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金屬腐蝕與防護(hù)簡談

2019-07-16 09:42:06 作者：本網(wǎng)整理來源：設(shè)備管理與防腐分享至：

本文簡要闡明了為什么金屬腐蝕主要以電化學(xué)腐蝕的形式出現(xiàn)，剖析了腐蝕過程電化學(xué)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的物理意義，以及金屬腐蝕的防護(hù)原理、常用的腐蝕防護(hù)方法乃至腐蝕過程的一些特殊應(yīng)用。

金屬單質(zhì)及其合金是應(yīng)用最為廣泛和最重要的工程材料。廣義的金屬腐蝕是指材料與環(huán)境間發(fā)生反應(yīng)而導(dǎo)致材料的破壞及其性能惡化，而狹義的腐蝕則指金屬與環(huán)境介質(zhì)間發(fā)生的物理-化學(xué)作用而使金屬性能發(fā)生變化，并導(dǎo)致金屬、環(huán)境及其構(gòu)成體系的功能受到損傷的現(xiàn)象。

一為什么電化學(xué)腐蝕是金屬腐蝕主要

化學(xué)腐蝕是指金屬表面與非導(dǎo)電液體或氣體等介質(zhì)接觸時(shí)兩相之間發(fā)生的氧化還原反應(yīng)，其特點(diǎn)是金屬直接將電子傳遞給氧化劑，沒有電流產(chǎn)生，而且腐蝕產(chǎn)物常常會(huì)阻礙化學(xué)腐蝕的繼續(xù)進(jìn)行。電化學(xué)腐蝕則不然，由于腐蝕介質(zhì)是導(dǎo)電的，此時(shí)發(fā)生的氧化/還原反應(yīng)可以選擇在金屬表面活化能最低的部位異地進(jìn)行，這就遠(yuǎn)比化學(xué)腐蝕容易得多。

二金屬電化學(xué)腐蝕

01 腐蝕原電池

電化學(xué)腐蝕的顯著特征是在被腐蝕的金屬表面形成了腐蝕原電池。由于這一原電池的正極（陰極）和負(fù)極（陽極）出現(xiàn)在同一塊被腐蝕金屬的表面，故實(shí)際上它是一種特殊的短路原電池，充其量只會(huì)導(dǎo)致金屬材料的溶解、破壞，而不可能對外界作任何有用功，即腐蝕反應(yīng)釋放出來的化學(xué)能全部以熱能的形式耗散掉。

02 去極化劑

簡單地說，電化學(xué)腐蝕發(fā)生的必要條件是溶液中存在著可以將金屬氧化成金屬離子或化合物的氧化性物質(zhì)。這種物質(zhì)在腐蝕電極的陰極部位接受電子，消除了陰極極化，使金屬溶解速率加快，通常稱之去極化劑。

03 腐蝕電位與腐蝕電流

與尋常的電極反應(yīng)不同，正在被腐蝕的某金屬（ M）表面至少存在一對氧化還原反應(yīng)。假若陽極反應(yīng)是金屬M(fèi) 的溶解（氧化），陰極反應(yīng)則是去極化劑（ D）的還原，如下所示：

陽極：

陰極：

（2）由于陰極區(qū)和陽極區(qū)短路，此時(shí)應(yīng)當(dāng)有凈電流流經(jīng)其間，陽、陰極兩個(gè)反應(yīng)都產(chǎn)生極化而偏離各自的平衡狀態(tài)。當(dāng)陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)以等當(dāng)量的速率同時(shí)進(jìn)行時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)二者的耦合，耦合條件是E平2 ＞ E平1 . 通常將相互耦合的反應(yīng)稱為共軛反應(yīng)，整個(gè)體系稱為共軛體系。腐蝕體系是一個(gè)典型的共軛體系，其特點(diǎn)是電極表面雖然沒有新的電荷積累，但表面依然存在物質(zhì)變化。

三腐蝕防護(hù)措施

金屬的腐蝕的全過程包括3 個(gè)子過程： 1）陽極過程，即金屬溶解； 2）陰極過程，即去極化劑接受陽極流過來的電子； 3）電流的流動(dòng)：在金屬內(nèi)部以電子為載體，電流由陰極流向陽極。而在與其相接觸的電解質(zhì)中則以帶電粒子為載體，由陽極流向陰極，二者構(gòu)成一個(gè)電流回路。

01 常用的腐蝕防護(hù)技術(shù)

電化學(xué)保護(hù)：分為陰極保護(hù)法和陽極保護(hù)法。陰極保護(hù)法是最常用的保護(hù)方法，又分為外加電流的陰極保護(hù)和犧牲陽極的陰極保護(hù)。其原理是向被保護(hù)金屬補(bǔ)充大量的電子，使其產(chǎn)生陰極極化，以消除局部的陽極溶解。陽極保護(hù)法的原理是利用外加陽極極化電流使金屬處于穩(wěn)定的鈍態(tài)。

研制易鈍化的新合金材料：制備方法差別較大，但其宗旨是改變金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高材料本身的耐蝕性。

緩蝕劑保護(hù)：在封閉的腐蝕環(huán)境中添加少量能夠降低腐蝕速率的物質(zhì)（緩蝕劑）以阻止或減緩金屬腐蝕。

金屬表面處理：于金屬接觸環(huán)境使用之前先經(jīng)表面預(yù)處理，用以提高材料的耐腐蝕能力。

金屬表面覆蓋層：包括非金屬涂層和金屬保護(hù)層，其目的是將金屬基體與腐蝕介質(zhì)隔離開，阻止去極化劑氧化金屬的作用，達(dá)到防腐蝕效果。

02 腐蝕防護(hù)實(shí)例

金屬腐蝕與防護(hù)是一個(gè)歷史悠久但又充滿生機(jī)活力的研究領(lǐng)域。西氣東輸管線防腐蝕為例，該管線既要穿過較強(qiáng)的腐蝕區(qū)（如沼澤區(qū)、鹽漬土區(qū)），又要通過高電阻率地方（砂石區(qū)、石方區(qū)），還要經(jīng)過大城市、工業(yè)基地等土壤腐蝕環(huán)境差別巨大的區(qū)域。另外，輸氣管線有多處要穿越河流、公路，這些特殊的環(huán)境對腐蝕保護(hù)都有專門的要求。由于管輸介質(zhì)先前已經(jīng)作過處理，其腐蝕性不強(qiáng)，因此可在管道內(nèi)壁噴涂防腐涂層（如環(huán)氧樹脂）防止內(nèi)腐蝕，同時(shí)減少輸送時(shí)的摩擦阻力。管道外壁的防護(hù)是重點(diǎn)，主要采用外涂防腐涂層與陰極保護(hù)相結(jié)合的聯(lián)合保護(hù)方式，并根據(jù)不同的區(qū)域環(huán)境因地制宜地設(shè)計(jì)不同的保護(hù)方案。其中，防腐涂層包括單層結(jié)構(gòu)的環(huán)氧粉末涂層和三層結(jié)構(gòu)的聚乙烯防腐層（底層為熔結(jié)環(huán)氧粉末、中間層為膠粘劑、外層為聚乙烯）。環(huán)氧粉末主要用于環(huán)境腐蝕性相對較弱、非石方區(qū)等地域，三層結(jié)構(gòu)防腐層主要用于環(huán)境腐蝕性強(qiáng)的沼澤、水塘、鹽油區(qū)以及機(jī)械破壞嚴(yán)重的石方區(qū)和安全性要求高的人口稠密區(qū)等。陰極保護(hù)方案根據(jù)環(huán)境及選擇的防腐層，采取外加電流的陰極保護(hù)方式，預(yù)計(jì)全線大約要建50余座陰極保護(hù)站，同時(shí)在陰極保護(hù)電源的選用中注重與遙測系統(tǒng)之相匹配。

四腐蝕過程的特殊應(yīng)用

01 納米結(jié)構(gòu)材料之制備

金屬腐蝕固然危害巨大，但某些腐蝕過程卻也被巧妙地予以利用。早在1924 年，美國工程師雷尼就根據(jù)選擇性腐蝕原理成功地從鎳-鋁合金中除去鋁制備了雷尼鎳催化劑。

近年來研究者已經(jīng)將選擇性腐蝕法發(fā)展成為一種制備納米多孔材料的獨(dú)特手段—去合金化方法，并相繼制備出結(jié)構(gòu)均勻、孔徑可調(diào)的納米多孔金、多孔鉑和多孔鈀等多孔金屬材料。

02 環(huán)境污染物的處理

利用零價(jià)鐵特別是納米級鐵粉處理環(huán)境污染物已成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。許多氧化性環(huán)境污染物，如氯代有機(jī)物、硝基苯等，都可以充當(dāng)去極化劑加劇鐵的腐蝕，而其自身也同時(shí)發(fā)生電化學(xué)降解，生成低毒甚至無毒的有機(jī)物。

五總結(jié)

腐蝕給國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活造成嚴(yán)重的危害，它使人們辛苦冶煉和加工制作的金屬材料變?yōu)闊o用的、不能回收的散碎廢物。深入研究金屬腐蝕機(jī)理，推廣應(yīng)用腐蝕防護(hù)技術(shù)可以將腐蝕造成的損失挽回30%～40%。腐蝕并非一無是處，也有它可資利用的一面。比如在納米結(jié)構(gòu)材料的制備以及環(huán)境保護(hù)方面，腐蝕也有著許多可資的應(yīng)用價(jià)值。隨著人們對腐蝕過程認(rèn)識的深入，在開發(fā)新腐蝕防護(hù)技術(shù)的同時(shí)，也可以利用金屬腐蝕的原理為生產(chǎn)服務(wù)，發(fā)展基于腐蝕的加工技術(shù)。

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