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压力容器中常见腐蚀的一些基本概念

时间:2020-09-29 来源:卢梭说压力容器 浏览:

本文整理自:孙秋霞. 材料腐蚀与防护[M].北京: 冶金工业出版社, 2004

 
腐蚀的定义
 
金属和它所处的环境介质之间发生化学、电化学物理作用,引起金属的变质破坏,称为金属腐蚀。腐蚀很少是由于单纯的机械因素(拉、压、冲击、疲劳、断裂或磨损等)或其他物理因素(热能、光能等)引起的,而基本上都与其周围环境的腐蚀因素有关。腐蚀现象是十分普遍的,从热力学的观点出发,除了Au、Pt等极少数贵金属外,一般材料发生腐蚀都是一个自发过程。
 
腐蚀的控制措施
 
腐蚀控制的方法概括起来主要有:
1)根据环境正确地选材;
2)对产品进行合理的结构设计和工艺设计;
3)改善腐蚀环境,如使用缓蚀剂,脱气、除氧和脱盐
4)采用电化学保护方法,包括阴极保护或阳极保护技术
5)在基材上施加保护涂层,包括金属涂层和非金属涂层
 
金属与合金的高温氧化
 
大多数条件下,使用金属相对于周围的气态都是热不稳定的。根据气体成分和反应条件的不同,会反应生成氧化物、硫化物、碳化物氮化物等,或者这些生成物的混合物。
室温或较低温干燥的空气中,这种不稳定性对许多金属来说没有太多的影响,因为反应速度很低。但是随着温度的上升,反应速度急剧增加。这种在高温条件下,金属与环境介质中的气相或凝聚相物质发生化学反应而遭受破坏的过程称高温氧化,或高温腐蚀。
高温腐蚀不仅使许多金属腐蚀生锈,造成金属耗损,还破坏金属表面的优良性能,降低高温机械疲劳和热疲劳性能。
 
金属的电化学腐蚀
 
电化学腐蚀比高温氧化更普遍,例如,潮湿的大气,土壤,海水,及化工设备遭受酸、碱、盐等的腐蚀。目前主要用“腐蚀原电池”模型,解释金属发生电化学腐蚀的原因及过程。腐蚀电池只能导致金属破坏而不能对外作有用功。
 
全面腐蚀与局部腐蚀
 
金属腐蚀可分为全面腐蚀局部腐蚀两大类。局部腐蚀的危险性要大于全面腐蚀,因为局部腐蚀往往在没有什么征兆的情况,金属构件就突然发生断裂。统计表明,局部腐蚀占腐蚀失效事故的8成以上。
局部腐蚀的种类很多,主要有:点蚀(孔蚀)、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、选择腐蚀、应力腐蚀、疲劳腐蚀、湍流腐蚀
全面腐蚀一般属于微观电池腐蚀,通常所说的铁生锈钢失泽镍的“发雾“金属高温氧化均属于全面腐蚀。
 
点腐蚀
 
点腐蚀(孔蚀)是一种集中在金属(合金)表面数十微米范围内且纵深发生的腐蚀。点蚀发生的条件:1)表面易生成钝化膜的金属,如不锈钢,及表面镀有阴性镀层的金属;2)在有特殊离子的介质中,如不锈钢在有卤素离子的溶液中就容易发生点蚀;3)电位大于点蚀电位的情况。
关于点蚀生长机制众说纷纭,较为公认的是蚀孔内自催化酸化机制,即闭塞电池作用
不锈钢中Cr是最有效提高耐点蚀性能的合金元素,随着Cr含量的增加,点蚀电位向正方向移动。而奥氏体不锈钢经过固溶处理后耐点蚀。
 
缝隙腐蚀
 
金属构件常采用铆、焊、螺钉等方式连接,在连接部位容易形成缝隙,缝隙宽度一般在0.025~0.1 mm,足以使介质在其中滞留,引起缝隙内金属的腐蚀。
与点蚀不同,缝隙腐蚀可发生在所有金属和合金上,且钝化金属及合金更容易发生。任何介质(酸碱盐)均可发生缝隙腐蚀,但含Cl-的溶液更容易发生
关于缝隙腐蚀机理用氧浓度差电池和闭塞电池联合作用机制可得到圆满解释。
 
晶间腐蚀
 
晶间腐蚀是金属材料在特定的腐蚀介质中沿着材料的晶界发生的一种局部腐蚀。许多金属(合金)都有晶间腐蚀倾向,其中不锈钢、铝合金、含钼的镍基合金的晶间腐蚀较为突出。如有应力存,容易由晶间腐蚀转变为沿晶间应力腐蚀破裂。
现代的晶间腐蚀理论主要有贫化理论晶间杂质偏聚理论。
贫化理论认为,晶腐蚀是由于晶界析出新相,造成晶界附近某一成分的贫乏化。在适宜的条件下,容易形成腐蚀原电池。
低碳,甚至超低碳不锈钢,特别是高铬、钼钢,在650~850℃受热时,在强氧化性介质中,或其电位是于过钝化区时,也会发生晶间腐蚀,这主要与σ相在晶界析出有关,即杂质偏聚理论。
另外,铁素体不锈钢也有晶间腐蚀的问题,一般在900℃以上高温区快冷易产生晶间腐蚀,和奥氏体不锈钢一样也可用贫化理论来解释。
 
应力腐蚀
 
应力与环境共同作用下的腐蚀是局部腐蚀的一大类型,材料除受环境作用外还受各种应力作用,因此会导致较单一因素下更严重的腐蚀破坏。
应力腐蚀的三个基本条件:敏感材料、特定腐蚀介质、拉伸应力。
应力腐蚀从宏观上属于脆性断裂
目前,对应力腐蚀机理的认识主要有三种理论:阳极快速溶解理论、闭塞电池理论、膜破裂理论(滑移-溶解理论)。
防止或减轻应力腐蚀的措施:
1)合理选材:如接触海水的换热器,采用普通软钢比不锈钢更好。双相钢抗应力腐蚀性能最好。
2)控制应力:在制造和装配金属构件时,尽量避免应力集中。
3)改变环境:通过除气、脱氧、除去矿物质等去除危害组分,还可通过控制温度、pH值、添加适量缓蚀剂等措施来改变环境。
4)电化学保护:金属(合金)发生应力腐蚀与电位有关,有些体系存在一个临界断裂电位,可以通过电化学保护来避开应力腐蚀敏感区。
5)涂层:好的镀层(涂层)可以使金属表面和环境隔离开,从而避免产生应腐蚀,如,石棉保温层中有cl-离子渗出,若在不锈钢表面涂上有机硅就可防止不锈钢表面破裂。
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