化工原理-学年论文《金属材料的腐蚀与防护》

过程装备腐蚀与防护结课小论文金属材料的腐蚀与防护班级姓名学号成绩金属材料的腐蚀与防护班级、姓名、学号摘要扼要介绍了金属的腐蚀机理，腐蚀发生的原因。金属的腐蚀现象和机理比较复杂，但可以通过合理地选用材料、有效地采取防腐蚀措施来减缓金属材料的腐蚀速度，这对于延长设备寿命、降低成本、提高劳动生产率都具有十分重要的意义。关键词金属材料腐蚀防护钢铁生锈、铜器泛绿、银具变黑等都是材料通常是指金属及其结构物，制件与其所处环境介质之间的化学反应或电化学反应所引起的破坏或变质。这类破坏或变质被称之为材料的腐蚀。腐蚀科学则是一门涉及化学、物理、冶金学、表面科学、力学、机械学和生物学等多学科的应用科学。金属的腐蚀严重破坏了国民经济和国防建设，研究金属的腐蚀这门科学对于提高国民经济和加强国防建设都有重要的意义。1金属材料的腐蚀机理11金属腐蚀的分类按照金属的腐蚀机理可以将金属腐蚀分为化学腐蚀与电化学腐蚀两大类。化学腐蚀就是金属与接触到的物质直接发生氧化还原反应而被氧化损耗的过程；电化学腐蚀就是铁和氧形成两个电极，组成腐蚀原电池，因为铁的电极电位总比氧的电极电位低，所以铁是阳极。遭到的腐蚀不管是化学腐蚀还是电化学腐蚀，金属腐蚀的实质都是金属原子被氧化转化成金属阳离子的过程1。12金属腐蚀的发生自然界中只有极少数金属（例如金、铂等）能以游离状态存在，而大多数金属都需要从它们的矿石中用不同的能量冶炼出来。因此，从热力学观点来看，金属的腐蚀是很自然的事。金属受周围介质的化学及电化学作用而被破坏，这种现象叫做金属的腐蚀。由于腐蚀导致的金属破坏都从表面开始，而破坏的程度，一般来说也是表面最大。在液态和固态电解质中腐蚀过程是电化学过程。因此，腐蚀能否进行取决于金属能否离子化，而金属离子化的趋势可以用电极电位（E）表示。金属在电解质中的腐蚀是一种电化学变化2，它的进行依照法拉第定律及欧姆定律，W（ECEA）TE/96500AR式中，E为常数，如粗略地认为R不变时，则腐蚀速率（W/T）与（ECEA）成正比，而与A成反比。（ECEA）因极化关系有所变化，因此腐蚀率也会随时间变化；阳极面积（A）较小时，腐蚀率将会随着提高。金属腐蚀时，阳极释放电子的阳极过程和阴极获得电子的阴极过程是在同一金属表面进行的。2金属防护的方法21改善金属的环境改善环境对减少和防止腐蚀有重要意义。例如，减少腐蚀介质的浓度，除去介质中的氧，控制环境温度、湿度等都可以减少和防止金属腐蚀。也可以采用在腐蚀介质中添加能降低腐蚀速率的物质称缓蚀剂来减少和防止金属腐蚀。22在金属表面形成保护层在金属表面覆盖各种保护，把被保护金属与腐蚀性介质隔开，是防止金属腐蚀的有效方法3。工业上普遍使用的保护层有非金属保护层和金属保护层两大类。它们是用化学方法、物理方法和电化学方法实现的。该法就是使金属表面形成转化层和加上一层坚固的保护层，达到隔离大气保护金属的目的如对金属表面实施电镀、化学镀以及氧化、磷化处理等，可使金属表面覆盖一层耐腐蚀的保护层也可以对金属表面氮化。渗铅、渗铬等使金属表面合金化；再有，可采用涂料保护法，即对金属涂防锈材料如油漆，防锈油脂，塑料、橡胶、搪瓷、陶瓷等这些方法在国内外均广泛有效地被使用着。221金属的磷化处理钢铁制品去油、除锈后，放入特定组成的磷酸盐溶液中浸泡，即可在金属表面形成一层不溶于水的磷酸盐薄膜，这种过程叫做磷化处理4。磷化膜呈暗灰色至黑灰色，厚度一般为520M，在大气中有较好的耐腐蚀性。膜是微孔结构，对油漆等的吸附能力强，如用作油漆底层，耐腐蚀性可进一步提高。222金属的氧化处理将钢铁制品加到NAOH和NANO2的混合溶液中，加热处理5，其表面即可形成一层厚度约为0515M的蓝色氧化膜主要成分为FEO，以达到钢铁防腐蚀的目的，此过程称为发蓝处理，简称发蓝。这种氧化膜具有较大的弹性和润滑性，不影响零件的精度，故精密仪器和光学仪器的部件，弹簧钢、薄钢片、细钢丝等常用发蓝处理。223非金属涂层用非金属物质如油漆、塑料、搪瓷、矿物性油脂等涂覆在金属表面上形成保护层，称为非金属涂层，也可达到防腐蚀的目的。例如，船身、车厢、水桶等常涂油漆，汽车外壳常喷漆，枪炮、机器常涂矿物性油脂等。用塑料如聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯等喷涂金属表面，比喷漆效果更佳。塑料这种覆盖层致密光洁、色泽艳丽，兼具防腐蚀与装饰的双重功能。搪瓷是含SIO2量较高的玻璃瓷釉，有极好的耐腐蚀性能，因此作为耐腐蚀非金属涂层，广泛用于石油化工、医药、仪器等工业部门和日常生活用品中。224金属保护层金属保护层是以一种金属镀在被保护的另一种金属制品表面上所形成的保护镀层。前一金属常称为镀层金属。金属镀层的形成，除电镀、化学镀外，还有热浸镀、热喷镀、渗镀、真空镀等方法。热浸镀是将金属制件浸入熔融的金属中以获得金属涂层的方法，作为浸涂层的金属是低熔点金属，如ZN、SN、PB和AL等。热镀锌主要用于钢管、钢板、钢带和钢丝，应用最广；热镀锡用于薄钢板和食品加工等的贮存容器；热镀铅主要用于化工防腐蚀和包覆电缆；热镀铝则主要用于钢铁零件的抗高温氧化等。金属表面保护层的要求薄薄的一层涂料不可能起到绝对的屏蔽作用。因为高聚物都具有一定的透气性，其结极气孔比水和氧分子直径大，所以涂层很薄时，它们可以自由通过。为了提高涂层的抗渗性，除了选用透气性小的成膜物质和屏蔽性小的固体膜料，同时应增加涂覆层数，以使涂层达到一定厚度且致密无孔，达到涂层硬度高，耐磨。即使组成相同，在一层之内，干燥之后往往表面与内部并不完全相同，因此每层之间必须充分附着，形成均匀密合的整体。增强涂层与基体金属的附着力，可以长时间维持金属不受腐蚀。因此金属表面保护层要求1涂层镀层致密、完整无孔，不透介质2与基体金属结合牢固，附着力强3硬度高，耐磨4在金属表面分布均匀。23电化学保护法电化学保护法是根据电化学原理在金属设备上采取措施，使之成为腐蚀电池中的阴极，从而防止或减轻金属腐蚀的方法。231牺牲阳极保护法牺牲阳极保护法是用电极电势比被保护金属更低的金属或合金做阳极，固定在被保护金属上，形成腐蚀电池，被保护金属作为阴极而得到保护。牺牲阳极一般常用的材料有铝、锌及其合金。此法常用于保护海轮外壳，海水中的各种金属设备、构件和防止巨型设备如贮油罐以及石油管路的腐蚀。232阳极保护法所谓阳极保护法是指金属在电解质溶液中，给予一定量的阳极电流使在金属表面形成一层耐腐蚀性能很高的钝化膜，然后再通以较少量的阳极电流就能维持这层钝化膜的存在，像这种防止金属在电解质溶掖中腐蚀手段，称为阳极保护阳极保护法是一门新型防腐蚀技术，国外从60年代才开始应用，目前也主要用于硫酸、磷酸、有机酸、氨水等简单设备的防腐。我国从70年代开始也开展了这方面的应用并取得了一定成果，如福建某化工厂小氨分厂的碳化塔冷却水箱实施阳极保护，冷却水箱使用寿命延长3倍以上由于阳极保护难以控制金属在介质中的电极电位，该技术的推广应用还受到一定限制233阴极保护法将被保护金属与另一附加电极作为电解池的两个极，使被保护的金属作为阴极，在外加直流电的作用下使阴极得到保护6。金属结构上，使结构上原来存在的腐蚀电池的阴极电位降至与阳极电位相等，从而使金属结构的腐蚀电池消失，达到完全保护结构物的方法近些年来，阴极保护法及其应用发展很快7，如美国自70年代起，从事阴极保护的工程公司就有100多家，其涉及的应用范围渗透到工业各个部门，其中包括石油工业部门中远距离拾送石油、天然气的海底管线和煤气管道的防护海洋工程设施中的钢浮码头能源工业部门中的电厂热交换器的防护城市建筑部门中的钢制水塔，自来水管、污水排水管的防护等等在国内阴极保护的应用虽然起步稍晚，但也得到了较快发展。此法主要用于防止土壤、海水及河水中金属设备的腐蚀。3石油化工循环水塔钢结构的腐蚀与防护方法31腐蚀情况钢结构部分出现腐蚀特别是焊道附近金属腐蚀比较厉害锈蚀层有23MM厚左右。锈蚀层下面有较多的像黄豆粒米粒大小不一的点蚀坑原来的金属表面已经见不到。有部分金属护栏的扁钢在焊道部位断开。没有开裂的防腐层表面发粉表面上看树脂含量很少。采用划格器检查发现被划开的防腐层发脆已没有使用价值。被划开的防腐层下的金属已经被腐蚀有1MM左右的锈蚀层。这说明防腐层气孔比较多。对整体钢结构的防腐层检查上看早已没有使用价值。另外炼油厂三循逆流式凉水塔为2003年7月进行改造钢结构采用环氧磁漆固化剂为胺类两道底漆三道面漆。底面处理达到SA25级。运行3个月左右防腐层出现发软、起鼓、脱层现象起不到防腐作用。32腐蚀原因分析321防腐涂层的损坏钢结构防腐层损坏。首先是金属表面处理不当。因为当时所实施的工艺为人工机械除锈达到ST3级与所选的环氧涂料进行配套没有达到涂料要求的附着力。因为环氧涂料本身要求与金属表面结合必须达到机械喷砂除锈SA25级。所以从现场涂料脱层的现象看没有达到要求的附着力。二是所选的涂料树脂含量低从现场漆膜看干固的防护层树脂含量少而其它填料过多产生较多粉化颗粒。这样涂层易存在较多的气孔水分子及其它杂质容易渗透涂层引起金属表面腐蚀。所以该防腐涂层在潮湿的环境下涂层是比较易于通过水的因水在涂层与金属之间形成界面层造成涂层的结合强度下降涂层剥离或鼓包。金属表面遭到腐蚀。从现场没有损坏的涂层采用划痕检查涂层下面金属表面存在锈蚀层可以说明这一点。炼油厂凉水塔钢结构防腐层损坏。虽然防腐涂层已经固化2个多月但是使用后遇水防腐涂层发生损坏。所选用的是环氧涂料酮亚胺为固化剂【1】共三道期望耐用10年以上。表面喷砂至SA25级施工时温度正常为1525涂装后固化时间最长时间2个月。使用后不到1个月漆膜起泡原因为酮亚胺实质上是用酮封闭的多元胺与空气中潮气接触后析出多元胺及酮多元胺再与环氧树脂固化。该漆经刷后漆膜表面与水汽反应而固化阻滞漆膜丙酮充分挥发残留的酮有一定的水溶性引起渗透压使漆膜起泡。这说明所选的配套固化剂不适合在这一环境下使用。322涂层下金属腐蚀的原因石油化工设备腐蚀与防护漆膜下的金属腐蚀是由电化学作用引起的。在阴极,氧有去极化作用,反应如下O2十H22E2OH因此,膜下泡内溶液呈微碱性,这时阴极部位的PH值高达13以上。界面一旦成为高碱性状态,就进一步发生基体氧化膜的碱性溶解和漆膜的碱分解。同时,在阳极发生如下反应FEFE22E,水及OH反应生成FEOH2、FEOH3、FE2O3XH2O等腐蚀产物,其体积要增大好几倍,使漆膜鼓起,最后破裂。这时泡内溶液呈酸性,泡内PH值仅为24。从漆膜脱落部位产生的阴极、阳极反应来看,由于阴极反应产生的OH离子使得界面PH值上升,造成FE2离子水解FE2十2H2OFEOH22H这时又使界面PH值降低,从而加速了阳极反应,使腐蚀面积扩大,漆膜剥落的范围增加。部分表面涂层,不到半年出现开裂、脱落,使金属表面遭到腐蚀。另外,由于钢结构在高湿度与水汽中使用,造成设备表面干湿交替进行。金属表面暴露在空气中,当表面存在锈蚀层时涂层气孔率高时相当于锈蚀层,锈蚀层就起了水和氧的储槽作用,锈蚀层下基体铁的离子化起了强氧化剂的作用。在一定条件下腐蚀产物会影响大气腐蚀的电极反应。EVANS认为大气腐蚀的锈蚀层处在润湿条件下,可以作为强烈的氧化剂。由锈层内EVANS模型,可以看出阳极反应发生在金属/FE3O4界面上,阴极反应发生在FE3O4/FEOOH界面上,即锈层内发生了FE3FE2的还原反应,说明锈层参与了阴极过程。由于天气变化,金属表面温度、湿度随之变化,这样在化学、电化学作用下,金属表面将加速腐蚀。4结束语腐蚀破坏遍及国民经济和国防建设的各个部门。随着工业的发展,广泛地采用在高参数条件下的强化生产工艺8。在这些生产工艺中,普遍涉及高温、高压、强腐蚀性介质、高负荷应力或高热流、高质流等高参数条件下的强化操作,从而对材料保护提出愈来愈高的要求。如果不能切实可靠地解决腐蚀问题,它往往会引起突发的恶性事故,造成巨大的经济损失,严重的社会后果和影响战备。腐蚀破坏不仅会使设备早期失效,而且往往会引起突发的恶性事故,造成巨大的经济损失,带来严重的社会后果,而腐蚀保护不仅是安全生产的需要,而且往往是建立某些新型工业,采用新工艺的先决条件。因此,腐蚀科学与保护技术的研究与发展,将直接影响到国民经济与国防建设所有部门的安全保障、经济效益和发展水平。随着我国科学技术日益发展，防止大气污染对金属的腐蚀方法必将会愈来愈多，效果也会愈来愈好，这就像百花园中盛开的鲜花一样愈来愈为众多的人所青睐。参考文献1陆致琛我国