海水及海洋大氣腐蝕論文

1、鋼鐵在海洋環(huán)境中的腐蝕與防護毛亞東 趙遠興摘要：海洋運輸業(yè)的和海洋石油工業(yè)的發(fā)展，對鋼鐵在海水及海洋大氣中的耐蝕性有了新的要求。本文綜述了海水及海洋大氣腐蝕的的危害、環(huán)境特征、腐蝕介質、腐蝕類型，以及海洋環(huán)境中影響鋼鐵腐蝕的因素和如何做好海洋環(huán)境中的腐蝕與防護工作。關鍵詞：鋼鐵 海水及海洋大氣腐蝕 腐蝕環(huán)境 腐蝕影響因素 腐蝕與防護1、 引言 近年來隨著經濟全球化的穩(wěn)步推進，全球海運量正飛速發(fā)展，同時人類對能源的大量需求也促使了海洋石油的開采。然而這些工業(yè)的發(fā)展都離不開鋼鐵材料，鋼鐵在人類中是使用最多、應用最為廣泛的金屬材料，占地球表面積71%的海洋是一個極為嚴酷的腐蝕環(huán)境，這對鋼鐵材料的耐腐

2、蝕性能有了新的要求。海洋環(huán)境對鋼鐵的腐蝕為人類開發(fā)活動帶來了許多不必要直接和間接的經濟損失，為了海洋工業(yè)的發(fā)展必須將其影響降到最低。2、 海洋腐蝕環(huán)境 海洋腐蝕環(huán)境包括海洋大氣腐蝕環(huán)境和海水腐蝕環(huán)境，鋼材在海洋環(huán)境中的具體位置不同其腐蝕機理和腐蝕類型也各不相同。包括海洋大氣腐蝕、海水腐蝕、潮差區(qū)腐蝕、飛濺區(qū)腐蝕、全浸區(qū)腐蝕等，為了研究不同區(qū)域的腐蝕必須從腐蝕介質入手。21海水腐蝕環(huán)境 海水是一種復雜的多組分水溶液，海水中各種元素都以一定的物理化學形態(tài)存在。海水是一種含鹽量相當大的腐蝕性介質，表層海水含鹽量一般在3.20-3.75之間，隨水深的增加，海水含鹽量略有增加。相互聯(lián)通的各大洋的平均含鹽

3、量相差不大，太平洋為3.49，大西洋為3.54，印度洋為3.48。鹽分中主要為氯化物，占總鹽量的88.7.由于海水總鹽度高，所以具有很高的電導率，海水平均比電導率約為4×102S·cm1，遠遠過河水（2×104S·cm1）和雨水（2×103S·cm1）的電導率。海水中pH值通常為8.1-8.2，且隨海水深度變化而變化。若植物非常茂盛，CO2減少，溶解氧濃度上升，pH值可接近10；在有厭氧性細菌繁殖的情況下，溶解氧量低，而且含有H2S，此時pH值常低于7。海水中的氧含量是海水腐蝕的主要影響因素之一，正常情況下，表面海水氧濃度隨水溫大體在

4、510mg/L范圍內變化。海水溫度一般在-2-35之間，熱帶淺水區(qū)可能更高。海水中氯離子含量約占總離子數(shù)的55，海水腐蝕的特點與氯離子密切相關。氯離子可增加腐蝕活性，破壞金屬表面的鈍化膜。22海洋大氣腐蝕環(huán)境 大氣腐蝕一般被分成鄉(xiāng)村大氣腐蝕，工業(yè)大氣腐蝕和海洋大氣腐蝕。 鄉(xiāng)村地區(qū)的大氣比較純凈；工業(yè)地區(qū)的大氣中則含有SO2，H2S, NH2和NO2等，與之相比海岸附近的大氣與其他大氣環(huán)境有明顯不同。海洋大氣是指在海平面以上由于海水的蒸發(fā)，形成含有大量鹽分的大氣環(huán)境。此種大氣中鹽霧含量較高，對金屬有很強的腐蝕作用。與浸于海水中的鋼鐵腐蝕不同 ,海洋大氣腐蝕同其它環(huán)境中的大氣腐蝕一樣是由于潮濕的氣

5、體在物體表面形成一個薄水膜而引起的。這種腐蝕大多發(fā)生在海上的船只、海上平臺以及沿岸碼頭設施上。我國許多海濱城市受海洋大氣的影響，腐蝕現(xiàn)象是非常嚴重的.普通碳鋼在海洋大氣中的腐蝕比沙漠大氣中大50倍100倍。除了在強風暴的天氣中，在距離海岸近的大氣中的金屬材料，特別是在距海岸200m以內的大氣區(qū)域中，強烈的受到海洋大氣的影響，.離海岸24m處鋼的腐蝕比240m處大12倍，海洋大氣中金屬材料腐蝕速率明顯變化發(fā)生在距海岸線 15 km到 25 km之間。因此，海洋大氣的影響范圍一般界定為20km左右。海洋大氣中相對濕度較大，同時由于海水飛沫中含有氯化鈉粒子，所以對于海洋鋼結構來說，空氣的相對濕度都高

6、于它的臨界值。因此，海洋大氣中的鋼鐵表面很容易形成有腐蝕性的水膜。薄水膜對鋼鐵的作用而發(fā)生大氣腐蝕的過程，符合電解質中電化學腐蝕的規(guī)律。這個過程的特點是氧特別容易到達鋼鐵表面，鋼鐵腐蝕速度受到氧極化過程控制?？諝庵兴s質對大氣腐蝕影響很大，海洋大氣中富含大量的海鹽粒子，這些鹽粒子雜質溶于鋼鐵表面的水膜中，使這層水膜變?yōu)楦g性很強的電解質，加速了腐蝕的進行，與干凈大氣的冷凝水膜比，被海霧周期飽和的空氣能使鋼的腐蝕速度增加倍。3、 海水及海洋大氣腐蝕的影響因素31鹽度 鹽度是指100克海水中溶解的固體鹽類物質的總克數(shù)。一般在相通的海洋中總鹽度和各種鹽的相對比例并無明顯改變，在公海的表層海水中，其

7、鹽度范圍為3.203.75，這對一般金屬的腐蝕無明顯的差異。但海水的鹽度波動卻直接影響到海水的比電導率，比電導率又是影響金屬腐蝕速度的一個重要因素，同時因海水中含有大量的氯離子，破壞金屬的鈍化，所以很多金屬在海水中遭到嚴重腐蝕。32含氧量 海水腐蝕是以陰極氧去極化控制為主的腐蝕過程。海水中的含氧量是影響海水腐蝕性的重要因素。氧在海水中的溶解度主要取決于海水的鹽度和溫度，隨海水鹽度增加或溫度升高，氧的溶解度降低。如果完全除去海水中的氧，金屬是不會腐蝕的。對碳鋼、低合金鋼和鑄鐵等，含氧量增加，則陰極過程加速，使金屬腐蝕速度增加。但對依靠表面鈍化膜提高耐蝕性的金屬，如鋁和不銹鋼等，含氧量增加有利于鈍

8、化膜的形成和修補，使鈍化膜的穩(wěn)定性提高，點蝕和縫隙腐濁的傾向減小。33 CO2、碳酸鹽的影響 海水中的CO2主要以碳酸鹽和碳酸氫鹽的形式存在，并以碳酸氫鹽為主。CO2氣體在海水中的溶解度隨溫度、鹽度的升高而降低，隨大氣中CO2氣體分壓的升高而升高。海水中的碳酸鹽對金屬腐蝕過程有重要影響。除CO2水合生成碳酸根離子外，海洋生物的新陳代謝作用以及動植物死亡后尸體分解也會產生碳酸鹽，某些含碳酸鹽的礦物和巖石的溶解也會增加海水中碳酸鹽的含量。碳酸鹽通過pH值的增大，在金屬表面沉積形成不溶的保護層，從而對腐蝕過程起抑制作用。34溫度的影響 海水的溫度隨著時間、空間上的差異會在一個比較大的范圍變化。從兩極

9、到赤道，表層海水溫度可由0增加到35，海底水溫可接近0，表層海水溫度還隨季節(jié)而呈周期性變化。溫度對海水腐蝕的影響是復雜的。從動力學方面考慮，溫度升高，會加速金屬的腐蝕。另一方面，海水溫度升高，海水中氧的溶解度降低，同時促進保護性碳酸鹽的生成，這又會減緩鋼在海水中的腐蝕。但在正常海水含氧量下，溫度是影響腐蝕的主要因素。這是因為含氧量足夠高時（實測值為5 mLL以上），控制陰極反應速度的是氧的擴散速度，而不是含氧量。對于在海水中鈍化的金屬，溫度升高，鈍化膜穩(wěn)定性下降，點蝕、應力腐蝕和縫隙腐蝕的敏感性增加。35海水流速的影響 海水腐蝕是借助氧去極化而進行的陰極控制過程，并且主要受氧的擴散速

10、度的控制，海水流速和波浪由于改變了供氧條件，必然對腐蝕產生重要影響。另一方面，海水對金屬表面有沖蝕作用，當流速超過某一臨界流速wc時，金屬表面的腐蝕產物膜被沖刷掉，金屬表面同時受到磨損，這種腐蝕與磨損聯(lián)合作用，使鋼的腐蝕速度急劇增加。對于在海水中能鈍化的金屬，如不銹鋼、鋁合金、鈦合金等，海水流速增加會促進其鈍化，可提高耐蝕性。36海生物的影響 海生物在大多數(shù)情況下是加大腐蝕的，尤其是局部腐蝕。海水中葉綠素植物可使海水中含氧量增加，海生物放出的CO2使周圍海水酸性加大，海生物死亡、腐爛可產生酸性物質和H2S，這些都可使腐蝕加速。此外，有些海生物會破壞金屬表面的油漆或鍍層，有些微生物本身對金屬就有

11、腐蝕作用。37干濕交替的影響 暴露于海洋大氣環(huán)境下的金屬材料表面常常處于干濕交替變化的狀態(tài)中，干濕交替導致金屬表面鹽濃度較高從而影響金屬材料的腐蝕速率干濕交替變化的頻率受到多種因素的影響?？諝庵械南鄬穸韧ㄟ^影響金屬表面的水膜厚度來影響干濕交替的頻率。日照時間如果過長導致金屬表面水膜的消失，降低表面的潤濕時間， 腐蝕總量減小。另外降雨、風速對金屬表面液膜的干濕交替頻率也有一定的影響。在海洋大氣區(qū)金屬表面常會有真菌和霉菌沉積，這樣由于它保持了表面的水分而影響干濕交替的頻率從而增強了環(huán)境的腐蝕性。38光照條件 光照條件是影響材料海洋大氣腐蝕的重要因素。光照會促進銅及鐵金屬表面的光敏腐蝕反應及真菌類

12、生物的生物活性，這就為濕氣和塵埃在金屬表面貯存并腐蝕提供更大的可能性。在熱帶地區(qū)金屬受到日光的強烈照射，同時珊瑚粉塵和海鹽混合在一起使金屬的腐蝕極為嚴重。另外，海洋大氣中的材料背陽面比朝陽面腐蝕更快。這是因為與朝向太陽的一面相比，背向太陽面的金屬材料盡管避開太陽光直射、溫度較低，但其表面塵埃和空氣中的海鹽及污染物未被及時沖洗掉，濕潤程度更高使腐蝕更為嚴重。4、海水及海洋大氣環(huán)境中鋼鐵的防腐蝕 綜上所述，海洋大氣中的鋼鐵由于受環(huán)境因素的影響，必然需采用一定的防腐蝕措施。防腐蝕措施有玻璃鋼，耐蝕材料熱噴涂，陰極保護等多種方法，但由于造價原因或管理上的原因，目前更多的是選用涂料保護措施。下面介紹幾類

13、常用的防腐涂料。41幾種涂層的成膜物質411環(huán)氧樹脂 環(huán)氧樹脂是一種優(yōu)良的樹脂，在防腐施工中用途最廣泛，它最突出的特性就是其與物面的附著力，這是由于其分子中含有極性的羥基、醚鍵等，即使對濕面也能有一定的附著。環(huán)氧樹脂中含有親水的羥基和醚鍵，但樹脂中的雙酚鍵段有疏水性，而環(huán)的剛性屏蔽了羥基和醚鍵，保持了整體漆膜的耐水性。環(huán)氧樹脂分子中沒有酯鍵，耐堿性能優(yōu)良，而普通樹脂系漆或醇酸漆極易被皂化破壞。從其優(yōu)良的耐腐蝕性和附著力看，它是一種優(yōu)良的耐海洋腐蝕涂料的基料。環(huán)氧樹脂中含有醚鍵，經紫外線照射后易降解斷鍵，所以環(huán)氧樹脂不耐戶外日曬，漆膜易失去光澤，然后粉化，不宜做面漆，若必須做戶外面漆，則須加入足

14、量能遮蔽紫外線的顏料，如鋁粉、云母氧化鐵、石墨等，可阻緩降解粉化速度。412聚氨酯樹脂 聚氨酯樹脂涂料的性質接近于環(huán)氧涂料，但與環(huán)氧樹脂比，聚氨酯涂料固化溫度可以較低，附著力也比環(huán)氧樹脂稍低，同時環(huán)氧樹脂涂層屬剛性，聚氨酯則可調節(jié)配方，既可制剛性涂料，也可制成彈性涂料，環(huán)氧不耐日曬，易粉化，不適宜作面漆，而聚氨酯可作底漆也可作面漆，而且裝飾性能也好。413氯化橡膠涂料 氯化橡膠是將橡膠或某些聚烯烴溶解于中，通入氯氣反應而成。氯化橡膠的化學組成 為（1），不含酯鍵，因而耐皂化和腐蝕，而且漆膜的透水率低。氯化橡膠鏈中有許多六元環(huán)，所以其性質剛脆且溶劑釋放快（干性快），而鍵有一定的極性，所以它有一定

15、的附著力。在我國該類涂料大量應用于船舶、港灣結構。其它另有許多成膜物質如瀝青、生漆、酚醛樹脂、醇酸樹脂等很多類型，它們分別有自己的特性，也可用于海 洋大氣的涂裝中，但因性能缺陷或價格原因，未能得到廣泛應用。42幾種類型底漆421富鋅底漆 含有大量鋅粉的底漆稱為富鋅底漆，漆膜中鋅粉相互接觸并與金屬面接觸而導電,在腐蝕環(huán)境中對鋼鐵起犧牲陽極的陰極保護作用，該類涂料中含鋅量一般在以上。富鋅漆組分為無機富鋅漆和有機富鋅漆兩種，無機富鋅漆防腐蝕性能最好，耐鹽霧性優(yōu)良，而且它還可以與鋼面反應生成硅酸鐵，所以附著力強，但是無機富鋅漆施工比較復雜，而且在無機富鋅底漆上欲罩面漆時較為困難，容易發(fā)生起泡和脫落。有

16、機富鋅漆基料以環(huán)氧聚酰胺為代表，其耐蝕性雖不及無機富鋅漆，但它對金屬面噴砂要求比無機富鋅漆較低些，耐機械性能也好，而且面漆也較易配套，故應用較為廣泛。富鋅底漆的防腐蝕機理是：在前階段，通過鋅粉的溶解犧牲對鋼鐵起陰極保護作用。在后階段，隨著鋅粉的溶解，在鋅粉顆粒中間沉積了許多腐蝕產物（主要是堿式碳酸鋅等（），這些致密而微堿性腐蝕產物不導電，填塞了顏料層，阻擋屏蔽腐蝕因子的透過，即后階段是由屏蔽作用而起防蝕效果。422紅丹漆 紅丹漆是以紅丹為主要顏料的防銹漆。紅丹化學組成是，紅丹能與鋼鐵腐蝕初始階段的產生離子交換，生成難溶的，也能與產生離子交換生成（）。紅丹還能將氧化成穩(wěn)定的使漆膜增密，減小了離子

17、滲透性。紅丹還能吸收腐蝕介質中 成為不溶性，既減小腐蝕介質的導電性，又可增加漆膜中致密程度。423磷酸鋅涂料 磷酸鹽作為防銹顏料的品種也很多，如磷酸鐵銨，磷酸鐵、磷酸鉻、磷酸鈣和鋇等，在應用上比較成功的是磷酸鋅（），磷酸鋅本身是水合物，具有堿式絡合物的能力。這種絡合物與漆基的極性基團（羥基或羧基）進一步絡合，生成穩(wěn)定的交聯(lián)絡合物以增強漆膜耐水性和附著力，同時也能和形成絡合物，阻止銹的形成和發(fā)展。5、結語 對于鋼在工業(yè)和鄉(xiāng)村環(huán)境中的腐蝕已有較多的研究，海洋環(huán)境中含有大量的Cl-,鋼鐵在海洋環(huán)境中腐蝕與工業(yè)和鄉(xiāng)村環(huán)境中的腐蝕在腐蝕機理和規(guī)律方面存在差異。鋼鐵在海洋環(huán)境中的腐蝕過程不同于其它環(huán)境,鋼鐵材料在實際海洋環(huán)境中腐蝕影響因素眾多,作用十分復雜 ,這對海洋環(huán)境的腐蝕研究提出了更高的要求。對于海洋大氣腐蝕研究,希望建立室