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1、,海洋环境中金属的 腐蚀与防护,内 容,一. 金属腐蚀的危害 二. 金属为什么会腐蚀？ 三. 海洋环境对腐蚀的影响 四. 腐蚀的分类和腐蚀电池 五. 控制金属腐蚀的方法,一. 金属腐蚀的危害,腐蚀的危害是非常巨大的。据资料报道，全世界每年生产的钢铁约有10因腐蚀而变为铁锈，大约30的钢铁设备因此而损坏。这不仅浪费了材料，还往往会带来停产、人身安全和环境污染等事故。根据世界上几个主要工业发达国家的一些统计数字表明：这些国家由于金属的腐蚀造成的直接经济损失约占国民生产总值的24%，可见数字是惊人的，损失是巨大的。 金属腐蚀的危害不仅在于金属本身的损失，更重要的是金属结构遭到破坏，金属结构的价值比起
2、金属本身来说要大得多，例如制造汽车、飞机及精密仪器时，制造费用远超过金属本身的价值。此外，由于金属设备受腐蚀而引起的停工减产，产品质量下降，爆炸以及大量有用物质或有害物质的渗漏等造成的损失也非常惊人。,一. 金属腐蚀的危害,实际上，如没有腐蚀，我们的经济面貌会大大改变。例如，汽车、船只、地下管道和家庭用具都不需要涂层了，不锈钢工业将无存在的必要，而铜也许只会用于电器。大多数金属设备和消费产品将用钢或铸铁制造。 腐蚀除了引起直接的经济损失外，另一个更严重的问题是必将导致自然资源的耗损和枯竭。例如，钢是由铁矿石炼制的，能直接熔炼的高品位的铁矿石的量已经减少了。如最近几年铁矿石的连续涨价，说明随着许
3、多国家的迅速工业化，对金属和其它自然资源的竞争的加剧和导致国际市场原材料的价格增加。,一. 金属腐蚀的危害,一. 金属腐蚀的危害,二. 金属为什么会腐蚀？,1.热力学稳定性要求： 众所周知，除了“贵金属”外，大多数金属在空气中都会发生腐蚀。根本的原因是这些金属处于热力学不稳定状态，在一定条件下，它们要回复到原来在地壳中所处的状态中去。生成氧化物、硫化物、碳酸盐或生成可溶性离子，这就是金属腐蚀的热力学原因。,矿石,钢铁,冶炼,腐蚀,二. 金属为什么会腐蚀？,自然界中大多数金属通常是以矿石形式存在，亦即以金属化合物的形式存在。例如铁在自然界中多为赤铁矿，其主要成分是Fe2O3， 而铁的腐蚀产物铁锈
4、，其主要成分也是Fe2O3。可见，铁的腐蚀过程就是金属铁回复到它的自然存在状态(矿石)的过程。但若要从矿石冶炼金属，则需要提供一定量的能量 (如热能或电能)才可完成这种转变。所以金属状态的铁和矿石中的铁存在着能量上的差异即金属铁比它的化合物具有更高的自由能。所以，金属铁具有放出能量而回到热力学上更稳定的自然存在形式氧化物、硫化物、碳酸盐及其他化合物的倾向。显而易见，能量上的差异是产生腐蚀反应的推动力，而放出能量的过程便是腐蚀过程。伴随着腐蚀过程的进行，将导致腐蚀体系自由能的减少，故它是一个自发过程。 从能量的观点看，金属腐蚀的倾向可从矿石中冶炼金属时所消耗能量的大小来判断。凡是冶炼时消耗能量大
5、的金属较易产生腐蚀，耗费能量小的金属则其腐蚀倾向就小。黄金在自然界中可以单质的形式存在(如砂金)，因此它不易腐蚀。,二. 金属为什么会腐蚀？,金属钛从钛矿石和TiO2中提取纯钛是十分困难的。钛的氧化物是最稳定形式，但由于钛表面在空气中生成致密的氧化膜，因此，耐腐蚀性能良好。不锈钢等含镍、铬的金属也是由于表面的钝化膜的保护作用，使其具有良好的耐腐蚀性能。,二. 金属为什么会腐蚀？,2.金属材料的电化学不均匀性： 金属与周围介质发生反应而遭到破坏的最常见的是电化学腐蚀。由于金属表面与介质，如湿空气、电解质溶液等接触，在接触界面上发生金属阳极溶解过程，同时还存在相应的阴极过程，构成自发的腐蚀电池，使
6、金属阳极溶解持续进行。从而引起金属的各种形式的腐蚀。 从微观的尺度看，所有金属都存在结构的电化学不均匀性。比如金属晶间的位错、变形、断裂、金属某种成分的偏析、晶体结构的缺陷等。,二. 金属为什么会腐蚀？,3.外部环境的电化学不均匀性： 除了金属材料本身的电化学不均匀性外，外界环境的不均匀或不一致也导致各种腐蚀电池的形成。 例如： 由于微观尺度的溶解氧的浓度不同，导致金属不同区域形成氧浓差电池。 由于荷载的不同，导致金属不同区域形成应力腐蚀电池。 由于宏观尺度的介质电阻率的不同，导致海底管线路由区域的宏观腐蚀电池等等。,三. 海洋环境对腐蚀的影响,海洋占地球表面面积的70%以上，海水是最丰富的天
7、然电解质，常用的结构金属和合金，大多均受海水或多雾的海洋大气侵蚀。由于材料的行为随暴露条件的不同而会有很大的变化，因而通常是按具体的环境区域来讨论其性能的。这些区域是：海洋大气区、飞溅区、潮汐区、浅海区、深海区及泥浆区。,大气区,飞溅区,潮汐区,全浸区,泥浆区,金属厚度的相对损失,三. 海洋环境对腐蚀的影响,海水的组成： 海水是由多种盐类物质，主要是氯化镁和氯化钠组成的。,三. 海洋环境对腐蚀的影响,盐度的分布规律: 世界大洋的平均盐度为 3.5%，由南北半球副热带海区，分别向两侧高、低纬度递减。 世界盐度最高海区红海为4.1% 世界盐度最低海区波罗的海为 1% 影响盐度分布的因素： 外海或大
8、洋：降水、蒸发 近岸：河川径流,三. 海洋环境对腐蚀的影响,三. 海洋环境对腐蚀的影响,三. 海洋环境对腐蚀的影响,三. 海洋环境对腐蚀的影响,海水中溶解氧含量与海水的温度、盐度有密切关系，水温、盐度升高，溶解氧含量下降，水温、盐度下降，溶解氧含量上升。海水中溶解氧含量具有周日变化和周年变化的特点。当温度和盐度变化不大时，其日变化取决于海水中浮游植物的光合作用，因而在受到光照的水层中，可以观察到在午后不久溶解氧含量最高、黎明前最低的周日变化情况。而同一海区溶解氧含量的年变化，则取决于该海区温度和盐度的变化、生物活动情况、氧化作用过程、海区的环流特点等。表层海水的氧含量为4.598.72毫克/升
9、。在高富氧区，中心极值达8.73毫克/升， 底层海水的氧含量为4.067.59毫克/升。近岸海域的氧含量略高于大洋。,四. 腐蚀的分类和腐蚀电池,1.化学腐蚀 金属表面与环境介质发生化学作用而引起的腐蚀叫化学腐蚀。它的特点是在化学作用过程中没有腐蚀电流产生。金属在干燥的气体介质中和不导电的液体介质（如酒精、石油）中发生的腐蚀，都属于化学腐蚀。 2.电化学腐蚀 金属在导电的液态介质中由于电化学作用而发生的腐蚀叫做电化学腐蚀，在腐蚀进行过程中有腐蚀电流产生。大气腐蚀、海水腐蚀、土壤腐蚀等都属于电化学腐蚀。例如碳钢在电解质中的腐蚀，Fe3C电位较正而Fe电位较负，它们会组成腐蚀微电池，Fe3C为微阴
10、极而析出氢气，Fe为微阳极被腐蚀成为铁离子。如由两种以上电位不同的金属组合在一起和电解质溶液接触形成的电池叫做大电池，电位较正的金属（如铜）为阴极，电位较负的金属（如铁）为阳极而被腐蚀。,四. 腐蚀的分类和腐蚀电池,腐蚀电池可以分为两类，一类是宏电池，另一类是微电池宏电池可用肉眼看到，如，两种金属浸入同一电解质溶液，电势高的成为阴极，电势低的成为阳极。当短路时，阳极发生氧化而腐蚀即使同一金属浸入同一电解质溶液，由于不同的部位电解质浓度不同，也可以形成浓差电池，或者由于不同部分温度不同，甚至流速不同，都可以形成原电池使金属腐蚀。,四. 腐蚀的分类和腐蚀电池,四. 腐蚀的分类和腐蚀电池,四. 腐蚀
11、的分类和腐蚀电池,四. 腐蚀的分类和腐蚀电池,四. 腐蚀的分类和腐蚀电池,四. 腐蚀的分类和腐蚀电池,形成腐蚀电池的条件： 必须有阴极和阳极 阴极和阳极之间必须有电位差 阴极和阳极之间必须有金属的电流通路 阴极和阳极必须浸在同一电解质中 电化学腐蚀： 负极：Me-ne-=Me+ 正极：2H2O+O2+4e-=4OH-（吸氧） 或者：2H+2e-=H2 （析氢）,四. 腐蚀的分类和腐蚀电池,四. 腐蚀的分类和腐蚀电池,四. 腐蚀的分类和腐蚀电池,1.均匀腐蚀当金属发生腐蚀时，腐蚀作用均匀地分布在整个金属表面上。这类腐蚀造成的损失，相对来说其危害性没有局部腐蚀严重。2.局部腐蚀当金属发生腐蚀时，腐
12、蚀作用集中在某一定的区域内，而金属的其余部分却几乎没有发生腐蚀，这类腐蚀造成的危害较均匀腐蚀严重。局部腐蚀又可分为：电偶腐蚀、缝隙腐蚀、孔蚀、晶间腐蚀、选择性腐蚀、磨损腐蚀、应力腐蚀以及腐蚀疲劳等不同类型。腐蚀破坏的各种形式 1.大气腐蚀金属在大气以及任何潮湿气体中的腐蚀，这是最普遍的腐蚀情况。 2.电解质溶液中的腐蚀天然水及大部分水溶液对金属的腐蚀，如酸、碱、盐水溶液对金属的腐蚀。,四. 腐蚀的分类和腐蚀电池,3.海水腐蚀舰船和海洋设施在海水中发生的腐蚀。4.土壤腐蚀埋设在地下的金属结构的腐蚀，如地下金属管道及地下电缆的腐蚀。5.熔盐腐蚀金属与熔融盐类接触时发生的腐蚀，例如热处理的熔盐对金属
13、的腐蚀。6.有机气氛腐蚀金属在某些塑料、橡胶等非金属材料挥发出的有机气氛中的腐蚀，例如锌及镉电镀层在有机羧气氛中的腐蚀。7.生物腐蚀某些细菌、海洋生物以及人体对金属的腐蚀。8.其它特殊环境的腐蚀金属在高温纯水、宇宙空间等环境下的腐蚀。,四. 腐蚀的分类和腐蚀电池,五. 控制金属腐蚀的方法,1.合理选用耐腐蚀材料： 在所有控制腐蚀的方法中，正确设计、合理选材是十分重要的。合理选材是一项细致而又复杂的技术，既要考虑到工艺条件及生产中可能的变化，又要考虑材料的结构、性质在使用中的变化，同时要进行材料选择的技术经济评估。 选材过程中要根据材料在不同介质中的耐腐蚀性能、平均腐蚀速率、特定体系的电位-PH
14、图、工艺系统设计参数、技术经济评估等因素综合比较确定。 对金属的耐腐蚀性，有如下通用的规则，对还原性或非氧化性环境，如不含空气的酸和水溶液，通常使用镍、铜及其合金。对氧化性条件，采用含铬的合金。对于氧化性极强的条件，钛和钛合金显示优良的耐腐蚀性。,五. 控制金属腐蚀的方法,2.阴极保护： 牺牲阳极阴极保护： 牺牲阳极阴极保护是使用电动序中较活泼的金属，如铝、锌、镁作为主要成分的合金作为牺牲阳极，为被保护金属提供保护电流，减轻或防止被保护金属腐蚀的一种电化学方法。,五. 控制金属腐蚀的方法,五. 控制金属腐蚀的方法,五. 控制金属腐蚀的方法,五. 控制金属腐蚀的方法,五. 控制金属腐蚀的方法,外
15、加电流阴极保护： 外加电流阴极保护是使用外加电源，通过整流、降压通过辅助电极对为被保护金属提供保护电流，减轻或防止被保护金属腐蚀的一种电化学方法。,五. 控制金属腐蚀的方法,五. 控制金属腐蚀的方法,3.表面涂装和覆盖物： 用一层较薄的金属涂层和无机涂层能够在金属和环境之间提供有效的屏障。就是涂层的作用。主要包括： 电镀：将要镀部件浸入有镀层金属的溶液中，然后在被镀部件和另外一个电极间通入直流电，给被镀部件镀上一层不同厚度的保护层。 火焰喷涂：包括高温喷铝、喷锌。 热浸镀：如浸铝、浸锌等。 化学转化膜和钝化等。 涂装：在被保护物外表面涂装一层或若干层保护层，阻断金属表面与外部环境的联系，达到防止腐蚀或减轻腐蚀的目的。,五. 控制金属腐蚀的方法,五. 控制金属腐蚀的方法,五. 控制金属腐蚀的方法,4.缓蚀剂： 在腐蚀环境中加入少量的物质（百分之几以下）就能大大减缓金属的腐蚀，这类物质叫缓蚀剂。按缓蚀剂成分不同分类有无机、有机缓蚀剂，按作用机理有阳极型、阴极型、吸附型缓蚀剂等分类。 阳极型缓蚀剂：使腐蚀的阳极过程变慢； 阴极型缓蚀剂：使腐蚀的阴极过程变慢； 吸附型缓蚀剂：使腐蚀的阴极过程和阳极过程变慢。,谢谢！,