part1金属管道腐蚀与防护基础(宋胜军)

钢制轻烃罐的腐蚀开裂
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氢脆（ 氢脆（Hydrogen embitterment） ）
在某些介质中， 在某些介质中，因腐蚀或其他原因所产生的氢原子可 渗入金属内部，使金属变脆，并在应力作用下发生脆裂。 渗入金属内部，使金属变脆，并在应力作用下发生脆裂。 如含硫化氢的油、气输送管道中常发生这种腐蚀。 如含硫化氢的油、气输送管道中常发生这种腐蚀。
3600 IA K= FnS
腐蚀速度 金属溶解为离子价数 法拉弟常数96.500 法拉弟常数 腐蚀电流A 腐蚀电流 金属原子量
（g/m2.h） ）
金属的表面积m 金属的表面积 2
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1.4.2 局部腐蚀的腐蚀速度 局部腐蚀程度评定较为复杂， 局部腐蚀程度评定较为复杂，没有统一的定量评 定标准。金属的局部腐蚀形式很多， 定标准。金属的局部腐蚀形式很多，反映在物理和机 械性能方面的变化也各不相同。例如小孔腐蚀， 械性能方面的变化也各不相同。例如小孔腐蚀，只在 小孔处反映出腐蚀深度的变化， 小孔处反映出腐蚀深度的变化，而其他部位并无明显 改变。又如晶间腐蚀， 改变。又如晶间腐蚀，虽然金属的重量和外形尺寸并 没有发生多大变化，但其机械强度却下降很大。 没有发生多大变化，但其机械强度却下降很大。
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由此可见， 由此可见，评价局部腐蚀不能用简单的重量变 化或外形尺寸的变化来进行评定， 化或外形尺寸的变化来进行评定，需要根据腐蚀形 式采用合适的物理、机械性能变化指标来进行评定。 式采用合适的物理、机械性能变化指标来进行评定。 目前对点蚀的评价采用点蚀密度、平均点蚀深度、 目前对点蚀的评价采用点蚀密度、平均点蚀深度、 最大点蚀深度等指标进行综合评价。 最大点蚀深度等指标进行综合评价。晶间腐蚀和应 力腐蚀则采用腐蚀前后机械强度的损失来进行评定。 力腐蚀则采用腐蚀前后机械强度的损失来进行评定。
第一部分 管道腐蚀与防护基础
主讲： 主讲：宋胜军
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§1.1 腐蚀简介 1.1.1 油气管道防腐的发展过程
• 20年代埋设裸管加阴极保护 年代埋设裸管加阴极保护 • 40年代开始采用覆盖层加阴极保护 年代开始采用覆盖层加阴极保护 • 迄今仍在进行管道防防腐蚀技术的不懈探索
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2. 电化学腐蚀 电化学腐蚀指金属与电解质因发生电化学反应而 产生的破坏。 产生的破坏。任何一种按电化学机理进行的腐蚀反应 至少包含有一个阳极反应和一个阴极反应， 至少包含有一个阳极反应和一个阴极反应，并与流过 金属内部的电子流和介质中定向迁移的离子联系在一 阳极反应是金属原子从金属转移到介质中并放出 起。阳极反应是金属原子从金属转移到介质中并放出 电子的过程，即氧化过程。阴极反应是 电子的过程，即氧化过程。阴极反应是介质中的氧化 剂夺取电子发生还原反应的还原过程 还原过程。 剂夺取电子发生还原反应的还原过程。
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图1 局部腐蚀形态示意图
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点蚀（ 点蚀（Pitting） ）
又称小孔腐蚀。这 种破坏常集中在某些活性 点上，并向金属内部深处 点上， 发展， 发展，通常其腐蚀深度大 于其孔径， 于其孔径，严重时可使金 属穿孔。 属穿孔。如不锈钢在含有 氯离子的溶液中常呈现这 种破坏形式。 种破坏形式。
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§1.3 金属腐蚀的分类
1.3.1 按腐蚀机理
电化学腐蚀→金属与介质性发生 电化学腐蚀 金属与介质性发生 电化学反应的腐蚀
化学腐蚀→发生化学反应的腐蚀 化学腐蚀 发生化学反应的腐蚀
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1.3.2 按腐蚀形态划分 全面腐蚀（ 全面腐蚀（General Corrosion） ）
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强度降低率
金属材料腐蚀后的强度极限， 金属材料腐蚀后的强度极限，MPa
ν1 −ν 2 β = × 100 % ν1
强度降低率， 强度降低率，%
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V− = W − W1 At
金属试件的初始重量， 金属试件的初始重量，g 消除腐蚀产物后的金属试件重量， 消除腐蚀产物后的金属试件重量，g
腐蚀进行的时间，h 腐蚀进行的时间， 试件表面积， 试件表面积，m2
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重量法2： 重量法 ：
W2 − W0 V = At
+
带有腐蚀产物的金属试件经腐蚀后的重量， 带有腐蚀产物的金属试件经腐蚀后的重量，g 消除腐蚀产物后的金属试件重量， 消除腐蚀产物后的金属试件重量，g
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§1.4 金属腐蚀速度的表示方法
1.4.1 均匀腐蚀的腐蚀速度
均匀腐蚀或全面腐蚀程度一般采用平均腐蚀速率表示。 均匀腐蚀或全面腐蚀程度一般采用平均腐蚀速率表示。 平均腐蚀速率又有腐蚀率和侵蚀率两种表达方法。 平均腐蚀速率又有腐蚀率和侵蚀率两种表达方法。单位时间内 单位面积上的腐蚀量称为腐蚀率(重量法 厚度法） 重量法， 单位面积上的腐蚀量称为腐蚀率 重量法 ，厚度法） ； 单位时 间内侵入的深度称为侵蚀率。 间内侵入的深度称为侵蚀率。 重量法1 重量法1：
图2 点蚀照片
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应力腐蚀开裂(Stress
Corrosion Cracking) 它在局部腐蚀中居首 位。根据腐蚀介质的性 质和应力状态的不同， 质和应力状态的不同， 裂纹特征会有所不同， 裂纹特征会有所不同， 显微裂纹呈穿晶、 显微裂纹呈穿晶、晶界 或两者混合形式， 或两者混合形式，裂纹 呈树枝状， 呈树枝状，其走向与所 受拉应力的方向垂直。 受拉应力的方向垂直。
液态金属腐蚀 熔盐腐蚀 燃气腐蚀 1.3.6
按作用原理划分
化学腐蚀( 气体腐蚀、在非电解质溶液中的腐蚀） 化学腐蚀 气体腐蚀、在非电解质溶液中的腐蚀） 电化学腐蚀（一个短路的原电池电极反应的结果） 电化学腐蚀（一个短路的原电池电极反应的结果）
管道腐蚀与防护Baidu Nhomakorabea础
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1. 化学腐蚀 金属的化学腐蚀是指金属表面与非电解质直接 发生纯化学作用而引起的破坏。 发生纯化学作用而引起的破坏。化学腐蚀是在一定 的条件下， 的条件下，非电解质中的氧化剂直接与金属表面的 原子相互作用， 原子相互作用，即氧化还原反应是在反应粒子相互 作用的瞬间于碰撞的那一个反应点上完成的。 作用的瞬间于碰撞的那一个反应点上完成的。在化 学腐蚀过程中，电子的传递是在金属与氧化剂之间 学腐蚀过程中， 直接进行，因而没有电流发生。过去， 直接进行，因而没有电流发生。过去，普遍的观点 认为，金属的高温氧化属典型的化学腐蚀。 认为，金属的高温氧化属典型的化学腐蚀。
腐蚀进行的时间，h 腐蚀进行的时间， 试件表面积， 试件表面积，m2
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厚度法： 厚度法：单位时间内单位面积耗损金属的厚度
Vt =
V ×365× 24 365×
−
(100) × ρ
2
×10 = V ×
−
8.76
ρ
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用腐蚀电池中阳极金属的溶解表示，即：腐蚀 用腐蚀电池中阳极金属的溶解表示， 电流的大小能代表金属的腐蚀速度 法拉弟定律
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电化学腐蚀的特点： 电化学腐蚀的特点： • 介质为离子导电的电解质。 介质为离子导电的电解质。 • 金属／电解质界面反应过程必须包括电子和离 金属／ 子在界面上的转移。 子在界面上的转移。 • 界面上的电化学过程可以分为两个相互独立的 氧化和还原过程。 氧化和还原过程。 • 电流的产生。 电流的产生。
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1.2.2 金属发生腐蚀的特点
(帮助我们判断腐蚀状况 帮助我们判断腐蚀状况) 帮助我们判断腐蚀状况
• 破坏总是从金属表面逐渐向内部深入 （ 因金属腐蚀的过 破坏总是从金属表面逐渐向内部深入（ 程发生在金属与介质面上的多相反应） 程发生在金属与介质面上的多相反应） • 金属在发生腐蚀过程时，一般也同时发生外貌变化（ 如 金属在发生腐蚀过程时 ， 一般也同时发生外貌变化 （ 疡斑、小孔、表面有腐蚀产物、金属材料变薄） 疡斑、小孔、表面有腐蚀产物、金属材料变薄） • 金属的机械性能 ， 组织结构发生变化 （ 如金属变脆 ， 强 金属的机械性能，组织结构发生变化（ 如金属变脆， 度降低，金属组织结构发生相变） 度降低，金属组织结构发生相变） • 金属还没有腐蚀到严重变质的程度 ， 但足以造成设备事 金属还没有腐蚀到严重变质的程度， 故或损坏
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1.3.3
按腐蚀温度划分 低温腐蚀 高温腐蚀
1.3.4
按腐蚀介质的状态划分 干腐蚀→一般为化学腐蚀 干腐蚀 一般为化学腐蚀 湿腐蚀→一般为电化学腐蚀 湿腐蚀 一般为电化学腐蚀
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1.3.5
按腐蚀介质的种类划分 按腐蚀介质的种类划分 介质的种类 化学介质腐蚀 大气腐蚀 海水腐蚀 土壤腐蚀 工业水腐蚀 高温腐蚀
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§1.2 腐蚀的定义
1.2.1 金属腐蚀的定义
1.材料腐蚀 材料腐蚀 是材料受环境介质的化学作用而破坏的现象 2.金属腐蚀 金属腐蚀 金属和它所处的环境介质之间发生化学或电化学作 金属和它所处的环境介质之间发生化学或电化学作 而引起的变质和破坏称为金属腐蚀， 用 而引起的变质和破坏称为金属腐蚀 ， 同时包括上述 因素与机械因素或生物因素的共同作用。 因素与机械因素或生物因素的共同作用。 不包含化学变化的纯机械破坏不属于腐蚀范畴， 不属于腐蚀范畴 不包含化学变化的纯机械破坏不属于腐蚀范畴，例 如钢索断裂，这是材料本身性能的失效。 如钢索断裂，这是材料本身性能的失效。
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1.1.4 管道发展和需要解决的问题
• 油气田开发向沙漠、海洋、极地的延伸， 管道向长 油气田开发向沙漠、海洋、极地的延伸， 运距、大口径、高压力、 运距、大口径、高压力、高度自动化摇控发展的趋 结论：对防腐蚀技术提出了更高的要求。 势。 结论：对防腐蚀技术提出了更高的要求。 • 我国防腐蚀层主要采用石油沥青，大部分已出现老 我国防腐蚀层主要采用石油沥青， 龟裂的现象。据经验，投产15~20a的管道逐步 化，龟裂的现象。据经验，投产 的管道逐步 进入事故高发期。 进入事故高发期。 • 有计划地开展管道防腐层的修复工作，加强防腐蚀 有计划地开展管道防腐层的修复工作， 工程的综合治理已刻不容缓。 工程的综合治理已刻不容缓。
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1.1.3 防腐蚀工作
• 广泛采用的方法 涂层、衬里、电法保护、缓蚀剂、 涂层、衬里、电法保护、缓蚀剂、耐腐蚀材料 • 新技术、新方法 新技术、 新型防腐层材料， 管道防腐层的复合结构、 新型防腐层材料 ， 管道防腐层的复合结构 、 涂敷新工艺。 涂敷新工艺。 在线测量技术， 腐蚀数据库， 在线测量技术 ， 腐蚀数据库 ， 专家系统等计 算机铺助管理决策系统。 算机铺助管理决策系统。
—腐蚀分布在整个金属表面上（均匀/不均匀 腐蚀分布在整个金属表面上（均匀 不均匀 不均匀) 腐蚀分布在整个金属表面上
局部腐蚀 (Localized Corrosion） ）
—腐蚀主要集中在金属表面某一区域 腐蚀主要集中在金属表面某一区域 点蚀（ 点蚀（Pitting） 电偶腐蚀（Galvanic ） 电偶腐蚀（ corrosion） 氢脆 ） 应力腐蚀开裂（ 应力腐蚀开裂（SCC） 晶间腐蚀 ） 选择性腐蚀（ 选择性腐蚀（Selective leaching)等 等
2
1.1.2 油气管道的内外腐蚀因素
•外：穿越各种不同类型的土壤，河流湖泊，气温， 外 穿越各种不同类型的土壤，河流湖泊，气温， 地下水位的变化以及杂散电流 • 内：输送天然气时，会有有害物质 2S和CO2 输送天然气时，会有有害物质H 和 输送原油时， 输送原油时，含S和H2O 和 输送成品油时，含有O 输送成品油时，含有 2和H2O
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1.2.3 金属腐蚀环境
腐蚀的实质→金属材料和环境的反应过程 腐蚀的实质 金属材料和环境的反应过程
材料所处的介质、温度、 材料所处的介质、温度、压力
几乎所有介质都有一定的腐蚀
一般： 温度和压力升高会使腐蚀加剧， 一般 ： 温度和压力升高会使腐蚀加剧 ， 介质的流 速也是影响腐蚀的重要因素 。