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海水中管道腐蚀介绍
发布:s0208_2016   时间:2017/7/26 10:23:14   阅读:1098 
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在腐蚀工程中,海水是需要被讨论环境中最重要的因素,而其中最容易引起问题的就是用于输送石油、气体的管道。现在就让我们一同了解一下一些能够引起海水中金属发生腐蚀的重要因素以及该如何在海水环境中使用结构材料。
 
海水腐蚀中的三大重要因素
 1. 氯离子浓度
盐水中所含有的氯离子在海水中也是腐蚀性最强的物质之一。水中的氯离子浓度一般被称为盐度。海水中的盐度值会受水的太阳蒸发率,水中的沉淀物和由淡水和空气循环造成的稀释影响程度而不同,一般会在3.1%至3.8%这个质量百分率浓度范围内浮动变化。
 
海水中氯离子具有的腐蚀性可通过以下三方面进行解释:
 
氯离子可与溶液中的亚铁离子发生反应生成氯化亚铁,具体化学反应如下:
 Fe = Fe2+ + 2 e-
Fe2+ + 2 Cl- = FeCl2
 
生成的氯化亚铁可以同溶解氧发生反应生成氧化铁和氯化铁,氯化铁可作为氧化剂提高一般腐蚀和点状腐蚀的发生速率。铁离子能改变腐蚀电位值,使其高于点蚀电位或击穿电位,从而引起更加严重的腐蚀。
 
在点状腐蚀中,氯离子被称为“具有强攻击性的阴离子”,其能够引起并促使点蚀的发生。氯离子能够穿过钝化膜增加点蚀的发生几率。此外,氯化物也能够通过自身催化过程加剧点状腐蚀的影响。
 
 值得注意的是,静水的存在是点状腐蚀是否会发生的必要条件,也就是说,在表面具有流动水存在的区域发生点蚀的几率会相对较小。
 
溶解氧也是影响海水腐蚀性的另一个重要因素;氯化物的浓度能够影响氧气的溶解度。氯化钠溶液中氧气能达到的最大溶解度为0.035,如下图所示:
 

通过观察上述图表,我们能了解氯离子浓度和溶氧浓度分别在达到何种数值时才会造成最大的腐蚀速率。
 
2. 氧气

由于海水的PH值一般在7.5至8.5范围间,因此主要的阴极反应为氧化还原反应。实际上,溶解氧会对海水中的金属腐蚀速率具有巨大影响。
 
有多种因素能够影响阴极的氧化还原反应。由海浪对海水产生的搅动会增加海水中的氧浓度。温度作为另一个影响因素会产生两种相反效应。首先,温度能影响溶解氧的溶解度及其扩散率。海水中氧气的扩散率会随海水温度的上升而提高。腐蚀速率也会由于阴极氧化还原反应中极限电流密度的提高而增加。但在高温情况下,海水中的氧溶解度会下降并相应降低腐蚀速率。但总的来说,在盐水中氧的扩散率相比其溶解度更易受温度的影响。
 
此外,盐浓度会影响溶解氧的浓度。一般来说,在溶解盐含量为3.5%的氯化钠溶液中氧浓度最高。
 
3. 温度
温度能够对活化极化和浓差极化造成影响,这两种极化均能提高大部分类型腐蚀的腐蚀性。例如,海水中的钢铁腐蚀,温度每升高1度,其腐蚀就很增加2%到4%。因此,热带地区发生的海水腐蚀要比北极区的更为严重。
  
海水中的结构材料
现在让我们一同了解一下一些海水中重要结构材料的耐蚀性。
 
普通钢
未进行防护工序处理的低碳钢在海洋环境中不具有抗腐蚀性,但在对其使用保护手段后(如阴极保护法或涂装聚合物涂层),其通常可被用作制造板桩,船体等设施的材料。对于海水中未受保护的钢铁结构,其受到的腐蚀速率与它在海水中所处的位置有关,具体可见下图:
 

 
位于海底(全浸区)的海水处于停滞状态、其温度及氧浓度均为最低。因此,这个区域中的腐蚀速率要低于其他区域。海底较高的区域被称为潮汐区,处于该地带中的物质会受干湿循环的影响。干湿循环每24小时重复一次并可提高腐蚀速率。研究显示处于潮汐地带的低碳钢腐蚀速率大约为每年100微米,而全浸区的这一数值却低于每年50微米或被视为接近于零。高温、氧饱和以及海水外溅会在飞溅区引起严重的腐蚀情况。飞溅区(如阿拉斯加的库克海湾)的腐蚀速率能达到每年900微米。
 
值得注意的是在紧接着飞溅区下方区域中的腐蚀速率要略高于潮汐区中的其他地带,其背后原因是由于氧浓差电池的形成,在此电池中,阳极位于氧气分压较低的飞溅区的下方区域,而阴极则位于氧气分压较高的飞溅区中。
 
位于海面上方的水平面被称为“海洋大气”,海水形成的薄层会在金属表面凝结造成大气腐蚀。风力强度,海水盐度以及温度是能够影响海洋大气腐蚀的三大重要因素。
 
使用阴极保护,涂料以及覆盖层板可有效防止处于海水中的钢柱和钢桩发生腐蚀现象。
 
不锈钢
由于不锈钢表面的氧化铬保护层,不锈钢对海水中的一般性腐蚀具有较高的耐蚀性。但由于海水中的氯离子浓度较高,不锈钢合金在海洋里的滞水环境中易受点状腐蚀的影响,比如常用的304型不锈钢就十分容易在海水中受点蚀的影响。要提高不锈钢的耐点蚀性,可向其原来的化学成分中添加其他元素,如包含2%钼的316型不锈钢,其耐点蚀性大大优于原先的不锈钢。除了添加钼,增加不锈钢中的铬含量也能提高不锈钢在海水中的耐点蚀性。
 
铜合金

铜及其合金(青铜和黄铜)在海水中对一般腐蚀具有耐蚀性。因此,铜合金被广泛用于海洋产业中。有时,可通过改变黄铜合金的化学组成使其能在海洋环境中更好地发挥作用:比如含1%锡的海军黄铜或船用黄铜以及包含少量砷的砷黄铜能有效防止脱锌腐蚀的发生。在黄铜中添加铝通常可以增加用于制造船只叶轮的黄铜对冲蚀腐蚀的耐蚀性。白铜,由于其对海水腐蚀优异的耐蚀性而在海洋项目中被大量使用。

混凝土
氯化物能够通过混凝土表面的缝隙穿过混凝土与钢筋钢条接触,由于混凝土的高度碱性环境,钢筋钢条会被钝化,从而引起局部区域的腐蚀,最终由于生锈产生的内压,混凝土会发生断裂。
 

铝和铝合金在海洋环境中的耐蚀性取决于其包含的合金元素及其表面涂装的面漆。比如,当铝中含有铁或者铜元素成分时,其耐蚀性会受到损害。而含有镁元素的5xxx系列铝合金(如5052铝合金)则适用于海洋环境中。此外,可通过在铝表面形成质地较硬的阳极氧化层(较厚的氧化铝层)来防止海洋腐蚀的发生。
 
钛和钛合金
钛和钛合金可作为制造海洋设备的优质材料,尽管其价格昂贵,但考虑到其良好的品质特性,故还是具有被考虑使用的价值。
 
 
 
原作:Mehdi Yari
译者:方呈祥
译自:corrosionpedia
 
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