本課程是材料物理專業(yè)的限選課，通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生系統(tǒng)掌握陰極保護和陽極保護的技術(shù)及應(yīng)用。金屬是現(xiàn)代人類社會生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。大多數(shù)金屬都不穩(wěn)定，在不利的環(huán)境條件下，它們可能因腐蝕受到不同程度的破壞。水溶液和土壤中的金屬腐蝕就是由電壓控制，即由電解液中金屬電位控制的一種電解過程。依據(jù)電化學(xué)規(guī)律，反應(yīng)趨勢和反應(yīng)速度將隨著電位降低而減小。
第二節(jié)設(shè)備腐蝕防護技術(shù)
一、腐蝕防護設(shè)計
1、防蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計
.原則：
·1）構(gòu)件形狀盡量簡單、合理
2）避免殘留液和沉積物造成腐蝕
.3）防止電偶腐蝕
·4）防止縫隙腐蝕
.5）防止液體的湍流腐蝕
·6）避免應(yīng)力過分集中
7）設(shè)備和構(gòu)筑物的位置要合理
1）構(gòu)件形狀盡量簡單、合理a）形狀簡單的結(jié)構(gòu)件易于采取防腐措施、排除故障，便于維修、保養(yǎng)和檢查；b）可能情況下，盡量采用球形、圓柱形結(jié)構(gòu)；c）避免或減少形成死角、縫隙、接頭等，減少腐蝕性介質(zhì)的積存和濃縮。
2）避免殘留液和沉積物造成腐蝕設(shè)備、容器出口管及底部的結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)力求將其內(nèi)部的液體排凈，避免滯留的液體、沉積物造成濃差腐蝕或沉積物腐蝕。
構(gòu)件布置要合理，避免水分積存，且要易于防腐和維修。在可能的情況下，貯液容器內(nèi)部應(yīng)盡量設(shè)計成流線型。
3）防止電偶腐蝕
在同一結(jié)構(gòu)中應(yīng)盡量采用相同的材料；在必須采用不同金屬組成同一設(shè)備時，選用在電偶序中相近的材料。不同金屬連接時，盡量采用絕緣措施，加絕緣墊片（如合成橡膠、聚四氟乙烯等）。
在兩異種金屬材料偶接處加入第三種金屬，使兩種金屬間電位差降低。在不同金屬相連接時，應(yīng)盡量采用大陽極小陰極的有利結(jié)合，避免大陰極小陽極的危險連接。
4）防止縫隙腐蝕
設(shè)備裝置上焊接、鉚接、螺栓連接、法蘭連接等都帶來了大量縫隙，對構(gòu)件的防蝕不利。
原因：縫隙將產(chǎn)生氧濃差電池，同時縫隙內(nèi)常因酸化導(dǎo)致腐蝕速度加快。
不銹鋼和鈦等材料，它們的耐蝕性是依靠金屬鈍化，因而對縫隙腐蝕無為敏感。
為了防止縫隙腐蝕，可采取如下措施：
a.盡可能以焊接代替鉚接。在采用焊接時，用雙面對焊和連續(xù)焊比搭接焊和點焊好。
b.改善鉚接狀況，在鉚縫中可填人一層不吸潮的墊片。
c.容器底部的處置。容器底部不要直接與多孔基礎(chǔ)（如土壤）接觸，要用支座等與之隔離開。
d.法蘭連接處墊片不宜過長，盡量采用不吸濕的材料作墊片。
e.避免加料時溶液飛濺到器壁，引起沉積物下的縫隙腐蝕。因此加料口應(yīng)盡量接近容器內(nèi)的液面。
5）防止液體的湍流腐蝕
.設(shè)計時應(yīng)注意避免過度的湍流、渦流。
a.設(shè)計外形和形狀的突變會引起超流速與湍流的發(fā)生，在設(shè)計
中應(yīng)盡可能避免。
.b.管線的彎曲半徑應(yīng)盡可能大，盡量避免直角彎曲。通常管子的彎曲半徑應(yīng)為管徑的3倍。材料不同這個數(shù)值亦不同。流速越高則彎曲半徑也應(yīng)越大。
.c.在高流速接頭部位，不要采用T形分叉結(jié)構(gòu)。應(yīng)采用曲線逐漸過渡的結(jié)構(gòu)。
為避免高速流體直接沖擊設(shè)備器壁，可在需要的地方安裝可拆卸的擋板或折流板以減輕沖擊腐蝕。
6）避免應(yīng)力過分集中
a.零件在改變形狀或尺寸時，不應(yīng)有尖角而應(yīng)以圓角過渡；當(dāng)設(shè)備的筒體與容器底的厚度不等而施焊時，應(yīng)當(dāng)把焊口加工成相同的厚度。
b.設(shè)備上盡量減少聚集的、交叉的和閉合的焊縫，以減少殘余應(yīng)力。施焊時應(yīng)保證被焊接金屬結(jié)構(gòu)能自由伸縮。
C.熱交換管的管子與花板的連接采用內(nèi)孔焊接法比漲管法好，這樣既減少縫隙，又減小應(yīng)力腐蝕破裂的危險性。
7）設(shè)備和構(gòu)筑物的位置要合理a）設(shè)備裝置的布置應(yīng)盡量避免相互之間可能產(chǎn)生的不利或有害影響，如貯液設(shè)備、液體輸送設(shè)備或排泄設(shè)備應(yīng)與電控設(shè)備留有一定的安全距離。
b.電氣控制等設(shè)備應(yīng)盡可能避開具有腐蝕性的環(huán)境，如在含有或可能泄漏氯氣、氯化氰、硫化氫等腐蝕性和有毒性氣體的局部環(huán)境中，要盡量避免布置電氣設(shè)備或未做防腐處理的其他設(shè)備。
2、防蝕強度設(shè)計
1）腐蝕裕量的選擇對于全面腐蝕的情況，在未考慮環(huán)境腐蝕算出構(gòu)件
材料尺寸時，應(yīng)根據(jù)這種材料在使用的介質(zhì)中的腐蝕速度留取恰當(dāng)?shù)脑Ａ浚@樣就可以保證原設(shè)計的壽命要求。腐蝕裕量的考慮要根據(jù)構(gòu)件使用部位的重要性及使用年限來決定。
2）局部腐蝕的強度設(shè)計
對于晶間腐蝕、孔蝕、縫隙腐蝕等只有采取正確選材或控制環(huán)境介質(zhì)，注意結(jié)構(gòu)設(shè)計等措施來防止。
對于應(yīng)力腐蝕斷裂、腐蝕疲勞，如果材料的數(shù)據(jù)資料齊全，就有可能做出合適可靠的設(shè)計。
3）材料耐蝕強度特性的變化在加工及施工處理時，可能會引起材料耐蝕強度特性的變化，應(yīng)加以注意。如某些不銹鋼在焊接時，可能會造不銹鋼的晶間腐蝕，使材料強度下降，可能會在使用中造成斷裂事故。
3、其他防蝕設(shè)計在設(shè)計中，除上述幾方面應(yīng)當(dāng)考慮外，在選用材料時，從經(jīng)濟方面考慮常常推薦各種防蝕保護措施，如使用防蝕涂料、電化學(xué)保護、緩蝕劑或電鍍、化學(xué)鍍、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜等其他工藝性防腐蝕措施等。
二、設(shè)備的電化學(xué)保護
.按照作用原理不同，電化學(xué)保護分為陰極保護和陽極保護兩類。.1、陰極保護
.陰極保護——用一定的方法使被保護的金屬設(shè)備發(fā)生陰極極化以減小或防止其腐蝕的方法。
.實現(xiàn)陰極保護的方法：
1）外加電流的陰極保護2）犧牲陽極的陰極保護
陰極保護特點及適用條件
.特點：陰極保護效果好、簡單易行，不僅能減緩金屬設(shè)備的腐蝕，而且能防止某些材料的應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞等局部腐蝕破壞。常用于地下管線、電纜，海洋平臺、艦船等防腐。
.使用陰極保護時應(yīng)注意的問題：
a.腐蝕介質(zhì)必須是電解質(zhì)溶液，能夠離子導(dǎo)電。被保護設(shè)備在其腐蝕介質(zhì)中要易于陰極極化。中性鹽溶液、潮濕土壤、江水、海水、弱酸、弱堿等
介質(zhì)對金屬設(shè)備的腐蝕防護常采用陰極保護法。
b.鈍態(tài)金屬設(shè)備不宜采用陰極保護。對于已處鈍化態(tài)的金屬設(shè)備，在外加陰極電流條件下可能會使處于鈍化態(tài)的金屬設(shè)備進入活化態(tài)，反而加速設(shè)備腐蝕。
·c.結(jié)構(gòu)、形狀復(fù)雜的金屬設(shè)備不宜采用陰極保護。
d.由氫脆敏感性材料制作的金屬設(shè)備不宜采用陰極保護。因為作為陰極的金屬設(shè)備上或多或少地都會發(fā)生析氫反應(yīng)，可能導(dǎo)致材料的氫脆。
陽極保護的適用條件與特點a.某些活性陰離子含量高的介質(zhì)中不宜采用陽極保護。因為這些活性離子如氯離子在高濃度下能局部地破壞鈍化膜并造成孔蝕。
b.存在遮蔽效應(yīng)。若陰、陽極布局不合理，可能造成有的地方已鈍化，有的地方過鈍化，有的地方尚處在活化態(tài)。
C.與陰極保護相比，成本高、工藝復(fù)雜。因為陽極保護需要輔助陰極、直流電源、測量及控制保護電位的設(shè)備。
3、陰極保護與陽極保護的比較
陰極保護和陽極保護都屬于電化學(xué)保護，適用于保護處于電解質(zhì)溶液中的金屬設(shè)備，但它們又有各自的特點。
.1）從原理上講，任何金屬都可實施陰極保護（有負保護效應(yīng)者除外）。
阻極保護則是有條件的，它只適用于金屬一介質(zhì)體系具有鈍化行為的金屬設(shè)備的保護，則會加速腐蝕。
2）陰極保護時，保護效果取決于陰極極化的程度，極化電流不代表腐蝕速度的大小。陽極保護時，必須通過陽極極化建立鈍態(tài)，極化電流的天小能反映腐蝕速度的快慢。
3）陰極保護時，電位的偏移只會影響保護效果，不會造成腐蝕速度的顯著變化（自鈍化金屬除外）。陽極保護時，電位的偏離可能造成腐蝕速度加快。
4）當(dāng)介質(zhì)具有強氧化性時，采用陰極保護需要大電流陰極極化。采用陽極保護時，由于鈍化膜建立容易，易于進行陽極保護，且效果較好。
.5）陰極保護時析氫反應(yīng)對具有氫脆敏感性的設(shè)備有造成氫脆的可能性，陽極保護時，析氫發(fā)生在輔助陰極上，被保護設(shè)備不會有產(chǎn)生氫脆的可能性。
6）陰極保護時，輔助電極是陽極，在強氧化性介質(zhì)中容易腐蝕，選擇拿適的陽極材料比較困難。陽極保護時，輔助電極是陰極。其本身就處被保護狀態(tài)。
三、設(shè)備環(huán)境介質(zhì)的控制
.兩種途徑：
1、控制環(huán)境介質(zhì)中的有害成分
1）除去介質(zhì)中的有害成分
2）控制介質(zhì)的pH值
3）降低氣體介質(zhì)的濕度
2、添加少量的物質(zhì)降低介質(zhì)的腐蝕性（緩蝕劑
防蝕法）
1、控制環(huán)境介質(zhì)中的有害成分
1）除去介質(zhì)中的有害成分
影響介質(zhì)中金屬腐蝕的主要成分是氧。
如在無氧鹽酸中，銅不發(fā)生腐蝕，在有氧條件下，銅就會發(fā)生腐蝕；在含氧條件下，氯離子濃度只要有10ug/g，奧氏體不銹鋼就會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，而在無氧情況下，即使?jié)舛瘸^1000ug/g，也不發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂；在Fe—水體系中，pH在4.5~9范圍時，F(xiàn)e的腐蝕速度幾乎與pH值無關(guān)，只與體系中的溶解氧濃度有關(guān)。
介質(zhì)中除氧是改善金屬耐蝕性的有效途徑。除氧的方法主要有加熱除氧法和化學(xué)除氧法。
3）降低氣體介質(zhì)的濕度
.當(dāng)氣體介質(zhì)中濕度過高時，其凝結(jié)水就會在材料表面上形成水膜，加速材料的腐蝕。因此降低氣體的濕度是減緩金屬腐蝕的有效措施之一。
.降低濕度的方法包括用干燥劑吸收水分、采用冷凝法除去水分或提高溫度隆低濕度，使水蒸氣無法凝結(jié)。
2、緩蝕劑
·緩蝕劑是一種在很低的濃度下，能阻止或減緩金屬在腐蝕性介質(zhì)中腐蝕速度的化學(xué)物質(zhì)或復(fù)合物。
.作為緩蝕劑必須具備的條件是用量極少、有較好的防蝕效果和不改變介質(zhì)的其他化學(xué)性質(zhì)。
.1）分類
a.按化學(xué)組成可分為無機緩蝕劑（硝酸鹽、鉻酸鹽、碳酸鹽、鉬酸鹽等）和有機緩蝕劑（醛類、胺類、雜環(huán)化合物等）。
b.按對電極過程的影響可分為陽極緩蝕劑（鉻酸鹽、硅酸鈉、苯甲酸鈉等）、陰極緩蝕劑（鋅鹽、聚磷酸鹽及多數(shù)有機緩蝕劑）、混合型緩蝕劑（瓊脂、生物堿、亞硝酸二環(huán)己胺等）。
2）緩蝕機理
.吸附理論介質(zhì)中緩蝕劑的極性基團定向吸附排列在金屬的表面，形成連續(xù)吸附層，從而排除了水分子或氫離子等腐蝕介質(zhì)的侵入或者使金屬與腐蝕介質(zhì)隔離，使介質(zhì)的分子或離子很難接近金屬表面，起到緩蝕作用。
.成膜理論緩蝕劑的分子能與金屬或腐蝕性介質(zhì)的離子發(fā)生化學(xué)作用，在金屬表面生成具有保護作用的、不溶或難溶的化合物膜層，使金屬不能接觸到腐蝕性介質(zhì)，從而起到緩蝕的作用。
.電極過程抑制理論緩蝕劑的加入能夠抑制金屬在介質(zhì)中形成的腐蝕電池的陽極過程、陰極過程或同時抑制這兩個過程，從而使腐蝕速度減慢，亦即起到了緩蝕的作用。
3）影響緩蝕作用的因素
.不同的緩蝕劑只對特定的金屬在特定的腐蝕介質(zhì)中具骨愛蝕作用”
.緩蝕劑的緩蝕作用受緩蝕劑濃度、溫度、介質(zhì)流速及pH值等因素的影響。
.對于大多數(shù)緩蝕劑，其緩蝕效果都是隨緩蝕劑濃度的增大而提高；
.溫度升高，金屬腐蝕速度加快，同時金屬對緩蝕劑的吸附作用減弱，因此緩蝕效果隨之降低。
·介質(zhì)流速和pH值都會對緩蝕劑的緩蝕效果產(chǎn)生影響。
