金属腐蚀的控制与防护及耐蚀金属材料

主讲人是中国科学院金属研究所金属腐蚀与防护国家重点实验室谢玉江。腐蚀控制贯穿于设计、材料选择、加工、表面处理、组装、储存、运输、使用和管理的所有方面。建立和完善必要的技术规范和规章制度，采取各种技术措施将腐蚀控制在最低限度。这对延长设备寿命、安全生产、节约资源、能源、降低成本、提高劳动效率、保护环境等具有重要意义。腐蚀控制分为预控制和后控制。预控就是预防。事后控制就是补救。事后补救胜于事前预防。腐蚀控制应在技术上可行、经济上合理并得到有效管理。从经济性考虑，应考虑一次性投资、维护费用、维护方便、检修和使用寿命。腐蚀控制的核心：充分利用防腐技术和科学管理相结合。耐腐蚀材料的发展：影响金属腐蚀速率的基本因素是：金属的化学成分和晶体形态。在普通钢中加入镍和铬，形成不锈钢；在钛合金中加入钯可以使合金易于钝化。2.选材：经济、合理、可靠、耐用。(1)对于整个设备系统：全面综合考虑(关键部件，整体系统)全面合理的选材。同时满足机械性能(强度、硬度、弹性等)。)，物理性质(耐热性、密度、导电性等。)和耐腐蚀性。为了实现不同金属材料与特定功能的匹配，应特别注意电偶腐蚀。腐蚀和强度。在使用环境的机械性能(温度、压力等)条件下。)是令人满意的耐腐蚀非金属材料，如工程塑料、玻璃纤维增强塑料等。也可以选择。此外，还应考虑材料的价格和供应。(2)对于单个组件：选择正确的材料。不同材料腐蚀的自发性和速度在不同的环境中可能有很大差异。因此，在特定环境下，应选择能满足使用要求、自发性和腐蚀速度小的材料。3.设计：良好的设计和合理的结构。有些人认为只有查阅腐蚀手册才能解决选择材料的问题。事实并非如此简单，因为实际的石油和化学过程通常涉及非常复杂的介质和工作条件。腐蚀手册不能提供完整的腐蚀数据，不能真实地反映实际生产情况，有的找不到相关数据。腐蚀裕量=年腐蚀率设计人寿保险系数，一般为2。应该考虑自然稀疏和安全问题，以及现实中许多设备的延长服务。外部设计：复杂的结构和粗糙的表面会导致电化学不均匀和腐蚀。因此。设计时，使结构尽可能简单，表面平滑，过渡平滑，流线型设计，避免尖角、凹槽、缝隙。防止冲击腐蚀。弯管的弯曲半径一般取为3d，不同的金属有不同的要求。钢管和铜管为3d，90Cu10Ni合金管为4d，高强度钢管，特别是小强度管的最小值为5d。管道中的流速应适当，以减少紊流腐蚀和冲击腐蚀。防止残留物：避免缝隙腐蚀、孔洞腐蚀等。防止电偶腐蚀：尽量使用同一种金属，以避免不同金属的直接接触(绝缘)。作为最后手段，尝试使用具有类似电耦合序列(0.25伏)的金属材料作为阳极，以减少和防止受保护金属的腐蚀损坏。替罪羊。通常使用锌和铝。阳极涂层，如镀锌管(自来水管)、镀镉(自行车圈)等。牺牲阳极阴极保护法禁止在阳极表面涂覆涂层！目前电化学保护已作为一种标准方法应用于地下石油、天然气、水管网、供热管网、钻井、造船等部门，并广泛应用于石油、化工和海洋工程。阴极保护技术在防腐中的应用如改变水溶液的酸碱度，去除溶解的气体，如氧气、二氧化碳、H2S等。以及去除有害阴离子等。(3)添加缓蚀剂。缓蚀剂的加入可以大大降低腐蚀速率。缓蚀剂：在低浓度范围内(0.11%)能强烈延缓金属腐蚀过程的物质。缓蚀剂用量不足或过多都会加速腐蚀。缓蚀剂的作用机理：成膜理论；(2)电化学理论；(3)吸附理论。目前，还没有统一的意见。反应活化能、优先吸附和“负催化剂”抑制剂抑制金属腐蚀速率的能力用抑制效率表示。缓蚀效率：铬酸盐是促进金属自钝化最常用的添加剂，曾被称为“通用钝化剂”。这是因为铬酸盐不仅是一种阳极腐蚀抑制剂，也是一种氧化剂，还可以作为一种额外的去极化剂。目前，由于环境污染，铬酸盐很少用作添加剂。此外，当铬酸盐用作钝化剂时，还必须注意添加量和使用条件。如果铬酸盐的添加量不足以钝化金属表面，或者溶液中存在会破坏钝化的离子，例如氯离子，并且它们的含量相对较高，从而使金属表面不能处于稳定的钝化状态，则铬酸盐可以作为有效的阴极去极化剂，这将大大加速金属表面的腐蚀损伤。缓蚀剂之间的协同和拮抗作用。清洁污垢：物理清洁和化学清洁。高压水洗、鼓风清洗、在线胶球清洗、超声波清洗等。脉动清洁10。管理：建立和完善必要的技术规范和制度，定期检查，将隐患消灭在萌芽状态。耐腐蚀性是相对的，一般相对于大气、特定的腐蚀介质。如果某种金属材料在使用条件下可以自动钝化，从而保持很低的腐蚀速率，那么该金属在使用条件下就是耐腐蚀材料。一些材料，例如不锈钢，当它们被放置在空气中时，在金属表面形成了完整的钝化膜。因此，如果这些材料用于腐蚀性较低、不会造成钝性损伤的介质中，它们仍然可以保持完整的钝性。然而，一些金属材料，如铁、普通碳钢和低合金钢，不能依靠空气中形成的氧化膜来保持它们的钝性。然而，在一些合适的介质中，这些金属材料仍然可以通过适当的措施被置于被动状态。一种方法是阳极保护，使用外部电源将其阳极极化到钝化区域。另一种方法是改变腐蚀介质溶液体系，根据其在溶液中的腐蚀过程，试图使金属表面自动进入钝化状态，即试图引起金属的自钝化过程。钢(铁碳合金):钢含有铁、碳、硅、锰、磷、硫等。根据含碳量，可分为生铁C2和碳钢C13%。它们能在钢表面形成薄而致密的氧化膜，如Cr2O3、二氧化硅、Al2O3，从而提高钢的耐腐蚀性。耐酸钢是不锈钢的一个分支。然而，不锈钢是不锈钢和耐酸钢的总称。不锈钢不是无腐蚀性的，只是不存在腐蚀速度慢、绝对无腐蚀性的钢。不同类型的不锈钢在同一介质中的腐蚀速率有很大差异，同一种不锈钢在不同介质中的腐蚀行为也有很大差异。例如，镍铬不锈钢在氧化介质中具有良好的耐腐蚀性，但在非氧化介质(如盐酸)中耐腐蚀性差。因此，掌握各种类型不锈钢的特性对于正确选择和使用不锈钢非常重要。不锈钢的不锈钢性和耐腐蚀性是由于在其表面形成富铬氧化膜(钝化膜)。这种防锈性和耐腐蚀性是相对的。试验表明，在大气、水等弱介质和硝酸等氧化介质中，随着铬含量的增加，钢的耐蚀性提高。当铬含量达到一定百分比时，钢的耐腐蚀性会突然改变，即从容易生锈实验证明，随着合金元素的增加，钢的电极电位有从量变到质变的关系，并遵循1/8的规律。当铬含量达到一定值时，电极电位发生突变。因此，几乎所有不锈钢中铬的质量含量都在11.7%以上。不锈钢在很宽的温度范围内具有一系列特性，如优异的耐腐蚀性、加工成型性、相容性以及强度和韧性。广泛应用于重工业、轻工业、生活用品和建筑装饰行业。不锈钢是石油、化工和炼油工业中广泛使用的金属材料。不锈钢产量占钢总产量的1%。分类：按化学元素分为铬钢、铬镍钢、铬锰钢、铬锰镍钢等。(2)根据显微组织，分为马氏体(M)不锈钢、奥氏体(A)不锈钢、铁素体(F)不锈钢、奥氏体-铁素体(A-F)双相不锈钢、沉淀硬化不锈钢等。(3)可分为耐海水腐蚀不锈钢、耐应力腐蚀不锈钢、耐浓硝酸腐蚀不锈钢、耐浓硫酸腐蚀不锈钢等。根据应用。(一)马氏体不锈钢：马氏体不锈钢是指室温下具有马氏体结构的铬不锈钢，含碳量高，如2Cr13、3Cr13、4Cr13、9Cr18等。随着钢中碳含量的增加，钢的强度、硬度和耐磨性显著提高，而耐蚀性降低。因此，马氏体不锈钢主要用于制造需要高硬度的部件，例如耐磨部件、弹性元件、切割工具以及在弱腐蚀介质中使用并需要较高机械性能的仪器和部件。Ii)铁素体不锈钢铁素体不锈钢通常含有13% 30%的铬和0.25%的碳。金相组织主要为铁素体，加热和冷却过程中没有、相变，不能通过热处理得到强化。典型的铁素体不锈钢是Crl7、Cr25和Cr28。这种不锈钢具有良好的耐腐蚀性和高温抗氧化性。加入合金元素后，在有机酸和含氯介质中具有很强的耐蚀性，在氯化物水溶液中的应力腐蚀性能优于18-8奥氏体不锈钢。屈服强度比奥氏体不锈钢高，但脆性大，加工性能差。铁素体不锈钢主要用于制造具有较高耐腐蚀性和较低强度要求的部件。广泛用于制造硝酸、氮肥、化工管道等设备。Cr25也可用于制造抗浓硝酸、次氯酸钠、磷酸等腐蚀的设备。1Cr18Mo2Ti不锈钢具有优异的抗应力腐蚀、抗点蚀和抗海水腐蚀性能。(iii)奥氏体不锈钢克服了马氏体不锈钢耐腐蚀性不足和铁素体不锈钢脆性过大的缺点，具有良好的热加工性和一定的冷加工性，特别是对于具有其它结构的不锈钢是可焊接的。耐大气腐蚀(工业大气、海洋大气)、土壤腐蚀、稀硫酸和中浓度硝酸。奥氏体不锈钢的基本成分是l8Cr8Ni，缩写为18-8钢。其特征在于碳含量小于0.1%，由铬和镍结合而成单相奥氏体结构。奥氏体不锈钢最大的问题是局部腐蚀，包括晶间腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂。为了提高奥氏体不锈钢的局部耐蚀性，一是增加铬和镍的含量，二是添加合金元素钼、铜、硅、钛(或铌)，三是降低碳含量。奥氏体不锈钢一般用于制造硝酸、硫酸等化工设备部件，制冷行业低温设备部件，经变形强化后，可用作不锈钢弹簧、发条弹簧等。(四)奥氏体-铁素体双相不锈钢奥氏体-铁素体双相不锈钢是一种新型不锈钢这种不锈钢不仅具有高强度(奥氏体不锈钢的0.2倍)、大热导率和小膨胀系数的特点；此外，抗氯化物应力腐蚀、抗点蚀和抗晶间腐蚀性能优于奥氏体不锈钢。双相不锈钢具有比奥氏体不锈钢更好的可焊性，并且焊接后不需要热处理。但是，由于铬含量高，相容易形成，使用时应注意。奥氏体-铁素体双相不锈钢广泛用于船舶、石油、尿素、硫酸、磷酸和草酸行业。v)沉淀硬化不锈钢为了保持奥氏体不锈钢优异的可焊性和马氏体不锈钢的高强度，发展沉淀硬化不锈钢是途径之一。马氏体最终形成后，碳化物和金属间化合物通过时效处理沉淀和硬化。这种钢具有很高的强度，如17-4PH，屈服强度可达1290兆帕。耐腐蚀性能与普通不锈钢相同。沉淀硬化不锈钢具有良好的加工性能和耐腐蚀性。热处理强化后，强度和硬度会更高。它通常用于腐蚀条件不太严重但要求耐磨和耐冲击的零件。2。铝及铝合金：纯铝：熔点258，相对密度2.7，轻金属，导热性好，导电性好，加工性能好，但强度低。氧化膜具有保护作用，并且在被损坏后可以自行愈合。它在一般中性、酸性(pH48，除盐酸、氢氟酸、稀硫酸、稀硝酸外)和有机溶剂中稳定，但在含氯离子的阴离子介质中，会发生局部腐蚀，如点蚀。铝能抵抗硫和硫的腐蚀(如H2S和二氧化硫)。99.8-99.9%的高纯铝用于制造高压釜、储罐、阀门等。浓硝酸。添加合金元素将提高铝的机械强度，但降低其耐腐蚀性。铝合金包括铝硅合金、铝镁合金、铝铜合金、铝锌合金、铝锰合金等。铝和铝合金的腐蚀：点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀和电偶腐蚀。铜及铜合金：铜及铜合金具有优异的导热性和导电性，良好的塑性和韧性，广泛用于电力工业、石油工业、空调、汽车水箱和家用燃气热水器等热交换器。铜及铜合金耐大气腐蚀：铜氧化亚铜氧化亚铜(OH) 2保护膜，氧化亚铜43Cu (OH) 2保护膜在工业大气中形成，氯化亚铜23Cu (OH) 2保护膜在海洋大气中形成。铜和铜合金耐淡水和海水腐蚀：在海水中的腐蚀速率约为0.05毫米/年，此外，铜离子对微生物有毒，这可以防止它们粘附和铜和铜合金的生物腐蚀。总的来说，铜是一种耐腐蚀材料，但当长期使用和暴露在强腐蚀介质中时，考虑到设备的使用寿命，其腐蚀和防护更为重要。苯并三氮唑(BTA)在普通介质中对铜有良好的缓蚀性能，但其缺点是价格高、毒性大、耐氯性差、不易分解。由于铜可以与和氰离子形成络合物，它将加速铜和铜合金的腐蚀，并且不耐硫化物腐蚀。黄铜：铜锌合金。黄铜的“氨脆化”(季节性开裂)和脱锌腐蚀。在黄铜中加入1%的锡可以显著提高黄铜抵抗海水和海洋大气腐蚀的能力，因此被称为“海军黄铜”，用于船舶热力设备和螺旋桨。白铜：铜镍合金。青铜：它是历史上最早使用的合金。它最初指的是铜锡合金。它被称为青铜，因为它的颜色是青灰色。目前，除了黄铜和白铜，其他铜合金统称为青铜。为了提高合金的工艺性能和力学性能，还加入了铅、锌、磷等合金元素。也加入到大多数青铜中。青铜可分为锡青铜和特殊青铜。锡青铜具有良好的铸造性能、抗磁性、低温韧性、减摩性能和机械性能、良好的耐腐蚀性、良好的焊接性能和小的收缩系数铝青铜具有高强度、无铁磁性、无偏析倾向、良好的耐寒性、耐热性、耐磨性和耐腐蚀性，用于铸造高负荷齿轮、轴套、船用螺旋桨等。添加铅的主要目的是改善可加工性和耐磨性。铅对黄铜的强度几乎没有影响。铅青铜是现代发动机和磨床广泛使用的轴承材料。铍青铜和磷青铜具有高弹性极限和良好的导电性，适用于制造精密弹簧和电接触元件。铍青铜也用于制造煤矿和油库中使用的不发火花的工具。紫铜：铜含量高的铜是紫红色，也称为纯铜。其他杂质的总量小于1%。主要用于制造发电机、母线、电缆、开关设备、变压器等电气设备以及热交换器、管道和太阳能加