腐蚀机理与腐蚀防护

商业纯铝
－１．０５
铝合金（５％锌）
－１．１
锌镁合金（６％铝，３％锌，０．１５％锰） －１．６
商业纯镁
－１．７５
＊在中性土壤和水中通常获得的典型电位值，用硫酸
铜作为参比电极测得）
表１也表明低碳钢的电位值会因为它的表面是 否清洁或者是否被热轧氧化皮覆盖而不同。钢的电位 值也是土壤性质的函数，包括ｐＨ 值，离子浓度，氧 和湿气含量。由于这些原因，地下管道和设备中形成 的电位差可以导致产生严重的腐蚀。
阴极保护的定义之一是通过使金属表面成为电 化学电池的阴极来减少金属表面的腐蚀率的一种技 术。这可以反向通过用一个外部能源（被称为外加电 流的阴极保护）或者利用一个牺牲阳极改变金属的电 位来实现。在外加电流系统中，借助于电源，也称为 整流器，及埋在地下的阳极把电流施加在设备上。在 牺牲阳极系统中，利用牺牲阳极材料例如锌或镁和管 道钢之间的电偶关系来提供所需的阴极保护电流。
２ 我们如何探测腐蚀？
腐蚀过程的电化学性质提供了探测和减缓地下 腐蚀的可能性。我们可以监测相关腐蚀过程的电压和 电流。
当一块金属放置在电解质例如土壤中，由于腐 蚀过程的电化学性质，电压将会在金属一电解质的接 触面上形成。我们虽然不能直接测量这个电压，但可 以用电压表我们测量放在土壤中的两块不同金属之间 的电压。我们也可以测量在一块金属和一个参比电极 之间的电压，通常这被称为一个半电池电极。这个电 压被称作为金属在此环境下可以测量获得的腐蚀电 位、开路电位或者自然电位。对于土壤环境，最广泛 使用的参比电极是铜／硫酸铜参比电极（ＣＳＥ）。
图 ２ 管道对地电位测量图
３ 我们如何减缓腐蚀的？
在地下管道上减缓腐蚀的主要方法是涂层和阴 极保护。
更正说明：
本刊２００３年第６期中陈晓钢先生所著论文 《金红石钛白粉生产中流态化塔的防腐施工维
修》一文中“金红石钛白粉”应为“金红石钛黄 粉”，特此更正，并向本文作者和读者致歉。
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点，在该点的氧气、水、或者另外的一些物质被还原，
该点称为阴极或者阴极区。一般腐蚀电极由四个必须
的部分组成。
１．必须有一个阳极
２．必须有一个阴极
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全面腐蚀控制
Ｊｏｈｎ Ｂｅａｖｅｒｓ 腐蚀机理与腐蚀防护
２００４ 年第 １８卷第 １期
图１ 差异腐蚀电池的图示
３．必须有一个连接阳极和阴极的导电通路。（通 常这可能是管道自身）
涂层通常是在被保护的金属的表面形成一个连 续性电绝缘材料薄层。这样的一个涂层的作用是隔离 金属与周围电解质的直接接触（防止电解质与金属的 接触），而且涂覆这样的高阻抗涂层使电化学反应不 容易发生。事实上，所有的涂层，无论总体质量如何， 都有缺陷，也可以说有针孔，它们是加工厂进行涂覆 管的施工、运输和安装的过程中形成的。涂层上的小 孔也可以由于涂层剥落、土壤的压力、地下管道的运 动或在使用过程中形成。在用涂层的剥落也可以导致 涂层与管道表面的脱离，进而使金属暴露在地下环境 中。在小孔和剥落区域中的高腐蚀率可以导致管道的 泄露和破裂，即使涂层可以有效的保护管道的大部分 表面。因而，涂层在缺少阴极保护的时候很少用于地 下管道保护上。阴极保护管道上涂层的主要作用是减 少在管道上暴露的金属的表面面积，从而减少对阴极 保护金属电流的需求。
表１
在中性土壤和水中材料的电位序
材料
电位伏特值（ＣＳＥ）ａ
碳，石墨，焦碳
＋０．３
铂
０－０．１
钢上有热轧氧化皮
－０．２
高硅铸铁
－０．２
铜，黄铜，青铜
－０．２
混凝土中的低碳钢
－０．２
铅
－０．５
铸铁（没石墨化）
－０．２－０．５
低碳钢（被腐蚀）
－０．５－０．８
低碳钢（清洁和光亮的）
－０．８
形成而且使腐蚀过程停止。
氧化反应和还原反应有时也被称为半电池反应，
它们可以局部发生在金属的同一点或者分开发生。当
这些电化学反应被分开的时候，这个过程称为差异腐
蚀电池。差异腐蚀电池的图解见图１。金属被氧化的
点被称为阳极或者阳极区。在这一区域，当金属离子
离开金属表面时，直流电流（定义为正电荷的流向）从
金属表面流到电解质中。该电流流经电解质到达另一
Corrosion Mechanism and Corrosion Protection
Ｊｏｈｎ Ｂｅａｖｅｒｓ Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ａｎｔｉｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ；ｇａｌｖａｎｉｃ ｓｅｒｉｅｓ；ｃｏａｔｉｎｇ；ｃａｔｈｏｄｉｃ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ．
腐蚀电位测量的另外一个用途是用来确定电偶 腐蚀发生的可能性。当两金属在一种环境下被电性连 接后，这对金属中电负性较高的（活泼的）一方在差异 腐蚀电池中成为阳极，较正（贵金属）一方将成为阴 极。一般而言，随电偶对电位差的增加，腐蚀加剧， 尽管也有例外。表１显示的系列值表明，当铜与低碳 钢在土壤中电性配对后，铜将成为阴极而钢将成为阳 极，从而加速了钢的腐蚀。
如果阴极和阳极足够大，电流测量也可以用来 检测差异腐蚀电池。大的电池产生的长线电流可以通 过测量管道和其他地下设备来确定。通过欧姆定律 （Ｖ＝ＩＲ，Ｖ 是 电 压 ，Ｉ 是 电 流 ，Ｒ 是 电 阻 ），我 们 知 道 在 土壤中的电流可以产生一个电压降。这个电压降可以 通过在管道上放置相同的参比电极测量出。电压的测 量可以被用来推断微观电池电流的方向。在管道上阳 极区和阴极区可以通过一系列沿着管道的电池对电池 电位测定被确定。
电位测量可以被用来评估在给定环境下不同金 属的耐腐蚀性。贵金属，例如金和铂，具有非常高的 正电位因而比通常使用的工程金属如钢和铝有更强的 耐腐蚀能力。电位序是根据给定的环境下一系列金属 和合金相对腐蚀电位高低的排列。表ｌ是金属和另外
一些材料在中性土壤和水中的电位序，从表中可以看 到所列的材料中碳的正电位最高，镁的负电位最高。 电位序中不同金属的测量电位根据环境的性质略有差 异，但他们在土壤和海水这样的自然环境中的相对电 位顺序类似。
许多普通工程材料在近室温时的腐蚀发生在有 水（含水）的环境下而且在性质上是电化学性质的。有 水的环境也被称为电解质，在地下腐蚀情况下的电解 质就是潮湿的土壤。腐蚀的过程涉及金属失去电子
（氧化作用）的过程〖见方程式（１）〗而失去的电子被另
外的还原反应消耗掉，例如氧和水的还原反应〖分别
见方程式（２）和（３）〗。
第 １８ 卷第 １ 期 ２００４ 年 ２ 月
全 面 腐 蚀 控 制
TOTAL C ORROSION CONTROL
Ｖｏｌ．１８ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ． ２００４
腐 蚀 机 理 与 腐 蚀 防 护
Ｊｏｈｎ Ｂｅａｖｅｒｓ 摘 要：本文论述了腐蚀的产生机理，从而探讨了防腐蚀的办法。 关键词：腐蚀 电位序 涂层 阴极保护
Ｆｅ — Ｆｅ２＋＋２ｅ
（１）
Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ－ 一 ４ＯＨ－
（２）
２Ｈ２Ｏ＋２ｅ－ 一 Ｈ２＋２ＯＨ－
（３）
氧化反应一般称为阳极反应，而还原反应一般
被称为阴极反应。两个电化学反应对腐蚀的发生是必
不可少的。氧化反应造成金属的实际损失，但还原反
应必须消耗由氧化反应释放出的电子来维持电荷的中
性。否则，大量的负来自百度文库荷将会在金属和电解质间快速
１ 什么是腐蚀？
一般腐蚀的定义是指由于环境作用引起的材料 破坏。这个定义包含所有的自然存在的和人造的材 料，含塑料、陶瓷和金属。本书的核心是金属的腐蚀， 强调的是用在地下管道上的碳钢和低合金钢的腐蚀。 腐蚀的这个定义涉及到这样的问题：首先金属为什么 会腐蚀？答案可用热力学解释，它告知我们腐蚀过程 是否会发生。第二个问题是腐蚀速率是什么或者管道 可使用多长时间？腐蚀动力学可以提供我们这个问题 的答案。
电位测量通常用于确定地下管道上是否存在差 异腐蚀电池类型。管道进行电连接，管道的电位通过 放置在管道上的相应的参比电极测量，该过程如图２ 所示。通常，参比电极连接到数字电压表的负端得到
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全面腐蚀控制
Ｊｏｈｎ Ｂｅａｖｅｒｓ 腐蚀机理与腐蚀防护
２００４ 年第 １８卷第 １期
一个负读数。如表１显示，土壤中的许多电位是负数。 对于这种测量的类型，设备中许多负区域是阳极而且 由于存在差异腐蚀电池加速腐蚀过程。
４．阳极和阴极必须浸入导电的电解质中。（通常 是潮湿的土壤）
管道和另外一些设备的地下腐蚀常常是由于存 在不同类型的差异腐蚀电池。这些包括充气差异电 池，此管道的不同部分暴露在土壤中不同的氧浓度 下，电池因管道表面性质或者土壤化学物质的不同而 产生。电偶腐蚀是差异电池腐蚀的一种形式，该形式 中两种不同的金属在电性上成对而且置于腐蚀性的环 境。
从能量的意义上讲，当金属从矿石中提炼出以 后就被置位于一个高的能量状态。这些矿石是典型的 金属氧化物，例如钢对应的金属氧化物是三氧化二铁 （Ｆｅ２Ｏ３），铝对应的则是氧化铝（Ａｌ２Ｏ３·Ｈ２Ｏ）。热力学 的原理之一就是物质总是寻求最低的能量状态。换句 话，许多金属处于热力学不稳定状态而且趋向于寻求 一种较低的能量状态，也就是说有形成氧化物或者一 些其他化合物的趋势。金属转化成为低能量氧化物的 过程称为腐蚀。