要依靠氢去极化进行腐蚀 但是在城市污染大气所形成的酸性水 膜下 这些金属的腐蚀主要依靠氧的去极化作用 这是因为在液 5 膜较薄的情况下 氧的扩散比全浸状态更为容易 2 阳极过程 腐蚀的阳极过程是金属失去电子的氧化溶解反应 n MneM 在薄的液膜条件下 大气腐蚀阳极过程会受到较大的阻碍 一是 容易生成氧化膜或氧的吸附膜 使阳极钝化 二是阳极反应使液 膜中的金属离子浓度增大 导致阳极极化 同时腐蚀生成的金属 离子水化困难 易于形成固态腐蚀产物 所有这些都阻碍阳极反 应的顺利进行 使得整个过程为阳极过程所控制 湿的大气腐蚀 腐蚀过程主要受阴极控制 但其阴极控制的 程度和全部浸没于电解质溶液中的腐蚀情况相比 已经大为减弱 对潮大气腐蚀 腐蚀过程主要是阳极过程控制 可见随着水膜层 厚度变化 不仅表面潮湿程度不同 而且彼此的电极过程控制特 征也不同 大气腐蚀在金属表层形成锈层后的腐蚀机理 一般认为 存在锈层时 它对锈层下基体钢的离子化将起强 氧化剂的作用 在一定的条件下 腐蚀产物会影响大气腐蚀的电 极反应 Evans 认为大气腐蚀的铁锈层处在湿润条件下 可以作 为强烈的氧化剂而作用 在锈层内 Evans 模型如图 4 2 所示 图 4 2 Evans 模型 阳极反应发生在金属 Fe3O4的界面上 eFeFe2 2 阴极反应发生在 Fe3O4 FeOOH 界面上 OHOHOFeeFeOOH22226 243 即锈层内发生的还原反应 可见锈层参与了阴极 23 FeeFe 过程 当锈层干燥时 即外部气体相对湿度下降时 锈层和底部基 体钢的局部电池成为开路 在大气中氧的作用下锈层重新氧化成 Fe3 的氧化物 可见在干湿交替的条件下带有锈层的钢能加速腐 6 蚀的进行 但是一般说来 在大气中长期暴露的钢 其腐蚀速度还是逐 渐减慢的 原因之一是锈层的增厚会导致锈层电阻的增加和氧渗 入的困难 这就使阴极去极化作用减弱 其二是附着性好的锈层 内层将减小活性的阳极面积 增加了阳极极化 使大气腐蚀速度 减慢 四 四 大气腐蚀的特点大气腐蚀的特点 1 液膜表积比极大 具有极好的溶氧条件 使之一方面始 终为氧饱和 另一方面氧极易达到金属表面 所以大气腐蚀具有 吸氧腐蚀的优越条件 2 由于液膜的高含氧特征及金属离子水化过程的困难 容 易促成阳极极化乃至阳极钝化 3 腐蚀产物残留沉积于金属表面 它们的特性对腐蚀影响 极大 有的具有保护作用能够抑制腐蚀的发展 有的可能进一 步加速腐蚀过程产生不良后果 4 大气腐蚀的电极过程特征随大气条件的不同而变化 五 影响大气腐蚀的主要因素影响大气腐蚀的主要因素 影响大气腐蚀的因素很多 季节 风向 气候区类 大气成 分等都对大气腐蚀有显著的影响 主要影响因素有以下几各方面 1 相对湿度 相对湿度决定了金属表面的水膜厚度 也就决定了大气腐蚀 的类型 腐蚀控制因素及腐蚀速度 所以它是影响大气腐蚀的首 要因素 一般说来 在临界相对湿度以下 水膜极薄 发生的是 干大气腐蚀 腐蚀速度极慢 而高于临界相对湿度 水膜显著增 厚 腐蚀速度剧增 2 温度 温度的影响有两重性 一般情况下 温度升高不会改变大气 腐蚀的类型 则由于阴 阳极反应速度加快使腐蚀速度增大 但 是若绝对湿度不变 升温将降低相对湿度 使水膜减薄 如果温 7 升使相对湿度跨越临界相对湿度 将潮大气腐蚀变为干大气腐蚀 则会急剧降低腐蚀速度 3 大气类型及成分 按照大气中所含有害物质 大气可分为乡村大气 城市大气 海洋大气 工业大气等 它们所含腐蚀物质的种类 含量各不相 同 从而使水膜电解液的成分 腐蚀特性不同 总的看来 气相 污染物中最为有害的是 H2S 和 SO2 它们既直接参与阴极反应 加速阴极过程 还会破坏钝化膜 加速阳极反应 4 固体尘粒 工业大气和城市大气中固态尘粒含量较高 它们对大气腐蚀 也有明显的促进效果 尘粒种类不同 促进大气腐蚀的机理也不 相同 首先 落于金属表面的尘粒成为毛细凝聚的核心 加速了 水膜的形成 其次 有的尘粒本身就有腐蚀性 如盐类颗粒 另 外 有的本身虽无腐蚀性 但能吸附腐蚀性气体 如碳粒吸附 SO2等 对于较大 较多的固体颗粒 还可能与金属表面形成缝 隙 造成缝隙腐蚀 5 金属的表面状态 金属制品的加工方法 粗糙程度 表面附着物 有无氧化膜 或防护涂层以及腐蚀产物等都对大气腐蚀有明显的影响 六 大气腐蚀的防护措施大气腐蚀的防护措施 1 提高材料的耐大气腐蚀性 通过在钢中加入 Cu P Cr 等元素使之合金化的方法 可 以改善材料的耐大气腐蚀性能 2 表面保护 采用表面保护层隔绝潮湿空气与金属直接接触是防止大气腐 蚀的有效手段 3 降低相对湿度 采用加热空气 干燥剂 冷冻除水等方法将相对湿度控制在 临界值以下 使大气腐蚀控制在干大气腐蚀的低速率之内 4 缓蚀剂 8 采用多种缓蚀剂制成保护材料 可有效地抑制或减缓大气腐 蚀的发生和发展 5 其它 净化空气 清除金属表面附着物等方法也有助于减轻大气腐 蚀的危害 第二节第二节海水腐蚀海水腐蚀 海洋约占地球表面积的十分之七 海水是自然界量最大 而 且还具有很强腐蚀性的天然电解质 近年来海洋开发受到普遍的 重视 各种海上运输工具 各类的舰船 海上的采油平台 开采 和水下输送及储存设备 海岸设施等不断增加 工业的发展使沿 岸污染增加 腐蚀问题也更加突出 我国的海岸线长达一万八千 公里 海洋天然资源十分丰富 所以研究和解决金属材料的海水 腐蚀问题 对于发展我国的海运和海洋开发 以及海军现代化建 设具有重要意义 一 海水的性质海水的性质 海水作为腐蚀性介质 其特性首先在于它的含盐量相当大 世界性的大洋中 水的成分和含盐度是颇为恒定的 内海里的含 盐量差别较大 因地区的条件不同而异 例如 地中海的总盐度 高达 3 7 3 9 而里海则低到 1 0 1 5 且所含的硫酸根离 子高 海水中的主要盐类的含量见表 4 2 成分 100 海水 中的盐的 克数 占总盐度 的百分数 成分 100 海水 中的盐的 克数 占总盐度 的百分数 NaCl2 721377 8K2SO40 08632 5 MgCl20 380710 9CaCO30 01230 3 MgSO40 16584 7MgBr20 00760 2 CaSO40 12603 6合 计3 5100 除了这些主要的成分之外 海水中还有含量小的其他组分 例如 臭氧 游离的碘和溴亦是强烈的去极化剂和腐蚀促进剂 由上表可看出 9 1 海水中能很好离解的盐类的总含量很高 这就使海水成 为一种导电性很强的电解质溶液 2 海水中含量最多的盐类是氯化物 其次是硫酸盐 氯离 子的含量约占总离子数的 55 因此海水腐蚀的特点与氯离子 的存在密切相关 并使海水对于大多数金属结构具有较高的腐蚀 活性 如对于铁 铸铁 低合金钢和中合金钢来说 在海水中建 立钝态几乎是不可能的 甚至对于含铬量较高的合金钢来说 在 海水中的钝态也不是完全稳定的 所以可能出现小孔腐蚀 二 二 海水腐蚀的特征海水腐蚀的特征 海水是一种典型的电解质溶液 对于金属的腐蚀作用具有电 化学的本质 因此 以前讨论过的电化学腐蚀的基本规律适用于 海水腐蚀的历程 基于海水本身的特点 所以 海水腐蚀的电化 学过程具有自己的特征 主要有 1 于大多数金属来说 它们在海水中腐蚀时的阳极过程阻 滞很小 因而腐蚀速度相当大 基于这一原因 在海水中若用提 高阳极性阻滞的方法来防止铁基合金腐蚀的可能性是有限的 甚 至改用不锈钢来制造零件也不能保证不受腐蚀 因为这种材料在 海水中可由于发生孔蚀而遭受破坏 只有用能提高钝化膜对氯离 子稳定的组分使钢合金化 加钼 才能提高其稳定性 另外创 造新的 在含氯离子的溶液中有着稳定的钝态结构的金属和合金 如钛 锆 gao 钽 tan 铌等为基础的合金 才能使合金在 海水中的腐蚀速度大大地降低 2 海水腐蚀是氧去极化过程 它是腐蚀反应的控制环节 除了少数负电性很强的金属如镁及其合金在海水中腐蚀时发生氢 的去极化作用 大多数金属都发生氧去极化反应 在静止状态或 海水以不大的速度运动的情况下 铁 铸铁和钢在海水中的腐蚀 速度差不多完全取决于阴极阻滞 一般是受到氧到达腐蚀表面的 速度所控制 3 海水的电导率很大 电阻性阻滞很小 所以对于海水的 腐蚀来说 不只是微观电池的活性较大 同时宏观电池的活性也 10 较大 异种金属的接触能造成显著的电偶腐蚀 海水具有良好的 导电性 因此在海水中异种金属接触所构成的腐蚀电池 其作用 将更强烈 影响的范围更远 如海船的青铜螺旋桨则可引起远达 数十米处的钢制船身的腐蚀 4 海洋环境较为复杂 引起的具体腐蚀过程也各不相同 海洋环境可分为海洋大气区 飞溅区 潮汐区 全浸区及海泥区 等等 相对而言 飞溅区由于海水飞溅 干湿交替和风吹日晒等 腐蚀最为强烈 全浸区随深度的增加 含氧量有所降低 温度也 趋下降 腐蚀逐渐减轻 而海泥区的腐蚀还会受到微生物等生物 因素的影响 另外由于海风 海浪 潮汐激起的海水不断流动 构成力学因素和电化学因素共同作用的腐蚀环境 海水中还容易 发生应力腐蚀 腐蚀疲劳 冲蚀 空蚀等力学与环境因素协同作 用下产生的各种腐蚀 三 三 影响海水腐蚀的因素影响海水腐蚀的因素 海水是一种复杂的多种盐类的平衡溶液 因而不能像简单的 盐溶液一样 容易搞清楚影响腐蚀的每个因素的作用 由于海水 中还含有生物 悬浮泥沙 溶解的气体和腐败的有机物质 因此 金属的腐蚀行为是与这些因素的综合作用有关 下面是影响海水 腐蚀的主要因素 1 盐度盐度 海水中以氯化钠为主的盐类 其浓度范围对钢来 讲 刚好接近于腐蚀速度最大的浓度范围 溶盐超过一定值后 由于氧的溶解度降低 使金属腐蚀速度也下降 另外不同的海水 中的盐的种类和浓度都有一定的差别 腐蚀的具体特点也不相同 2 pH 值 海水的 pH 值一般处于中性 对腐蚀影响不大 在深海处 pH 值略有降低 此时不利于在金属表面生成保护性 碳酸盐层 3 碳酸盐饱和度碳酸盐饱和度 在海水 pH 值条件下 碳酸盐一般达到 饱和 易于沉积在金属表面而形成保护层 当施加阴极保护时更 容易使碳酸盐沉积析出 河口处的稀释海水 尽管电解质本身的 11 腐蚀性并不强 但是碳酸盐在其中并不饱和 不易在金属表面析 出形成保护层 致使腐蚀加快 4 含氧量含氧量 海水中含氧量增加 可使金属腐蚀速度增加 这是由于局部阳极的腐蚀率取决于阴极反应 去极化随到达阴极 的含氧量的增加而加快 海水中的含氧量可高达 12ppm 波浪 及绿色植物的光合作用能提高含氧量 而海洋动物的呼吸作用及 死生物分解需要消耗氧 故又使含氧量降低 污染海水中含氧量 可大大下降 5 温度温度 海水温度越高 腐蚀速度越大 但温度上升 氧 的溶解度随之下降 又削弱了温度效应 一般地讲铜 铁和它们 的合金在炎热的环境或季节里海水腐蚀速度要快些 6 海水流速海水流速 通常随海水流速增大 氧的扩散速度提高 海水腐蚀加剧 当流速很高或与金属构件的相对速度很大时 很 容易引起冲蚀和空泡腐蚀 7 生物因素的影响生物因素的影响 海洋生物的活动会改变海水中溶解氧 的分布 从而影响海水腐蚀 海洋动物的生存及尸体分解会放出 CO2和 H2S 会加速海水腐蚀 四 四 海水腐蚀的防护措施海水腐蚀的防护措施 1 合理选用金属材料 研制新材料 钛 镍 铜合金在海水中是较耐蚀的材料 但价格高 主要 用于关键部位 海洋设施中大量使用的还是钢铁材料 牌号很多 应根据具体的要求合理选择和匹配 同时可以根据我国的资源情 况发展耐海水腐蚀新材料 2 涂层保护 这是防止金属材料海水腐蚀普遍采用的方法 除了应用防锈 油漆外 有时还采用防止生物玷污的防污漆 对于处于潮汐区和 飞溅区的某些固定结构物可以用蒙乃尔合金包覆 3 电化学保护 阴极保护是防止海水腐蚀常用的方法之一 但只是在全浸区 才有效 外加电流阴极保护法便于调节 而牺牲阳极法则更简单 12 易行 海水中常用的牺牲阳极有锌合金 镁合金和铝合金 从比 重 输出电量 电流效率等方面综合考虑 用铝合金牺牲电极较 为经济 第三节第三节土壤腐蚀土壤腐蚀 埋设在地下的油 气 水管线及电缆等在土壤的作用下常发 生腐蚀 以致管线穿孔而漏油 漏水或漏气 或使电讯发生故障 而且这些设备往往很难检修 给生产造成很大的损失和危害 比 如胜利油田地处海滨盐泽土区 金属在土壤中的腐蚀是很严重的 敷设的各类油 气 水管线 虽然时间不长 腐蚀却很明显 因 此研究土壤腐蚀规律 寻找有效的防腐途径和方法 对石油化工 工业的正常生产以及我们的正常生活都具有重要的意义 一 土壤的腐蚀性及其影响因素土壤的腐蚀性及其影响因素 土壤是由土粒 土壤溶液 土壤气体 各种有机物 无机物 等组成的极为复杂的不均匀多相体系 不同土壤的腐蚀性差别极 大 影响因素很多 主要有 1 土壤的导电性 土壤导电性越好 电阻率越低 土壤的腐蚀性越强 金属的 腐蚀速度就越大 土壤的导电性主要取决于以下几个条件 土壤中的水分 土壤中的水分有些与土壤的组分结合在 一起 有些紧紧粘附在固体颗粒的周围 有些可以在微孔中流动 盐类溶解在这些水中 土壤就成了电解质 土壤的导电性与土壤 的干湿程度及含盐量有关 土壤愈干燥 含盐量愈少 其电阻就 越大 土壤愈潮湿 含盐量愈多 电阻就越小 土壤的空隙率 土壤的颗粒越粗 土壤的空隙率就越大 土壤的渗水能力越强而持水能力越弱 电阻率越大 腐蚀性越弱 盐分的影响 土壤中常含有硫酸盐 硝酸盐和氯化物等 无机盐类 它们大多数是可溶性的 不同的土壤所含盐的种类 13 数量差异极大 总的看来随着含盐量的增加 土壤溶液的导电性 增高 土壤的腐蚀性增大 2 含氧量的影响 土壤腐蚀多为吸氧腐蚀 土壤的透气性好 含氧量高 则会 加速金属的腐蚀 因此砂土比粘土的腐蚀性要强 原因是砂土的 透气性好 3 pH 值影响 土壤可分为酸性土壤 pH 3 6 中性土壤 pH 6 7 5 和碱性土壤 pH 7 5 9 5 一般情况下 pH 值越低 土壤的腐 蚀性越大 原因是氢离子的阴极去极化作用加速了阴极反应的结 果 4 温度 随温度上升 离子运动加快 电解液导电性提高 氧的渗透 扩散加快 腐蚀速度增大 5 微生物的影响 微生物参与并协同土壤腐蚀 使土壤腐蚀加剧 其中最重要 的是硫酸盐还原菌 硫杆菌和铁杆菌 微生物主要以四种方式参 与土壤腐蚀过程 微生物新陈代谢产物的腐蚀作用 如有机酸 无机酸 硫化物和氨等 参与土壤腐蚀的电化学过程 如硫酸盐还原菌能消耗阴 极区的氢离子 促进腐蚀过程中的阴极去极化反应 并生成硫化 物而加速金属的腐蚀 改变了金属周围的氧浓度 盐浓度 酸度值等 形成局 部腐蚀电池 破坏金属表面的保护性覆盖层或缓蚀剂的稳定性 二 二 土壤腐蚀腐蚀电池及电极过程土壤腐蚀腐蚀电池及电极过程 土壤中的腐蚀电池 土壤腐蚀和其它介质中的电化学腐蚀过程一样 都是因金属 和介质的电化学不均匀性所形成的腐蚀原电池所致 这是腐蚀发 14 生的根本原因 但因土壤介质具有多相性及不均匀性等特点 所 以除了有可能生成和金属组织不均匀性有关的腐蚀微电池外 土 壤介质的宏观不均一性所引起的宏观腐蚀电池 在土壤腐蚀中所 起的作用更大 1 微观腐蚀电池 金属构件较小时 可以认为金属构件周围的土壤结构 水分 盐分 含氧量 酸度等比较均匀 这时发生微电池腐蚀 表现出 全面腐蚀的特征 此时 阳极反应为金属的溶解 而阴极反应则 较为复杂 通常为氧的去极化反应 强酸性土壤中也有氢的去极 化 在潮湿土壤中 阳极过程无明显的阻滞 腐蚀过程强烈地为 阴极过程所控制 而在疏松干燥的土壤中 腐蚀控制类型转变为 阳极控制为主 接近于大气腐蚀 2 宏观腐蚀电池 长距离的埋地管线由于通过不同的组成和结构的土壤 可能 由于氧的渗透性不同而造成氧浓差电池 如图 4 3 土壤的局 部不均匀性所引起的宏观腐蚀电池 如土壤中石块夹杂物等的透 气性如果比土壤本体的透气性差 则该区域的金属就成为腐蚀宏 电池的阳极 而和土壤本体区域接触的金属就成为阴极 在均匀 的土壤中 由于埋设深度不同也会造成氧浓差电池 埋地管线往 往离地面较深的部位腐蚀厉害就是这个原因 金属所处状态的差 异引起的腐蚀宏观电池 如由于土壤中异种金属的接触 温差 应力及金属表面状态的不同形成的腐蚀电池 造成局部腐蚀 图 4 4 为新旧管线连接埋于土壤中形成的腐蚀电池 图 4 3 管道在结构不同的土壤中形成的氧浓差电池 图 4 4 新旧管线引起的腐蚀电池 土壤腐蚀的电极过程 1 阳极过程 钢铁在潮湿土壤中的阳极过程和在溶液中腐蚀时相类似 阳 15 极过程没有明显的阻碍 在干燥且透气性良好的土壤中 阳极进 行的方式接近于铁在大气中的阳极行为 也就是说 阳极过程因 钝化现象及离子水化的困难而发生很大的极化作用 根据金属在 潮湿 透气不良且含有氯离子的土壤中的阳极极化行为 可把它 们分成四类 阳极溶解时没有显著阳极极化的金属 Mg Zn Al Mn 和 Sn 等 阳极溶解的极化率较低 并决定于金属离子化反应的过 电位 如铁 碳钢 铜和铅 因阳极钝化而具有较高的起始极化率的金属 在更高的 阳极电位下 阳极钝化又因土壤中存有氯离子而受到破坏 这些 金属是铬 锆 含铬或铬镍不锈钢 在土壤条件不发生阳极溶解的金属 如钛 钽是完全钝 化稳定的 2 阴极过程 阴极过程主要是氧的去极化作用 在土壤中 氧的去极化 也是氧与电子结合而生成氢氧根离子 但氧到达阴极过程比较复 杂 进行的比较慢 空气中的氧 首先要通过相当厚的土层 然 后再通过金属表面上的一层静止液层而到达阴极 因此土壤结构 和湿度 对氧的流动有很大的影响 在干燥疏松的土壤中 氧的 渗透和流动比较容易 金属的腐蚀就严重 在潮湿的粘性土壤中 氧的渗透和流动速度均较小 所以腐蚀过程主要受阴极过程控制 注注 我们已经讨论过的三种自然条件下的腐蚀 大气 海水 土壤 腐蚀 其阴极过程都是氧的去极化作用 但在不同的腐蚀情况下 氧的传 递速度和情况则不同 在大气腐蚀中 氧是透过电解质薄膜 在海水腐蚀 中 氧是经过电解液本体 而在土壤腐蚀中 氧是透过固体的微孔电解质 因此 在大气中 氧到达腐蚀着的金属表面 主要决定于水膜的厚度 在 液体