金属腐蚀与防护第五章

第五章 防 腐 蚀 设 计
研究金属腐蚀是为了防止和控制金属腐蚀 的危害，延长金属的使用寿命。 的危害，延长金属的使用寿命。各种金属工程 材料，无论是原材料、产品加工、使用和储存 材料， 无论是原材料、 产品加工、 都会遇到不同的使用环境， 都会遇到不同的使用环境，产生不同程度的腐 而金属腐蚀是一个自发过程， 蚀。而金属腐蚀是一个自发过程，完全避免材 料的腐蚀是不可能的， 料的腐蚀是不可能的，只能在对金属在各种腐 蚀环境中的腐蚀破坏规律和机理充分了解的基 础上，以保证材料正常使用为前提， 础上，以保证材料正常使用为前提，通过防腐 蚀设计， 蚀设计，使其腐蚀破坏限制在一定的范围或降 低到最小程度，即进行腐蚀控制。 低到最小程度，即进行腐蚀控制。
热力学上的稳定性不但取决于金属本身， 热力学上的稳定性不但取决于金属本身， 而且也与腐蚀介质有关。 而且也与腐蚀介质有关。即使在热力学上 很稳定的金属， 很稳定的金属，在有些介质中也可能变为 不稳定。 不稳定。相反在惰性介质中最活泼的金属 都可能成为完全稳定的。 都可能成为完全稳定的。 常见的最易钝化的金属： 、 、 、 常见的最易钝化的金属：Zr、Ti、Nb、 Al、Cr、Be、Ni、Co、Fe等 、 、 、 、 、 等
一）正确选材的基本原则 1、全面考察材料的综合性能，优先做好 、全面考察材料的综合性能， 腐蚀控制。 腐蚀控制。 金属材料是指由纯金属及其合金组成 的材料。 的材料。包括钢铁材料和有色金属材料非铁材料）。 ）。钢铁占人类金属总消耗 （非铁材料）。钢铁占人类金属总消耗 的90％以上，是最常见也是最重要的金 ％以上， 属材料。 属材料。
有色金属材料是除钢铁以外的其他 金属及其合金的总称。 金属及其合金的总称。工程上最重要 的有色金属是Al、 、 、 、 、 的有色金属是 、Cu、Zn、Sn、Pb、 Mg、Ti、Ni及其合金。有色金属材料 及其合金。 、 、 及其合金 的消耗虽然不到金属材料总消耗的10 的消耗虽然不到金属材料总消耗的 ％，但是因为它们具有优良的导电 但是因为它们具有优良的导电、 ％，但是因为它们具有优良的导电、 导热性，同时相对密度小， 导热性，同时相对密度小，化学性能 稳定，耐热、耐腐蚀， 稳定，耐热、耐腐蚀，因而在工程上 占有重要地位。 占有重要地位。
二）正确选材的基本步骤
1、了解所设计产品的基本情况； 、了解所设计产品的基本情况； 计产品的基本情况 2、腐蚀环境分析； 、腐蚀环境分析； 3、查阅有关资料，掌握各种金属、合 、查阅有关资料，掌握各种金属、 金及可供选择材料的腐蚀性能； 金及可供选择材料的腐蚀性能； 4、调查研究实际生产中材料的使用情 、 了解类似构件或设备的腐蚀事故； 况 ， 了解类似构件或设备的腐蚀事故 ；
整个设备的材料应综合考虑， ⑤ 整个设备的材料应综合考虑 ， 而不是 分开材料考虑。 分开材料考虑。 对关键性零部件和修配成本高一些的 部位， 应该选择比较耐用的材料。 部位 ， 应该选择比较耐用的材料 。 在腐 蚀速率很低或很高的那些部位， 蚀速率很低或很高的那些部位 ， 选择起 来比较容易，而对于腐蚀速度居中部位， 来比较容易 ， 而对于腐蚀速度居中部位 ， 需从力学性能、 防腐性能、 需从力学性能 、 防腐性能 、 成本等各方 面综合考察。 面综合考察。
例如不锈钢、 例如不锈钢、钛、锆等被认为是耐蚀性 优良的材料， 优良的材料，但并不是说它们在任何环境 下都适用。 下都适用。例如不锈钢在大气和水中比碳 钢更优越， 钢更优越，但在浓硫酸中碳钢却优于不锈 如果水中含有微量氯离子， 钢，如果水中含有微量氯离子，奥氏体不 锈钢可能发生危险的应力腐蚀破裂， 锈钢可能发生危险的应力腐蚀破裂，碳钢 却没有这种危险。因此， 却没有这种危险。因此，对于任何一个材 环境体系， 料－环境体系，都必须有针对性地调查研 究，以便了解这种材料在特定环境中的耐 蚀性。 蚀性。
其次， 其次 ， 位错等晶体缺陷和晶粒边界对 腐蚀有很大影响， 常常成为腐蚀的起源。 腐蚀有很大影响 ， 常常成为腐蚀的起源 。 因为这些因素将影响金属表面膜的生成 及其厚度、强度、 孔隙度、 附着力等， 及其厚度 、 强度 、 孔隙度 、 附着力等 ， 因此也就影响着金属的腐蚀行为， 因此也就影响着金属的腐蚀行为 ， 加工 的金属表面位错程度增加，点缺陷增大， 的金属表面位错程度增加 ， 点缺陷增大 ， 腐蚀速度将加大。 腐蚀速度将加大。
要注意合金成分、晶体缺陷、 ④ 要注意合金成分 、 晶体缺陷 、 金相组 织对金属材料耐蚀性能的影响。 织对金属材料耐蚀性能的影响。 首先， 首先 ， 为了提高金属材料的力学性能 或满足其他性能的要求， 或满足其他性能的要求 ， 工业上很少使 用纯金属，一般使用合金， 用纯金属 ， 一般使用合金 ， 由于加入的 合金成分及组织状态的不同， 合金成分及组织状态的不同 ， 耐蚀性也 不相同。 不相同。 单相固溶体合金 两相或多相合金
在选材过程中， 在选材过程中，要注意设备中各种金 属材料的性能协调， 属材料的性能协调，既要保证设备的实用 功能，又要保证其可靠性与使用寿命。 功能，又要保证其可靠性与使用寿命。尤 其要重视金属在不同状态和环境介质中的 耐蚀性。对于关键的、 耐蚀性。对于关键的、经常维修或不易维 修的零部件，选用耐蚀性高的材料。 修的零部件，选用耐蚀性高的材料。在提 高材料强度而耐蚀性有所下降的情况下， 高材料强度而耐蚀性有所下降的情况下， 应考虑其综合性能，如强度许可， 应考虑其综合性能，如强度许可，有时宁 可牺牲某些力学性能， 可牺牲某些力学性能，也要满足耐蚀性的 要求。 要求。
按产品的用途、物理、 ②按产品的用途、物理、力学性能及 特殊要求正确选材。 特殊要求正确选材。 选材时除考虑材料的耐蚀性外， 选材时除考虑材料的耐蚀性外，还 要考虑产品（或设备）的用途及物理、 要考虑产品（或设备）的用途及物理、 力学方面的性能要求。 力学方面的性能要求。
综合考察材料对各种腐蚀类型的耐蚀性。 ③综合考察材料对各种腐蚀类型的耐蚀性。 针对不同的腐蚀环境， 针对不同的腐蚀环境，选择材料时除了 要考虑金属的均匀腐蚀 均匀腐蚀外 要考虑金属的均匀腐蚀外，要特别注意可 能产生的电偶腐蚀、孔蚀、缝隙腐蚀、 能产生的电偶腐蚀、孔蚀、缝隙腐蚀、晶 间腐蚀、选择性腐蚀、剥蚀、 间腐蚀、选择性腐蚀、剥蚀、应力腐蚀破 氢脆、腐蚀疲劳和磨损腐蚀等各种局 裂、氢脆、腐蚀疲劳和磨损腐蚀等各种局 部腐蚀。 部腐蚀。针对特定的腐蚀类型选用合适的 耐蚀材料， 耐蚀材料，针对特定腐蚀环境进用综合耐 蚀性能最优的材料。 蚀性能最优的材料。
不锈钢是不锈耐蚀钢的简称， 不锈钢是不锈耐蚀钢的简称，包含两大 类型钢。 类型钢。 一类是在大气、 一类是在大气、水蒸气和淡水等弱电介 质中耐腐蚀或具有不锈性的钢种， 质中耐腐蚀或具有不锈性的钢种，称为不 锈钢； 锈钢； 另一类是在酸碱盐等化学介质中耐腐蚀 性钢种，称为耐酸钢。不锈钢一般不耐酸， 性钢种，称为耐酸钢。不锈钢一般不耐酸， 而耐酸钢一般均具有不锈性。 而耐酸钢一般均具有不锈性。然而耐酸钢 的使用是有条件的， 的使用是有条件的，并不能抵抗所有酸的 腐蚀。 腐蚀。
从材料的综合性能出发，正确选择材料， 从材料的综合性能出发，正确选择材料，应 遵循以下原则。 遵循以下原则。 按产品的工作条件要求正确选材。 ①按产品的工作条件要求正确选材。 这是正确选材首先要注意的原则。 这是正确选材首先要注意的原则。必须按照 产品使用时所处环境、腐蚀介质的种类、浓度、 产品使用时所处环境、腐蚀介质的种类、浓度、 温度、压力、流速等特定条件， 温度、压力、流速等特定条件，选择适当的金 属材料。 属材料。 详尽的数据及其材料的耐蚀性能， 详尽的数据及其材料的耐蚀性能，可参阅国 内外的相关文献资料，如我国出版的《 内外的相关文献资料，如我国出版的《金属腐 蚀手册》 腐蚀数据与选材手册》 蚀手册》、《腐蚀数据与选材手册》、《材料 的耐蚀性和腐蚀数据》 的耐蚀性和腐蚀数据》等。
一、金属材料的正确选择 金属材料是构成设备或结构件的主 要物质基础， 要物质基础，防腐蚀材料的选择是防 腐蚀设计的首要环节。 腐蚀设计的首要环节。金属构件的腐 蚀破坏事故经常由选材不当造成， 蚀破坏事故经常由选材不当造成，因 此正确选材是最重要也是最广泛使用 的防腐蚀办法。 的防腐蚀办法。
用于腐蚀环境中的设备和结构， 用于腐蚀环境中的设备和结构，制 造材料要考虑的因素： 造材料要考虑的因素： 耐蚀性能； 耐蚀性能； 物理性能、机械性能和加工性能； 物理性能、机械性能和加工性能； 经济上的可行性。 经济上的可行性。 必须遵循正确的选材原则， 必须遵循正确的选材原则，采取合 理的选材步骤。 理的选材步骤。
5、 掌握热处理状态与材料耐蚀性能 、 的关系， 的关系，保证材料在满足力学性能的 前提下具有满意的耐蚀性能； 前提下具有满意的耐蚀性能； 6、 做必要的实验室辅助试验 ， 试验 、 做必要的实验室辅助试验， 条件必须紧密结合实际； 条件必须紧密结合实际； 7、 综合评定材料的使用 、 加工和耐 、 综合评定材料的使用、 蚀性能，核算经济成本。 蚀性能，核算经济成本。
2、 选材的经济性与技术性综合考虑 、
正确的选材是在保证使用期内产品性能 可靠的基础上，尽量减少成本， 可靠的基础上，尽量减少成本，以获得最 大经济效益的选材。因此， 大经济效益的选材。因此，产品的选材还 必须考虑产品的使用寿命、更新周期、 必须考虑产品的使用寿命、更新周期、基 本材料费用、加工制造费、维护和检修费、 本材料费用、加工制造费、维护和检修费、 停产和废品损失费等。 停产和废品损失费等。
金属材料的性能包括力学性能、 金属材料的性能包括力学性能、热 性能、电学性能、光学性能、 性能、电学性能、光学性能、化学性 能等。具体来说包括强度、弹性、 能等。具体来说包括强度、弹性、硬 塑性、韧性、热导率、比热容、 度、塑性、韧性、热导率、比热容、 热膨胀性、耐热性、电导率、电阻率、 热膨胀性、耐热性、电导率、电阻率、 磁性以及化学稳定性等。 磁性以及化学稳定性等。其中化学稳 定性与材料的耐蚀性密切相关， 定性与材料的耐蚀性密切相关，而其 他的性能是材料实现其使用功能的基 础。