第二讲 腐蚀损失,即腐蚀带来的危害

.,材料防护与资源效益,第二讲腐蚀损失,即腐蚀带来的危害,2020/4/27,.,1）腐蚀带来巨大经济损失2）腐蚀导致资源浪费3）腐蚀引起环境损害和社会危害4）腐蚀阻碍新技术应用和发展,第二讲腐蚀损失,即腐蚀带来的危害,2020/4/27,.,4）腐蚀阻碍新技术应用和发展腐蚀阻碍新技术的应用和发展是指许多新技术的应用或发展往往都会遇到腐蚀问题。如果腐蚀问题解决得好，则能起促进作用，例如，不锈钢的发明和应用，促进了硝酸和合成氨工业的发展；美国的阿波罗（APOLLO）登月飞船也是在解决了高能燃料N2O4钛合金高压贮存容器的应力腐蚀问题之后才得以升空的，否则整个登月计划将被搁浅。,2020/4/27,.,补充讲述1：（1）合成氨是生产尿素、磷酸铵、硝酸铵等化学肥料的主要原料，工业生产过程是以天然气或煤炭为原料通过水蒸气重整工艺制得氢气，然后与氮气进行高压（200个大气压）合成制得合成氨。高压下的低碳钢，害怕氢气的脱碳腐蚀。早期在低碳钢的反应管子里加一层熟铁的村里，熟铁虽没有强度，却不怕氢气的腐蚀，这样总算解决了难题。,2020/4/27,.,（2）硝酸的生产和合成氨工业密切相关，氨和空气混合后，通过铂铑合金网（催化剂）被氧化为一氧化氮。一氧化氮进一步转变为二氧化氮，二氧化氮与水作用变成硝酸。,2020/4/27,.,（3）阿波罗登月飞船贮存高能燃料N2O4的钛合金高压容器曾发生应力腐蚀破裂，研究发现是由于N2O4含有微量氧造成的，加入0.6（质量分数）的NO后腐蚀问题解决了。,阿波罗宇宙飞船以N2H4（联氨）和N2O4为动力源，反应温度达2700反应化学方程式为2N2H4+N2O4=3N2+4H2O,2020/4/27,.,反之，如果不能妥善解决腐蚀问题，则新技术的应用就会受到阻碍，甚至无法实现。法国计划开采拉克油田，因设备发生H2S应力腐蚀开裂一时得不到解决，致使开采计划推迟了6年才全面实施。,2020/4/27,.,煤的气化和液化转化技术的发展长期受阻，所遇到的一项麻烦便是在高温还原性环境中的腐蚀磨损问题。在国民经济发展中，类似的问题还有很多很多。所以说，腐蚀会带来后果，而且后果很严重。请大家今后一定要注意防腐蚀。,2020/4/27,.,补充讲述2：（1）不锈钢的发明和应用不锈钢是一种防腐蚀和耐高温的合金，其主要成分是铁和铬，还含有为了改进性能而掺入的其他元素。现在说的不锈钢，包括耐大气、蒸汽和水等弱介质腐蚀的钢，以及耐酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢。,2020/4/27,.,不锈钢自上个世纪初问世，到现在已有上百年历史。不锈钢的发明是世界冶金史上的重大成就，不锈钢的发展为现代工业的发展和科技进步奠定了重要的物质技术基础。,2020/4/27,.,不锈钢种类很多，性能各异，在发展过程中逐步形成了几大类。按组织结构分，分为马氏体不锈钢（包括沉淀硬化不锈钢）、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢和奥氏体加铁素体双相不锈钢等四大类；,2020/4/27,.,按钢中的主要化学成分或钢中的一些特征元素来分类，分为铬不锈钢、铬镍不锈钢、铬镍钼不锈钢以及低碳不锈钢、高钼不锈钢、高纯不锈钢等；按钢的性能特点和用途分类，分为耐硝酸不锈钢、耐硫酸不锈钢、耐点蚀不锈钢、耐应力腐蚀不锈钢、高强不锈钢等；,2020/4/27,.,按钢的功能特点分类，分为低温不锈钢、无磁不锈钢、易切削不锈钢、超塑性不锈钢等。,2020/4/27,.,目前常用的分类方法是按钢的组织结构特点和钢的化学成分特点以及两者相结合的方法分类，一般分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢等，或分为铬不锈钢和镍不锈钢两大类。,2020/4/27,.,马氏体不锈钢的代表钢号有1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等，铁素体不锈钢的代表钢号有1Cr17、1Cr17Ti、1Cr25等，,2020/4/27,.,奥氏体不锈钢的代表钢号有1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9(304)、00Cr18Ni9Ti(304L)、0Cr17Ni12Mo2(316)、00Cr17Ni14Mo2(316L)、0Cr18Ni11Ti(321)、0Cr18Ni11Nb(347)等，双相不锈钢的代表钢号有00Cr26Ni7Mo2Ti等。,2020/4/27,.,当然，不锈钢不生锈，只是在一般情况下而言的。天下没有不生锈的金属，即使是黄金，在王水里也会被锈蚀。,2020/4/27,.,不锈钢的发明经过颇有意思：那时候，人们正在研制各种新的合金钢，往钢里加入各种不同的金属。可是，试制了好多种新合金钢，并没有发现性能优异的新品种。人们把这些样品丢弃在屋外，任凭日晒雨淋。样品锈迹斑斑，越堆越多。后来，人们把这些样品当作垃圾处理掉，结果偶尔发现，其中有一块样品银光闪闪，并没有生锈。人们喜出望外。仔细加以研究，终于发明了不锈钢。,2020/4/27,.,不锈钢也是一种合金钢，在钢里主要加入了镍和铬，这样，钢的抗蚀能力大大增强；要使它不生锈，含铬量往往要达到12以上才行。人们曾做过这样的试验：把两块重量都是20克的不锈钢和普通碳素钢，一起放在稀硝酸中煮沸一昼夜，结果普通钢被强烈腐蚀，只剩13.6克重，而不锈钢却重19.8克。,2020/4/27,.,正因为不锈钢不易生锈，所以化工厂里许多耐腐蚀设备用不锈钢制造。如合成氨工厂里，便需要二十多种具有不同性能的不锈钢。在手表中，不锈钢的重量差不多占60以上。平常所谓“全钢手表”，则是指它的表壳和表后盖全是用不锈钢做的。而“半钢手表”则是指表后盖是用不锈钢做的，表壳用黄铜或其他金属做的。,2020/4/27,.,说到合金钢，法拉第还是发展合金钢的先驱，为什么呢？法拉第是伟大的发明家,他在电磁感应及电化学方面的贡献是现代文明的基础,这是尽人皆知的。但他也是一个伟大的冶金学家,并且他的科学研究生涯还是从合金钢研究开始的,这一点却不为人所熟知。,2020/4/27,.,关于这一点的原因可能有二：一是法拉第在电磁学方面的辉煌成就掩盖了他在冶金方面的贡献；二是他在合金钢方面的研究并未直接导致出实用的合金钢,直到半个世纪后合金钢才问世。,2020/4/27,.,尽管如此,法拉第在1820-1822年对合金钢的系统研究在合金钢发展史上的重要地位还是逐渐为人们所认识,并推崇他为合金钢的开发先锋。,2020/4/27,.,这是怎么一回事呢？当时，法拉第因为得到电化学方面的泰斗Davy的赏识而被皇家学院雇用。与此同时，年长的Stodart也是这个学院的成员，他是一个研究钢制刀具的冶金学家,也是从事这种买卖的商人。,2020/4/27,.,Stodart从印度购进公认制做刀具的最好钢料-Wootz钢,然后加以完善处理成为了欧洲最好的钢,可以用来制造外科手术刀、剃刀及其它刀具。当时英国大量进口,并研究仿制。因此，在这种背景下,法拉第进入皇家学院的第一桩研究工作就是“印度Wootz的分析”(1819)，受Stodart的影响也仿制Wootz钢。,2020/4/27,.,1820年,Stodart已六十岁,而法拉第才29岁,因此大量试验工作都是法拉第进行的。他不但在钢中加入镍、铬、铜等合金元素(到10%),也加入了一些贵金属,如金(0.611.00%),银(0.150.46%),铂(0.732.50%)及铑(0.401.60%)，此外还有钯及锇,他还试图在钢中加入钛,由于炉温不够高未能将TiO2还原而未成功。,2020/4/27,.,当然像他们那样在钢中加入相当多的非常昂贵的铂族金属,今天恐怕也不会再有人做这样的尝试。,2020/4/27,.,接着他与Stodart发表了两篇有关合金钢的论文：“改善钢的合金试验”(1820),“论钢的合金”(1822)。那时他们认为钢是一种组元,合金元素是另一种组元,因此称之为钢的合金,而合金钢这个名词要到晚一些时候才在文献中使用。,2020/4/27,.,对于铬钢,Stodart及法拉第的初步研究结果是:“有良好的可锻性,虽然硬,但无裂纹”。可惜这方面的实验未进行下去,否则说不定就是他们发现了不锈钢!,2020/4/27,.,当然，法拉第在合金钢方面的研究在当时并没有产生什么直接有意义的结果,因为那时的工业生产,除了一些刀具如剃刀、手术刀外,对合金钢并没有什么需求。但是法拉第在合金钢方面的系统试验对后来的发展还是有启发性的,它的深远意义不能低估。,2020/4/27,.,当法拉第发明电磁感应而成名后，有人问他电磁感应有什么用，他的回答是：“我亲爱的先生，婴儿又有什么用？”这个比喻也完全适用于法拉第的合金钢研究，它代表一种新生事物，有非常强大的生命力，后来终于发展成为今天的庞大合金钢系统。,2020/4/27,.,就在法拉第繁忙地进行上述有关钢的大量试验的同时,他还在1821年发现了电磁感应,在1824年发现蒸汽可凝成液体。随着这些伟大发现,他的兴趣就转到电磁及化学方面去了（法拉第定律：参加反应的物质与通过的电量成正比，如当电极上有1F即96484.6C/mol电量通过时，电极上参加反应的物质的量恰好是1mol）,未再在合金钢方面进行工作。尽管如是,法拉第仍不愧为一位伟大的冶金学家和合金钢研究的前驱。/,2020/4/27,.,补充讲述3：煤的液化气化知识简介：现在，还有相当一部分锅炉直接烧煤，这样做不仅对热的利用率低，煤燃烧时生成的烟和燃烧后剩余的灰分也会对环境造成污染。为了更有效地和更充分地利用煤燃烧时所放出的热，同时减少对环境造成的破坏，我国和世界上的一些发达国家都在研究煤的气化和液化问题。,2020/4/27,.,虽然在煤的气化或液化过程中，会有一部分煤的潜在能量受到损失，但由于加工后得到的气态或液态燃料的热利用率高，而且比较清洁，因此从总体来看，将煤气化或液化后再使用，还是比较合理的。,2020/4/27,.,（1）气化目前，煤的气化主要是碳和水蒸汽的反应。C+H2O=CO+H2这是一个吸热反应，反应所需的能量一般是由间歇进行的碳的燃烧来提供。C+O2=CO2,2020/4/27,.,对于这两个反应来说，如果使用空气必然会引入大量的氮气，使煤气的热值降低，成为低热值煤气。如果使用氧气，就能得到中热值煤气。如果要得到高热值的煤气，就需要将中热值煤气中的CO和H2，在催化的条件下合成甲烷。CO+3H2=CH4+H2O/,2020/4/27,.,（2）液化煤的液化有多种方法，煤的干馏和氢化法（使煤与氢气在一定条件下反应），都是将煤液化的方法。,2020/4/27,.,氢化法将煤粉和煤液化过程中产生的油跟氢气混合，在高温条件下经催化进行加氢解聚反应，同时脱去硫、氮、氧等，生成固态-液态混合的油、液化的煤，以及含有未液化的煤和炭等固体物质。经过分离后，就可以得到低氢、低硫的重质液体燃料。/,2020/4/27,.,总之，腐蚀问题遍及各行各业。腐蚀控制关系着国民经济的健康发展，自然资源的有效利用，人身和设备的安全，环境保护以及人类社会的科技进步。随着国民经济的发展，腐蚀与防护科学在国民经济中的重要地位，将日益突出。,2020/4/27,.,1）腐蚀带来巨大经济损失腐蚀带来的经济损失到底有多大，我们先看两个腐蚀事例:1971年某然气管线腐蚀断裂、爆炸，仅第一次爆炸的直接经济损失达7000万元.1997年6月27日北京某化工厂18个乙烯原料储罐因硫化物腐蚀发生火灾，停产达半年，直接经济损失达2亿多元，间接损失更大。,2020/4/27,.,据统计，腐蚀带来的经济损失，比自然灾害带来的损失之和还要大。自然灾害包括地震、海啸、台风、水灾、冰雪灾害、火灾等。我们知道，自然灾害带来的损失是很大的，如1976年唐山大地震、2004年印尼发生的海啸、2006年8月福建、浙江经历的“碧丽斯”、1998年发生在长江流域和松花江流域的大洪水、2008年1月南方的冰雪灾害、汶川8.0级512特大地震等，2008年1月南方冰雪灾害的损失是537.9亿元、汶川512大地震初步评估损失是2000亿人民币。而腐蚀带来的经济损失，比自然灾害带来的损失之和还要大，因此腐蚀损失之大，可想而知。,2020/4/27,.,再来看一些数据：发达国家的统计数字表明，腐蚀造成的直接经济损失约占国民经济生产总值的3.0%4.2%。如1995年美国腐蚀导致的损失为3000亿美圆，占GNP的4.21%.发展中国家的腐蚀损失更大，我国2000年腐蚀导致的损失600多亿美圆（人民币5千多亿），约占GNP的6%。,2020/4/27,.,发展中国家腐蚀损失的比重之所以比发达国家的还要大，主要原因就是发展中国家的防腐蚀意识和采取的防腐蚀技术和发达国家有差距。从这里我们也可以体会到普及和加强腐蚀与防护知识传播的重要性，因为它是可以创造效益的。专家们估计，如果把现有的防腐蚀技术都用上的话，腐蚀损失至少可以减少1/4-1/3。,2020/4/27,.,前面说了直接损失和间接损失，什么是直接损失和间接损失呢？一般说来，腐蚀带来的经济损失包括直接损失和间接损失:直接损失指腐蚀直接引起的经济损失，包括：1）材料、能源的消耗和设备的失效，更换被腐蚀设备装备和构件等：如管线或装置腐蚀泄漏造成产品和油、气、水等原材料的流失等；,2020/4/27,.,2）停产损失：由于腐蚀原因造成的非计划停车会给企业造成巨大的经济损失，如1台600MW机组因腐蚀而停发电1周，则损失60010610-31680.1=1008万元（假设发1度电发电厂可获利0.1元）；3）为防止腐蚀而采取的防护措施等的费用：如采用耐蚀材料，为增加金属构件的安全性和使用寿命而增加金属构件厚度的腐蚀容差设计等。,2020/4/27,.,间接损失：指直接损失以外的损失，包括腐蚀进一步引起的物料的污染和产品质量下降、腐蚀产物积累或腐蚀破损引起的设备效能降低、腐蚀泄漏引起产品的损失、腐蚀产物导致的产品污染等所带来的损失，爆炸和人员伤亡以及大规模的环境污染等带来的损失。如：,2020/4/27,.,降低生产效率-腐蚀产物沉积造成管路堵塞或影响热效率（如凝汽器因腐蚀而堵管）；产品的污染-腐蚀泄漏造成产品污染，使产品品质下降甚至报废（如食品、电子产品、装饰产品）；事故赔偿-腐蚀导致灾难性事故引起的赔偿（环境污染、人员伤亡赔偿）。,2020/4/27,.,间接损失往往比直接损失更大，甚至难以估算。如我国2000年腐蚀损失的600多亿美圆（人民币5千多亿）中，直接损失2278亿元，包括电力损失16.5亿元、化学工业300亿元、运输303亿元、油气田100亿元、煤55.6亿元、建筑行业1000亿元、机械工业512.4亿元，间接损失3000亿元左右，比直接损失2278亿元大。,2020/4/27,.,返回,从上面数据中我们发现1个问题，即电力行业的损失只16.5亿元，而建筑行业的损失达1000亿元，这说明什么呢？我觉得至少可说明一个问题，即建筑行业采取的防腐蚀措施不如电力行业，应该说，电力设施一般采取了较好的防腐蚀措施，而建筑行业的许多设施基本上没有采取什么防腐蚀措施。,2020/4/27,.,2）腐蚀导致资源和能源的严重浪费由于腐蚀，大量得之不易的有用材料变成了废料。就腐蚀速度而言：全世界每90s就有一吨钢腐蚀成铁锈，全世界每生产一吨铁，大约50%被用来补充生成铁锈的那一部分。,2020/4/27,.,就腐蚀的量而言：据估计，全世界每年冶炼的金属中，约有1/3由于腐蚀而报废，即使其中2/3可以通过重新冶炼而回收，仍有占总量10%以上的金属由于腐蚀而白白耗损了，其数量在1亿吨以上。如表1.1所示，地球上的有限金属资源正日益枯竭。,2020/4/27,.,表1.1地球上重要金属资源的估计储量、年消耗增长率和可用年数,2020/4/27,.,不但全世界每年因腐蚀而白白耗损约1/9（10%以上，1亿吨以上）金属，与此同时，冶炼这部分金属所耗费的人力、物力、能源也都白白耗损了；一般炼制一吨钢所需的能源可供一个家庭用3个月，这在不可再生资源和能源日趋短缺的当今世界，是一个令人忧心的严重问题。,2020/4/27,.,铀、钍矿,氘、锂,地球本身蕴藏的能量地热能，核能,40万亿吨,2千多亿吨,所释放的能量比全世界现有能源总量放出的能量大千万倍“无穷的能源”,核裂变能,核聚变能,核裂变反应,核聚变反应,490万吨,275万吨,2020/4/27,.,当前世界的能源结构,核电在世界能源消费中占8%（2000年）,核电在世界电力能源中占17%（2000年）,电力,总能源,化石能源fossilfuels占总能源的87。,化石能源占总电力能源的63，在我国占的比重还大。石油用于发电非常可惜。而且大大减少储量和造成污染，影响人类生存，那么未来能源的出路在哪里呢？,2020/4/27,.,能源出路-未来能源究竟如何？,储量,环境,我们的子孙还有煤吗？,我们的子孙还有石油吗？,我们的子孙能见到蓝天吗？,能源的可持续,人类未来的生存与文明延续,我们的子孙的子孙还能生存在地球上吗？,2020/4/27,.,（1）从目前能源消耗对环境的影响来看因为从至今为止的能源消费来看，消费掉的主要都是化石能源，痛惜化石能源被消耗的同时，已不可避免的造成了污染。1）能源造成大气污染2）大气污染对环境造成影响3）我国已成为“污染大国”4）核能是清洁能源,2020/4/27,.,1）能源造成大气污染environmentalpollution,煤、石油等化石燃料的燃烧,汽车排放的废气,工业生产（如各种化工厂、炼焦厂等）过程中产生的废气,二氧化硫（SO2）悬浮颗粒物（烟雾、粉尘等）氮氧化物（NOx）一氧化碳（CO）,有害气体,2020/4/27,.,2）大气污染对环境造成影响,2020/4/27,.,3）我国已成为“污染大国”,我国大气污染属煤烟型污染。排入大气中90的SO2、70的烟尘、85的CO2来自于燃煤,2020/4/27,.,4）核能是清洁的能源,为什么说核能是清洁的能源呢？因为：a.核能没有污染气体排放b.核电厂干净,2020/4/27,.,二氧化碳CO2,煤天然气石油核能,煤天然气石油核能,氮氧化物NOx,二氧化硫SO2,煤天然气石油核能,a.核能没有污染气体排放！,核电正是“最安全、最清洁、且经济效益最高的电力资源”,核能：0,核能：0,核能：0,2020/4/27,.,b.核电厂干净a)拿大皮克灵核电厂,2020/4/27,.,b)日本美滨核电站,2020/4/27,.,日本美滨核电站,2020/4/27,.,c)中国秦山核电站（浙江海盐）,2020/4/27,.,d)中国大亚湾核电站（广东深圳）,2020/4/27,.,（2）从能源储量来看,化石能源,再生能源,原子能,2020/4/27,.,世界人口过60亿，比19世纪末增加2倍多，能源消费增加16倍多。,能源危机,1）化石能源储量有限！,能源消费不断增加！,返回,2020/4/27,.,2）再生能源,水力,风能,潮汐能,能利用的不足、不足、不足！,规模受到环境、季节、地理位置等条件的限制,现在的开发技术不足,太阳能,返回,2020/4/27,.,3）只有核能是无穷的能源,海洋,核裂变能,核聚变能,铀、钍矿石,如全部利用，能供使用24002800年,氘（来自海水）、锂,40亿万吨,2千多亿吨,如实现可控核聚变，能供使用上千亿年,2020/4/27,.,返回,而且，尽管由于腐蚀而报废的金属中2/3可以通过重新冶炼而回收。但重新冶炼也需要耗费大量的人力、物力、能源（如电力、石油和煤炭等），虽然这些不是白白耗损，但也是腐蚀造成的资源浪费。因此腐蚀不但浪费了宝贵的矿产资源，也对人力、物力、能源造成了极大浪费。,2020/4/27,.,3）腐蚀引起环境损害和社会危害a.环境损害腐蚀引起的环境损害是指腐蚀产物污染环境，或腐蚀引起有害物质泄漏而导致的大规模环境污染。腐蚀产物污染环境，如铁锈污染的龙水镇,2020/4/27,.,70万吨废铁锈透了龙水镇,重庆晚报2004年4月16日,2020/4/27,.,这里曾经是全国最大的废旧金属交易中心，年交易量达70多万吨，创造了巨大的经济效益，但现在面临巨大的环境问题，因为地上流淌着铁锈染黄的脏水，空气中弥漫着浓烈的锈腥味，令人窒息，地下水也有铁腥味，而且重金属超标。,2020/4/27,.,背景资料:大足县龙水镇号称全国最大的废旧金属交易中心，年交易量达70多万吨，交易额14亿元。生锈废铁在创造巨大经济效