金属的腐蚀与个案说明

1、金属的腐蚀与个案说明金属材料受周围介质的作用而损坏，称为金属腐蚀。金属的锈蚀是最常见 的腐蚀形态。腐蚀时，在金属的界面上发生了化学或电化学多相反应，使金属转 入氧化（离子）状态。这会显著降低金属材料的强度、塑性、韧性等力学性能， 破坏金属构件的几何形状，增加零件间的磨损，恶化电学和光学等物理性能，缩 短设备的使用寿命，甚至造成火灾、爆炸等灾难性事故。人类进入21世纪的今天， 由于科学技术的进步，金属材料的应用也得到空前的拓宽，特别在继工业革命以 后，并随近现代海洋、空间和原子能技术的出现，使金属腐蚀与防护的研究比以 往任何时期都倍受重视1。1金属腐蚀简介金属与环境中的组分由于发生化学反映而导致

2、表面破坏的现象称为金属腐 蚀。造成金属发生腐蚀的最根本原因是金属的热力学不稳定性造成的，即金属 原子的自由能处于较高的状态，在一定条件下，金属单质就会向化合物进行转 化，从而发生腐蚀。导致金属和金属腐蚀破坏的主要原因就是化学或电化学作 用，有时也包括机械、生物或物理作用。单纯物理作用的破坏（如合金在液 态金属中的物理溶解）仅是少数的例子。单纯的机械破坏不属于腐蚀的范畴。2金属腐蚀的分类腐蚀的分类方法有很多，包括按腐蚀环境、腐蚀形态以及腐蚀现象或原因 进行分类。按环境分：湿蚀：如：大气腐蚀、化学药品腐蚀以及水溶液腐蚀和土壤腐蚀等。干蚀：如：高温氧化、氢腐蚀、液态金属腐蚀以及硫腐蚀等。微生物腐蚀：

3、如：真菌腐蚀、藻类腐蚀以及细菌腐蚀和硫化菌腐蚀等。3金属腐蚀的几种案例分析3.1大气腐蚀33.1.1大气腐蚀的机理钢结构在常温下的大气腐蚀，主要是由于在常温大气环境中使用，受空气中 的水分和其他污染物的化学、电化学的作用而引起的腐蚀，它是在金属表面极薄 的一层水膜下进行的，这些水膜或是由于水分的直接沉降或是由于大气温度的突 然变化而产生的凝露。这些水膜又能溶人大气中的气体（如02, CO2、S02等）、盐 类、尘土及其他污染物，再加上生产制造、运输及使用过程中人为污染因素，所 有这些都会提高水膜的导电性而促进腐蚀过程的加速，当金属表面形成连续的电 解液层时，便形成电化学腐蚀过程。3.1.2响钢

4、结构腐蚀的因素从腐蚀机理看，参与反应的物质H20、02、CO2广泛存在于我们的周围，特 别是工业环境。这些外界因素及金属自身的组成都将影响着钢结构在使用过程中 的大气腐蚀进程。大气相对湿度的影响：在低于临界湿度时金属表面没有水膜，受到的是化学 腐蚀，腐蚀速度很小。当高于临界湿度时，由于水膜的形成，化学腐蚀转化成电 化学腐蚀，所以腐蚀速度就突然增加。大气中的有害气体的影响：在工厂附近C02、SO2、H2S、N02、NH3、C1 等气体含量会有所增加，特别是S02氧化成SO，后与H20作用形成H2S04，对于 不耐稀硫酸的铁锌等构件腐蚀更为严重。大气中尘埃的影响：空气污染严重的环境，大气中会含有碳

5、、碳化物、硫酸 盐及其他盐类微粒，这些微粒一些可以溶与水膜中，提高导电和酸度，一些在金 属表面具有毛细管凝聚作用，凝聚水分而造成腐蚀条件，如吸附的so2,与水气 冷凝后形成腐蚀性酸性溶液。温度的影响：环境温度影响金属表面水蒸气的凝聚及腐蚀气体和盐类的溶解 度、水膜的电阻等，在我国夏季高温多雨季节是最易生锈的季节就是这个原因。另外金属在制作过程中冷热加工处理，如焊接、弯折等应力集中的部位其电极电 位往往较负，造成金属表面不同部位之间的电位差而使得自身极易被腐蚀。金属材料自身的内在因素影响：钢结构使用的钢材都不是纯铁，含有相当的 杂质，比如碳钢中的渗碳体(Fe3C)，它们的电极位比金属本身的要正，

6、则在大气 环境中金属成为腐蚀电池的阳极而极易遭受破坏，另外晶间成分的差异也会导致 的晶间腐蚀等。3.1.3钢结构的防腐措施合理选择材料；有目的的封闭环境，尽量隔离腐蚀介质区域限制腐蚀介质的产生；在结构上避免采用易于积灰、积水及涂料达不到的截面；合理选择连接 方式和焊接方式；尽可能采用表面积最小的圆管和方管的管形截面；正确选择和合理配套涂料，各工序质量要跟踪检验严格把关。严格控制焊接质量；(7 )施工过程中破坏的涂层应及时修补。3.2 土壤腐蚀43.2.1 土壤腐蚀概念及研究概况土壤是一个由气、液、固三相物质构成的复杂系统，其中还生存着数量不等 的若干种土壤微生物，有时还存在有杂散电流，这些都影

7、响着土壤的腐蚀性，地 区分布、气候也对土壤性质施加着影响。因此，在研究土壤腐蚀的领域中，土壤 腐蚀这一概念是指土壤的不同组分和性质对材料的腐蚀，土壤使材料腐蚀的性能 称为土壤的腐蚀性。3.2.2影响土壤腐蚀性的因素土壤腐蚀性的影响因素众多，且各种因素间的交互作用也比较复杂，这里仅 就与热力管道土壤腐蚀相关的典型影响因素进行总结。使用材料（通常为碳钢）：正常情况下，碳钢的成份对土壤腐蚀的影响不 大，但材料本身的相结构和组织变化，如焊缝及热影响区对土壤腐蚀则比较 敏感。土壤电阻率：土壤电阻率是一个综合性因素，它反映了土壤介质的导电 能力。一般来说，电阻率低的土壤腐蚀性强，反之腐蚀性弱。土壤的氧化还

8、原电位：土壤的氧化还原电位较高时，土壤的氧化性强， 加速钢的腐蚀。反之，腐蚀减慢。土壤的透气性直接影响土壤的氧化还原电位， 当土壤透气性好时，氧含量较高，土壤处于强氧化条件。含盐量：土壤的含盐量增加，使作为电介质的土壤导电性增强。土壤电 阻率下降，前述可知土壤腐蚀性提高。水与气的含量：土壤中水含量对钢的腐蚀率影响存在一个最大值，即当 土壤水含量低于此最大值时，随着水含量的增加土壤的腐蚀性增加，当土壤水含 量高于此最大值时，水含量再增加土壤的腐蚀性反而下降。土壤温度：土壤温度的提高，会加速土壤腐蚀电化学反应中阴极的扩散 过程和离子化过程。杂散电流：杂散电流是指存在于土壤中的一种大小、方向都不固定

9、的电 流。它分为直流杂散电流和交流杂散电流。3.3炉水冷壁高温腐蚀53.3.1炉水冷壁高温腐蚀的机理高温腐蚀是指炉内水冷壁管在高温烟气的环境里，具有较高的管壁壁温 度时所发生的锈蚀现象。根据其发生的原因及腐蚀产物成分的分析，煤粉锅 炉水冷壁高温腐蚀主要分为：硫酸盐型高温腐蚀和硫化物型高温腐蚀两种类 型。高温腐蚀是指炉内水冷壁管在高温烟气的环境里，具有较高的管壁壁温 度时所发生的锈蚀现象。根据其发生的原因及腐蚀产物成分的分析，煤粉锅 炉水冷壁高温腐蚀主要分为：硫酸盐型高温腐蚀和硫化物型高温腐蚀两种类 型。硫酸盐型高温腐蚀：煤粉在炉内燃烧时，矿物质中的钠挥发、升华，非 挥发性硅酸盐中的钾通过置换反

10、应释放出来，钠和钾与烟气中的S03反应生 成硫酸钠和硫酸钾，其露点温度在877r左右。当汽态的硫酸钠与硫酸钾扩散 到“较冷的水冷壁管表面”时，便凝结在管壁氧化膜上。由于汽相扩散速率 较硅酸盐灰粒惯性撞击沉积的速率快，所以炉管表面上首先沉积的是硫酸钠 和硫酸钾，其沉积速度与挥发钠的数量及烟气温度有关，特别是与烟气及壁 面的温度梯度有关。当硫酸盐沉积厚度增加，表面温度升高至熔点温度时， Fe2O3氧化保护膜被复合硫酸盐溶解破坏，使管子继续腐蚀。硫化物型高温腐蚀：经过分析发现：硫化物型高温腐蚀产生的根源在 于煤粉在缺氧条件下燃烧时生成了原予态硫和硫化物(H2S)，它们和金属基体 铁及铁的氧化物发生反

11、应生成铁的硫化物。3.3.2炉水冷壁高温腐蚀的影响因素煤质的影响：燃煤品质差是水冷壁高温腐蚀的内园条件，燃煤中高含量的硫 元素和氯元索是硫化物型和氧化物型高温腐蚀的根源。给水品质的影响：给水品质对锅炉高温腐蚀的影响主要体现在水冷壁的管壁 温度条件上。配风工况：配风不当对锅炉水冷壁高温腐蚀的影响。还原性气氛：还原性气氛是由于煤粉在炉膛内缺氧燃烧形成的，其对锅炉水 冷壁的腐蚀影响非常大。煤粉贴壁燃烧：如果炉内空气动力场不理想，造成一次风偏斜或切圆偏斜。很容易产生煤粉贴壁燃烧现象。3.3.3炉水冷壁高温腐蚀的防护措施采用浓淡风燃烧技术。可分为水平浓淡风燃烧技术和径向浓谈风燃烧技 术。采用多切圆燃烧技

12、术。针对双切圆四角燃烧锅炉而言，在防止高温腐蚀 的应用中效果较为明显。)采用贴壁风技术。贴壁风技术是从二次风箱引出一股少量的二次风，从 而有效的防止水冷壁高温腐蚀的发生。控制煤粉细度。控制给水品质。3.4微生物腐蚀金属与水溶液相接触的表面会生成生物膜。由于生物膜内微生物的存在和其 生命活动而引起的腐蚀称微生物腐蚀(Microbiology Influenced Corrosion，简称 MIC)3.4.1典型微生物腐蚀机理硫酸盐还原菌：硫酸盐还原菌(Sulfate Reducing Bacteria简称SRB)是一类形 态各异、营养类型多样、能利用硫酸盐或者其他氧化态硫化物作为电子受体来异 化

13、有机物质的严格厌氧菌。硫氧化菌：硫氧化菌是能氧化兀素硫、硫代硫酸盐以及亚硫酸盐等产生代谢 产物硫酸的一类好氧菌。硫氧化菌在酸性土壤及含黄铁矿的矿区中，能使土壤或 矿水变酸导致腐蚀。腐生菌：腐生菌是异养型的细菌。在一定条件下，它们从有机物中得到能量， 产生粘性物质，与某些代谢产物积累可造成腐蚀和堵塞。铁细菌：铁细菌是好气异养，也有兼性异养和严格自养型，大量存在于冷凝 水及部分腐蚀沉积物中。介质中铁浓度对细菌生长极为重要，一般在总铁量为 6mg/L的水中。，铁细菌旺盛繁殖。铁细菌通过把亚铁氧化成三价铁而获得能 量，铁细菌的腐蚀通过缝隙腐蚀机理而发生。真菌：舰船上的设备主要受到高潮湿、高霉菌、高温度

14、和高盐雾的侵蚀。其 中海洋大气中的霉菌和微生物是造成设备腐蚀的一个重要因素。如果舰船的设备 上具备了霉菌生长的条件，空气中孢子落在其上，就会很快萌发生成大量的菌丝 体。这些菌丝体都是由薄壁细胞组成，这些薄壁细胞里的主要成分是水。3.4.2微生物腐蚀的防治控制微生物腐蚀的方法主要有物理方法、化学方法和微生物方法。物理方法：利用电离射线(紫外线、x射线)：紫外线在260 nm波长附近有很强的辐射， 而这个波长恰好可以被核酸所吸收，所以延长照射时间就可以杀死微生物；X射 线则能使细菌细胞的DNA链中两个相连的胸腺嘧啶碱基发生共价相连，使其复 制发生错误，从而致死。利用超声波也可杀死微生物。采用耐腐蚀

15、材料或合适的防腐蚀涂层：在基体材料中加入耐腐蚀的元素， 或在材料的表面加一层涂层(目前一般用高温环氧树脂作内外涂层，如果技术和 经济条件允许，可以在涂料内添加耐腐蚀和抗菌物质，如使用的纳米材料)，以 阻止MIC的发生。加防护层和阴极保护：应用防护层是防腐蚀工作中常采用的方法之一。 阴极保护一般和防护层联合使用。化学方法投加杀菌剂：投加杀菌剂是广泛采用的方法，但由于水质状况不同，以 及微生物种群之间的差异，往往因杀菌剂的长期单独使用而使微生物对产生抗药 性。现在常用的两种杀菌剂分为氧化性和非氧化性两大类。改变介质环境：调整介质的pH值；注入高矿化度水或盐水，通过渗透压 降低细胞内部的含水量；周期

16、性地注入热水(60。通过上述方法，抑制或杀死 微生物。微生物方法微生物控制法：利用微生物之间的共生、竞争抵抗的关系来防止微生物 对金属的腐蚀，例如，有些菌可以产生类似于抗生素类的物质直接杀死腐蚀菌， 或是引入其它微生物与原先存在的腐蚀菌竞争养分和生活空间。限制营养源：限制金属构件周围的可供微生物生长的营养物。4结语由于科学技术的进步，金属材料的应用也得到空前的拓宽，特别在继工业革 命以后，并随近现代海洋、空间和原子能技术的出现，使金属腐蚀与防护的研究 比以往任何时期都倍受重视。建立在现代科技基础之上的腐蚀与防护研究已改过 去传统的研究方法、研究手段，应用高精尖技术深入到金属腐蚀内部，从不同角 度探讨其本质，进而提出合适、高效、经济和切实可行的防腐措施，减少由于金 属腐