第五節　金屬材料的腐蝕與防護

一、腐蝕的概念

金屬材料在周圍介質的作用下發生破壞稱為腐蝕。鐵生銹、銅生綠銹、鋁生白斑點等是常見的腐蝕現象。

在化工生產中，由于物料（如酸、堿、鹽和腐蝕性氣體等）往往具有強烈的腐蝕性，而化工設備被腐蝕將造成嚴重的后果：引起設備事故影響生產的連續性，造成跑冒滴漏，損失物料，增加原材料消耗，惡化勞動條件，提高產品成本，影響產品質量等。因此，化工設備的腐蝕與防腐問題必須認真對待。

二、腐蝕的類型

腐蝕的分類方法很多，其中按破壞特征分為均勻腐蝕和局部腐蝕；按腐蝕機理分為化學腐蝕和電化學腐蝕。

1.均勻腐蝕

均勻腐蝕是材料表面均勻地遭受腐蝕，腐蝕的結果是設備壁厚的減薄［見圖1-3（a）］。這種腐蝕的危險性較小。碳鋼在強酸、強堿中的腐蝕屬于此類。

2.局部腐蝕

局部腐蝕是指金屬的局部區域產生腐蝕，包括區域腐蝕、點腐蝕、晶間腐蝕等，如圖1-3（b）、（c）、（d）所示。局部腐蝕使零件有效承載面積減小，且不易被發現，常發生突然斷裂，危害性較大。

3.化學腐蝕

化學腐蝕是指金屬與干燥的氣體或非電解質溶液產生化學作用引起的腐蝕。各種管式爐的爐管受高溫氧化，金屬在鑄造、鍛造、熱處理過程中發生的高溫氧化以及金屬在苯、含硫石油、乙醇等非電解質溶液中的腐蝕均屬化學腐蝕。

化學腐蝕的特點是腐蝕過程中無電流產生，且溫度越高，腐蝕介質濃度越大，腐蝕速度越快。

化學腐蝕后若形成致密、牢固的表面膜，則可阻止外部介質繼續滲入，起到保護金屬的作用。例如，鉻與氧形成Cr₂O₃，鋁與氧形成Al₂O₃等都屬于這種表面膜。

4.電化學腐蝕

電化學腐蝕是指金屬與電解質溶液產生電化學作用引起的腐蝕。金屬在酸、堿、鹽溶液、土壤、海水中的腐蝕屬于電化學腐蝕。電化學腐蝕的特點是腐蝕過程中有電流產生。通常電化學腐蝕比化學腐蝕強烈得多，金屬的破壞大多是由電化學腐蝕引起的。

電化學腐蝕是由于金屬發生原電池作用而引起的。如圖1-4所示，把兩種金屬（如鋅和銅）用導線連接起來，放在電解質溶液（如H₂SO₄溶液）內，這樣就構成了導電回路。回路中電子將從低電位鋅流向高電位銅，形成原電池。鋅（陽極）不斷失去原子，變為鋅離子進入溶液，出現腐蝕；銅（陰極）受到保護。

電化學腐蝕不僅發生在異種金屬之間，同一金屬的不同區域之間也存在著電位差，也可形成原電池，而產生電化學腐蝕。例如，各種局部腐蝕就是電化學腐蝕。

在某些腐蝕性介質特別是在強氧化劑如硝酸、氯酸、重鉻酸鉀、高錳酸鉀等中，隨著電化學腐蝕過程的進行，在陽極金屬表面逐漸形成一層保護膜（也稱鈍化膜），從而使陽極的溶解受到阻滯并最終使腐蝕終止，這種現象稱為鈍化。在生產實踐中，鈍化現象被用來保護金屬。

三、防腐措施

為了防止和減輕化工設備的腐蝕，除應選擇合適的材料制造設備外，還可采取多種措施，如隔離腐蝕介質、電化學保護及緩蝕劑保護等。

1.隔離腐蝕介質

用耐蝕性良好的隔離材料覆蓋在耐蝕性較差的被保護材料表面，將被保護材料與腐蝕性介質隔開，以達到控制腐蝕的目的。

隔離材料有非金屬材料和金屬材料兩大類。非金屬隔離材料主要有涂料（如涂刷酚醛樹脂）、塊狀材料襯里（如襯耐酸磚）、塑料或橡膠襯里（如碳鋼內襯氟橡膠）等。金屬隔離材料有銅（如鍍銅）、鎳（如化學鍍鎳）、鋁（如噴鋁）、雙金屬（如碳鋼上壓上不銹鋼板）、金屬襯里（碳鋼上襯鉛）等。

2.電化學保護

用于腐蝕介質為電解質溶液、發生電化學腐蝕的場合，通過改變金屬在電解質溶液中的電極電位，以實現防腐。有陽極保護和陰極保護兩種方法。

陰極保護是將被保護的金屬作為腐蝕電池的陰極，從而使其不遭受腐蝕。方法有：犧牲陽極保護法，它是將被保護的金屬與另一電極電位較低的金屬連接起來，形成一個原電池，使被保護金屬作為原電池的陰極而免遭腐蝕，電極電位較低的金屬作為原電池的陽極而被腐蝕［圖1-5（a）］。另一方法是外加電流保護法，它是將被保護的金屬與一直流電源的陰極相連，而將另一金屬片與被保護的金屬隔絕，并與直流電源的陽極相連，從而達到防腐的目的［圖1-5（b）］。陰極保護的使用已有很長的歷史，在技術上較為成熟。這種保護方法廣泛用于船舶、地下管道、海水冷卻設備、油庫以及鹽類生產設備的保護，在化工生產中的應用亦逐年增多。

陽極保護是把被保護設備接直流電源的陽極，讓金屬表面生成鈍化膜起保護作用。陽極保護只有當金屬在介質中能鈍化時才能應用，且技術復雜，使用不多。

3.緩蝕劑保護

向腐蝕介質中添加少量的物質，這種物質能夠阻滯電化學腐蝕過程，從而減緩金屬的腐蝕，該物質稱為緩蝕劑。通過使用緩蝕劑而使金屬得到保護的方法，稱為緩蝕劑保護。

按照對電化學腐蝕過程阻滯作用的不同，緩蝕劑分為三種。

（1）陽極型緩蝕劑

這類緩蝕劑主要阻滯陽極過程，促使陽極金屬鈍化而提高耐腐蝕性，故多為氧化性鈍化劑，如鉻酸鹽、硝酸鹽等。值得注意的是，使用陽極型緩蝕劑時必須夠量，否則不僅起不了保護作用，反而會加速腐蝕。

（2）陰極型緩蝕劑

這類緩蝕劑主要阻滯陰極過程。例如，鋅、錳和鈣的鹽類如ZnSO₄、MnSO₄、Ca（HCO₃）₂等，能與陰極反應產物OH^-作用生成難溶性的化合物，它們沉積在陰極表面上，使陰極面積減小而降低腐蝕速度。

（3）混合型緩蝕劑

這類緩蝕劑既能阻滯陰極過程，又能阻滯陽極過程，從而使腐蝕得到緩解。常用的有胺鹽類、醛（酮）類、雜環化合物、有機硫化物等。

目前在酸洗操作和循環冷卻水的水質處理中，緩蝕劑用得最普遍。而在化學工業中緩蝕劑的應用還不多。