腐蝕是指材料與所處環境介質之間發生作用而引起材料的變質和破壞。腐蝕破壞的形式是很多的,在不同的條件下引起的材料腐蝕的原因是各不相同的,而且影響因素也非常復雜,因此,根據不同的條件采用的防護技術也是多種多樣的。
在實踐中常用的是以下幾類防護技術:
(1) 合理選材:根據不同介質和使用條件,選用合適的金屬材料和非金屬材料;
(2) 介質處理:包括除去介質中促進腐蝕的有害部分(例如鍋爐給水的除氧)、調節介質的 pH 值及改變介質的濕度等;
(3) 陰極保護:利用電化學原理,將被保護的金屬設備進行外加陰極極化降低或防止腐蝕;
(4) 陽極保護:對于鈍化溶液和易鈍化的金屬組成的腐蝕體系,可采用外加陽極電流的方法,使被保護金屬設備進行陽極鈍化以降低金屬的腐蝕;
(5) 添加緩蝕劑:向介質中添加少量能阻止或減慢金屬腐蝕的物質以保護金屬;
(6) 金屬表面覆蓋層:在金屬表面噴、襯、鍍、涂上一層耐蝕性較好的金屬或非金屬物質以及將金屬進行磷化、氧化處理,使被保護金屬表面與介質機械隔離而降低金屬腐蝕;
(7) 合理的防腐設計及改進生產工藝流程,以減輕或防止金屬腐蝕每種防腐蝕措施,都具有應用范圍和條件,使用時要注意。對某一種金屬有效的措施,在另一種情況下就可能無效,甚至是有害的。例如陽極保護只適用于金屬在介質中易于陽極鈍化的體系,如果不造成鈍化,則陽極極化不僅不能減緩腐蝕,反而會加速金屬的陽極溶解。
因此,對于一個具體的腐蝕體系,究竟采用那種防腐蝕措施,應根據腐蝕原因、環境條件、各種措施的防腐效果、施工難易以及經濟效益綜合考慮,不能一概而論。
研究腐蝕的重要意義主要體現在以下五個方面。
(1)減少腐蝕危害產生的巨大經濟損失
腐蝕導致經濟的巨大損失已是眾所周知的事實。以年產30萬噸合成氨裝置為例,每年因設備腐蝕失效導致物料泄漏、工藝流程停產一天就損失人民幣約 60 萬元,該裝置中的轉化爐是其心臟設備,由于高溫腐蝕,每更換一根爐管就會造成三天停產,每損壞 17 根爐管造成停產的損失相當于一臺轉化爐的造價;由于腐蝕,停車 100 次其損失相當于整個合成氨廠的總投資。一個年產 30 萬噸乙烯的裝置每停產一天造成的損失高達 750 萬元。從國內石油化工生產企業統計,1999 年瀘天化年總產值 8.284 億元,而直接與間接腐蝕經濟損失共計 6010 萬元,占年生產總值的 7.25%。儀征化纖廠大修周期從 1 年改為 2 年,創凈利潤(22 ~ 23)億 / 年。通常認為間接腐蝕損失比直接腐蝕損失大。根據現有數據,石油工業的間接腐蝕損失是直接腐蝕損失的 3 倍。2000 年,上海醫藥集團腐蝕損失是 8114 萬元;華東電網因鍋爐“四管”腐蝕爆漏導致非計劃停車 115 次,損失電量 29 億千瓦/小時,經濟損失 7.7 億元。
汽車行業 1999 年的腐蝕損失約為 242 億元。以重慶汽車腐蝕調查為例,重慶市系內陸盆地,夏季悶熱,冬天潮濕,年平均氣溫較高,其環境大氣中的 Cl - 、SO 2 和 H 2 S 等含量高,下雨頻率高,酸雨、大霧天氣時有發生。車輛受大氣環境的腐蝕十分嚴重,通常新車運行 1 年后就產生銹斑,2 年左右就有腐蝕穿孔現象發生。由于大面積腐蝕和腐蝕穿孔,通常車輛每年都要進行外涂裝;2 年要進行換頂;4 年要進行面板、車頂的更換,大梁、車身骨架的維護,重慶市車輛年均總的腐蝕損失為 16057.1 萬元。
(2)提高人身和工業生產裝置及重要基礎設施運行的安全
應力腐蝕、氫脆、孔蝕等局部腐蝕破壞的發生難以預測,極易引起生產設備的爆炸、火災等突發性災難事故,危及職工及生產裝置的安全。如國內某天然氣管線曾因硫化氫應力腐蝕破壞多次發生爆炸,其中一次引爆起特大火災,造成 20多人傷亡;某天然氣井口設備因硫化氫酸性氣體腐蝕造成井噴,大火燒了二十多天,經濟損失慘重;某化肥廠廢熱鍋爐進口管因氫腐蝕引發爆炸,造成 7 人死亡等。
城市立交橋的腐蝕。北京西直門立交橋 1979 年建成通車,1999 年拆除重建,使用不到 20 年。除交通流量等客觀因素外,主要是因溶雪撒鹽造成的“鹽腐蝕”, 重修費用 3000 萬元。北京的橋正在進行的外涂層防護,約 100 萬平方米,一次就花費幾千萬元。
(3)保護地球有限的可利用資源
腐蝕危害遍及日常生活和幾乎所有的行業,如冶金、化工、能源、礦山、交通、機械、航空航天、信息、農業、食品、醫藥、海洋開發、基礎設施等。
珍惜自然資源是人類一項長期的戰略任務,腐蝕一方面要損耗大量的材料資源,同時也會浪費大量的能源。據統計,因腐蝕每年有 30% 的鋼鐵遭受腐蝕,10% 的鋼鐵將全部變成無用的鐵銹。能源的消耗不僅發生在材料的冶煉、加工、運輸過程中,還發生在腐蝕產物和污垢的影響作用上,如腐蝕產物和污垢的形成將導致鍋爐、換熱設備的傳熱效率降低,消耗大量的能源。據統計,僅鍋爐結垢降低傳熱效率一項,我國每年就要多消耗 1750 萬噸標準煤。
(4)建立一個最適合人類居住的生存環境
腐蝕經常造成環境的嚴重污染,如硫酸廠的腐蝕會造成SO 2 、SO 3 等的泄漏,氯堿廠的腐蝕會造成氯氣、鹽酸等的泄漏,硝酸廠的腐蝕會造成氧化氮氣的泄漏,大量報廢的各種金屬、玻璃鋼、塑料、橡膠、石墨、涂料等的廢料處理,都會造成環境危害。
(5)促進高新技術產業的發展
尿素生產工藝早在 1870 年就被提出來,但是由于高溫、高壓尿素甲銨的強腐蝕性和連續生產的特點,人們為尋找耐蝕材料和防護的途徑奮斗了大半個世紀。直到 1953 年,荷蘭斯塔米卡邦公司提出在 CO 2 原料氣中加入氧氣作為鈍化劑維持不銹鋼的鈍化,基本解決了不銹鋼作為尿素裝置結構材料的腐蝕問題后,才使尿素工藝從此真正走上了工業化的道路。法國的拉克氣田 1951 年因設備發生了應力腐蝕開裂得不到解決,不得不推遲到 1957 年才全面開發。美國的阿波羅登月飛船儲存 N 2 O 4 的高壓容器曾發生應力腐蝕破裂,若不是及時研究出加入體積分數為 0.6% 的 NO 解決這個問題,登月計劃將會推遲若干年。又如,國內三套異丁烯生產裝置由于高溫稀硫酸腐蝕問題難以解決,加上原料來源等原因,已有兩套下馬。剩余的一套雖然防腐蝕投資增加到原裝置投資的 4 ~ 5 倍,部分管道甚至使用了鋯材,但生產仍不正常,生產周期僅為一兩個月,產量長期達不到設計要求。
20 世紀以來,石油、化學等工業的高速發展,促進了腐蝕理論和耐蝕材料的研究和應用。現在我國已初步解決了在石油天然氣開發、石油化工、化學工業、船舶制造、航空航天、交通設施、核能等現代工業中的腐蝕問題,研制出了許多耐蝕金屬和非金屬材料,基本上滿足了工業生產發展的需要。人類在與腐蝕做斗爭的過程中,不斷創造出新材料、新技術,推動生產的發展和科學的進步。例如人造骨骼、人造關節、人造心臟瓣膜、人造心血管支架等生物醫學高科技領域的發展都與耐腐蝕功能材料的發展緊密相關。
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