电化学在腐蚀与防护方面的应用

腐蚀电化学研究及防护

摘要：本文讨论腐蚀电化学的研究方法，指出复杂体系腐蚀电化学过程中的新理论、新模型及规律性的探索对于解决实际问题和发展腐蚀电化学学科以及对于防护的重要性，对于不同电化学研究方法的运用；通过研究实施防护措施，阴极保护的应用，阴极保护的新的发展与展望。

关键词：腐蚀电化学；研究方法；防护；阴极保护

据估算，每年因金属发生腐蚀造成的直接经济损失大约占国民生产总值的2%—4%，损耗的钢材约为年产量的1/3，每年因金属腐蚀造成的经济损失比水灾、火灾、风暴和地震等自然灾害的损失的总和还大；材料腐蚀破坏还涉及环境、资源、人身安全、可持续性发展等重大的国计民生问题。电化学腐蚀是最普遍的腐蚀现象，电化学腐蚀是指金属与电解质发生电化学反应而引起的金属损耗，其本质是电化学传荷过程。例如海水、土壤和潮湿空气中上网腐蚀情况。在电化学腐蚀过程中，同时存在着相对独立的反应过程—阴极反应和阳极反应，并有电流产生，其主要特点是原电池腐蚀，同时电化学保护技术又是材料防腐蚀方法中最常用的技术，防护是电化学应用的一个重要方面。

复杂腐蚀电化学研究

在20世纪研究了腐蚀热力学、腐蚀动力学、局部腐蚀的基础问题，腐蚀实验的目的是进行材料筛选和材质检测，估算使用寿命和设计参数，分析事故原因和验证防腐蚀效果以及研究腐蚀规律等等，解决工业和科技方面的问题与困难。腐蚀电化学研究方法有很多种，比如说有极化曲线法、电化学抗阻谱法（EIS）、时间电流法与时间电位法、极化电阻（RP）测量法等等。但是方法有一定局限性，对于不同的研究对象会有不定的影响。例如涂漆铝合金体系的腐蚀电化学研究方法可以用有极化曲线法、电化学抗阻谱法（EIS）、时间电流法与时间电位法，虽然在涂漆铝合金腐蚀测量领域，与盐雾腐蚀等常规测量法相比较，电化学测量法具有快速、操作简便、信息量化程度高等优点。在金属土壤腐蚀电化学研究的方法有有极化曲线法、电化学抗阻谱法（EIS）、极化电阻（RP）测量法，极化电阻（RP）与金属的腐蚀速度有一定的对应关系，但不严格，且只能反应平均信息，极化曲线测量虽可提供较多的土壤信息，但极化时对研究体系有较大的改变，使测量时的腐蚀环境与试样自然腐蚀时不同，而使结果可信度降低。EIS法对土壤环境的影响很小，且可得到较丰富的土壤腐蚀信息和腐蚀过程动力学参

数，故它被认为是研究土壤腐蚀最有希望的方法，也越来越受到人们的重视。目前在各种电化学测量法中，EIS法由于具有无损、信息量大的优点，在这个领域占据了主要地位。特别是在计算机引入后，这种趋势就更加明显。

然而随着现代工业的发展和人类活动空间的扩大，绝大部分材料必须在与有机、无机或金属材料混合状态下使用，因此显示出复杂界面腐蚀电化学过程的特殊性和复杂性，特别是环境条件的复杂化、苛刻化，构成极端复杂的腐蚀破坏体系。例如钢筋在在混凝土中的腐蚀破坏就是一种典型的复杂体系，其特点是：钢筋/混凝土界面是气—固—液三项共存的高度闭塞区域，是腐蚀电化学发生、发展的核心场所，界面化学微环境如水、氧气、氯离子、氢氧根离子、PH等在微腐蚀电池的产生与发展过程中扮演着关键性的作用；混凝土是复杂的非均质活性相，其物理化学性质呈动态变化和不均一的分布，可构成各种浓差电池和宏观电池，宏电池和微电池交互动态作用。要研究这个体系就要揭示钢筋/混凝土界面微化学环境的特征，探明界面微化学环境的临界参数、混凝土物理化学性能和环境因素；考察影响钢筋混凝土腐蚀破坏的关键性材料和环境因素，包括环境介质、服役条件、表面状态等，探明其中的控制因素，研究各种内外影响因素交互作用的规律性；建立研究方法及测量技术，研究此复杂体系的各种电化学保护技术和缓蚀剂技术及其防腐蚀理论。

极端复杂的腐蚀破坏体系与裸金属在敞开环境中腐蚀体系的腐蚀电化学过程差异很大，与传统的腐蚀电化学体系比较，复杂体系的腐蚀电化学过程的明显特点是多相、多因子、多步骤、多样性、交叉及复杂性等。其中有不少深层次的、交叉性的、综合性的和关键性的科学问题亟待解决这些复杂体系腐蚀电化学的深入研究，复杂体系腐蚀电化学新理论、新模型及基本规律性的探索将不仅为解决重大的实际问题提供理论基础，而对于发展、丰富现代腐蚀电化学及相关学科具有重大的学术意义。将成为21世纪腐蚀电化学领域重要的前沿课题和研究热点。复杂体系的腐蚀电化学研究需要突破传统的理论模型，需要研究方法的创新，创造性的综合应用各种现代物理化学研究方法。而我国在复杂体系腐蚀电化学还不全面有些领域还属空白。

腐蚀电化学的研究的一个目的就是运用防腐技术防腐或缓蚀，达到防护的作

用。对于防护其中我们最熟悉的就是在金属表面涂漆或镀层，使金属与空气和水分隔绝，起到防护作用。防腐的方法大体有防腐材料与金属表面处理防腐、缓蚀剂与缓蚀处理防腐、金属及其构筑物的阳极保护法、金属及其构筑物的阴极保护法。其中阴极保护法应用显得最为重要，许多大型钢管桩码头都是运用的阴极保护措施。比如说，海水管道外、陈山码头钢桩、黄岛钢管桩码头外加电流阴极保护等，电化学在埋地给水主干管的防腐应用就是实施的牺牲阳极的阴极保护措施，该项措施在保护干管安全运行方面发挥了巨大的作用，为企业生产的稳定运行提供保障。从实际运用阴极保护的实施，证明设计和安装、运用阴极保护来延长工程的使用期是可行的。

阴极保护新发展

随着阴极保护技术的普及，对于牺牲阳极来说，人们对此有了更加深刻的认识。目前，牺牲阳极的实用配方已经基本定型和标准化，但开发高效、耐用、经济的牺牲阳极则成为牺牲阳极材料的发展方向，其中又以铝合金阳极的性能研究及开发最为突出现在研究的高效铝阳极开路电位已达-1.4V，电流效率>95%以上，而且还开发研制了用于海泥的Al-Zn-In系及Al-Zn-In-Si系合金牺牲阳极和Alap-3以上。在牺牲阳极机理研究方面，对于铝合金阳极中Hg、In等元素的活化作用机理，铝基牺牲阳极的溶解过程和负差异效应，Zn阳极晶间腐蚀的原因和对策以及探索用工业纯原料代替高纯原料制造牺牲阳极等方面都有不同进展。生产工艺成型方面，通过对铸造过程中的热处理和改变阳极的常规形状，以提高电化学效率及改变原来单调的外形，满足阴极保护多样化的发展。比如，用管线的手镯式阳极、用于保护管线的带状阳极及小尺寸的棒状阳极。

除了牺牲阳极保护阴极以外，外加电流阴极保护也有发展很好的前景。外加电流中使用的辅助阳极材料，由最普通的石墨和高硅铸铁发展到镀铂钛、镀铅银阳极，阳极形式也在硅发生变化。对混凝土钢筋可实行阴极保护，可用导电混凝土、柔性阳极、网状辅助阳极。参比电极的精度及使用寿命关系到参比电极的好坏，长效参比电极的发展及高纯镁电极和钼-氧化钼电极都得到了应用。

电化学阴极保护在海水及土壤环境中，如舰艇、钢结构物、油气输送管道等方面，基本上还采用经典或半经验性的设计方法，今后在计算机辅助设计、优化设计和监测技术等方面会有较大的发展。