材料腐蚀及核电站材料腐蚀防护概述

材料腐蚀及核电站材料腐蚀防护概述

【摘要】随着科技发展，材料腐蚀成为工业生产中的重要问题，很多技术无法突破的关键就在于材料的腐蚀问题无法解决。本文通过对金属材料，非金属材料的腐蚀机理等问题进行概述，并对核电工业对腐蚀防护技术的需求进行了初步介绍。

【关键字】金属非金属腐蚀核电工业防护

一、引言

随着科技的发展，在生产制造过程中，材料的腐蚀问题的重要性越来越突出，可以说现阶段很多技术无法做出突破的重要原因就是材料腐蚀问题无法解决。因此，清楚地认识和了解材料的腐蚀问题具有重要研究意义。同时联系本专业知识背景，进一步了解有关核电工业对腐蚀防护技术的需求，对我们今后的工作和学习研究具有一定的指导意义。

关于材料的腐蚀，主要包括金属的腐蚀和非金属的腐蚀。同时，核电工业对腐蚀防护技术的需求包括了水冷式堆型核电站的腐蚀与防护和特殊类型核反应堆的腐蚀问题。

二、金属腐蚀

1．定义与危害

金属材料受周围介质的作用而损坏，称为金属腐蚀。究其本质，金属在腐蚀过程中所发生的化学变化，其实就是金属单质被氧化形成化合物。

在人类进入21世纪的今天，金属材料的应用也得到空前的拓宽，全球每年因腐蚀造成的金属损失量高达全年金属产量的20％-40％。化学工业、石油化工、原子能等工业中，由于材料腐蚀造成的跑、冒、滴、漏，不仅造成惊人的经济损失，还可能使许多有害物质甚至放射性物质泄漏而污染环境，危害人民的健康，有的甚至会长期造成严重的后果；而由于金属腐蚀所造成的灾难性事故严重地威胁着人们的生命安全：许多局部腐蚀引起的事故，如氢脆和应力腐蚀断裂这一类的失效事故，往往会引起爆炸、火灾等灾难性恶果。据世界上发达国家调查统计，每年由于金属腐蚀造成的直接损失约占国民经济生产总值的1.5％-4.2％；1999年光明日报曾报道了我国每年腐蚀损失是2800亿元，其中石化系统的损失(不含事故损失)为400亿，按照国民生产总值(2005年GDP18万亿)4％的损失量计算，我国每年将有近7 200亿元腐蚀损失。

所以，了解金属的腐蚀具有重要的社会和经济意义。

2．金属腐蚀的分类

金属腐蚀按腐蚀过程机理分，主要有化学腐蚀、电化学腐蚀和生物腐蚀；按金属腐蚀破坏的形态和腐蚀区的分布，主要有全面腐蚀和局部腐蚀；还有按腐蚀的环境条件把腐蚀分为高温腐蚀和常温腐蚀；干腐蚀和湿腐蚀等。

3．金属腐蚀的机理

金属腐蚀按腐蚀过程机理可以分为化学腐蚀、电化学腐蚀和生物腐蚀。下面，将对各个过程进行详细说明。

（1）化学腐蚀

化学腐蚀是指金属在非电化学作用下与接触到的物质直接发生氧化还原反应而被氧化损耗的腐蚀过程。通常指在非电解质溶液及干燥气体中，纯化学作用引起的腐蚀。这类腐蚀不普遍、只有在特殊条件下才会发生，例如，化工厂里的氯气与铁反应生成氯化亚铁：Cl2 + Fe → FeCl2

化学腐蚀原理比较简单，属于一般的氧化还原反应。在反应过程中，金属的氧化和氧化剂的还原是同时发生的，电子从金属原子直接转移到接受体，而不是在时间或空间上分开独立进行的共轭电化学反应。

（2）电化学腐蚀

电化学腐蚀是防腐蚀领域中最重要的研究对象，是指金属在水溶液中形成电池而引起的腐蚀。根据电化学腐蚀的机理，在水溶液中，由于不同金属的电位差，可以产生微电池效应而导致腐蚀的发生；即使同一金属板，由于其内部应力的差异、焊缝成分的不同、电解质溶液中的浓度差、温度差、氧浓度差等，都可以产生电位差而导致电位较低的金属腐蚀。

以金属铁为例，在酸性溶液中，发生析氢反应：

负极(Fe)：Fe －2eˉ = Fe2+

正极(杂质如碳或者电位较高的金属)：2H+ + 2eˉ = H2

电池反应：Fe + 2H+ = Fe2+ + H2↑

由于有氢气放出，所以称之为析氢腐蚀。当阴极区的H+消耗完的时候，如果没有氧气的存在，则会产生阴极极化，钢铁发生的电池反应会很快结束，而在阳极区由于Fe2+的积累而产生阳极极化。

在中性或者碱性溶液中，如果没有氧气的存在，则如上，不会发生电池反应。而如果有氧气的存在，则会发生吸氧反应：

负极(Fe)：Fe －2eˉ = Fe2+

正极（杂质如碳或者电位较高的金属）：O2 + 2H2O + 4eˉ = 4OHˉ

电池反应：2Fe +O2 + 2H2O = 2Fe(OH)2

由于吸收氧气，所以也叫吸氧腐蚀。钢铁制品在大气中的腐蚀主要是吸氧腐蚀。

析氢腐蚀与吸氧腐蚀生成的Fe(OH)2被氧所氧化，生成Fe(OH)3脱水生成Fe2O3铁锈：

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3

2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O

电化学腐蚀是最常见的腐蚀，在自然条件下，如海水、土壤、地下水、潮湿大气、酸雨等对金属的腐蚀通常是电化学腐蚀。电化学腐蚀机理与纯化学腐蚀机理的基本区别是：电化学腐蚀时，介质与金属的相互作用被分为两个独立的共轭反应。阳极反应是金属原子直接转移到溶液中，形成水合金属离子或溶剂化金属离子。另一个共轭的阴极过程是留在金属内的过量电子被溶液中的电子受体或去极化剂所接受而发生还原反应。

（3）生物腐蚀

生物腐蚀是指生理环境下，金属表面逐渐侵蚀的现象。其结果是导致金属形变及性能退变。

生物腐蚀过程可分为两类：

1、机械的：包括金属被昆虫和啮齿动物啮蚀和穿孔，如电缆、铅管等等遭到损害。建筑物或其他金属构造也可由于植物的根系生长而遭受损害。

2、化学的：包括同化效应和异化效应。同化效应是指生物将金属作为营养源使用，而异化效应则指生物产生代谢产物，如酸或毒素，可以引起金属腐蚀或使之不能使用。

4．影响金属腐蚀的因素

（1）气相对湿度和金属腐蚀的临界相对湿度。

空气中氧气始终是充分供给的，腐蚀反应的速度主要取决于水分出现的机会，如果达到或超过某一相对湿度时，锈蚀便很快发生与发展，一般的说，钢铁生锈的临界相对湿度约为75%。

（2）空气中污染性物质的影响：常见的如：SO2，CO2，Cl-，灰尘等，大都是酸性气体。

（3）温度的影响：环境温度及其变化影响金属表面水份凝聚及电化学腐蚀反应速度。