埋地钢质管道腐蚀与防护

埋地钢质管道

腐蚀与防护1.金属材料的腐蚀与防护1、腐蚀概念

腐蚀是材料与它所处环境介质之间发生作用而引起材料的变质和破坏。材料环境介质发生作用所以说：腐蚀问题无处不在。1.1概述材料腐蚀分类金属材料腐蚀非金属材料腐蚀化学腐蚀电化学腐蚀高温腐蚀常温腐蚀材料类型腐蚀机理腐蚀环境分类依据大气腐蚀土壤腐蚀自然环境依据腐蚀的环境状态（自然环境和工业环境）淡水腐蚀海水腐蚀微生物腐蚀酸性溶液碱性溶液工业环境盐类溶液工业水中液态金属材料腐蚀分类电偶腐蚀点蚀局部腐蚀依据腐蚀形态缝隙腐蚀晶间腐蚀选择性腐蚀氢致开裂应力腐蚀共同作用腐蚀疲劳腐蚀磨损均匀腐蚀不均匀腐蚀全面腐蚀材料腐蚀分类管道（设备）材料腐蚀图片管道（设备）材料腐蚀图片金属的电化学腐蚀（一）金属腐蚀1.概念：金属或合金与周围接触到的气体或液体进行化学反应而腐蚀损耗的过程。2.金属腐蚀的本质金属原子失去电子变成阳离子而损耗3.金属腐蚀的分类：化学腐蚀和电化学腐蚀绝大多数金属的腐蚀属于电化学腐蚀电化学腐蚀通常有析氢腐蚀和吸氧腐蚀一、原电池构成原电池的基本条件是什么？（1）必须自发进行氧化还原反应

（3）两个电极必须插入电解质溶液中或熔融的电解质中；（4）两个电极必须相连并形成闭合回路。（2）必须有两种活泼性不同的导电材料作电极；把化学能转化为电能的装置。原电池正负极的比较比较项目正极负极电子流动方向电子流入电子流出金属活泼性相对不活泼相对活泼电极反应Nm++me-=N(还原反应)M-ne-=Mn+(氧化反应)

电极质量变化增大或不变减小或不变离子移动方向阳离子移向该极阴离子移向该极比较项目化学腐蚀电化学腐蚀发生条件共同点是否构成原电池有无电流实质化学腐蚀与电化学腐蚀的比较电化学腐蚀比化学腐蚀普遍得多金属跟接触到的物质直接发生化学反应不纯金属跟接触的电解质溶液发生原电池反应无电流无原电池构成无数微小原电池有弱电流金属被腐蚀较活泼金属被腐蚀金属原子失去电子变成阳离子而损耗钢铁的电化学腐蚀比较项目析氢腐蚀吸氧腐蚀发生条件电极反应负极正极总反应钢铁表面吸附的水膜酸性较強时Fe-2e-=Fe2+2H++2e-=H2↑Fe+2H+

=Fe2++H2↑钢铁表面吸附的水膜酸性较弱或呈中性时Fe-2e-=Fe2+O2＋2H2O＋4e-=4OH-Fe2++2OH-=Fe(OH)24Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)34Fe(OH)3＝Fe2O3·xH2O(铁锈)+(3-x)H2O吸氧腐蚀比析氢腐蚀普遍得多钢铁表面形成的微小原电池示意图钢铁的析氢腐蚀示意图钢铁的吸氧腐蚀示意图知识总结1、2、金属阳离子失e-氧化反应金属腐蚀的类型化学腐蚀电化腐蚀析氢腐蚀吸氧腐蚀（常见普遍）㈠.金属腐蚀金属原子金属腐蚀的本质：3、金属腐蚀：是指金属或合金跟接触的气体或液体发生化学反应（氧化—还原）而腐蚀损耗的过程。4.钢铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀比较Fe2O3·nH2O（铁锈）通常两种腐蚀同时存在，但以后者更普遍。析氢腐蚀吸氧腐蚀条件水膜呈酸性。水膜呈中性或酸性很弱。CO2+H2OH2CO3

H++HCO3-电极反应负极Fe(-)Fe-2e=Fe2+2Fe-4e=2Fe2+正极C(+)2H++2e=H2↑O2+2H2O+4e=4OH-总反应:Fe+2H+=Fe2+↑2Fe+2H2O+O2=2Fe(OH)24Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3联系㈡钢铁腐蚀的防护：例6：改变金属的内部组织结构：如将Cr、Ni等金属加进钢里制成合金钢。⒈A.C.铜的金属活动性比氢小，因此不宜被氧化；B.D.它们的表面都电镀上了一层耐腐蚀的黄金；2000年5月，保利集团在香港拍卖会上花费3000多万港币购回在火烧圆明园时流失的国宝：铜铸的牛首、猴首和虎首，普通铜器时间稍久容易出现铜绿，其主要成分是[Cu2(OH)2CO3]这三件1760年铜铸的国宝在240年后看上去仍然熠熠生辉不生锈，下列对起原因的分析，最可能的是环境污染日趋严重，它们表面的铜绿被酸雨溶解洗去；（D）它们是含一定比例金、银、锡、锌的合金；2.金属表面覆盖保护层3.电化学保护法原理：原理：如油漆、油脂等，电镀（Zn,Cr等易氧化形成致密的氧化物薄膜）作保护层。隔绝金属与外界空气、电解质溶液的接触。——牺牲阳极的阴极保护法形成原电池反应时，让被保护金属做正极，不反应，起到保护作用；而活泼金属反应受到腐蚀。牺牲阳极的阴极保护法示意图

牢记形成原电池的四个条件：

①必须自发进行氧化还原反应②两个活动性不同的金属或金属和非金属（如石墨）做电极。③电解质溶液。④形成闭合回路金属的防护方法：1.改变金属的内部组织结构（如制不锈钢）2.在金属表面覆盖保护层：（1）在表面刷一层油漆；（2）在表面涂上机油；（3）在表面镀一层其他耐腐蚀金属；（4）在表面烧制搪瓷；（5）使金属表面形成致密的氧化膜。3.电化学保护法：

（1）牺牲阳极的阴极保护法(原电池原理接一个更活泼的金属)

（2）外加电流的阴极保护法（电解池原理）

判断金属腐蚀快慢的规律

不纯的金属或合金，在潮湿空气中形成微电池发生电化腐蚀，活泼金属因被腐蚀而损耗，金属腐蚀的快慢与下列二种因素有关：1）与构成微电池的材料有关，两极材料的活动性差别越大，电动势越大，氧化还原反应的速度越快，活泼金属被腐蚀的速度就越快；2）与金属所接触的电解质强弱有关，活泼金属在电解质溶液中的腐蚀快于在非电解质溶液中的腐蚀，在强电解质溶液中的腐蚀快于在弱电解质溶液中的腐蚀。一般说来可用下列原则判断：（电解原理引起的腐蚀）＞原电池原理引起的腐蚀＞化学腐蚀＞有防腐措施的腐蚀1.2腐蚀与防护基本原理3、金属腐蚀破坏的形态1.2腐蚀与防护基本原理（1）全面腐蚀特征：腐蚀分布在整个金属表面，结果使金属构件截面尺寸减小，直至完全破坏。控制：合理选材、留有裕量；施加保护性覆盖层；缓蚀剂；电化学保护。1.2腐蚀与防护基本原理（2）局部腐蚀腐蚀集中在金属表面局部地区，而其它大部分表面几乎不腐蚀，称为局部腐蚀。1.2腐蚀与防护基本原理①电偶腐蚀电偶腐蚀形态：两种金属在同一介质中接触，腐蚀电位不相等，便有电偶电流流动，电位较低金属局部腐蚀,电位较高的金属，溶解速度减小。亦称接触腐蚀或双金属腐蚀。防止办法：

正确选取材料，选取电偶序中相距较近的合金；

消除面积效应，减小阴极面积；

添加环缓蚀剂。1.2腐蚀与防护基本原理②小孔腐蚀小孔腐蚀形态：金属表面局部出现向深处发展的腐蚀小孔，其余地区不被腐蚀或者只有轻微腐蚀，也称孔蚀或点蚀。控制办法：合金的成分和组织：孔蚀的敏感性与合金的成分、组织以及冶金质量有密切的关系。介质的组成和状况：尽量降低介质中卤素。缓蚀剂：硝酸盐、铬酸盐、硫酸盐及碱等。阴极保护：金属电极电位控制在孔蚀保护电位以下。1.2腐蚀与防护基本原理③缝隙腐蚀

缝隙腐蚀形态：腐蚀发生在缝隙内。发生和发展机理与孔蚀很相似，存在缝隙是表面缺陷，缝隙内是缺氧区，成为阳极而迅速被腐蚀。防止办法：消除缝隙。尽可能避免形成缝隙和积液的死角。对不可避免的缝隙，要采取相应的保护措施。尽量控制介质中溶解氧的浓度，使溶氧浓度低于5×10－6mol/L，这样在缝隙处就很难形成氧浓差电池。1.2腐蚀与防护基本原理④晶间腐蚀

金属材料在特定的腐蚀介质中沿着材料的晶粒边界或晶界附近发生腐蚀，使晶粒之间丧失结合力的一种局部破坏的腐蚀现象。腐蚀形态：腐蚀从表面沿着晶界深入内部，外表看不出腐蚀迹象，可用金相显微镜看出呈网状腐蚀，失去强度。贫化理论：晶界与晶内的电极电位的形成，形成一晶界区为阳极，晶粒本体为阴极的腐蚀微电池。控制办法：材料本身的成分和组织。奥氏体不锈钢敏化型晶间腐蚀为例：降低钢的含碳量；稳定化处理；重新固溶处理。晶间腐蚀1.2腐蚀与防护基本原理⑤选择性腐蚀含有不同成分的金属材料，在一定的条件下，其中一部分元素被腐蚀浸出，只剩下其余组分构成的海绵状物质，强度和延性丧失，称为选择性腐蚀，例如黄铜在腐蚀介质中被锌浸出，灰口铸铁脱铁。腐蚀形态：多元合金在电解质溶液中由于组元之间化学性质的不均匀，构成腐蚀电池。1.2腐蚀与防护基本原理（3）应力作用下的腐蚀①应力腐蚀开裂:腐蚀和拉应力同时作用下使金属产生破裂，称为应力腐蚀。大致过程为：金属表面生成的保护膜在拉应力作用下产生局部腐蚀，产生孔蚀或缝隙腐蚀，孔蚀或缝隙腐蚀一方面向纵深发展，一方面由于拉应力作用使缝隙两端的膜反复破裂，腐蚀沿着与拉应力垂直的方向前进，造成裂缝严重时发生断裂。发生的三个必要条件：敏感的合金、特定的介质和一定的静应力。1.2腐蚀与防护基本原理应力腐蚀的机理：阳极溶解机理：应力腐蚀裂纹的形成与扩展是阳极通道的形成与其延伸的过程。氢脆机理：阴极析氢反应在金属表面形成的吸附氢原子渗入内部引起氢脆，是导致应力腐蚀的主要原因。1.2腐蚀与防护基本原理防止办法：正确选材:避免构成应力腐蚀体系，减轻应力腐蚀的敏感性。合理设计、改进制造工艺：尽量减小应力集中效应。改善环境介质：消除或减少介质中促进应力腐蚀的有害物质，加入适当的缓蚀剂。电化学保护：外加电流极化，使金属的电位远离应力腐蚀敏感区1.2腐蚀与防护基本原理②腐蚀疲劳腐蚀介质和交变应力协同作用所引起的材料破坏的现象。腐蚀特点：没有真实的疲劳极限；在任何腐蚀介质中都可能发生；性能与载荷频率、应力以及载荷波形有密切关系；裂纹往往是多源的。防止办法：正确选材；合理设计、改进制造工艺和结构设计应避免应力集中；改善介质条件；电化学保护。1.2腐蚀与防护基本原理③磨损腐蚀

流体介质与金属之间或金属零件间的相对运动引起金属局部区域加速腐蚀破坏的现象，简称磨蚀。磨蚀又可分为：湍流腐蚀空泡腐蚀摩振腐蚀1.2腐蚀与防护基本原理（4）微生物腐蚀

由于介质中存在着某些微生物而使金属的腐蚀过程加速的现象，称之为微生物腐蚀，也简称为细菌腐蚀。并非微生物本身对金属的腐蚀，而是它们生命活动的结果直接或间接地对金属腐蚀过程产生影响。①影响主要体现在以下几个方面：代谢产物具有腐蚀作用。如硫酸、有机酸和硫化物。改变环境介质条件。如：pH值、溶解氧等。影响电极极化过程。破坏非金属保护覆盖层或缓蚀剂的稳定性。1.2腐蚀与防护基本原理②常见的细菌腐蚀：厌氧性细菌腐蚀：硫酸盐还原菌（SRB），使硫酸盐还原成硫化物，生成硫化氢，进而与铁反应形成硫化铁，加速了钢铁的腐蚀。好氧性细菌的腐蚀：如硫氧化菌、铁细菌、硫代硫酸盐氧化菌等。以硫氧化菌为例，它将硫和含硫化合物氧化成硫酸，造成腐蚀性极强的环境，导致材料的快速腐蚀。厌氧与好氧联合作用下的腐蚀：两类细菌的腐蚀与繁衍相辅相成，更加速了金属的腐蚀。细菌联合作用腐蚀的情况很普遍。1.2腐蚀与防护基本原理③细菌腐蚀的控制：使用杀菌剂或抑菌剂：根据细菌种类及介质选择高效、低毒和无腐蚀性的药剂。改变环境条件：提高介质的pH值及温度（pH>9.0，温度T>50℃）、排泄积水、改善通气条件、减少有机物营养源等。覆盖防护层：采用涂覆非金属覆盖层或金属镀层使构件表面光滑、在有机涂层中加入适量杀菌剂等方法。阴极保护：阴极保护使构件表面附近形成碱性环境，抑制细菌活动。12.1化学腐蚀与电化学腐蚀(corrosion)•类型：(1)化学腐蚀：非电解质溶液和干燥气体的化学作用引起的腐蚀。(2)电化学腐蚀：电解质溶液产生的电化学作用而引起的腐蚀(最常见)。(3)应力腐蚀开裂：应力和腐蚀介质联合作用下产生的破坏(危害很大)。(4)腐蚀疲劳：腐蚀环境+交变应力，使疲劳强度明显低于正常值的现象。(5)氢致开裂(氢脆)：金属由于在腐蚀、酸洗、电镀等过程中吸收了原子氢而使性质变脆甚至引发延迟裂纹现象。高强钢、钛合金尤为敏感。表12-112.2常见耐蚀材料与应用12.2.1材料的耐蚀性(1)标准(2)各类材料耐蚀性1)金属材料：•钛合金＞不锈钢＞低合金钢＞铸铁≥碳钢。•铝合金在大气和水中耐蚀。•青铜＞黄铜＞铜（大气和海水中）；青铜尚耐有机酸稀溶液腐蚀。表12-22)高分子材料•不发生电化学腐蚀；•在介质中发生裂解、溶胀、溶解、银纹和开裂（或称老化）；

•在各种酸碱盐中较好耐蚀性，可替代金属作腐蚀严重的化工容器、管道等塑料以及防蚀衬里、弹性材料或密封材料（橡胶）。3)无机非金属材料

•具有很好的耐酸、碱、盐腐蚀及耐老化、耐日晒能力，且耐溶剂及耐油。12.2.2合理选择耐蚀材料耐蚀材料选材因素6方面：（参见教材12.2.2）常见介质中最耐蚀的合金：表12-312.3改善金属材料抗蚀能力的防护措施12.3.1改善介质腐蚀条件•去除介质中有害成分（O2、Cl等），如锅炉用水除氧（加热或亚硫酸钠化学除氧）。•添加缓蚀剂，使电化学反应缓慢，如切削液中加亚硝酸盐、汽车水箱中加重铬酸钾等。12.3.2电化学保护•阴极保护法和阳极保护法，用于海底电缆、地下输水管及大型金属结构设施。•阴极保护示意图。图12-112.3.3表面防护涂层：经济、方便、实用(1)金属覆盖层•在基体金属表面覆盖一层电位更正的惰性金属层(Au、Ag、Cu、Ni、Sn等)，起隔离保护作用(阴极覆盖层)。•在基体金属表面覆盖一层电位更负的金属(为阳极，基体为阴极)，通过牺牲阳极覆盖层而保护基体金属。

•钝性氧化膜覆盖层(Cr、Al、Ti等)。(2)非金属覆盖层涂料、塑料；搪瓷、玻璃(耐高温、耐腐蚀，但脆)；非金属转化膜(钢铁发兰、磷化，铝的阳极化)等。

作业：4，5，6。

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简单的结构件易于采取防腐措施、排除故障，便于维修、保养和检查。1.3管道（设备）腐蚀防护技术②避免残留液和沉积物造成腐蚀

应力求将容器、管道（设备）内部的液体排净，避免滞留的液体、沉积物遗留在出口管及底部造成浓差腐蚀或沉积物腐蚀。1.3管道（设备）腐蚀防护技术③防止电偶腐蚀

材料相同；电偶序相近；大阳极小阴极的有利结合，避免大阴极小阳极的危险连接。1.3管道（设备）腐蚀防护技术④防止缝隙腐蚀

连接除焊接外还有铆接、销钉连接、螺栓连接、法兰连接等。1.3管道（设备）腐蚀防护技术为了防止缝隙腐蚀，可采用如下措施：以焊接代替铆接。改善铆接状况。在铆缝中可填入一层不吸潮的垫片。容器底部的处置。不要直接与多孔基础（如土壤）接触，要用支座等与之隔离开。法兰连接处垫片不宜过长，尽量采用不吸湿的材料作垫片。避免加料时溶液飞溅到器壁，引起沉积物下的缝隙腐蚀。因此加料口应尽量接近容器内的液面。1.3管道（设备）腐蚀防护技术⑤防止液体的湍流腐蚀

设计时应注意避免过度的湍流、涡流。避免外形和形状的突变，会引起超流速与湍流的发生。管线的弯曲半径应尽可能大，避免直角弯曲。在高流速接头部位，不要采用T型分叉结构，应采用曲线逐渐过渡结构。

1.3管道（设备）腐蚀防护技术⑥避免应力过分集中尖角以圆角过渡；施焊时把焊口加工成相同的厚度。减少聚集的、交叉的和闭合的焊缝；施焊时保证被焊接金属结构能自由伸缩。内孔焊接法比涨管法好，既减少缝隙，又减小应力腐蚀破裂。1.3管道（设备）腐蚀防护技术（2）防蚀强度设计

主要考虑材料的腐蚀裕量、局部腐蚀强度和材料腐蚀强度变化。①腐蚀裕量选择：根据材料腐蚀速度取恰当裕量。②局部腐蚀的强度设计：对于晶间腐蚀、孔蚀、缝隙腐蚀等，正确选材或控制环境介质，注意结构设计等。对于应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳，有可能做出合适可靠的设计。1.3管道（设备）腐蚀防护技术③材料耐蚀强度特性的变化

在加工及施工处理时，可能会引起材料耐蚀强度特性的变化，应加以注意。如某些不锈钢在焊接时，由于敏化温