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海水腐蚀及其防护方法

海水腐蚀是指材料(主要是金属构件)在海洋环境中发生的腐蚀。海水水质的主要特点:海水中含有多种盐类,表层海水含盐量一般在3.2%3.75%之间,随水深的增加,海水含盐量约有增加;海水中的盐主要为氯化物,占总盐量的88.7%;海水呈微碱性,pH值接近8。当今世界人口剧增、资源短缺、环境恶化,海洋拥有极其丰富的资源可供人类开发并将有力的推动世界经济的可持续发展。金属腐蚀由于其隐蔽性、缓慢性、自发性、自催化性常常被人们忽视,寻找最佳有效的防腐蚀和控制腐蚀方法,已成为当代材料领域最重要的课题之一。本文对海水腐蚀的原因、特点、影响因素和防护方法进行了介绍和研究。 

海水腐蚀的原因 

(一)电化学腐蚀 

海水是复杂的电解质溶液,并溶有一定量的氧,电化学腐蚀原理对海水腐蚀是适用的,而且大多数金属材料在海水中都属于去极化腐蚀,即氧是海水腐蚀的去极化剂。海水腐蚀速率主要为阴极氧的去极化所控制,在这种情况下腐蚀速率由氧到达金属表面的扩散步骤所控制。 

一种金属浸在海水中,由于金属及合金表面成分不均匀性,相分布不均匀性,表面应力应变的不均匀性,以及其他微观不均匀性,导致金属与海水界面上电极电位分布的微观不均匀性。金属表面就会形成无数个腐蚀微电池,就会出现阴极区和阳极区。例如碳钢在海水中电池腐蚀反应: 

电极电位较低的区域—阳极区(如铁素体相):FeFe2++2e

电极电位较高的区域—阴极区(如渗碳体相):O2+H2O+2e-OH

此外,在海水中当同一金属材料表面温度不同、氧含量不同或受应力不同还会产生宏电池腐蚀。焊接材料与基材之间物理化学性质差异时也会产生宏电池腐蚀。当两种不同金属材料浸在海水中并相互接触的情况下就会发生另一种宏电池腐蚀—电偶腐蚀。故海水腐蚀是典型的电化学腐蚀。

(二)微生物腐蚀 

海洋中生存着多种动植物和微生物,它们的生命活动会改变金属-海水界面的状态和介质性质,对腐蚀产生不可忽视的影响。海生物的附着会引起附着层内外的氧浓度差电池腐蚀。某些海生物的生长会破坏金属表面的涂料等保护层。防腐涂料在波浪和水流的作用下,可能引起涂层的剥落。在附着生物死后粘附的金属表面上,锈层以下以及海泥里,都是缺氧环境,会促进厌氧的硫酸盐还原菌的繁殖,引起严重的微生物腐蚀,使钢铁的腐蚀加速。 

海水腐蚀的特点 

海水是典型的电解质溶液,其腐蚀有如下特点:   

(1)由于海水的电导率很大,海水腐蚀的电阻性阻滞很小,所以海水腐蚀中金属表面形成的微电池和宏观电池都有较大的活性。海水中不同金属接触时很容易发生电偶腐蚀,即使两种金属相距数十米,只要存在电位差并实现电连接,就可发生电偶腐蚀。  

(2)因海水中氯离子含量很高,因此大多数金属,如铁、钢、铸铁、锌、镉等,在海水中时不能建立钝态的。海水腐蚀过程中,阳极的极化率很小,因而腐蚀速率相当高。 

(3)海水中易出现小孔腐蚀,孔深也较深。 

(4)中性海水溶解氧较多,除镁及其合金外,绝大多数海洋结构材料在海水中腐蚀都是由氧的去极化控制的阴极过程。一切有利于供氧的条件,如海浪、飞溅、增加流速,都会促进氧的阴极去极化反应,促进钢的腐蚀。  

4.海水腐蚀的影响因素 

影响海水腐蚀的因素一般有海水含盐量,温度,溶氧量,pH值,流速与波浪,海生物等。 

(一)含盐量 

海水的盐度波动直接影响到海水的比电导率,比电导率又是影响金属腐蚀速度的一个重要因素,同时因海水中含有大量的氯离子,破坏金属的钝化,所以很多金属在海水中遭到严重腐蚀。盐类以Cl-为主,一方面:盐浓度的增加使得海水导电性增加,促进了阳极反应,使海水腐蚀性很强;另一方面:盐浓度增大使溶解氧浓度下降,超过一定值时金属腐蚀速度下降。 

(二)温度 

海水表层温度可由0℃增加到35℃,随海水深度增加,水温下降,表层海水温度还随季节而周期性变化,海底温度变化很小。温度对海水腐蚀的影响是复杂的。从动力学方面考虑,温度升高,会加速金属的腐蚀。另一方面,海水温度升高,海水中氧的溶解度降低,同时促进保护性碳酸盐的生成,这又会减缓钢在海水中的腐蚀。但在正常海水含氧量下,温度是影响腐蚀的主要因素。这是因为含氧量足够高时,控制阴极反应速度的是氧的扩散速度,而不是含氧量。对于在海水中钝化的金属,温度升高,钝化膜稳定性下降,点蚀、应力腐蚀和缝隙腐蚀的敏感性增加。 

(三)溶氧量 

海水腐蚀是以阴极氧去极化控制为主的腐蚀过程。海水中的含氧量是影响海水腐蚀性的重要因素。在恒温海水中,随溶解氧浓度的增加,氧扩散到金属表面的含量及阴极区极化速度也增加,从而导致腐蚀速率增加。对于能形成钝化膜的金属,含氧量适当增加有利于钝化膜的形成和修补,使钝化膜的稳定性提高,有助于防止腐蚀的进一步进行。海水的溶氧量随季节温度的变化而变化。 

(四)pH 

海水pH7.2-8.6之间,为弱碱性,对腐蚀影响不大。海水中除了氧和氮之外,还溶有二氧化碳,海洋生物的新陈代谢作用以及动植物死亡分解的碳酸盐,都与pH有关。pH升高有利于抑制海水腐蚀,并易产生钙镁沉淀物附着在材料表面,对材料的阴极保护有利,但也可能加剧局部腐蚀。

(五)流速

流速增加,金属腐蚀速度增加。海水对金属表面有冲蚀作用,当流速超过某一临界流速时,金属表面的腐蚀产物膜被冲刷掉,金属表面同时受到磨损,这种腐蚀与磨损联合作用,使钢的腐蚀速度急剧增加。对于在海水中能钝化的金属,如不锈钢、铝合金、钛合金等,海水流速增加会促进其钝化,可提高耐蚀性。 (六)微生物海生物对腐蚀的影响很复杂,因为它附着的种类和程度不同,对材料的腐蚀程度就不同。大型海生物的附着生长增加了船的前进阻力,降低航速,增加船的振动和燃料消耗,降低船的货运量。污损生物的繁殖也会引起船舶或海上建筑防腐蚀保护层的损坏,加速金属构件的腐蚀。当表面被完全覆盖时,可使腐蚀速率降低,而当表面局部被覆盖时,往往会使局部腐蚀加剧。 

5.海水腐蚀的防护方法 

海水腐蚀的防护方法主要有电化学保护、形成保护层、改善金属的本质、改善腐蚀环境等。 

(一)电化学保护方法 

 电化学保护方法有外加电流阴极保护法和牺牲阳极阴极保护法。外加电流阴极保护法是将被保护的金属与另一附加电极作为电解池的两极,被保护金属为阴极,这样就使被保护金属免受腐蚀。牺牲阳极阴极保护法是将活泼金属或其合金连在被保护的金属上,形成一个原电池,这时活泼金属作为电池的阳极而被腐蚀, 基体金属作为电池的阴极而受到保护。

(二)形成保护层 

在表面喷/衬、镀、涂上一层耐蚀性较好的金属或非金属物质以及将被保护表面进行磷化、氧化处理,使被保护表面与介质机械隔离而降低。一般采用电镀,也有用熔融金属浸镀或喷镀,或者直接从溶液中置换金属进行化学镀等。使用覆盖层防止金属腐蚀时,对覆盖层的基本要求:①结构紧密,完整无孔,不透介质②与基本金属有良好的结合力③高硬度、高耐磨、分布均匀 

(三)改善金属的本质和腐蚀环境 

通过合金处理和锻造淬火可以改变金属的成分,有效地提高了其耐磨耐腐蚀性能,从而减小了海水腐蚀。通过使用缓蚀剂、减少腐蚀介质的浓度,除去介质中的氧,控制环境温度、湿度等改变腐蚀环境的方法能有效的减慢金属在海水中的腐蚀速率。 

(四)微生物腐蚀的防护 

1)微生物抑制剂:微生物抑制剂有两类,即杀菌剂和抑菌剂。 

2)除去代谢物质:从一个系统中除去一种重要的代谢物质,可以控制细菌的活动。

3)避免缺氧条件:氧可以抑制硫酸盐还原菌的活动,停滞水系的强烈曝气可以防止水箱等系统的厌氧细菌腐蚀,水涝土壤的排水可以减轻埋设管道的腐蚀。

4)还可以通过控制PH,使用保护性涂料,阴极保护等措施减弱微生物对金属的腐蚀。 

 

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