金屬材料因其優異的性能得到廣泛的應用，而隨之帶來的腐蝕問題也引起人們的普遍關注。金屬腐蝕給國民經濟造成巨大的損失，并且由金屬腐蝕引發的各種事故也對人身和公共安全造成了巨大威脅，如圖1所示。金屬腐蝕是一個全球普遍存在的問題，全球每年因為鋼鐵腐蝕而報廢的設備占當年世界鋼鐵總產量的30%。世界各國因金屬腐蝕而造成的經濟損失遠超過其它各種自然災害引起的經濟損失的總和，據世界腐蝕組織估計，全世界每年因腐蝕造成的經濟損失達2.2萬億美元，超過世界國內生產總值的3%，并呈逐年上升趨勢。中國工程院調查結果表明，2008年我國因腐蝕造成的經濟損失就高達1.2～2萬億元人民幣。可見，金屬腐蝕與防護的研究不僅是一個重大的科學問題，而且具有重要的社會和經濟意義。本文主要介紹了金屬腐蝕的種類，并結合實例介紹了幾種常見的金屬腐蝕防護方法。

圖1  金屬的腐蝕

    金屬腐蝕的分類

    金屬腐蝕是指金屬和環境介質之間發生物理溶解、化學（電化學）反應，導致金屬的一部分或整體受到破壞或變質的現象。從熱力學角度上，金屬發生腐蝕是一個自發的過程，因此腐蝕現象是非常普遍的。按照金屬腐蝕機理，腐蝕可分為三類：金屬高溫氣體腐蝕、化學腐蝕和電化學腐蝕。

    1 金屬高溫氣體腐蝕

    一般認為，在高溫下金屬容易與高溫氣體發生化學反應形成氧化膜。隨著膜厚的增加，微裂紋、宏觀裂紋和孔洞等缺陷就會隨之產生，從而使得氧化膜失去保護性能。例如，金屬在冶煉及軋制過程中的氧化剝落現象，焦爐工藝中高溫爐管與核工業設備的高溫氧化等，都屬于金屬高溫氣體腐蝕。

    2 化學腐蝕

    化學腐蝕是指金屬與非電解質接觸時直接發生化學反應而產生腐蝕。其中，非電解質包括不導電不電離的干燥氣體以及不含水不電離的非電解質溶液。化學腐蝕的特點是金屬表面的原子與非電解質中的氧化劑直接交換電子發生氧還原反應，因此腐蝕過程并沒有電流產生。通常，生成的腐蝕產物會阻礙化學腐蝕的繼續發生。這類腐蝕一般比較輕微，因此人們很少研究。

    3 電化學腐蝕

    電化學腐蝕是指金屬與電解質溶液接觸發生電化學反應引起的腐蝕，實質是在與電解質溶液接觸的金屬表面上形成了腐蝕原電池。電化學腐蝕的特點是金屬表面的原子失去電子，發生氧化反應；腐蝕介質中的去極化劑得到電子，發生還原反應；腐蝕過程伴有電流產生，以鋼鐵的腐蝕為例（如圖2所示）。電化學腐蝕的影響腐蝕的因素有很多，包括電解質溶液（濃度差、溫度差、氧濃度差）、環境因素（溫度、壓力、流速等）、金屬的特性及其內部應力的差異、金屬表面狀態和腐蝕產物的性質等。例如，金屬在海水中的腐蝕，在潮濕空氣中的腐蝕，在地下土壤中的腐蝕以及在酸、堿、鹽溶液中的腐蝕均屬于電化學腐蝕。相比化學腐蝕，電化學腐蝕更廣泛、更普遍。

圖2  鋼鐵的吸氧腐蝕示意圖

    金屬腐蝕防護方法

    研究金屬腐蝕原理和規律的主要目的就是阻止或抑制腐蝕。根據金屬腐蝕原理可知，控制腐蝕的主要途經是避免陰極與陽極形成電流回路。常用的腐蝕防護方法主要有改變金屬本質、緩蝕劑法、電化學保護法以及涂層法。其中，涂層法是應用最廣泛的一種防護方法，也是人們研究最多的。

    1 改變金屬本質

    根據不同的用途選擇不同的材料組成耐蝕合金，或在金屬中添加合金元素，提高其耐蝕性，達到阻止或減緩金屬腐蝕的目的。比如，2017年5月5日成功首飛的國產大飛機C919大型客機，大范圍地采用了輕質耐蝕性能優異的鋁鋰合金新型材料。

圖3  國產大飛機C919大型客機

    2 緩蝕劑法

    緩蝕劑是一種常用的防腐蝕手段。在腐蝕介質中添加少量緩蝕劑就能夠明顯降低腐蝕速率，從而起到阻止或減緩金屬腐蝕的效果。緩蝕劑的作用機理是改變容易發生腐蝕的金屬表面狀態或者起到負催化劑的作用，使得陰極（或陽極）反應的活化能壘增加。緩蝕劑具有使用方便、工藝簡單以及經濟有效等優點，現已被廣泛用于化學清洗、工序間防銹、金屬制品儲運、冷卻水處理和石油開采等工程中。

    3 電化學保護法

    電化學保護是金屬腐蝕防護的重要方法之一，腐蝕防護的原理是依靠外部電流改變金屬電位，從而減緩或抑制金屬腐蝕的一種保護技術。電化學保護可分為陽極保護法和陰極保護法。

圖4  犧牲陽極法

    陰極保護法是最常用的電化學保護方法，作用機理是金屬作為陰極，通過陰極極化使電位變負從而達到阻止金屬腐蝕的目的。陰極保護的實現方法有犧牲陽極法和外加電流法。犧牲陽極保護法是把比被保護金屬電極電位更負的材料做陽極，與被保護金屬（作陰極）形成腐蝕電池，使得被保護金屬發生極化而得到保護，如圖4所示。外加電流法是利用外加直流電源，使被保護的金屬作為陰極，與輔助陽極構成電流回路，被保護金屬發生極化達到防腐的目的。陰極保護法適用于能導電、易發生陰極極化且結構不太復雜的體系，被廣泛用于石油管道、大型設備（貯油罐）、船舶和港灣碼頭設施等金屬設備及構件的防護，比如珠海港高欄港區神華煤炭儲運一期工程鋼管樁防腐蝕采用了電化學保護法——犧牲陽極法。

圖5  珠海港高欄港區

    陽極保護是利用外加直流電源，將被保護金屬作為陽極，與輔助陰極構成電流回路，使被保護金屬發生極化處于鈍化狀態而得到保護。該法只適用于具有活化-鈍化轉變的金屬，并且腐蝕介質須為氧化性介質。而在含有吸附性鹵離子的介質中，該法是一種危險的防護手段，容易引起點蝕。陽極保護的應用是有限的，目前主要用于有機磺酸中和罐、各類酸液存貯槽及貯罐等設備的保護。

    4 涂層法

    涂層法是應用最為廣泛、經濟、有效的一種防腐蝕手段。涂層法是通過在金屬表面涂覆保護層，將被保護金屬與腐蝕介質隔開，從而達到防腐蝕的目的。涂層分為兩大類：金屬涂層和非金屬涂層。金屬涂層是將一種金屬鍍在被保護金屬制品表面形成保護鍍層，通過電鍍、化學鍍、真空鍍、熱浸鍍和熱噴鍍等方法實現。例如，熱鍍鋁主要用于鋼鐵零件的抗高溫氧化。非金屬涂層包括襯里和涂料，襯里主要有玻璃鋼、橡膠、磚板襯里等物質，防腐蝕涂料主要有環氧涂料、玻璃鱗片涂料、富鋅涂料、丙烯酸涂料、聚氨酯涂料等。

圖6  上海鐵路南站

    上海鐵路南站大型鋼結構工程的防腐蝕技術便是采用這種方法，涂裝設計方案為鋼結構表面噴射處理/水性硅酸鋰富鋅底涂料一道/環氧封閉涂料一道/環氧云鐵中間涂料一道/可覆涂性聚氨酯丙烯酸面涂料兩道。2008年5月1日通車的橫跨中國杭州灣海域的跨海大橋，采用的防腐蝕方案便是涂層法。根據部位（如鋼箱梁、鋼錨箱、風嘴、橋面等）不同采取相應的防腐蝕涂裝配套方案，使用的涂料包括無機富鋅底漆、環氧樹脂漆、氟碳樹脂面漆、氯化橡膠漆、聚氨酯面漆等。

圖7  杭州灣跨海大橋

    當然，實際防護工作往往需要幾種方法結合使用以期達到更好的防腐蝕效果。比如在涂層中加入一定量緩蝕劑、顏料等用以減緩腐蝕，涂層與電化學保護聯合使用以應對復雜腐蝕環境。始建于1958年的我國第一條油氣長輸管道——克拉瑪依至獨山子輸油管道，采用石油瀝青防腐蝕涂層與陰極保護聯合防護措施，20年來運行良好，沒有發生泄漏事故。

    結語

    腐蝕防護是一個世界性的難題，腐蝕的發生有其必然性。金屬腐蝕主要有高溫氣體腐蝕、化學腐蝕和電化學腐蝕，通常采用的防護措施有改變金屬本質、緩蝕劑法、電化學保護法以及涂層法等。實際使用時往往將上述幾種腐蝕方法結合使用，從而達到最佳防腐蝕效果。因此針對產生腐蝕的原因做出全面具體分析，設計全面有效的防腐蝕方案，從而有效地延緩金屬腐蝕。