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金屬腐蝕與防護簡談

2019-07-16 09:42:06 作者：本網整理來源：設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腐蝕的形式出現，剖析了腐蝕過程電化學動力學參數的物理意義，以及金屬腐蝕的防護原理、常用的腐蝕防護方法乃至腐蝕過程的一些特殊應用。

金屬單質及其合金是應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境間發生反應而導致材料的破壞及其性能惡化，而狹義的腐蝕則指金屬與環境介質間發生的物理-化學作用而使金屬性能發生變化，并導致金屬、環境及其構成體系的功能受到損傷的現象。

一為什么電化學腐蝕是金屬腐蝕主要

化學腐蝕是指金屬表面與非導電液體或氣體等介質接觸時兩相之間發生的氧化還原反應，其特點是金屬直接將電子傳遞給氧化劑，沒有電流產生，而且腐蝕產物常常會阻礙化學腐蝕的繼續進行。電化學腐蝕則不然，由于腐蝕介質是導電的，此時發生的氧化/還原反應可以選擇在金屬表面活化能最低的部位異地進行，這就遠比化學腐蝕容易得多。

二金屬電化學腐蝕

01 腐蝕原電池

電化學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）和負極（陽極）出現在同一塊被腐蝕金屬的表面，故實際上它是一種特殊的短路原電池，充其量只會導致金屬材料的溶解、破壞，而不可能對外界作任何有用功，即腐蝕反應釋放出來的化學能全部以熱能的形式耗散掉。

02 去極化劑

簡單地說，電化學腐蝕發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。這種物質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。假若陽極反應是金屬M 的溶解（氧化），陰極反應則是去極化劑（ D）的還原，如下所示：

陽極：

陰極：

（2）由于陰極區和陽極區短路，此時應當有凈電流流經其間，陽、陰極兩個反應都產生極化而偏離各自的平衡狀態。當陽極反應與陰極反應以等當量的速率同時進行時，就會出現二者的耦合，耦合條件是E平2 ＞ E平1 . 通常將相互耦合的反應稱為共軛反應，整個體系稱為共軛體系。腐蝕體系是一個典型的共軛體系，其特點是電極表面雖然沒有新的電荷積累，但表面依然存在物質變化。

三腐蝕防護措施

金屬的腐蝕的全過程包括3 個子過程： 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：在金屬內部以電子為載體，電流由陰極流向陽極。而在與其相接觸的電解質中則以帶電粒子為載體，由陽極流向陰極，二者構成一個電流回路。

01 常用的腐蝕防護技術

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

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部結構，提高材料本身的耐蝕性。

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

金屬表面處理：于金屬接觸環境使用之前先經表面預處理，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層，其目的是將金屬基體與腐蝕介質隔離開，阻止去極化劑氧化金屬的作用，達到防腐蝕效果。

02 腐蝕防護實例

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

四腐蝕過程的特殊應用

01 納米結構材料之制備

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。

近年來研究者已經將選擇性腐蝕法發展成為一種制備納米多孔材料的獨特手段—去合金化方法，并相繼制備出結構均勻、孔徑可調的納米多孔金、多孔鉑和多孔鈀等多孔金屬材料。

02 環境污染物的處理

利用零價鐵特別是納米級鐵粉處理環境污染物已成為國內外的研究熱點。許多氧化性環境污染物，如氯代有機物、硝基苯等，都可以充當去極化劑加劇鐵的腐蝕，而其自身也同時發生電化學降解，生成低毒甚至無毒的有機物。

五總結

腐蝕給國民經濟和社會生活造成嚴重的危害，它使人們辛苦冶煉和加工制作的金屬材料變為無用的、不能回收的散碎廢物。深入研究金屬腐蝕機理，推廣應用腐蝕防護技術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。比如在納米結構材料的制備以及環境保護方面，腐蝕也有著許多可資的應用價值。隨著人們對腐蝕過程認識的深入，在開發新腐蝕防護技術的同時，也可以利用金屬腐蝕的原理為生產服務，發展基于腐蝕的加工技術。

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