材料腐蝕與防護-第十二章-防腐設計

第十二章防腐蝕設計

防腐蝕設計是材料腐蝕與防護研究中一個非常重要的課題。通過正確運用已有的知識和經驗，經過周密的防腐蝕設計來減少和避免的損失。

防腐蝕設計包括；

(1)選材；

(2)防腐蝕結構設計；

(3)防腐蝕措施的選擇；

(4)防腐蝕強度設計；

(5)防腐蝕工藝設計。12.1選材

12.1.1正確選材基本原則

正確合理選材是一個調查研究、綜合分析與比較鑒別的復雜而細致的過程，是防腐蝕設計成功與否的關鍵一環(huán)。

選材應遵循如下基本原則：（1）材料的耐蝕性能要滿足設備或物件使用環(huán)境的要求；

根據環(huán)境選擇材料，所選擇材料才能適應環(huán)境。例如，“材料一環(huán)境”搭配證明：不銹鋼用于硝酸；鋼用于濃硫強；錫用于蒸餾水：鈦用于熱的強氧化性溶液；包鋁用于除氫氟酸和燒堿溶液外的介質。（2）材料的物理、機械和加工工藝性能要滿足設備或物件的設計與加工制造要求；結構材料除具有一定的耐蝕性外，一般還要具有必要的機械性能(如強度、硬度、彈性、塑性、沖擊韌性、疲勞性能等)、物理性能(如耐熱、導電、導熱、光、磁及密度、比重等)及工藝性能(如機加工、鑄造、焊接性能等)。（3）選材時力求最好的經濟效益和社會效益；要優(yōu)先考慮國產的、價廉質優(yōu)的、資源豐富的材料。12.1.2選材時應考慮的因素選材順序如圖所示（1）明確產品的工作環(huán)境；

材料的選定主要是通過工藝流程中各種環(huán)境因素來決定的。選材時必須了解的環(huán)境因素包括化學因素和物理因素。（2）查閱權威手冊，借鑒失效經驗；

可以參考資料：左景伊編寫的《腐蝕數據手冊》；朱日彰等編寫的《金屬防腐蝕手冊》；美國腐蝕工程師協(xié)會(NACE)出版的《CorrosionDataSurvey》；查詢我國自然環(huán)境條件下的腐蝕數據庫；（3）腐蝕試驗；

資料中所列的使用條件有時與實際使用條件并不完全一致，這時就必須進行腐蝕試驗。腐蝕試驗應是接近十實際環(huán)境的浸泡試驗或模擬試驗．條件許可時還應進行現(xiàn)場(掛片)試驗，甚至實物或應用試驗，以便獲得材料可靠的腐蝕性能數據。（4）兼顧經濟性與耐用性；

（5）考慮防腐措施；

在選材的同時，應考慮行之有效的防護措施。適當的防護如涂層保護、電化學保護及施加緩蝕劑等，不僅可以降低選材標準．而且有利于延長材料的使用壽命。（6）考慮材料的加工性能；

材料最后的選定還應考慮其加工焊接性能，加工后是否可進行熱處理，是否會降低耐蝕性。12.2防腐蝕結構設計1）

合理的結構形式和表面狀態(tài)

結構件的形式力求簡單。便于采取防腐蝕措施，便于檢查、排除故障，有利于維修。

形狀復雜的構件，往往存在死角、縫隙、接頭，在這些部位容易積液或積塵，從而引起腐蝕。在無法簡化結構的情況下，可將構件設計成分體結構，使腐蝕嚴重的部位易于拆卸、更換。構件的表面狀態(tài)，要盡量致密、光滑。通常光亮的表面比粗糙的表面更耐腐蝕。2）防止積水或積塵在有積水或積塵的地方，往往腐蝕的危險性大。因此在結構設計時，應盡可能不存在積水或積塵的坑洼。

例如，容器的出口應位于最低處(圖)；積液的部位，開排液孔；不讓水或塵埃積聚等(圖)。3）防止縫隙腐蝕縫隙中的介質可引起金屬的縫隙腐蝕，但可通過拓寬縫隙、填塞縫隙、改變縫隙位置或防止介質進入等措施加以避免。4）

防止電偶腐蝕

防止電偶腐蝕的常用辦法是避免腐蝕電池不同的金屬連接。電偶腐蝕僅在有電解質（如潮濕）環(huán)境下局部接觸地方才可能發(fā)生，若在干燥的環(huán)境就沒有這種腐蝕危險。

防止或減少電偶腐蝕的措施如下：

(1)不應把電位序相差過大的金屬連接在一起。在海洋大氣及金屬表面可能長期接觸潮氣的場合，此要求務必滿足。

(2)將異種金屬相互隔開，防止金屬接觸。例如采用抗老化塑料或橡膠．如圖所示。(3)在兩種異類金屬之間插入第三種金屬材料，減少電位差，如圖所示。(4)若不能避免異類金屬接觸時，一定要盡量降低陰極面積與陽極面積比，避免大陰極／小陽極的組合，如圖所示。

當陽極面積比陰極面積大且溶液有良好導電性時，腐蝕呈大面積分布，因而在大多數情況下不嚴重，如圖(a)。但若溶液導電性不好時，則在靠近陰極附近的陽極區(qū)域會發(fā)生嚴重腐蝕，如圖(b)。當陽極面積比陰極面積小時，嚴重腐蝕的危險性很大，如圖(c)。(5)結構的合理設計使水分不會在接觸點集聚或存留。(6)用防腐蝕漆或瀝青涂覆接觸區(qū)及其周圍。涂覆后由于電流路徑加長，電阻增大，導致電偶腐蝕速率顯著降低。不能只涂賤金屬，因為在涂層的氣孔處會發(fā)生局部腐蝕：只涂貴金屬，在許多場合是可行的。

5）

防止磨損腐蝕當金屬表面處于流速很高的腐蝕性液體中時，會發(fā)生磨損腐蝕。磨損腐蝕在具有局部高流速和湍流顯著的地方特別大。因此在設計時，應避免構件出現(xiàn)可造成湍流的凸臺、溝槽、直角等突變結構(如圖所示)，而應盡可能采用流線型結構。·為使流速不超過一定的限度，管子的曲率半徑一般應為管徑的3倍以上，而且不同金屬這個數值也不同，如軟鋼和鋼管為3倍，高強鋼取5倍。流速越高，管子曲率半徑則越大。在高流速的接頭部位，也應采用流線型結構，而不采用丁型結構，如圖所示。

·為避免高流速液體直接沖擊容器壁，可在適當位置安裝易于拆卸的緩沖板或折流板．如圖所示，還可以考慮采取加固該處的容器壁的措施。6）

防止環(huán)境誘發(fā)破裂環(huán)境誘發(fā)破裂是由機械應力和腐蝕聯(lián)合作用產生，包括應力腐蝕破裂和腐蝕疲勞。防止這類破壞的措施旨在消除奴應力〔或交變應力)或腐蝕環(huán)境，或者可能時使兩者一并消除。

（1）減少應力集中設計。零件在改變形狀和尺寸時，不要有尖角，而應有足夠的圓弧過渡，如圖所示。當不同壁厚的管子需要直接焊在一起時，應將焊接處厚壁管徑逐漸減小到與薄壁管徑相同．以使焊縫和過渡區(qū)分開（l≥δ）．因而焊縫處于低應力區(qū)．如圖所示，這樣會防止焊接應力與工作應力疊加而出現(xiàn)很高的拉應力。(2)加大危險截面的尺寸和局部強度。避免構件的承載能力在應力最大的地方被凹槽、截面的突然變化、尖角、切口、鍵槽、油孔、螺紋等所削弱。(3)結構構件中的開口應開在低應力部位。選擇合適的開口形狀和方向控制應力集中。

如圖所示是不同開口形狀和方向所對應的應力集中系數Kt及Kt與相對壽命曲線。

(4)對各種載荷，流線型的填角焊縫可減少應力集中和改善應力線，如圖所示。(5)設計的結構不能產生顫動、振動或傳遞振動，禁止載荷、溫度或壓力的急劇變化。(6)結構設計中應盡量避免間隙和可能造成廢渣、殘液留存的死角，防止有害物質如c1-的濃縮，以改變或抑制腐蝕性環(huán)境。（7）減少結構偏心，避免復合應力集中等措施在設計中也應注意。7）避免溫度不均引起的腐蝕加熱器或加熱盤管的位置應向著容器的中心，以防止出現(xiàn)溫差電池，如圖所示。建在導熱支架上的貯氣罐，在外部溫度低于氣體的露點時，可能因保溫不均而引起氣體凝露而腐蝕罐壁。這種露點腐蝕可通過用良好絕緣的方法來避免，如圖所示。8）

設備和建筑物的位置合理性建筑物的位置如有選擇可能，應選擇自然腐蝕較低的位置，如避免海洋大氣、工業(yè)排水、化工廠有害煙塵的加速腐蝕，如圖所示。設備的位置分布應避免其中一部分對另一部分的有害作用，

如圖所示：12.3防腐蝕措施的選擇根據具體情況選擇方便、有效、可行的防腐蝕措施，是減緩材料及設備腐蝕的重要環(huán)節(jié)?！みx擇防腐蝕措施的原則：

（1）考慮設備、裝置的整體件及主要部件的結構特征；

（2）考慮組成材料的性質和環(huán)境性質；

（3）考慮防腐蝕措施的使用條件和特點。

只有將上述因素統(tǒng)籌考慮、才能選擇最佳的防腐措施?！た晒┻x擇的防腐措施總體上可分三大類：

(1)覆蓋層保護。通過在設備表面涂覆保護層而使設備與介質隔開。這些措施包括：電鍍層、化學鍍層、擴散鍍層、熱浸鍍層、熱噴涂層、涂料涂層、塑料和橡膠涂層、陶瓷涂層、密封、襯里等。

(2)電化學保護。電化學保護可分為陰極保護利陽極保護兩類。

（3）改善環(huán)境。改善環(huán)境就是去除有害的物質，加入有利的物質。去除有害物質．首先要干燥脫水，控制相對濕度在60％以下；防止水及水溶液進入設備。如果設備服役時，必須與水或水溶液接觸，則要考慮脫氣和脫鹽。

脫氣就是去除腐蝕性大氣、煙氣等；

脫鹽就是去除鹽的沉積物。此外還要去塵，即防止灰塵積聚。加入有利物質就是添加各種類型的緩蝕劑。上述三類措施可單獨使用或聯(lián)合使用，聯(lián)合使用往往具有最好的防腐蝕效果。

（各類防腐蝕措施在前面章節(jié)有詳細討論，在此不再介紹）12.4防腐蝕強度設計（1）均勻腐蝕的強度設計均勻腐蝕的強度設計．常采用留取腐蝕余量的方法。腐蝕余量----根據預計的腐蝕量增加材料的尺寸以資補償，來保證原設計的壽命要求。腐蝕余量的計算方法：（1）先根據腐蝕數據手冊，查出結構材料在一定腐蝕介質條件下的年腐蝕量，然后按構件使用年限．計算腐蝕尺寸。

（2）還要考慮結構部位的重要性和其他安全系數，所以，實際留出的腐蝕余量比計算的要大一些。腐蝕余量的大小，要根據具體情況而定。—般來說，介質的腐蝕性越大，腐蝕余量也越大。對于管道和槽體，由于所接觸的往往是腐蝕性較強的介質，所以設計時壁厚常為計算量的2倍。腐蝕余量一般局限于預計腐蝕率特別高的結構部分，例如液-氣交界區(qū)。

（2）局部腐蝕的強度設計

局部腐蝕類型較多．破壞形式相差較大。目前還很難根據局部腐蝕的強度降低，采用強度公式對腐蝕余量進行估算。在設計中常將腐蝕與機械強度綜合起來考慮，通過正確選材、合理的結構設計、加工工藝設計、施加涂層以及控制環(huán)境介質等措施來防止腐蝕發(fā)生。例如：在有殘余應力和誘發(fā)應力的場合．優(yōu)先選擇抗晶間腐蝕和應力腐蝕的材料。又如在可能遭受振動的場合，避免采用鉚接裝配，應采用在摩擦面增加墊片、襯墊或設計撓性支架等辦法．防止磨損腐蝕。對應力腐蝕斷裂和腐蝕疲勞，在材料的數據齊全的情況下，可能作出合適可靠的設計。例如：在有應力腐蝕斷裂危險的場合，設計時應保證構件所受拉應力不超過該結構材料在實際應用環(huán)境中的應力腐蝕臨界應力。在可能出現(xiàn)腐蝕疲勞的場合，應保證可變載荷不超過構件疲勞極限。（3）加工中的強度設計在加工、裝配過程中，可能引起材料腐蝕強度特性發(fā)生變化，應引起注意。有些加工工藝可提高材料的強度，應盡可能采用。如：噴九強化可將壓應力引入材料表面；熱處理、表面處理、超聲波振蕩等措施可解除材料的殘余應力?！?/p>

有些加工會使材料的強度降低。如：酸洗或電鍍可使材料滲氫，而引起氫脆。某些不銹鋼在焊接時，由于敏化溫度影響而造成晶間腐蝕，使材料強度下降，在使用中造成斷裂。

所以在加工、裝配中應嚴格遵守工藝規(guī)程，并采用有效的補救措施。12.5防腐蝕工藝設計金屬材料在加工制造、裝配及貯運等過程中，可能發(fā)生腐蝕或留下腐蝕隱患．因此必須重視防腐蝕工藝設計。（1）機械加工

在機械加工中產生的殘余應力對耐蝕有不利的影響。

·金屬材料最好在退火狀態(tài)下進行機械加工和冷彎、冷沖等成型工藝，以使制件的殘余應力較??；

·在加工后要進行應力解除熱處理。

·有時采用磨光、拋光和噴九強化等加工來增加金屬表面殘余壓應力，以提高材料的耐蝕性。

·機加工還要保證制件表面有較高的光潔度，較少的表面缺陷。

·機械加工中使用的切削冷卻液，應對所加工的材料沒有腐蝕作用。對機加工周期較長的零件，應采取必要的工序間防銹措施。（2）熱處理

應正確選擇熱處理氣氛，例如為防止金屬氧化，最好選用真空或可控氣氛熱處理；也可考慮使用熱處理保護涂層；對有氫脆敏感性的材料，要禁止在氫氣氛中加熱。應有嚴格的熱處理規(guī)范，避免因熱處理不當引起的晶間腐蝕和應力腐蝕等：對可產生較大殘余應力的熱處理，應有解除殘余應力的措施?？赡軙r，應盡量采用可造成制件表面產生壓應力的工藝、如表面淬火、化學熱處理等。此外，要注意消除熱處理中可能帶來的腐蝕性殘余物。（3）鍛造和擠壓鍛造和擠壓件的性能呈各向異性。在短橫向上應力腐蝕最敏感，因此在設計時應避免在此方向上承受大的工作應力；在縱向上可承受大的載荷。在鍛造前應選擇合適的鍛造工藝，如自由鍛比模鍛高強鋁合金的抗應力腐蝕性能好。在鍛造時，應控制流線末端的外露。鍛造后應對鍛件采取解除殘余應力的措施。這些考慮均可提高鍛件的耐蝕能力。（4）鑄造鑄件表面存在大量的孔洞、砂眼和夾雜等缺．這些地方易于積聚腐蝕介質而被腐蝕，而且還可能成為應力腐蝕或腐蝕疲勞的危險區(qū)。

此外，表面多孔層還影響對鑄件進行表面處理的效果。所以要選擇合適工藝予以避免。

通常精密鑄造和壓力鑄造比普通鑄造的表面質量好．從而有利于鑄件耐蝕性能的提高。（5）焊接·為防止縫隙腐蝕，要用對接焊而不用搭接焊，用連續(xù)焊而不用間斷焊和點焊?！榉乐闺娕几g，焊條的成分和組織結構應與基體的相似，或其電位比基體更正一些，避免大陰極小陽極的不良組合?！榉乐购缚p兩側熱影響區(qū)發(fā)生的腐蝕，應采用淬火的熱處理，予以消除?！し乐购附又衅鸷负屯：肝恢?、焊縫端部以及引弧點位置易于發(fā)生的腐蝕疲勞和應力腐蝕，應采取熱處理和噴丸強化來解除殘余應力。·對氫敏感的材料，避免在能產生氫原子的氣織中進行焊接。諸如鍍鋅、鍍鉻層等易引起金屬脆性的鍍層，嚴禁鍍后焊接．以免產生金屬脆致裂紋或發(fā)生斷裂?！ず附雍?，焊縫處的殘渣應及時清理，以免殘渣引起局部腐蝕。

（6）表面處理

表面處理屬防腐措施，應注意處理不當引起的腐蝕或留下腐蝕隱患。涂鍍前的脫脂、酸洗．既要使零件表面清潔沒有污物，又要防止產生過腐蝕或滲氫。在電鍍、氧化等表而處理之后，要及時清洗，以免殘液腐蝕零件。對高強鋼，酸洗、電鍍后，要進行除氫處理。對超高強鋼，可導致氫脆的表面處理。對于組合件，應先進行表面處理而后組合。（7）裝配設備裝配時．應嚴格施工．不得用鍍層有損傷的零件；也不宜赤手裝配精密產品或易于腐蝕的零件。裝配時應不要造成過大的裝配應力，要采用提高設計精度、減少公差、適當加墊以及采用合理裝配方法來減少裝配應力。對有密封要求的部位，在裝配中要保證密封質量，防止有害介質的侵入。裝配結束后，應及時進行清理檢查，除去裝配中留下的灰塵、金屬屑等殘留物；檢查通風孔、排水孔等孔口，使其不被堵塞。作業(yè)1．防腐蝕設計包括哪幾個方面?2．選材的原則及應考慮的因素是什么?3．防腐蝕措施大體分哪幾類?4．防腐蝕工藝設計中應注意哪些問題?在線作業(yè)（3）查找并分析1-2例子的防腐蝕設計。本課程復習題1．指出高溫氧化理論(Wagner)要點，結合金屬氧化的等效電池模型推導出高溫氧化速度常數的表達式，并說明式中各參數的意義。圖有哪些作用?舉例說明。并請參考右圖，確定1000℃下，

Fe、Al、Mg、C