学文网摘要: 海水是一种多种组分的水溶液,溶解有多种无机盐类,这使得海水成为天然的强电解质,具有导电的特性。海洋中的金属材料在与环境介质间发生化学或电化学相互作用中会引起材料的破坏或变质,发生金属腐蚀现象。据互联网统计,世界每年因腐蚀而损失的金属材料达1亿吨,世界各发达国家每年因金属腐蚀而造成的经济损失约占其国民生产总值的3.5%～4.2%,超过每年各项大灾(火灾、风灾及地震等)损失的总和,而其中因海水而腐蚀的金属材料高达近4000万吨。文章就海水腐蚀金属的因素及相应的防腐保护做了相关探讨。
关键词:金属海水腐蚀分析措施
中***分类号:TQ02文献标识码:A文章编号:1007-3973(2010) 08-106-02
1海水腐蚀因素分析
造成金属材料在海水、海洋大气及海底泥土中发生腐蚀现象的因素,主要有化学因素、物理因素、生物因素、区域因素。
(1)化学因素的作用主要体现在海水中的溶解氧(DissolvedOxygen)含量,含盐量及电导率等方面。溶解氧含量是影响海水腐蚀速率的重要因素,根据氧的作用可将金属分为活性金属(非钝化金属)和钝化型金属。对于前者,如铸铁、碳钢和低合金等,溶解氧含量越高则造成的金属腐蚀将越严重,反之,对于后者,如不锈钢、铝、钛等,溶解氧有利于金属表面钝化膜的形成和维护,低浓度的溶解氧反而不利于钝化膜的形成而导致腐蚀。海水具有的高含盐量则直接影响海水的电导率和含氧量,进而对腐蚀产生影响,海水的电导率增加将加速金属材料的腐蚀。而cl-能破坏大多数金属,如刚、铸铁、锌等表面的氧化膜,使之在海水中无法钝化,加速了局部腐蚀。海水的PH值几乎不直接影响金属的腐蚀。一般情况下,海水的PH值越高,越有利于减少海水对钢铁的腐蚀,但实际海水的PH值变化小,它对金属腐蚀的影响也小。
(2)影响腐蚀的物理因素有海水流速、波浪、潮汐、温度等,它们影响到溶解氧的供给。有的金属是流速高时耐腐蚀性较好,如不锈钢,有的则流速低时耐腐蚀性好,如铜合金等,对于钢铁则不论海水流速的快慢都将使腐蚀速度加快,这是因为海水中的高cl-浓度使得钢铁不论流速大小都建立不了钝态。此外一定高速的流速还将产生冲击腐蚀等多种腐蚀现象,使金属的腐蚀速度加快。飞溅的浪花供氧充足,并且在金属表面产生冲击磨损,破坏其上的保护膜和涂层,导致部分非钝性金属的腐蚀加重。潮汐的涨落将使得靠近海面的大气中有大量的水分和盐分,再加上有充足的氧气,它们加剧了金属的腐蚀。海水水温的升高对腐蚀起着加速的作用,但影响过程较复杂。
(3)在海洋金属上还附着有一些海洋生物,包括海洋动物、植物、和微生物(如硫酸盐还原菌等),它们会在金属表面生长繁殖,产生腐蚀性物质或促进电化学腐蚀,在钢结构表面造成点蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀,其代谢物及尸体分解物中含有硫化氢等酸性成分亦会金属的腐蚀起着加速作用。某些海洋附着生物在生长过程中还能穿透金属表面的保护层,直接破坏保护涂层,引起严重的腐蚀。
(4)区域因素,这里所说的区域因素是定义为海洋结构物被腐蚀部位相对海水的位置。处在大气、海水及海底泥土各不同环境区域的金属材料将有着不同的腐蚀机理及过程。一般按相对位置分为海洋大气区、海洋飞溅区、海水潮差区、海水全浸区、海底泥土区,区域划分及腐蚀速度如***:
海水腐蚀环境区域
在海洋大气区中的金属材料常年接触不到海水,但吸附在金属表面的海盐颗粒会造成严重的海盐腐蚀,海洋大气中的盐雾落在金属上亦加速金属腐蚀。
海洋飞溅区的金属经常受到海水波浪的飞溅喷洒和浪花的不断冲击破坏,氧气供应又充足,使之成为许多金属材料腐蚀最严重的区域,材料更易受到破坏。
海水潮差区位于海水平均高潮线与平均低潮线之间,该区域随着潮汐的升降发生周期性的干湿变化。此处存在海洋生物的附着污损,又有充足的氧气,金属腐蚀也较严重。
海水全浸区常年浸泡在海水中,海水成分中的高浓度溶解氧及cl-成为造成金属严重腐蚀的主要因素。由于海洋表层能得到大气中的丰富的氧气以及海洋植物在光合作用下产生大量氧,因而海水含氧量在近表层最高,随着水深增加而减小,只是在海底由于来自极地的高含氧水使含氧量又有所升高,因此造成在浅海区域的腐蚀程度较重,而在深海区的腐蚀程度较轻。此外,近海区域较严重的海洋污染,海洋生物污损及海水流动、海洋水温等都对金属腐蚀产生重要影响。
海底泥土区含有大量的沉积物,含盐量高,具有较好的导电特性,海底泥土成为良好的电解质,使金属产生腐蚀。此外,海底泥土区的氧浓度很低,生长繁殖有厌氧的硫酸盐还原菌等细菌,对金属造成点蚀、缝隙腐蚀等多种局部腐蚀。和其它区域相比,海泥区腐蚀程度相对较轻。
实际工程中,金属的海洋腐蚀受到许多因素的共同影响是一个复杂的过程。针对不同的金属材料和结构物不同的工况环境,其腐蚀会呈现不同的规律,需要具体情况具体分析。本文不作详细描述。
(上接第106页)2金属的防腐保护
在海洋工程中,对金属的防腐保护措施广泛采用的有阴极保护(Cathodic Protection)技术和海洋防腐涂料。
阴极保护法是海水全浸区的主要防蚀方法,其工作原理是将处于电解质溶液中的金属结构进行阴极极化,,使其电位向负的方向移动,从而使金属腐蚀得到抑制。根据提供阴极保护电流途径的不同,又分为牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护两种方法。前者是通过将电负性金属(作为阳极)如特制的锌合金和铝合金与被保护的金属相连接,通过阳极材料的溶解消耗来提供保护电流。后者是利用外部电源如整流器等来提供提供阴极保护所需的电流。
海洋防腐涂料法是一种古老的有效防蚀方法,一直得到广泛应用。它既用在海洋大气区、海洋飞溅区、海水潮差区,同时用在海水全浸区,与阴极保护法一道对金属进行联合防腐保护。金属表面的***层(Coating)如同一层连续的保护膜,其作用一方面在于隔绝外界腐蚀介质如海水、氧、cl-等与金属的接触,在两者之间形成一个高电阻,阻止其发生电化学反映,另一方面,有的***层还可以起到阴极保护及钝化等防蚀作用。这些年随着海洋环境保护意识的提高和需要,过去经常使用的有毒涂料被要求改进、限制使用或禁用,无毒防蚀涂料的应用在上升。目前我国海船及海洋平台使用佐敦(挪威)、Valspar (USA)油漆居多,佐敦漆漆膜坚韧而富有弹性、耐冲击磨损,且低毒、附着性好、被广泛地应用于石油化工工业、海洋工程、电厂、港口机械、桥梁、建筑钢结构及公共设施等各类行业。
在金属表面涂敷一层其它金属,如在钢铁上镀锌、镀镉和喷涂锌铝涂层等既能屏蔽外界腐蚀介质,又可作为牺牲阳极,起阴极保护作用,从而亦可达到防止金属腐蚀的目的。防腐蚀设计和合理的选材对解决金属结构物的腐蚀问题具有重要的作用,由于在设计阶段就采取了有效的措施,因此可以使许多潜在的腐蚀问题得到避免,取得事半功倍的效果。
此外,提高材料自身耐腐蚀能力,在钢中添加Cr、Ni、P、Cu、Mn等元素可制成耐海水合金钢,以提高耐蚀性(Corrosion Resistance),使得其在海洋大气及飞溅区的被腐蚀速度降低(比碳钢小),但对于金属中不同的成分组成及不同的使用环境会有不同的防腐效果。我们也可大胆的设想,在不久的将来我们能研发出可完全替代金属又经济、实用的合成材料,甚至在海水中不涂防腐涂料也不会受到腐蚀。这将对我们这个能源、资源相对匮乏的国家具有十分巨大的经济及战略意义。我们的材料人才可以在这方面努力研发,争取早日实现这一目标。
参考文献:
[1]赵麦群,雷阿丽.金属的腐蚀与防护[M].北京:国防工业出版社.
[2]梁成浩.现代腐蚀科学与防护技术[M].上海:华东理工大学出版社.
[3]尹衍升,***,董丽华.海洋工程材料学[M].北京:科学出 版社.
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