金属材料的腐蚀与防护

张秀荷 杨莲慧 王海涛 张志春

摘 要：本文中结合金属腐蚀机理，对海洋腐蚀防护措施和井下腐蚀的主要预防进行了分析，以供参考。

关键词：金属材料；腐蚀；海洋腐蚀；井下腐蚀；防护措施

中图分类号：C35文献标识码： A

一、 金属腐蚀的机理

按照金属腐蚀的机理。可将金属腐蚀大概分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种。化学腐蚀就是金属与接触到的物质直接发生氧化还原反应，而被氧化损耗的过程；电化学腐蚀就是铁和氧形成两个电极，组成腐蚀原电池，因为铁的电极电位总比氧的电极电位低，所以铁是阳极。遭到的腐蚀不论是化学腐蚀，还是电化学腐蚀，金属腐蚀实质都是金属原子已被氧化，从而转化成金属阳离子的过程。

二、金属腐蚀的发生

海洋腐蚀是金属与周围海洋环境发生化学或者电化学反应而产生的一种破坏性腐蚀。很多金属元素如铜、铁、镁等在自然界都是以化合物的形式存在，也就是它们的最稳定态---氧化态存在。人们通过冶炼时使这些元素吸收并储存一定能量后变为中性金属态，相对于氧化态而言，这是种能量较高的不稳定态，在合适的条件下便自发的便会为稳定的氧化态。中性金属态到氧化态的转变的吉布斯自由能小于零，可自发进行；从热力学上来讲，海洋腐蚀上由于金属与其周围介质构成一个热力学不稳定的体系，此体系具有自发的从这种不稳定状态趋向稳定状态的倾向。

三、金属材料井下腐蚀的主要预防

在金属表面覆盖各种保护，把被保护金属与腐蚀性介质隔开，是防止金属腐蚀的有效方法。

（一）预防涂料重防腐

涂料重防腐是底漆、中间漆和面漆组成的油漆涂层体系进行防腐，其防腐原理主要是机械屏蔽，即油漆涂层将钢铁与腐蚀介质相隔离，以阻止和减缓腐蚀介质对钢铁的侵蚀，保护钢铁不受腐蚀。非

金属油漆涂层随时间的延长，环境的变化，有机物终究要老化，影响防腐性能。一般情况复合涂层可以对钢设备进行中等年限的防护保护。涂料初次的涂装之后，需要定期的刷面漆，对其进行相应的维护。如进行彻底维护时，需要对钢铁构件重新进行喷砂除锈，然后涂装油漆。

（二） 预防热浸镀锌防腐

热浸镀锌防腐，是将经过酸洗除锈的钢构件浸入480～520℃，高温锌熔池3～5min，使钢铁表面沾挂一层锌液，经冷却后形成镀层。热浸镀锌镀层可对钢铁提供机械屏蔽于电化学保护的作用，涂层和钢铁表面的结合力比较好，但是镀锌涂层的厚度比较薄。锌涂层一旦腐蚀后，其局部会漏出钢铁的基本构体。致使致涂层失效，所以，热浸镀锌防腐耐腐蚀年限稍短，可提供钢铁中等年限的防腐保护。同时热镀锌生产的工艺，其局限性比较大，对钢井架和井筒装备等一些大构件的应用比较困难，而对形状复杂的钢构件，因为其受到高温的影响，会致使钢构件变形，从而影响其最终的作用。

（三）预防电弧喷涂防腐

通过电弧喷涂的相关电源，两根带正和负电金属丝材需要连续被送到电弧喷枪的端头，在端部短路接触时，所产生电弧熔化，熔融铝高温的液滴，会被压缩空气喷吹和雾化，以及喷涂至工件的表面，与基体所结合形成良好的电弧喷涂涂层。丝材被熔化的温可达6000℃ 。因为电弧喷涂丝材熔化的温度高，丝材熔化较均匀，无半熔化或者高塑性喷涂颗粒，喷涂粒子携带较大的热能和动能撞击，涂层与基体以较强的机械结合和微冶金结合。所以电弧喷铝涂层和金属基体具有优良的涂层结合力，在弯曲和冲击或碰撞下，可保证保防腐涂层不脱落和不起皮，其结合牢固，防腐长久有效，这一点是其他任何表面防腐涂层无法达到的。电弧喷涂层防腐原理，是阴极保护与机械屏蔽的相结合。在腐蚀环境下，即使防腐涂层局部破损，也具有牺牲自身保护钢铁基体的效果。涂层(阳极)与钢铁基体(阴极)的面积比≥1。此外，电弧喷涂层的厚度可依照设计来进行施工，可达到较厚的厚度，使涂层的耐蚀寿命能够延长。电弧喷涂防腐涂层，是由电弧喷涂涂层与有机封闭涂层相结合，其耐腐蚀的寿命不是二者之和，而是二者之和的1.5～2.3倍。合理设计涂层的厚度，其耐腐蚀的寿命也可以达到30a以上，30a以后的维护只需在电弧喷涂层上刷封闭涂料，没必要重新喷涂，实现一次防腐，长久不腐。 但由于井下存在瓦斯的特殊性，电弧容易引起瓦斯爆炸，该技术难以在井下应用。

四、 金属材料海洋腐蚀的防护

整个腐蚀反应过程, 包括四大步骤：一是去极化剂到达金属表面的传质过程。二是阳极反应过程。三是与阳极反应过程同时进行的去极化剂还原的阴极反应过程。四是腐蚀产物离开金属表面或转化为其他化合物的过程。

（一） 电化学保护

电化学保护分为阴极保护和阳极保护。阴极保护的原理如下：利用电化学原理，将被保护的金属设备进行外加阴极极化降低或防止腐蚀；将被保护金属进行外加阴极极化以减少或防止金属腐蚀的方法叫做阴极保护法。阴极保护有包括外加电流阴极保护和牺牲阳极保护。外加电流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。外加电流阴极保护所需保护电流是由直流电源(如蓄电池、直流发电机、整流器等)提供的；而牺牲阳极保护中所需保护电流是由牺牲阳极的溶解所提供的。为了有效地发挥保护作用，牺牲阳极的电位要足够负，阳极极化率要小，特别是表面不能生成保护性的腐蚀产物膜，阳极溶解要均匀。

（二）金属的磷化处理

钢铁制品去油、除锈后，放入特定组成的磷酸盐溶液中浸泡，即

可在金属表面形成一层不溶于水的磷酸盐薄膜，这种过程叫做磷化

处理。磷化膜呈暗灰色至黑灰色，，在大气中有较好的耐腐蚀性。膜是微孔结构，对油漆等的吸附能力强蚀。

（三） 覆盖层保护

基底材料和覆层材料组成复合材料，可以充分发挥基底材料和覆层材料的优点，满足耐蚀性，物理、机械和加工性能，以及经济指标多方面的需要。覆盖层的保护效果和使用寿命取决于三个方面的因素：覆层材料在使用环境中的耐蚀性、强度、塑性和耐磨性。覆层的均匀性、孔隙和缺陷。覆层与基体金属的结合力。覆盖层保护又分为金属保护层、化学转化膜、非金属保护层。金属保护层包括金属镀层、金属衬里、双金属复合板；化学转化膜包括阳极氧化、化学氧化、磷酸盐处理、草酸盐处理、铬酸盐处理 ；非金属保护层包括油漆涂料、塑料涂覆、搪瓷、钢衬玻璃、非金属材料衬里、暂时性防锈层。聚氨脂涂料、乙烯基涂料等。防护涂层应有尽可能低的透水性、透氧性、透离子性,以及良好的工艺性如附着力、固化收缩率等。

五、金属腐蚀防护的发展方向

腐蚀破坏遍及国民经济和国防建设的各个部门。随着工业的发展,广泛地采用在高参数条件下的强化生产工艺。在这些生产工艺中,普遍涉及高温、高压、强腐蚀性介质、高负荷应力或高热流、高质流等高参数条件下的强化操作,从而对材料保护提出愈来愈高的要求。如果不能切实可靠地解决腐蚀问题,它往往会引起突发的恶性事故,造成巨大的经济损失,严重的社会后果和影响战备。因此,腐蚀科学与保护技术的研究与发展,将直接影响到国民经济与国防建设所有部门的安全保障、经济效益和发展水平。

结束语：

综上所述，金属腐蚀可造成设备的全面损坏而报废，也可使零件强度下降，还会产生腐蚀脆性等不良后果，是机械零件失效的重要形式之一。所以，对金属腐蚀机理的研究，同时采取有效的防腐措施，确保其设备的使用年限，降低由于金属材料腐蚀所造成的损失。

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