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了解腐蚀——腐蚀概述
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介绍 长期以来，腐蚀一直是科学研究的主题，因为它具有毁灭性的后果，一般来说，腐蚀是一种自然现象，可以解释为材料(通常是金属)的腐烂，或由于对其环境的反应而导致的属性。国际标准组织对腐蚀的科学定义是“金属与其环境之间的物理化学反应，导致金属性质的改变，并经常导致金属、环境或其组成部分的科学系统的功能退化”。虽然常见用法通常将腐蚀与金属氧化联系起来，但所有形式的天然和合成材料的氧化，包括生物材料和纳米材料，现在都包括在术语腐蚀中。“腐蚀是一种材料(金属、陶瓷和聚合物)与其环境之间不可避免的界面相互作用，可能导致材料的消耗或降解为环境成分的材料”是一种更广泛且普遍接受的腐蚀替代定义。环境是由与物质接触的整个环境组成的。物理状态(气体、液体或固体)、化学成分(成分和浓度)和温度是定义环境的主要变量。 腐蚀的代价 在20世纪60年代，当人们认识到腐蚀对发达国家的经济造成了损害，制成品的使用寿命缩短，资源被反冶金过程浪费，腐蚀的重要性得到了承认。此外，腐蚀还涉及到人的生命和安全、巨大的环境影响和材料保护等问题。 为了评估腐蚀的经济影响，一些国家进行了腐蚀成本研究。根据2013年发布的一份报告，腐蚀的综合成本占gdp的3.4%。各类经济体的贡献如下：美国贡献2.7%，印度4.2%，欧洲地区3.8%，阿拉伯世界5.0%，中国4.2%，俄罗斯4.0%，日本1.0%，亚洲四小龙及澳门2.5%，世界其他地区约占全球腐蚀总成本的3.4%。 腐蚀测量单位 腐蚀速率可以表示为单位腐蚀深度的增加量(密耳/年)(mpy)(渗透率，密耳/年)或单位面积时间内的重量损失，通常为mdd(毫克/平方分米/天)或腐蚀电流(ma cm22，cm2)。尽管表示腐蚀速率的首选si单位是mm·yr⁻¹或inch·yr⁻¹，但术语mpy在美国最常用(一密耳代表一千分之一英寸)，也是最理想的腐蚀速率表达式，可通过对应公式进行估算。 腐蚀类型 腐蚀表现为多种形式，对腐蚀类型细节的基本了解是可取的，因为这有助于确定腐蚀原因和选择最有效的防腐方法。一般来说，分类是基于三个因素中的一个: (1)腐蚀剂的性质，(2)腐蚀机制，以及(3)被腐蚀金属的外观。根据外观，腐蚀类型如下: 均匀腐蚀或一般腐蚀 最常见的腐蚀形式是均匀腐蚀。它通常被称为一般腐蚀。这种或多或少均匀地发生在暴露于腐蚀介质中的整个金属表面上的腐蚀，称为均匀腐蚀。它通常发生在腐蚀率相对较低且控制良好的环境中(如化学处理的封闭循环系统和一些开放水系统)。到目前为止，最容易发生均匀腐蚀的金属是低合金铁和镁合金。全面腐蚀是由局部腐蚀电池作用造成的，也就是说，在任何给定的时间，金属表面都有多个阳极和阴极处于活跃状态。裸露金属表面上的均匀腐蚀几乎以同样的速度进行。当暴露于开放空间、土壤和自然水域时，铸铁和钢会均匀腐蚀，导致生锈。 电偶腐蚀 在电解质溶液和电子传导路径中，电偶腐蚀，通常称为双金属或双金属腐蚀，是两种不同金属的电化学行为。如果具有不同电极电位的不同金属或合金在标准电解质溶液中电连接，就会出现这种情况。阳极变成更负的或活性金属，电化腐蚀电池的阴极变成更正的或贵金属。在较贵的材料中，较不贵的合金通常表现出腐蚀的增加和腐蚀的减少或抑制。两种金属之间的电位差、环境的性质、金属的极化行为以及组成金属的几何关系都会影响电偶腐蚀的程度。 点蚀 点蚀似乎是最具破坏性的腐蚀方式，通常是加工厂设备故障的原因，约占腐蚀造成的金属破坏的90%。点蚀是高度局部化的金属表面腐蚀，周围区域没有整体腐蚀。凹坑可以定义为直径等于或小于金属表面深度的空腔。它会导致金属基底被快速穿透。它首先是一种白色或灰色的粉状堆积物，类似于灰尘，弄脏了表面。当涂层被洗掉时，可以在表面上看到微小的坑或洞。在某些情况下，点蚀会在整个金属表面形成，形成不规则或相当粗糙的表面轮廓。点蚀更难追踪、预防和管理，因此被认为比均匀腐蚀破坏更危险。 缝隙腐蚀 缝隙腐蚀也指闭塞区域的腐蚀，是局部材料退化的最严重形式之一。这种类型的腐蚀与停滞电解条件下发生的点蚀相当，而缝隙腐蚀的发生是由于局部化学变化，即缝隙中氧气的消耗、ph值随着氢离子浓度的增加而上升，以及氯离子浓度的增加。氧耗尽意味着在裂缝区域内，阴极对氧还原的反应无法持续，因此会发生金属溶解。在任何金属和任何腐蚀环境中，缝隙腐蚀都可能发生。 粒间腐蚀 粒间腐蚀，也称为晶间腐蚀，是对晶界或其周围区域的局部优先侵蚀。在颗粒的主体上很少或没有观察到侵蚀。缺乏强度和延展性导致了这种形式的腐蚀。有时，攻击很快，深深地穿透金属并导致失败。极限范围内杂质的存在，或一种或多种合金元素的局部富集或降解，都是由于这种形式的腐蚀。 应力腐蚀裂纹 承受持续拉伸应力和腐蚀环境的结构部件可能在低于屈服强度的应力下过早失效，称为应力腐蚀开裂(scc) 。应力可能是由于增加的负荷、生产过程(焊接、热处理、机械加工和磨削)产生的残余应力或两者的结合而产生的。 侵蚀腐蚀 术语“侵蚀”是指由于机械力引起的腐烂。当导致侵蚀的因素增加了金属的腐蚀速度时，这种侵蚀被称为“侵蚀腐蚀”。它是活跃的化学环境和高表面流速流体混合的产物。 腐蚀控制方法 腐蚀管理需运用工程原则和技术，以最经济的方式将腐蚀减轻至合理程度，可采用的控制方法如下： 正确选择材料 该方法包括选择和使用具有高耐腐蚀性的材料，以增加结构在特定环境中的寿命。虽然没有能抵抗所有腐蚀条件的材料，但选择合适的材料以避免某些形式的腐蚀失效是很重要的。例如，钛是一种高度耐腐蚀的材料，但它比钢贵得多。此外，它的延展性不如钢。碳钢是石油生产系统中的首选材料，尤其是油井、管道、容器和储罐等设备，因为它具有良好的机械性能和较低的成本。然而，不锈钢等选项可用于需要更耐腐蚀材料的情况。 涂层、衬里和非金属管道 涂层是一种以液体或粉末形式应用的薄材料，其在固化时牢固且连续地附着在待保护的材料上。对于内部使用，这种方法可能被称为衬砌。涂层需要是柔性的、耐化学流体侵蚀的、具有强粘附力的、具有低孔隙率或没有孔隙率的，并且在工作温度下是稳定的。涂层通常与阴极保护系统一起使用，以防止对涂层材料造成任何损坏。非金属管道的应用在许多应用中也是很好的，因为它们不会腐蚀，但局限性是它们可能会因环境的侵蚀而退化或弱化。 影响腐蚀速率的因素 影响腐蚀速度的因素包括内部和外部两类，直接或间接作用于腐蚀过程。以下重点关注外部因素中电解质溶液的化学性质影响，内部因素因难以改变，仅考量其对金属腐蚀的基础作用。 ph值对金属腐蚀的影响 根据它们与ph值的关系(耐腐蚀性)，所有金属可以分为五类: 1. 金(au)、银(ag)、铂(pt)、钯(pd)、铑(rh)、钌(ru)、汞(hg)、钽(ta)、铌(nb)、锇(os)和铱(ir)的耐腐蚀性不受ph值的影响。在ph值为5 0至14时，它们具有抗腐蚀性。 2. 铁(fe)、铬(cr)和锰(mn)在80°c以上的酸性溶液(ph 4)和非常热的碱性溶液(ph 13.5)中会受到强烈腐蚀。它们经常腐蚀，但在中性ph值(6—8)下腐蚀速率较低，在ph值为9—13时不受腐蚀。 3. 镁(mg)、钛(ti)、铪(hf)、钒(v)和铋(bi)对中性和碱性溶液(强ph值)具有极强的抵抗力，在低ph值下(在酸性溶液中)会发生高速腐蚀。 4. 在酸性和中性溶液中，钼(mo)、钨(w)和铼(re)耐腐蚀，但在碱性溶液中会被腐蚀。 5.铍(be)、铝(al)、铜(cu)、锌(zn)、镉(cd)、锡(sn)、铅(pb)、钴(co)、镍(ni)、锆(zr)、镓(ga)和铟(in)。最后一组是大的。在酸性和碱性液体中，它们都会腐蚀，因此被称为两性金属。只有中性溶液能抵抗这些金属。 结论性的评论 腐蚀可能是一种可怕的经历，当它应用于依赖未腐蚀金属运行的工业时，可能会导致一些令人不快的影响，这些影响并不总是被认可的:缺乏生产、伤害和重大经济损失。每年，工业从他们的业务中流失数十亿美元，主要是由于腐蚀。全球腐蚀的总成本是巨大的；总计约2.5万亿美元，这一数字还不包括人类保护或环境后果。 在不断的工业实践中，发现钽金属具有良好的抗腐蚀性，其中钽涂层的应用能最大限度的降低腐蚀成本，预计每年减少8750亿美元(大约)的成本是很容易实现的。 |
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