創(chuàng)新實習報告--20號鋼的在酸性環(huán)境中的防腐蝕實驗

1、題目名稱 創(chuàng)新實習報告題 目 名 稱 20號鋼在酸性環(huán)境中防腐實驗 學 院（系） 機 械 工 程 學 院 專 業(yè) 班 級 材料成型及控制工程 10802 班 學 生 姓 名 郭 廷 指 導(dǎo) 教 師 張 錦 洲 日 期 2012. 2.26 至 2012.3.22 20號鋼的在酸性環(huán)境中的防腐蝕實驗?zāi)?錄一. 前言 1.金屬腐蝕造成的損失42.腐蝕防護的基本途徑4 2.1提高金屬本身的耐蝕性42.2改變環(huán)境（介質(zhì)處理）42.3采用覆蓋層42.4采用電化學腐蝕（電保護）.52.5正確選材和合理設(shè)計52.6腐蝕與防護的管理與教育5二. 金屬腐蝕的基本原理6 1. 金屬材料的腐蝕機理61.1. 金屬腐

2、蝕的分類61.2金屬腐蝕的機理. 62. 電化學保護法.82.1 陰極保護82.1.1犧牲陽極保護法82.1.2外加電流保護法9 2.2 陽極保護9三. 電化學防腐蝕現(xiàn)狀及發(fā)展前景9四. 實驗101.實驗材料與方法10 2. 土壤電阻率的測試11 2.1 土壤電阻率的測試11 2.2 陰極保護電流密度的選擇113.金屬腐蝕速度的表示法12 4.實驗步驟12五.實驗結(jié)論15六參考文獻1620號鋼的在酸性環(huán)境中的防腐蝕實驗韓文良 程度，郭廷 王辰一.前言在現(xiàn)代社會中，金屬材料的用量越來越大，品種也越來越多?？梢院敛豢鋸埖卣f，金屬材料是現(xiàn)代物質(zhì)文明的基礎(chǔ)。不過，需要注意的是，金屬材料一直在悄悄地經(jīng)受

3、著破壞腐蝕。全世界每年因悄悄地經(jīng)受著破壞腐蝕。全世界每年因腐蝕而損失的金屬材料的數(shù)量相當多。因此，金屬的防腐蝕問題一直是世界科技領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容。1.金屬腐蝕造成的損失 我國作為世界上鋼鐵產(chǎn)量最多的國家，每年被腐蝕的鐵占到我國鋼鐵年產(chǎn)量的十分之一，因為金屬腐蝕而造成的損失占到國內(nèi)生產(chǎn)總值的2%4%。 根據(jù)各國調(diào)查結(jié)果，一般說來，金屬腐蝕所造成的經(jīng)濟損失大致為該國國民生產(chǎn)總值的4%左右，另據(jù)國外統(tǒng)計，金屬腐蝕的年損失遠遠超過水災(zāi)，風災(zāi)，和地震（平均值）損失的綜合，在這里還不包括由于腐蝕導(dǎo)致的停工，減產(chǎn)和爆炸等造成的間接損失。 金屬腐蝕的主要害處，不僅在于金屬本身的損失，更嚴重的是金屬制品結(jié)構(gòu)損

4、壞所造成的損失比金屬本身要大到無法估量。腐蝕不僅造成經(jīng)濟損失，也經(jīng)常對安全構(gòu)成威脅。國內(nèi)外都曾發(fā)生過許多災(zāi)難性腐蝕事故，如飛機因某一部件破裂而墜毀;橋梁因鋼梁產(chǎn)生裂縫而塌陷；油管因穿孔或裂縫而漏油，引起著火爆炸；化工廠中儲酸槽穿孔泄露，造成重大環(huán)境污染；管道和設(shè)備跑、冒、滴、漏，破壞生產(chǎn)環(huán)境，有毒氣體如cl2，H2、HCN等的泄露，更會危及工作人員和附件居民的生命安全。根據(jù)反應(yīng)類型劃分腐蝕種類：化學腐蝕、電化學腐蝕、物理溶解腐蝕。腐蝕的定義包括了化學、電化學、物理學的內(nèi)容，腐蝕的發(fā)生往往與磨損、斷裂等的同時進行；腐蝕學是交叉學科（邊緣學科），涉及及到金屬學、電化學、理化學、流體力學、固體力學等

5、，是一門應(yīng)用性很強的學科。2.腐蝕防護的基本途徑（1）提高金屬本身的耐蝕性 ：如不銹鋼、鎳基合金從材料的熱力學穩(wěn)定性和控制腐蝕動力學兩個角度出發(fā)提高材料的抗蝕性； (2)改變環(huán)境（介質(zhì)處理）：降低環(huán)境的腐蝕性，如除去大氣中的S02，在水溶液中除02，改變?nèi)芤旱膒H值，在環(huán)境中加入緩蝕劑等；(3)采用覆蓋層：采用金屬和非金屬涂層、改變材料的表面結(jié)構(gòu)，使材料表面具有耐蝕的特性；采用襯里、防銹油、防銹紙等，將材料與腐蝕介質(zhì)隔開，（4）采用電化學腐蝕（電保護）對于金屬的電化學腐蝕可通過陰極極化降低氧化反應(yīng)速度，或通過實現(xiàn)陽極鈍化米以達到防腐目的；（5）正確選材和合理設(shè)計：為了防止腐蝕發(fā)生，必須重視正確

6、選材和合理設(shè)計，設(shè)計時做到材料匹配和結(jié)構(gòu)合理、結(jié)構(gòu)間連接應(yīng)盡可能防止縫隙產(chǎn)（6）腐蝕與防護的管理與教育：主觀上重視。加強對腐蝕與防護的管理，提高各類人員對腐蝕與防護的重視，需要建立相應(yīng)應(yīng)的教育體制，廣泛開展腐蝕與防護的教育工作，提高掌握與防護自覺性。金屬材料的腐蝕，是指金屬材料和周閘介質(zhì)接觸時發(fā)生化學或電化學作用而引起的一種破壞現(xiàn)象。對于金屬而言，在自然界大多是以金屬化合物的形態(tài)存在。從熱力學的觀點來看，除了少數(shù)貴金屬（如金、鉑等）外，各種金屬都有轉(zhuǎn)變成離子的趨勢。因此，金屬元素比它們的化合物具有更高的自由能，必然有自發(fā)地轉(zhuǎn)到熱力學上更穩(wěn)定的自然形態(tài)氧化物的趨勢，所以說金屬腐蝕是自發(fā)的普遍存在

7、的一種現(xiàn)象，是不可避免的。 電化學保護是指在電化學腐蝕系統(tǒng)中，通過施加外加電流將被保護金屬的電位移向免蝕區(qū)或鈍化區(qū)，以降低金屬腐蝕程度，這是項經(jīng)濟而有效的腐蝕控制措施。在一定條件下，電化學保護不僅能防防止金屬在海水、土壤或化學介質(zhì)中的腐蝕，而且還能防止金屬發(fā)生全面腐蝕和局部腐蝕（如采用陰極保護可防止不銹鋼、鋁等'鈍化金屬的點蝕、品問腐蝕、應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞等）。若將電化學保護，與涂料、緩蝕劑聯(lián)合起來，可取的更好的防止金屬腐蝕的效果。日前電化學保護技術(shù)已廣泛應(yīng)用于造船、海洋工程、石油和化工：等部門，并作為一種標準的防腐蝕措施列入規(guī)范一與法規(guī)之中。由于金屬材料的腐蝕可造成設(shè)備的跑、冒、滴、

8、漏，污染環(huán)境，甚至發(fā)生中毒、火災(zāi)、爆炸等惡性事故以及資源和能源的嚴重浪費，腐蝕問題成為阻礙新技術(shù)發(fā)展和國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的熏要制約因素。因此腐蝕的防護成為急需發(fā)展。的學科，研究金屬材料的腐蝕機理，弄清腐蝕發(fā)牛的原洲及采取有效的防護措施，對于延長設(shè)備壽命、降低成本、提高勞動生產(chǎn)力都具有十分重大的意義。 據(jù)統(tǒng)計，全世界現(xiàn)存的鋼鐵及金屬設(shè)備大約每年腐蝕率為10%，全世界每年因腐蝕損失約高7000億美元。世界符發(fā)達國家每年吲金屬腐蝕而造成的經(jīng)濟損失約為其國民生產(chǎn)總值3. 5264. 2%，超過每年各項人災(zāi)（火災(zāi)、風火及地震等）損失的總和。有人甚至估計每年全世界腐蝕報廢和損耗的金屬約為1億噸！而同每年腐蝕

9、掉不能刨收利用的鋼鐵達100多噸，大致相當鋼鐵廠一年的產(chǎn)量，腐蝕損失為洪水、火火、颶風、和地震等自然災(zāi)害綜合損失的六倍，但人們往往很難意識到這種分散的、日積月累的、不知不覺中發(fā)生的腐蝕破壞的嚴重性。所以研究金屬腐蝕和防護具有重要意義。本論文主要綜合講述了金屬的電化學腐蝕的基本原理和分類，以及討論了有關(guān)現(xiàn)實生產(chǎn)生活中具體的防護措施，以更好的指導(dǎo)現(xiàn)實實踐。二、金屬腐蝕的基本原理：1. 金屬材料的腐蝕機理1.1金屬腐蝕的分類 按照金屬的腐蝕機理的不同，可以將金屬腐蝕分為三類：一是化學腐蝕，二是電化學腐蝕，三是物理腐蝕。1.2金屬腐蝕的機理(l)化學腐蝕： 是指金屬與介質(zhì)之間直接發(fā)生純化學作用而引起的

10、破壞。其腐蝕過程是一種純氧化和還原的純化學反應(yīng)，即腐蝕介質(zhì)直接同金屬表面的原子相互作用而形成腐蝕產(chǎn)物，電子的傳遞是在它們之問直接進行的，因而反應(yīng)進行過程中沒有電流產(chǎn)生，其過程符合化學動力學規(guī)律。實際上單純化學腐蝕的例子是較少見到的，例如金屬因高溫氧化而引起的腐蝕，曾一直作為化學腐蝕的典型實例。但是瓦格納根據(jù)氧化膜的近代觀點提出，在高溫氣體中，金屬氧化過程的開始，雖然是由化學反應(yīng)引起的，但后來膜的成長過程則屬于電化學機理。(2)電化學腐蝕： 是金屬與介質(zhì)之問發(fā)生電化學作用而引起的破壞。反應(yīng)過程同時有陽極失去電子的陽極反應(yīng)，陰極獲得電子的陰極反應(yīng)以及電子的流動（電流），其歷程服從電化學動力學的基小

11、規(guī)律是金屬與介質(zhì)之間發(fā)生電化學作用而引起的破壞。反應(yīng)過程同時有陽極失去電子的陽極反應(yīng)，陰極獲得電子的陰極反應(yīng)以及電子的流動（電流），其歷程服從電化學動力學的基本規(guī)律。 絕大多數(shù)情況下，由于金屬表面組織結(jié)構(gòu)不均勻，上述的一對電化學反應(yīng)分別在金屬表面的不同區(qū)域進行在。例如當把碳鋼放在稀鹽酸中時，在鋼表面鐵素體處進行的是陽極反應(yīng)（即FeFe2+2e-），而在鋼表面碳化鐵處進行的則是陰極去極化反應(yīng)（即2H+2e-H2）。與這一對電化學反應(yīng)進行的同時，則有電子不斷地從鐵素體流向碳化鐵。我們把發(fā)生陽極反應(yīng)的區(qū)域叫做陽極區(qū)，鐵素體是陽極；把發(fā)生陰極反應(yīng)的區(qū)域叫做陰極區(qū)，碳化鐵是陰極；而在陽極與陰極之間不斷地

12、有電子流動。這種情況和電池的工作情況極為類似，只不過這里的陽極（鐵）和陰極（碳化鐵）的數(shù)目極多，面積極小，靠的極近而已，所以通常稱它為腐蝕微電池。 金屬的電化學腐蝕之所以采取腐蝕微電池的形式，一方面是由于金屬表面存在著各種各樣的電化學不均勻性，為電化學反應(yīng)的空間分離準備了客觀條件；另一方面則是由于這兩個反應(yīng)分地區(qū)進行時遇到的阻力較小，因而在能量消耗上對反應(yīng)的進行有利。但是從防止和減少腐蝕的觀點看，這當然是不利的，我們應(yīng)當設(shè)法盡量減少或消除金屬表面的電化學不均勻性。 電化學腐蝕又根據(jù)其電解質(zhì)溶液酸堿度的不同分為析氫腐蝕和吸氧腐蝕。 A、析氫腐蝕:(腐蝕過程中有氫氣放出) 腐蝕過程中的陰極上有氫氣

13、析出的腐蝕。它常發(fā)生在酸洗或用酸浸蝕某種較活潑金屬的加工過程中。Fe作為腐蝕電池的陽極,鋼鐵中較Fe不活潑的其他雜質(zhì)作陰極,H+在陰極上獲得電子發(fā)生還原反應(yīng)。反應(yīng)方程式如下: 陽極(Fe):Fe2e-=Fe2+ 陰極(雜質(zhì)):2H+十2e-=H2(g) 圖1 總反應(yīng):Fe十2H+=Fe2+H2(g) B、吸氧腐蝕(腐蝕過程中消耗氧) 在腐蝕過程中溶解于水膜中的氧氣在陰極上得到電子被還原生成OH-的腐蝕。它常常是在中性、堿性或弱酸性的介質(zhì)中發(fā)生的。大氣中鋼鐵等金屬的腐蝕主要形式是吸氧腐蝕。反應(yīng)方程式如下: 陽極(Fe):Fe-2e-=Fe2+ 陰極(雜質(zhì)):O2十2H20十4e-=40H- 總反

14、應(yīng):2Fe十O2十2H20=2Fe(OH)2 圖2 Fe(0H)2將進一步被O2所氧化,生成Fe(OH)3并部分脫水為疏松的鐵銹。 4Fe(OH)2十O2十2H20=4Fe(OH)3=Fe203·xH20(鐵銹) 析氫腐蝕的水膜常呈酸性,而吸氧腐蝕水膜呈中性或酸性很弱或堿性。通常兩種腐蝕同時存在,但后者更為普遍,吸氧腐蝕比析氫腐蝕嚴重得多。2.電化學保護法 電化學保護是指在電化學腐蝕系統(tǒng)中，通過施加外加電流將被保護金屬的電位移向免蝕區(qū)或鈍化區(qū)，按其保護原理可分為陰極保護和陽極保護。 2.1 陰極保護 陰極保護是在被保護的金屬表面通入足夠大的陰極電流，使其電位變負，從而抑制金屬表面上腐

15、蝕電池陽極的溶解速度。陰極保護的原理見左圖，未進行陰極保護時，金屬M以腐蝕電位Ecorr、腐蝕電流icorr被腐蝕，加入陰極電流后，發(fā)生陰極極化的結(jié)果使得金屬的電位從Ecorr移至Ec，此時總的陰極極化電流由兩部分組成，一部分是由腐蝕電池形成的（途中的FD段），另一部分是外加的ED段。此時腐蝕仍然沒有完全停止下來，只不過腐蝕速度變小了。當外加電流足夠大，使金屬的電位移至Ee，A，即金屬M的平衡電位時，腐蝕電流變?yōu)榱?，腐蝕完全被抑制。使金屬完全得到保護的最小電流密度稱為最小保護電流密度，相應(yīng)的電位稱為最小保護電位。陰極保護的電位不是越負越好，過負的陰極電位對腐蝕控制無實際意義，同時也會浪費電源，

16、還可能會引起氫脆腐蝕。1 在被保護的金屬表面注入陰極電流，根據(jù)電流的來源分為犧牲陽極法和外圖3加電流法兩種方法。 2.1.1 犧牲陽極保護法 這種方法是在需保護的金屬裝備和另一種當做溶陽的金屬之間安裝一電解裝置，利用金屬的溶解提供陰極電流，見下圖（a）。 圖4被選作犧牲陽極的金屬一般是鋅合金、鋁合金、鎂合金等，其重要的性質(zhì)是能夠以相對于被保護金屬而言更負的電位，且以相對均勻的速度被腐蝕溶解，以提供平穩(wěn)的保護電流。由于作為犧牲陽極的金屬的腐蝕溶解，可以使被保護金屬的陽極電位移向更負的位置，當兩種金屬的平衡電位相同時，輔助金屬相當于陽極，而被保護的金屬變成了陰極。很明顯，此時整個金屬溶解速度會增大

17、，但溶解的是被用作“犧牲”的輔助金屬，被保護金屬的溶解速度大大降低。在20世紀60年代及70年代初期，船殼的保護大部分是犧牲陽極的陰極保護法。 2.1.2外加電流保護法 這種方法是用靠外部電源提供陰極電流，這時的陽極材料選用鋼鐵、石墨、高硅鑄鐵、鉛銀（2%）合金、鍍鉑的鈦等，稱為輔助陽極。這是一種應(yīng)用更廣泛的陰極保護法。采用外加電流的陰極保護系統(tǒng)，可以得到較大的保護電流，所以這種系統(tǒng)對于高電阻和低電阻的介質(zhì)都適用，它主要是用來保護有隔離涂層的很長的金屬結(jié)構(gòu)。它的優(yōu)點在于保護電流容易調(diào)整，因而就有可能根據(jù)保護狀態(tài)的變化而隨時保持所需要的保護電位。采用這種保護方法時，應(yīng)當注意到，由于外加電流的作用

18、，任何靠近被保護結(jié)構(gòu)的金屬構(gòu)件，都可以看作為低電阻的導(dǎo)體，而遭到嚴重腐蝕。圖5三電化學防腐蝕現(xiàn)狀及發(fā)展前景 金屬的電化學腐蝕和腐蝕的電化學控制，目前基本上還建立在唯象理論基礎(chǔ)上，腐蝕理論和技術(shù)上的突破將主要依賴金屬等材料界面電化學分子水平的研究。當前的研究主要包括：在復(fù)雜的宏觀體系中基兀腐蝕過程及其相應(yīng)作用的理論模型；決定體系使用壽命的參數(shù)及壽命預(yù)測；對重要技術(shù)設(shè)備腐蝕實施監(jiān)控的傳感器技術(shù)：應(yīng)用于腐蝕保護的新電極材料：耐腐蝕新材料的開發(fā)；金屬鈍化膜的成分、晶體結(jié)構(gòu)及電子性質(zhì)，鈍化膜局部破壞和金屬局部腐蝕的理論模型、統(tǒng)計處理及原位微區(qū)測試技術(shù)；金屬表面耐蝕處理的技術(shù)和理論：緩蝕劑電化學行為的分子

19、水平研究。隨著陰極保護技術(shù)的普及，對犧牲陽極來說，人們對此有了更加深刻的認識。日前，犧牲陽極的實用配方已經(jīng)基本定型和標準化，但開發(fā)高效、耐用、經(jīng)濟的犧牲陽極則成為犧牲陽極材料的發(fā)展方向，其中又以鋁合金陽極的性能研究及開發(fā)最為突出現(xiàn)在研究的高效鋁陽極開路電位己達-1.4V，電流效率>95%以上，而且還開發(fā)研制了用于海泥的Al-Zn-In系及Al-Zn-In-Si系合金犧牲陽極和Alap-3以上。在犧牲陽極機理研究方面，對于鋁合金陽極中Hg、In等元素的活化作用機理，鋁基犧牲陽極的溶解過程和負差異效應(yīng)，Zn陽極晶問腐蝕的原因和對策以及探索用工業(yè)純原料代替高純原料制造犧牲陽極等方面都有不同進展

20、。生產(chǎn)工藝成型方面，通過對鑄造過程中的熱處理和改變陽極的常規(guī)形狀，以提高電化學效率及改變原來單調(diào)的外形，滿足陰極保護多樣化的發(fā)展。比如，用管線的手鐲式陽極、用于保護管線的帶狀陽極及小尺寸的棒狀陽極。除了犧牲陽極保護陰極以外，外加電流陰極保護也有發(fā)展很好的前景。外加電流中使用的輔助陽極材料，由最普通的石翠和高硅鑄鐵發(fā)展到鍍鍆鈦、鍍鉗銀陽極，陽極形式也在硅發(fā)生變化。對混凝土鋼筋可實行陰極保護，可用導(dǎo)電混凝土、柔性陽極、網(wǎng)狀輔助陽極。參比電極的精度及使用壽命關(guān)。四.實驗1 實驗材料與方法試樣制備試驗材料為20號鋼管線鋼, 化學成分見表1。直接取直縫焊管線切成33mm X20mm，壁厚是8mm規(guī)格的試

21、樣。取我國典型的酸性土壤鷹潭土壤為模擬研究介質(zhì)，依據(jù)其主要理化數(shù)據(jù)用分析純NaCl、稀H2SO4、NaHCO3及去離子水配制成的模擬溶液。其成分（質(zhì)量分數(shù)，）為0.36Cl-，17SO2-4 ，H+ ；分別配置PH值為3,3.5,4, 5，的溶液。2 犧牲陽極法設(shè)計主要參數(shù)的確定2.1 土壤電阻率的測試土壤電阻率直接決定陽極的種類與規(guī)格。如果管道沿線土壤電阻率變化非常大，則應(yīng)該分別設(shè)計不同種類與規(guī)格的陽極。2.2 陰極保護電流密度的選擇影響陰極保護電流密度的因素很多，主要有被保護結(jié)構(gòu)的表面狀況(防腐層類別及質(zhì)量)、環(huán)境條件(如溫度、介質(zhì)狀態(tài)、pH值、含鹽量及種類、含氧量、微生物活動等)和被保護

22、金屬種類等。對不同類型的防腐層和土壤介質(zhì)，犧牲陽極法陰極保護電流密度的選擇在實踐中差別較大。有文獻描述陰極保護電流密度與防腐層絕緣電阻有對應(yīng)關(guān)系(見表1)，并可以用以下經(jīng)驗公式表示：式中i。陰極保護電流密度，mAm2 R。防腐層絕緣電阻，Q·m2防腐層絕緣電阻(Q·m2)l×1043000100030010030保護電流密度 (mA·m²)0.030.100.31.003.0010.003 金屬腐蝕速度的表示法：重量指標：金屬因腐蝕而發(fā)生的重量變化，換算成相當于單位表面積于單位時間內(nèi)重量變化的數(shù)值，常用單位：mg/cm²h深度指標：金

23、屬的厚度因腐蝕而減少的量，以長度單位表示，幷換算成單位時間的數(shù)值，常用單位：mm/a電流指標：用腐蝕金屬的陽極電流密度的大小，衡量金屬腐蝕速度的快慢，常用單位:mA/cm²4 實驗步驟：此實驗主要運用外加電流保護法，模擬鋼鐵在酸性土壤中的腐蝕，及需要多大的電流即可防止腐蝕，及各個電流情況下的腐蝕速度。PH=3,3.5,4,4.5情況下的需要的防腐電流。需要實驗器材：稀硫酸，PH試紙，導(dǎo)線，電流表，電源，天平，鑷子，滑動變阻器，碳棒，玻璃杯子等等。實驗步驟：1、 打磨材料表面，稀釋硫酸到指定的PH值。2、 實驗開始，擺放好器材，接好電路。3、 碳棒和試件放在溶液中。4、 碳棒和試件直接

24、連用導(dǎo)線連接，觀察現(xiàn)象。每隔十分鐘測量試件重量。5、 拆開導(dǎo)線，外加電源，調(diào)節(jié)滑動變阻器，改變電流大小，觀察現(xiàn)象，記錄試件重量。6、 改變PH值，重復(fù)4，5操作，記錄數(shù)據(jù)。7、 拆掉裝置，分析數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果預(yù)測：1、 在相同的環(huán)境下，隨著電流的增加，防腐效果越來越明顯。2、 在不同的酸性條件下，隨著PH值的增大，腐蝕越來越弱。防腐的電流越來越小。實驗11， PH=3,3.5,4,5溶液下實驗時，在不加電源的情況下，接上電流表，接通回路，測出原電池腐蝕電流.表格 1試件編號1號2號3號4號PH33.545腐蝕電流uA/cm²64524531原始試件質(zhì)量g63.587064.772463.619763.7555實驗21，PH=3實驗時，外加電源，調(diào)節(jié)滑動變阻器，調(diào)節(jié)到所需的實驗電流，時刻觀察試件的腐蝕情況，每24小時記錄試件的重量，改變電流，重復(fù)操作，直到找到最佳防腐電流。表格 2次數(shù)1234外加電流uA無206465試件重量g63.539963.527463.520363.51992，PH=3.5實驗時，外加電源，調(diào)節(jié)滑動變阻器，調(diào)節(jié)到所需的實驗電流，時刻觀