金属腐蚀理论及应用试题

2014年金属腐蚀理论及应用试题

一、名词解释：（5分）

标准电位：指的是当温度为25℃，金属离子的有效浓度为1mol/L（即活度为1）时测得的平衡电位。标准电极电位是以标准氢原子作为参比电极，即氢的标准电极电位值定为0，与氢标准电极比较，电位较高的为正，电位较低者为负。

平衡电位：金属与电解质溶液构成的体系中，在金属-溶液两相间，当金属离子在两相中的电化学位相等时，就建立起电化学平衡（MMn++ne）。这种单一电极反应的电荷和物质交换均达到了平衡电极电位（φe·M）。它与其溶液中金属本身的离子活度（αMn+）之间的关系符合能斯特公式（Nernst）。

腐蚀电位：广义的腐蚀电位指材料与环境间发生的化学或电化学相互作用而导致材料功能受到损伤的现象。狭义的腐蚀电位是指金属与环境间的物理-化学相互作用，使金属性能发生变化，导致金属，环境及其构成系功能受到损伤的现象。

绝对电位：当金属与溶液的界面上发生电极反应时，将会导致界面上双电层的形成，双电层两侧的电位差，即为电极电势（电位），也称绝对电极电势。

选择性氧化：如果合金内氧的溶解度很低，合金元素B向外扩散的速度很快，而且B 的含量比较高，此时直接在合金表面上生成外BO膜。即使在氧化初期，合金表面生成AO，但组元B与氧的亲和力大，将发生：B + AO → A +BO的反应，氧化产物将转变为BO。以上两种情形被称之为合金的选择性氧化。

二、回答下列问题：（15分）

1. 在中性水溶液中，Cu-Al和不锈钢-Al两对电偶的电位差相近，但前者会造成Al的严重腐蚀，而后者对Al的腐蚀轻微，试分析其原因。

答：两对电偶的电位差相近，所以在腐蚀的开始阶段，两对电偶中作为阳极的Al的腐蚀速度是相近的。但之后，在Cu-Al电偶对的阳极Al表面会生成一层Al2O3钝化膜，降低了腐蚀电位差，使反应速率减小；在不锈钢-Al电偶对的阴极和阳极表面都会生成钝化膜，使腐蚀电位差降低的更大，腐蚀速率减小的更多。所以，后者对Al的腐蚀轻微。

2. 有三种材质及所流过的介质都完全相同的管道。其中①管内为裸管，②管内有涂层，但涂层质量较差，③管内有涂层与线状牺牲阳极联合保护。请判断这三种管道哪种最先穿孔，哪种管道使用寿命最长？

答：内为裸管的管道将先穿孔，管内有涂层与线状牺牲阳极联合保护的管道寿命最长。在钢表面单独涂敷有机涂层，是因为有机涂层固有的真空腐蚀等缺陷，必定会有水分子通过针孔渗透到刚表面导致腐蚀，因为钢腐蚀时形成的腐蚀产物对钢机体没有保护性，腐蚀继续进行，腐蚀产物膨胀使有机涂层开裂，脱落，所以单独涂覆有机涂层的效果不好。采用阴极保护时候，保护电流

大，成本及维护费用高。采用有机涂层＋阴极保护，用阴极保护解决有机涂层腐蚀出的缺陷，有机涂层完全覆盖则可以减少总体的保护电流，成本降低，可靠性增高。

3. 为什么镀锌的水桶在温度较低的自来水中很耐蚀，而在热水中使用易发生穿孔腐蚀？

答：温度升高，金属的孔蚀倾向增大。当温度低于某个温度，金属不会发生孔蚀。这

个温度称为临界孔蚀温度(CPT) ，CPT愈高，则金属耐孔蚀性能愈好。自来水中含有Cl-离子，Cl-对锌的腐蚀促进作用很大。温度较低时，锌表面生成的氧化膜具有保护作用，所以腐蚀发生的很慢；当温度较高时，Cl-会破坏氧化膜，使其失去保护作用，进而使基体发生点腐蚀。

三、比较18Cr-9Ni和17Cr-12Ni-2.5Mo两种不锈钢在含Cl-的水溶液中的耐点蚀能力，解释其原因。（10分）

答：18Cr-9Ni和17Cr-12Ni-2.5Mo均为奥氏体不锈钢，铬镍奥氏体不锈钢最大的缺点是在含氯化物溶液中不耐应力腐蚀，易发生点蚀及缝隙腐蚀。为了提高奥氏体不锈钢的耐腐蚀能力，要降低碳含量，提高奥氏体稳定元素的含量，和降低铁素体形成元素的含量。以上两种钢，前者含碳量较后者高，且铁素体形成元素Cr较后者要高，奥氏体稳定元素Ni的含量又较后者低，后者更利于奥氏体相形成，耐点蚀能力更强。

四、外加电流阴极保护会对邻近未加保护的管道（或其他设施）产生干扰，加重未保护管道的腐蚀，请解释原因。（10分）

答：假设A、B是相互接触的并且电位相近的材料的两种设施，如果对A进行外加电流阴极保护，则会使A的电位升高，进而使A与B之间有了较大的电位差，B作为阳极的效应加强，腐蚀加重。

五、由热力学计算确定，为什么在25℃时，铜在除气的酸溶液（PH=1）中不腐蚀，而在通气的同种溶液中会发生腐蚀？（已知：E°Cu2+/Zn=0.337V，P O2=0.21大气压，E°

OH-/O2=0.401V）（10分）

答：已知铜在含氧酸和无氧酸中的电极反应及标准电极电位:1）在不含氧的酸中

Cu=Cu2++2e E°Cu2+/Cu=0.337V 2H++2e=H2 E°H+/H2=0V E°Cu2+/Cu =0.337V>

E°H+/H2=0V 故在不通气的酸中铜不发生腐蚀。

2)在含氧酸中1/2O2+2H++2e=H2O E°O2/H2O=1.229V E O2/H2O

=1.229-0.0591lg(PH*P O2)=1.229-0.0591*2=1.1108V Cu=Cu2++2e E°Cu2+/Cu=0.337V

E°Cu2+/Cu=0.337V< E°O2/H2O=1.1108V 故在通气的酸中铜能发生腐蚀。

六、一个铝合金制造的工业储水槽，容量为225m3，壁厚为8.25mm，仅仅使用了5年就发现产生了点蚀，最大点蚀深度为 1.65mm。如果按水槽储满水后的第一天就开始发生点蚀过程计算，该储槽达到腐蚀穿孔的剩余寿命是多少？如果按储槽在4年后（即第五年的头一天）才开始发生点蚀过程，该储槽到达腐蚀穿孔的剩余寿命是多少？（5分）答：腐蚀速度为V p=H/t=1.65/5mm/a=0.33mm/a若从储水第一天开始发生点蚀，则剩余寿命为

t=H余/V p=(8.25-1.65)/0.33=20a 即剩余寿命为20年。若从第五年开始发生点蚀，则剩余寿命为（8.25-1.65）/1.65=4年。

七、假设你所在的工厂有一条钢自来水主管道已使用了20年，近年不时出现泄漏，而且因管内结垢导致输送能力下降，已不能满足生产用水的需求，企业决定利用停产检修期对该管道进行改造。请根据投资资金有限和资金充足分别提出两套改造方案，其中资金充足方案中还要根据20年、50年、100年的使用寿命分别提出3个方案。（不必真的保证100年，只要寿命长的防腐方法确实比使用寿命短的方法实际寿命长即对）（20分）答：一、投资资金有限的方案：除垢器(球)除垢技术+沥青涂层。聚氨醋软体除垢器是由优质进口聚氨醋原料和独特的发泡工艺制造而成，经过特殊的加工工艺，对于垢质较硬的管道，可在软体除垢器的基础卜，加卜带有高强度的钢钉组成加强型软体除垢器。除垢过程中，除垢器在压力的作用下，对管道内壁的垢进行刮削，达到除垢的目的。此种方法简单易行，安全环保，投资低。由于沥青来源广泛、价格便宜、工艺熟练、绝缘、防水、粘接性能良好等特点，在经济不甚宽裕的条件下，仍不应放弃。在日本，尽管其经济状况并不困难，仍有78,6的输水管线采用了沥青防腐。特别是早期建设的管道，如彻底更换沥青涂层，是不太实际的。因此，该套方案比较适合低投资方案。

二、资金充足的方案：20年方案：换一套新管道+喷涂水泥砂浆：“喷涂”工艺是用水泥砂浆衬里作为管道内防腐蚀，它不仅通过水泥砂浆层把水体与管壁封隔开来，管壁接触不到水.不受水的侵蚀，起到了隔离作用;更重要的是在金属表面形成一个超稳定的钝化区，这是因为涂衬的砂浆层呈碱性，与管壁形成pH值高达12的区域，即使水渗透到金属表面，仍有抵御腐蚀的能力;砂浆衬里起了“拱”的作用，粘结力强，在金属管变形的情况下.不易发生壳落.其裂缝甚小，仍然能紧贴在管壁上;砂浆衬里的表面上会生成滑腻层，有保护砂浆层不被水流冲刷掉的作用。灰口铸铁管通过除垢喷涂后，不仅保证了管道内防腐蚀的持久性，增加管道使用寿命，而且减少了供水二次污染，具有较强的实用价值。过去管道内壁采用沥青涂层，化学性质不稳定，使用时间长就会发生老化，并微量溶于水中，污染水质，影响饮水卫生。现在通过水泥砂浆喷涂后，由于水泥砂浆