第五节 金属材料的腐蚀与防护
一、腐蚀的概念
金属材料在周围介质的作用下发生破坏称为腐蚀。铁生锈、铜生绿锈、铝生白斑点等是常见的腐蚀现象。
在化工生产中，由于物料（如酸、碱、盐和腐蚀性气体等）往往具有强烈的腐蚀性，而化工设备被腐蚀将造成严重的后果：引起设备事故影响生产的连续性，造成跑冒滴漏，损失物料，增加原材料消耗，恶化劳动条件，提高产品成本，影响产品质量等。因此，化工设备的腐蚀与防腐问题必须认真对待。
二、腐蚀的类型
腐蚀的分类方法很多，其中按破坏特征分为均匀腐蚀和局部腐蚀；按腐蚀机理分为化学腐蚀和电化学腐蚀。
1.均匀腐蚀
均匀腐蚀是材料表面均匀地遭受腐蚀，腐蚀的结果是设备壁厚的减薄［见图1-3（a）］。这种腐蚀的危险性较小。碳钢在强酸、强碱中的腐蚀属于此类。
图1-3 腐蚀破坏的形式
2.局部腐蚀
局部腐蚀是指金属的局部区域产生腐蚀，包括区域腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀等，如图1-3（b）、（c）、（d）所示。局部腐蚀使零件有效承载面积减小，且不易被发现，常发生突然断裂，危害性较大。
3.化学腐蚀
化学腐蚀是指金属与干燥的气体或非电解质溶液产生化学作用引起的腐蚀。各种管式炉的炉管受高温氧化，金属在铸造、锻造、热处理过程中发生的高温氧化以及金属在苯、含硫石油、乙醇等非电解质溶液中的腐蚀均属化学腐蚀。
化学腐蚀的特点是腐蚀过程中无电流产生，且温度越高，腐蚀介质浓度越大，腐蚀速度越快。
化学腐蚀后若形成致密、牢固的表面膜，则可阻止外部介质继续渗入，起到保护金属的作用。例如，铬与氧形成Cr2O3，铝与氧形成Al2O3等都属于这种表面膜。
4.电化学腐蚀
电化学腐蚀是指金属与电解质溶液产生电化学作用引起的腐蚀。金属在酸、碱、盐溶液、土壤、海水中的腐蚀属于电化学腐蚀。电化学腐蚀的特点是腐蚀过程中有电流产生。通常电化学腐蚀比化学腐蚀强烈得多，金属的破坏大多是由电化学腐蚀引起的。
电化学腐蚀是由于金属发生原电池作用而引起的。如图1-4所示，把两种金属（如锌和铜）用导线连接起来，放在电解质溶液（如H2SO4溶液）内，这样就构成了导电回路。回路中电子将从低电位锌流向高电位铜，形成原电池。锌（阳极）不断失去原子，变为锌离子进入溶液，出现腐蚀；铜（阴极）受到保护。
图1-4 原电池作用示意图
电化学腐蚀不仅发生在异种金属之间，同一金属的不同区域之间也存在着电位差，也可形成原电池，而产生电化学腐蚀。例如，各种局部腐蚀就是电化学腐蚀。
在某些腐蚀性介质特别是在强氧化剂如硝酸、氯酸、重铬酸钾、高锰酸钾等中，随着电化学腐蚀过程的进行，在阳极金属表面逐渐形成一层保护膜（也称钝化膜），从而使阳极的溶解受到阻滞并最终使腐蚀终止，这种现象称为钝化。在生产实践中，钝化现象被用来保护金属。
三、防腐措施
为了防止和减轻化工设备的腐蚀，除应选择合适的材料制造设备外，还可采取多种措施，如隔离腐蚀介质、电化学保护及缓蚀剂保护等。
1.隔离腐蚀介质
用耐蚀性良好的隔离材料覆盖在耐蚀性较差的被保护材料表面，将被保护材料与腐蚀性介质隔开，以达到控制腐蚀的目的。
隔离材料有非金属材料和金属材料两大类。非金属隔离材料主要有涂料（如涂刷酚醛树脂）、块状材料衬里（如衬耐酸砖）、塑料或橡胶衬里（如碳钢内衬氟橡胶）等。金属隔离材料有铜（如镀铜）、镍（如化学镀镍）、铝（如喷铝）、双金属（如碳钢上压上不锈钢板）、金属衬里（碳钢上衬铅）等。
2.电化学保护
用于腐蚀介质为电解质溶液、发生电化学腐蚀的场合，通过改变金属在电解质溶液中的电极电位，以实现防腐。有阳极保护和阴极保护两种方法。
阴极保护是将被保护的金属作为腐蚀电池的阴极，从而使其不遭受腐蚀。方法有：牺牲阳极保护法，它是将被保护的金属与另一电极电位较低的金属连接起来，形成一个原电池，使被保护金属作为原电池的阴极而免遭腐蚀，电极电位较低的金属作为原电池的阳极而被腐蚀［图1-5（a）］。另一方法是外加电流保护法，它是将被保护的金属与一直流电源的阴极相连，而将另一金属片与被保护的金属隔绝，并与直流电源的阳极相连，从而达到防腐的目的［图1-5（b）］。阴极保护的使用已有很长的历史，在技术上较为成熟。这种保护方法广泛用于船舶、地下管道、海水冷却设备、油库以及盐类生产设备的保护，在化工生产中的应用亦逐年增多。
图1-5 阴极保护
阳极保护是把被保护设备接直流电源的阳极，让金属表面生成钝化膜起保护作用。阳极保护只有当金属在介质中能钝化时才能应用，且技术复杂，使用不多。
3.缓蚀剂保护
向腐蚀介质中添加少量的物质，这种物质能够阻滞电化学腐蚀过程，从而减缓金属的腐蚀，该物质称为缓蚀剂。通过使用缓蚀剂而使金属得到保护的方法，称为缓蚀剂保护。
按照对电化学腐蚀过程阻滞作用的不同，缓蚀剂分为三种。
（1）阳极型缓蚀剂
这类缓蚀剂主要阻滞阳极过程，促使阳极金属钝化而提高耐腐蚀性，故多为氧化性钝化剂，如铬酸盐、硝酸盐等。值得注意的是，使用阳极型缓蚀剂时必须够量，否则不仅起不了保护作用，反而会加速腐蚀。
（2）阴极型缓蚀剂
这类缓蚀剂主要阻滞阴极过程。例如，锌、锰和钙的盐类如ZnSO4、MnSO4、Ca（HCO3）2等，能与阴极反应产物OH-作用生成难溶性的化合物，它们沉积在阴极表面上，使阴极面积减小而降低腐蚀速度。
（3）混合型缓蚀剂
这类缓蚀剂既能阻滞阴极过程，又能阻滞阳极过程，从而使腐蚀得到缓解。常用的有胺盐类、醛（酮）类、杂环化合物、有机硫化物等。
目前在酸洗操作和循环冷却水的水质处理中，缓蚀剂用得最普遍。而在化学工业中缓蚀剂的应用还不多。