材料腐蝕與防護(hù)-第十二章-防腐設(shè)計(jì)

第十二章防腐蝕設(shè)計(jì)

防腐蝕設(shè)計(jì)是材料腐蝕與防護(hù)研究中一個(gè)非常重要的課題。通過(guò)正確運(yùn)用已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)周密的防腐蝕設(shè)計(jì)來(lái)減少和避免的損失。

防腐蝕設(shè)計(jì)包括；

(1)選材；

(2)防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

(3)防腐蝕措施的選擇；

(4)防腐蝕強(qiáng)度設(shè)計(jì)；

(5)防腐蝕工藝設(shè)計(jì)。12.1選材

12.1.1正確選材基本原則

正確合理選材是一個(gè)調(diào)查研究、綜合分析與比較鑒別的復(fù)雜而細(xì)致的過(guò)程，是防腐蝕設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵一環(huán)。

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

根據(jù)環(huán)境選擇材料，所選擇材料才能適應(yīng)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(qiáng)；錫用于蒸餾水：鈦用于熱的強(qiáng)氧化性溶液；包鋁用于除氫氟酸和燒堿溶液外的介質(zhì)。（2）材料的物理、機(jī)械和加工工藝性能要滿足設(shè)備或物件的設(shè)計(jì)與加工制造要求；結(jié)構(gòu)材料除具有一定的耐蝕性外，一般還要具有必要的機(jī)械性能(如強(qiáng)度、硬度、彈性、塑性、沖擊韌性、疲勞性能等)、物理性能(如耐熱、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、光、磁及密度、比重等)及工藝性能(如機(jī)加工、鑄造、焊接性能等)。（3）選材時(shí)力求最好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益；要優(yōu)先考慮國(guó)產(chǎn)的、價(jià)廉質(zhì)優(yōu)的、資源豐富的材料。12.1.2選材時(shí)應(yīng)考慮的因素選材順序如圖所示（1）明確產(chǎn)品的工作環(huán)境；

材料的選定主要是通過(guò)工藝流程中各種環(huán)境因素來(lái)決定的。選材時(shí)必須了解的環(huán)境因素包括化學(xué)因素和物理因素。（2）查閱權(quán)威手冊(cè)，借鑒失效經(jīng)驗(yàn)；

可以參考資料：左景伊編寫的《腐蝕數(shù)據(jù)手冊(cè)》；朱日彰等編寫的《金屬防腐蝕手冊(cè)》；美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)(NACE)出版的《CorrosionDataSurvey》；查詢我國(guó)自然環(huán)境條件下的腐蝕數(shù)據(jù)庫(kù)；（3）腐蝕試驗(yàn)；

資料中所列的使用條件有時(shí)與實(shí)際使用條件并不完全一致，這時(shí)就必須進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)。腐蝕試驗(yàn)應(yīng)是接近十實(shí)際環(huán)境的浸泡試驗(yàn)或模擬試驗(yàn)．條件許可時(shí)還應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)(掛片)試驗(yàn)，甚至實(shí)物或應(yīng)用試驗(yàn)，以便獲得材料可靠的腐蝕性能數(shù)據(jù)。（4）兼顧經(jīng)濟(jì)性與耐用性；

（5）考慮防腐措施；

在選材的同時(shí)，應(yīng)考慮行之有效的防護(hù)措施。適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)如涂層保護(hù)、電化學(xué)保護(hù)及施加緩蝕劑等，不僅可以降低選材標(biāo)準(zhǔn)．而且有利于延長(zhǎng)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(yīng)考慮其加工焊接性能，加工后是否可進(jìn)行熱處理，是否會(huì)降低耐蝕性。12.2防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1）

合理的結(jié)構(gòu)形式和表面狀態(tài)

結(jié)構(gòu)件的形式力求簡(jiǎn)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(fù)雜的構(gòu)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(wú)法簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的情況下，可將構(gòu)件設(shè)計(jì)成分體結(jié)構(gòu)，使腐蝕嚴(yán)重的部位易于拆卸、更換。構(gòu)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(xiǎn)性大。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能不存在積水或積塵的坑洼。

例如，容器的出口應(yīng)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(zhì)可引起金屬的縫隙腐蝕，但可通過(guò)拓寬縫隙、填塞縫隙、改變縫隙位置或防止介質(zhì)進(jìn)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(zhì)（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(xiǎn)。

防止或減少電偶腐蝕的措施如下：

(1)不應(yīng)把電位序相差過(guò)大的金屬連接在一起。在海洋大氣及金屬表面可能長(zhǎng)期接觸潮氣的場(chǎng)合，此要求務(wù)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(shí)，一定要盡量降低陰極面積與陽(yáng)極面積比，避免大陰極／小陽(yáng)極的組合，如圖所示。

當(dāng)陽(yáng)極面積比陰極面積大且溶液有良好導(dǎo)電性時(shí)，腐蝕呈大面積分布，因而在大多數(shù)情況下不嚴(yán)重，如圖(a)。但若溶液導(dǎo)電性不好時(shí)，則在靠近陰極附近的陽(yáng)極區(qū)域會(huì)發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，如圖(b)。當(dāng)陽(yáng)極面積比陰極面積小時(shí)，嚴(yán)重腐蝕的危險(xiǎn)性很大，如圖(c)。(5)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)使水分不會(huì)在接觸點(diǎn)集聚或存留。(6)用防腐蝕漆或?yàn)r青涂覆接觸區(qū)及其周圍。涂覆后由于電流路徑加長(zhǎng)，電阻增大，導(dǎo)致電偶腐蝕速率顯著降低。不能只涂賤金屬，因?yàn)樵谕繉拥臍饪滋帟?huì)發(fā)生局部腐蝕：只涂貴金屬，在許多場(chǎng)合是可行的。

5）

防止磨損腐蝕當(dāng)金屬表面處于流速很高的腐蝕性液體中時(shí)，會(huì)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(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免構(gòu)件出現(xiàn)可造成湍流的凸臺(tái)、溝槽、直角等突變結(jié)構(gòu)(如圖所示)，而應(yīng)盡可能采用流線型結(jié)構(gòu)?！槭沽魉俨怀^(guò)一定的限度，管子的曲率半徑一般應(yīng)為管徑的3倍以上，而且不同金屬這個(gè)數(shù)值也不同，如軟鋼和鋼管為3倍，高強(qiáng)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(yīng)采用流線型結(jié)構(gòu)，而不采用丁型結(jié)構(gòu)，如圖所示。

·為避免高流速液體直接沖擊容器壁，可在適當(dāng)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(jī)械應(yīng)力和腐蝕聯(lián)合作用產(chǎn)生，包括應(yīng)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(yīng)力〔或交變應(yīng)力)或腐蝕環(huán)境，或者可能時(shí)使兩者一并消除。

（1）減少應(yīng)力集中設(shè)計(jì)。零件在改變形狀和尺寸時(shí)，不要有尖角，而應(yīng)有足夠的圓弧過(guò)渡，如圖所示。當(dāng)不同壁厚的管子需要直接焊在一起時(shí)，應(yīng)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(guò)渡區(qū)分開（l≥δ）．因而焊縫處于低應(yīng)力區(qū)．如圖所示，這樣會(huì)防止焊接應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加而出現(xiàn)很高的拉應(yīng)力。(2)加大危險(xiǎn)截面的尺寸和局部強(qiáng)度。避免構(gòu)件的承載能力在應(yīng)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(jié)構(gòu)構(gòu)件中的開口應(yīng)開在低應(yīng)力部位。選擇合適的開口形狀和方向控制應(yīng)力集中。

如圖所示是不同開口形狀和方向所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)Kt及Kt與相對(duì)壽命曲線。

(4)對(duì)各種載荷，流線型的填角焊縫可減少應(yīng)力集中和改善應(yīng)力線，如圖所示。(5)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不能產(chǎn)生顫動(dòng)、振動(dòng)或傳遞振動(dòng)，禁止載荷、溫度或壓力的急劇變化。(6)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)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(zhì)如c1-的濃縮，以改變或抑制腐蝕性環(huán)境。（7）減少結(jié)構(gòu)偏心，避免復(fù)合應(yīng)力集中等措施在設(shè)計(jì)中也應(yīng)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(yīng)向著容器的中心，以防止出現(xiàn)溫差電池，如圖所示。建在導(dǎo)熱支架上的貯氣罐，在外部溫度低于氣體的露點(diǎn)時(shí)，可能因保溫不均而引起氣體凝露而腐蝕罐壁。這種露點(diǎn)腐蝕可通過(guò)用良好絕緣的方法來(lái)避免，如圖所示。8）

設(shè)備和建筑物的位置合理性建筑物的位置如有選擇可能，應(yīng)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(shè)備的位置分布應(yīng)避免其中一部分對(duì)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(jù)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(shè)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(shè)備、裝置的整體件及主要部件的結(jié)構(gòu)特征；

（2）考慮組成材料的性質(zhì)和環(huán)境性質(zhì)；

（3）考慮防腐蝕措施的使用條件和特點(diǎn)。

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(hù)。通過(guò)在設(shè)備表面涂覆保護(hù)層而使設(shè)備與介質(zhì)隔開。這些措施包括：電鍍層、化學(xué)鍍層、擴(kuò)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(xué)保護(hù)。電化學(xué)保護(hù)可分為陰極保護(hù)利陽(yáng)極保護(hù)兩類。

（3）改善環(huán)境。改善環(huán)境就是去除有害的物質(zhì)，加入有利的物質(zhì)。去除有害物質(zhì)．首先要干燥脫水，控制相對(duì)濕度在60％以下；防止水及水溶液進(jìn)入設(shè)備。如果設(shè)備服役時(shí)，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(zhì)就是添加各種類型的緩蝕劑。上述三類措施可單獨(dú)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(xì)討論，在此不再介紹）12.4防腐蝕強(qiáng)度設(shè)計(jì)（1）均勻腐蝕的強(qiáng)度設(shè)計(jì)均勻腐蝕的強(qiáng)度設(shè)計(jì)．常采用留取腐蝕余量的方法。腐蝕余量----根據(jù)預(yù)計(jì)的腐蝕量增加材料的尺寸以資補(bǔ)償，來(lái)保證原設(shè)計(jì)的壽命要求。腐蝕余量的計(jì)算方法：（1）先根據(jù)腐蝕數(shù)據(jù)手冊(cè)，查出結(jié)構(gòu)材料在一定腐蝕介質(zhì)條件下的年腐蝕量，然后按構(gòu)件使用年限．計(jì)算腐蝕尺寸。

（2）還要考慮結(jié)構(gòu)部位的重要性和其他安全系數(shù)，所以，實(shí)際留出的腐蝕余量比計(jì)算的要大一些。腐蝕余量的大小，要根據(jù)具體情況而定?！銇?lái)說(shuō)，介質(zhì)的腐蝕性越大，腐蝕余量也越大。對(duì)于管道和槽體，由于所接觸的往往是腐蝕性較強(qiáng)的介質(zhì)，所以設(shè)計(jì)時(shí)壁厚常為計(jì)算量的2倍。腐蝕余量一般局限于預(yù)計(jì)腐蝕率特別高的結(jié)構(gòu)部分，例如液-氣交界區(qū)。

（2）局部腐蝕的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

局部腐蝕類型較多．破壞形式相差較大。目前還很難根據(jù)局部腐蝕的強(qiáng)度降低，采用強(qiáng)度公式對(duì)腐蝕余量進(jìn)行估算。在設(shè)計(jì)中常將腐蝕與機(jī)械強(qiáng)度綜合起來(lái)考慮，通過(guò)正確選材、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝設(shè)計(jì)、施加涂層以及控制環(huán)境介質(zhì)等措施來(lái)防止腐蝕發(fā)生。例如：在有殘余應(yīng)力和誘發(fā)應(yīng)力的場(chǎng)合．優(yōu)先選擇抗晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕的材料。又如在可能遭受振動(dòng)的場(chǎng)合，避免采用鉚接裝配，應(yīng)采用在摩擦面增加墊片、襯墊或設(shè)計(jì)撓性支架等辦法．防止磨損腐蝕。對(duì)應(yīng)力腐蝕斷裂和腐蝕疲勞，在材料的數(shù)據(jù)齊全的情況下，可能作出合適可靠的設(shè)計(jì)。例如：在有應(yīng)力腐蝕斷裂危險(xiǎn)的場(chǎng)合，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證構(gòu)件所受拉應(yīng)力不超過(guò)該結(jié)構(gòu)材料在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力。在可能出現(xiàn)腐蝕疲勞的場(chǎng)合，應(yīng)保證可變載荷不超過(guò)構(gòu)件疲勞極限。（3）加工中的強(qiáng)度設(shè)計(jì)在加工、裝配過(guò)程中，可能引起材料腐蝕強(qiáng)度特性發(fā)生變化，應(yīng)引起注意。有些加工工藝可提高材料的強(qiáng)度，應(yīng)盡可能采用。如：噴九強(qiáng)化可將壓應(yīng)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(yīng)力?！?/p>

有些加工會(huì)使材料的強(qiáng)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(shí)，由于敏化溫度影響而造成晶間腐蝕，使材料強(qiáng)度下降，在使用中造成斷裂。

所以在加工、裝配中應(yīng)嚴(yán)格遵守工藝規(guī)程，并采用有效的補(bǔ)救措施。12.5防腐蝕工藝設(shè)計(jì)金屬材料在加工制造、裝配及貯運(yùn)等過(guò)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(shè)計(jì)。（1）機(jī)械加工

在機(jī)械加工中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對(duì)耐蝕有不利的影響。

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

·在加工后要進(jìn)行應(yīng)力解除熱處理。

·有時(shí)采用磨光、拋光和噴九強(qiáng)化等加工來(lái)增加金屬表面殘余壓應(yīng)力，以提高材料的耐蝕性。

·機(jī)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(jī)械加工中使用的切削冷卻液，應(yīng)對(duì)所加工的材料沒有腐蝕作用。對(duì)機(jī)加工周期較長(zhǎng)的零件，應(yīng)采取必要的工序間防銹措施。（2）熱處理

應(yīng)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(hù)涂層；對(duì)有氫脆敏感性的材料，要禁止在氫氣氛中加熱。應(yīng)有嚴(yán)格的熱處理規(guī)范，避免因熱處理不當(dāng)引起的晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕等：對(duì)可產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力的熱處理，應(yīng)有解除殘余應(yīng)力的措施?？赡軙r(shí)，應(yīng)盡量采用可造成制件表面產(chǎn)生壓應(yīng)力的工藝、如表面淬火、化學(xué)熱處理等。此外，要注意消除熱處理中可能帶來(lái)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(yīng)力腐蝕最敏感，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免在此方向上承受大的工作應(yīng)力；在縱向上可承受大的載荷。在鍛造前應(yīng)選擇合適的鍛造工藝，如自由鍛比模鍛高強(qiáng)鋁合金的抗應(yīng)力腐蝕性能好。在鍛造時(shí)，應(yīng)控制流線末端的外露。鍛造后應(yīng)對(duì)鍛件采取解除殘余應(yīng)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(zhì)而被腐蝕，而且還可能成為應(yīng)力腐蝕或腐蝕疲勞的危險(xiǎn)區(qū)。

此外，表面多孔層還影響對(duì)鑄件進(jìn)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(zhì)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(duì)接焊而不用搭接焊，用連續(xù)焊而不用間斷焊和點(diǎn)焊。·為防止電偶腐蝕，焊條的成分和組織結(jié)構(gòu)應(yīng)與基體的相似，或其電位比基體更正一些，避免大陰極小陽(yáng)極的不良組合?！榉乐购缚p兩側(cè)熱影響區(qū)發(fā)生的腐蝕，應(yīng)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(diǎn)位置易于發(fā)生的腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕，應(yīng)采取熱處理和噴丸強(qiáng)化來(lái)解除殘余應(yīng)力。·對(duì)氫敏感的材料，避免在能產(chǎn)生氫原子的氣織中進(jìn)行焊接。諸如鍍鋅、鍍鉻層等易引起金屬脆性的鍍層，嚴(yán)禁鍍后焊接．以免產(chǎn)生金屬脆致裂紋或發(fā)生斷裂?！ず附雍?，焊縫處的殘?jiān)鼞?yīng)及時(shí)清理，以免殘?jiān)鹁植扛g。

（6）表面處理

表面處理屬防腐措施，應(yīng)注意處理不當(dāng)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(chǎn)生過(guò)腐蝕或滲氫。在電鍍、氧化等表而處理之后，要及時(shí)清洗，以免殘液腐蝕零件。對(duì)高強(qiáng)鋼，酸洗、電鍍后，要進(jìn)行除氫處理。對(duì)超高強(qiáng)鋼，可導(dǎo)致氫脆的表面處理。對(duì)于組合件，應(yīng)先進(jìn)行表面處理而后組合。（7）裝配設(shè)備裝配時(shí)．應(yīng)嚴(yán)格施工．不得用鍍層有損傷的零件；也不宜赤手裝配精密產(chǎn)品或易于腐蝕的零件。裝配時(shí)應(yīng)不要造成過(guò)大的裝配應(yīng)力，要采用提高設(shè)計(jì)精度、減少公差、適當(dāng)加墊以及采用合理裝配方法來(lái)減少裝配應(yīng)力。對(duì)有密封要求的部位，在裝配中要保證密封質(zhì)量，防止有害介質(zhì)的侵入。裝配結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)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(fēng)孔、排水孔等孔口，使其不被堵塞。作業(yè)1．防腐蝕設(shè)計(jì)包括哪幾個(gè)方面?2．選材的原則及應(yīng)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(shè)計(jì)中應(yīng)注意哪些問(wèn)題?在線作業(yè)（3）查找并分析1-2例子的防腐蝕設(shè)計(jì)。本課程復(fù)習(xí)題1．指出高溫氧化理論(Wagner)要點(diǎn)，結(jié)合金屬氧化的等效電池模型推導(dǎo)出高溫氧化速度常數(shù)的表達(dá)式，并說(shuō)明式中各參數(shù)的意義。圖有哪些作用?舉例說(shuō)明。并請(qǐng)參考右圖，確定1000℃下，

Fe、Al、Mg、C