材料腐蝕與防護-第十二章-防腐設(shè)計

第十二章防腐蝕設(shè)計

防腐蝕設(shè)計是材料腐蝕與防護研究中一個非常重要的課題。通過正確運用已有的知識和經(jīng)驗，經(jīng)過周密的防腐蝕設(shè)計來減少和避免的損失。

防腐蝕設(shè)計包括；

(1)選材；

(2)防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計；

(3)防腐蝕措施的選擇；

(4)防腐蝕強度設(shè)計；

(5)防腐蝕工藝設(shè)計。12.1選材

12.1.1正確選材基本原則

正確合理選材是一個調(diào)查研究、綜合分析與比較鑒別的復(fù)雜而細致的過程，是防腐蝕設(shè)計成功與否的關(guān)鍵一環(huán)。

選材應(yīng)遵循如下基本原則：（1）材料的耐蝕性能要滿足設(shè)備或物件使用環(huán)境的要求；

根據(jù)環(huán)境選擇材料，所選擇材料才能適應(yīng)環(huán)境。例如，“材料一環(huán)境”搭配證明：不銹鋼用于硝酸；鋼用于濃硫強；錫用于蒸餾水：鈦用于熱的強氧化性溶液；包鋁用于除氫氟酸和燒堿溶液外的介質(zhì)。（2）材料的物理、機械和加工工藝性能要滿足設(shè)備或物件的設(shè)計與加工制造要求；結(jié)構(gòu)材料除具有一定的耐蝕性外，一般還要具有必要的機械性能(如強度、硬度、彈性、塑性、沖擊韌性、疲勞性能等)、物理性能(如耐熱、導電、導熱、光、磁及密度、比重等)及工藝性能(如機加工、鑄造、焊接性能等)。（3）選材時力求最好的經(jīng)濟效益和社會效益；要優(yōu)先考慮國產(chǎn)的、價廉質(zhì)優(yōu)的、資源豐富的材料。12.1.2選材時應(yīng)考慮的因素選材順序如圖所示（1）明確產(chǎn)品的工作環(huán)境；

材料的選定主要是通過工藝流程中各種環(huán)境因素來決定的。選材時必須了解的環(huán)境因素包括化學因素和物理因素。（2）查閱權(quán)威手冊，借鑒失效經(jīng)驗；

可以參考資料：左景伊編寫的《腐蝕數(shù)據(jù)手冊》；朱日彰等編寫的《金屬防腐蝕手冊》；美國腐蝕工程師協(xié)會(NACE)出版的《CorrosionDataSurvey》；查詢我國自然環(huán)境條件下的腐蝕數(shù)據(jù)庫；（3）腐蝕試驗；

資料中所列的使用條件有時與實際使用條件并不完全一致，這時就必須進行腐蝕試驗。腐蝕試驗應(yīng)是接近十實際環(huán)境的浸泡試驗或模擬試驗．條件許可時還應(yīng)進行現(xiàn)場(掛片)試驗，甚至實物或應(yīng)用試驗，以便獲得材料可靠的腐蝕性能數(shù)據(jù)。（4）兼顧經(jīng)濟性與耐用性；

（5）考慮防腐措施；

在選材的同時，應(yīng)考慮行之有效的防護措施。適當?shù)姆雷o如涂層保護、電化學保護及施加緩蝕劑等，不僅可以降低選材標準．而且有利于延長材料的使用壽命。（6）考慮材料的加工性能；

材料最后的選定還應(yīng)考慮其加工焊接性能，加工后是否可進行熱處理，是否會降低耐蝕性。12.2防腐蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計1）

合理的結(jié)構(gòu)形式和表面狀態(tài)

結(jié)構(gòu)件的形式力求簡單。便于采取防腐蝕措施，便于檢查、排除故障，有利于維修。

形狀復(fù)雜的構(gòu)件，往往存在死角、縫隙、接頭，在這些部位容易積液或積塵，從而引起腐蝕。在無法簡化結(jié)構(gòu)的情況下，可將構(gòu)件設(shè)計成分體結(jié)構(gòu)，使腐蝕嚴重的部位易于拆卸、更換。構(gòu)件的表面狀態(tài)，要盡量致密、光滑。通常光亮的表面比粗糙的表面更耐腐蝕。2）防止積水或積塵在有積水或積塵的地方，往往腐蝕的危險性大。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)盡可能不存在積水或積塵的坑洼。

例如，容器的出口應(yīng)位于最低處(圖)；積液的部位，開排液孔；不讓水或塵埃積聚等(圖)。3）防止縫隙腐蝕縫隙中的介質(zhì)可引起金屬的縫隙腐蝕，但可通過拓寬縫隙、填塞縫隙、改變縫隙位置或防止介質(zhì)進入等措施加以避免。4）

防止電偶腐蝕

防止電偶腐蝕的常用辦法是避免腐蝕電池不同的金屬連接。電偶腐蝕僅在有電解質(zhì)（如潮濕）環(huán)境下局部接觸地方才可能發(fā)生，若在干燥的環(huán)境就沒有這種腐蝕危險。

防止或減少電偶腐蝕的措施如下：

(1)不應(yīng)把電位序相差過大的金屬連接在一起。在海洋大氣及金屬表面可能長期接觸潮氣的場合，此要求務(wù)必滿足。

(2)將異種金屬相互隔開，防止金屬接觸。例如采用抗老化塑料或橡膠．如圖所示。(3)在兩種異類金屬之間插入第三種金屬材料，減少電位差，如圖所示。(4)若不能避免異類金屬接觸時，一定要盡量降低陰極面積與陽極面積比，避免大陰極／小陽極的組合，如圖所示。

當陽極面積比陰極面積大且溶液有良好導電性時，腐蝕呈大面積分布，因而在大多數(shù)情況下不嚴重，如圖(a)。但若溶液導電性不好時，則在靠近陰極附近的陽極區(qū)域會發(fā)生嚴重腐蝕，如圖(b)。當陽極面積比陰極面積小時，嚴重腐蝕的危險性很大，如圖(c)。(5)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計使水分不會在接觸點集聚或存留。(6)用防腐蝕漆或瀝青涂覆接觸區(qū)及其周圍。涂覆后由于電流路徑加長，電阻增大，導致電偶腐蝕速率顯著降低。不能只涂賤金屬，因為在涂層的氣孔處會發(fā)生局部腐蝕：只涂貴金屬，在許多場合是可行的。

5）

防止磨損腐蝕當金屬表面處于流速很高的腐蝕性液體中時，會發(fā)生磨損腐蝕。磨損腐蝕在具有局部高流速和湍流顯著的地方特別大。因此在設(shè)計時，應(yīng)避免構(gòu)件出現(xiàn)可造成湍流的凸臺、溝槽、直角等突變結(jié)構(gòu)(如圖所示)，而應(yīng)盡可能采用流線型結(jié)構(gòu)?！槭沽魉俨怀^一定的限度，管子的曲率半徑一般應(yīng)為管徑的3倍以上，而且不同金屬這個數(shù)值也不同，如軟鋼和鋼管為3倍，高強鋼取5倍。流速越高，管子曲率半徑則越大。在高流速的接頭部位，也應(yīng)采用流線型結(jié)構(gòu)，而不采用丁型結(jié)構(gòu)，如圖所示。

·為避免高流速液體直接沖擊容器壁，可在適當位置安裝易于拆卸的緩沖板或折流板．如圖所示，還可以考慮采取加固該處的容器壁的措施。6）

防止環(huán)境誘發(fā)破裂環(huán)境誘發(fā)破裂是由機械應(yīng)力和腐蝕聯(lián)合作用產(chǎn)生，包括應(yīng)力腐蝕破裂和腐蝕疲勞。防止這類破壞的措施旨在消除奴應(yīng)力〔或交變應(yīng)力)或腐蝕環(huán)境，或者可能時使兩者一并消除。

（1）減少應(yīng)力集中設(shè)計。零件在改變形狀和尺寸時，不要有尖角，而應(yīng)有足夠的圓弧過渡，如圖所示。當不同壁厚的管子需要直接焊在一起時，應(yīng)將焊接處厚壁管徑逐漸減小到與薄壁管徑相同．以使焊縫和過渡區(qū)分開（l≥δ）．因而焊縫處于低應(yīng)力區(qū)．如圖所示，這樣會防止焊接應(yīng)力與工作應(yīng)力疊加而出現(xiàn)很高的拉應(yīng)力。(2)加大危險截面的尺寸和局部強度。避免構(gòu)件的承載能力在應(yīng)力最大的地方被凹槽、截面的突然變化、尖角、切口、鍵槽、油孔、螺紋等所削弱。(3)結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的開口應(yīng)開在低應(yīng)力部位。選擇合適的開口形狀和方向控制應(yīng)力集中。

如圖所示是不同開口形狀和方向所對應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)Kt及Kt與相對壽命曲線。

(4)對各種載荷，流線型的填角焊縫可減少應(yīng)力集中和改善應(yīng)力線，如圖所示。(5)設(shè)計的結(jié)構(gòu)不能產(chǎn)生顫動、振動或傳遞振動，禁止載荷、溫度或壓力的急劇變化。(6)結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)盡量避免間隙和可能造成廢渣、殘液留存的死角，防止有害物質(zhì)如c1-的濃縮，以改變或抑制腐蝕性環(huán)境。（7）減少結(jié)構(gòu)偏心，避免復(fù)合應(yīng)力集中等措施在設(shè)計中也應(yīng)注意。7）避免溫度不均引起的腐蝕加熱器或加熱盤管的位置應(yīng)向著容器的中心，以防止出現(xiàn)溫差電池，如圖所示。建在導熱支架上的貯氣罐，在外部溫度低于氣體的露點時，可能因保溫不均而引起氣體凝露而腐蝕罐壁。這種露點腐蝕可通過用良好絕緣的方法來避免，如圖所示。8）

設(shè)備和建筑物的位置合理性建筑物的位置如有選擇可能，應(yīng)選擇自然腐蝕較低的位置，如避免海洋大氣、工業(yè)排水、化工廠有害煙塵的加速腐蝕，如圖所示。設(shè)備的位置分布應(yīng)避免其中一部分對另一部分的有害作用，

如圖所示：12.3防腐蝕措施的選擇根據(jù)具體情況選擇方便、有效、可行的防腐蝕措施，是減緩材料及設(shè)備腐蝕的重要環(huán)節(jié)?！みx擇防腐蝕措施的原則：

（1）考慮設(shè)備、裝置的整體件及主要部件的結(jié)構(gòu)特征；

（2）考慮組成材料的性質(zhì)和環(huán)境性質(zhì)；

（3）考慮防腐蝕措施的使用條件和特點。

只有將上述因素統(tǒng)籌考慮、才能選擇最佳的防腐措施?！た晒┻x擇的防腐措施總體上可分三大類：

(1)覆蓋層保護。通過在設(shè)備表面涂覆保護層而使設(shè)備與介質(zhì)隔開。這些措施包括：電鍍層、化學鍍層、擴散鍍層、熱浸鍍層、熱噴涂層、涂料涂層、塑料和橡膠涂層、陶瓷涂層、密封、襯里等。

(2)電化學保護。電化學保護可分為陰極保護利陽極保護兩類。

（3）改善環(huán)境。改善環(huán)境就是去除有害的物質(zhì)，加入有利的物質(zhì)。去除有害物質(zhì)．首先要干燥脫水，控制相對濕度在60％以下；防止水及水溶液進入設(shè)備。如果設(shè)備服役時，必須與水或水溶液接觸，則要考慮脫氣和脫鹽。

脫氣就是去除腐蝕性大氣、煙氣等；

脫鹽就是去除鹽的沉積物。此外還要去塵，即防止灰塵積聚。加入有利物質(zhì)就是添加各種類型的緩蝕劑。上述三類措施可單獨使用或聯(lián)合使用，聯(lián)合使用往往具有最好的防腐蝕效果。

（各類防腐蝕措施在前面章節(jié)有詳細討論，在此不再介紹）12.4防腐蝕強度設(shè)計（1）均勻腐蝕的強度設(shè)計均勻腐蝕的強度設(shè)計．常采用留取腐蝕余量的方法。腐蝕余量----根據(jù)預(yù)計的腐蝕量增加材料的尺寸以資補償，來保證原設(shè)計的壽命要求。腐蝕余量的計算方法：（1）先根據(jù)腐蝕數(shù)據(jù)手冊，查出結(jié)構(gòu)材料在一定腐蝕介質(zhì)條件下的年腐蝕量，然后按構(gòu)件使用年限．計算腐蝕尺寸。

（2）還要考慮結(jié)構(gòu)部位的重要性和其他安全系數(shù)，所以，實際留出的腐蝕余量比計算的要大一些。腐蝕余量的大小，要根據(jù)具體情況而定?！銇碚f，介質(zhì)的腐蝕性越大，腐蝕余量也越大。對于管道和槽體，由于所接觸的往往是腐蝕性較強的介質(zhì)，所以設(shè)計時壁厚常為計算量的2倍。腐蝕余量一般局限于預(yù)計腐蝕率特別高的結(jié)構(gòu)部分，例如液-氣交界區(qū)。

（2）局部腐蝕的強度設(shè)計

局部腐蝕類型較多．破壞形式相差較大。目前還很難根據(jù)局部腐蝕的強度降低，采用強度公式對腐蝕余量進行估算。在設(shè)計中常將腐蝕與機械強度綜合起來考慮，通過正確選材、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工工藝設(shè)計、施加涂層以及控制環(huán)境介質(zhì)等措施來防止腐蝕發(fā)生。例如：在有殘余應(yīng)力和誘發(fā)應(yīng)力的場合．優(yōu)先選擇抗晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕的材料。又如在可能遭受振動的場合，避免采用鉚接裝配，應(yīng)采用在摩擦面增加墊片、襯墊或設(shè)計撓性支架等辦法．防止磨損腐蝕。對應(yīng)力腐蝕斷裂和腐蝕疲勞，在材料的數(shù)據(jù)齊全的情況下，可能作出合適可靠的設(shè)計。例如：在有應(yīng)力腐蝕斷裂危險的場合，設(shè)計時應(yīng)保證構(gòu)件所受拉應(yīng)力不超過該結(jié)構(gòu)材料在實際應(yīng)用環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力。在可能出現(xiàn)腐蝕疲勞的場合，應(yīng)保證可變載荷不超過構(gòu)件疲勞極限。（3）加工中的強度設(shè)計在加工、裝配過程中，可能引起材料腐蝕強度特性發(fā)生變化，應(yīng)引起注意。有些加工工藝可提高材料的強度，應(yīng)盡可能采用。如：噴九強化可將壓應(yīng)力引入材料表面；熱處理、表面處理、超聲波振蕩等措施可解除材料的殘余應(yīng)力?！?/p>

有些加工會使材料的強度降低。如：酸洗或電鍍可使材料滲氫，而引起氫脆。某些不銹鋼在焊接時，由于敏化溫度影響而造成晶間腐蝕，使材料強度下降，在使用中造成斷裂。

所以在加工、裝配中應(yīng)嚴格遵守工藝規(guī)程，并采用有效的補救措施。12.5防腐蝕工藝設(shè)計金屬材料在加工制造、裝配及貯運等過程中，可能發(fā)生腐蝕或留下腐蝕隱患．因此必須重視防腐蝕工藝設(shè)計。（1）機械加工

在機械加工中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對耐蝕有不利的影響。

·金屬材料最好在退火狀態(tài)下進行機械加工和冷彎、冷沖等成型工藝，以使制件的殘余應(yīng)力較?。?/p>

·在加工后要進行應(yīng)力解除熱處理。

·有時采用磨光、拋光和噴九強化等加工來增加金屬表面殘余壓應(yīng)力，以提高材料的耐蝕性。

·機加工還要保證制件表面有較高的光潔度，較少的表面缺陷。

·機械加工中使用的切削冷卻液，應(yīng)對所加工的材料沒有腐蝕作用。對機加工周期較長的零件，應(yīng)采取必要的工序間防銹措施。（2）熱處理

應(yīng)正確選擇熱處理氣氛，例如為防止金屬氧化，最好選用真空或可控氣氛熱處理；也可考慮使用熱處理保護涂層；對有氫脆敏感性的材料，要禁止在氫氣氛中加熱。應(yīng)有嚴格的熱處理規(guī)范，避免因熱處理不當引起的晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕等：對可產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力的熱處理，應(yīng)有解除殘余應(yīng)力的措施?？赡軙r，應(yīng)盡量采用可造成制件表面產(chǎn)生壓應(yīng)力的工藝、如表面淬火、化學熱處理等。此外，要注意消除熱處理中可能帶來的腐蝕性殘余物。（3）鍛造和擠壓鍛造和擠壓件的性能呈各向異性。在短橫向上應(yīng)力腐蝕最敏感，因此在設(shè)計時應(yīng)避免在此方向上承受大的工作應(yīng)力；在縱向上可承受大的載荷。在鍛造前應(yīng)選擇合適的鍛造工藝，如自由鍛比模鍛高強鋁合金的抗應(yīng)力腐蝕性能好。在鍛造時，應(yīng)控制流線末端的外露。鍛造后應(yīng)對鍛件采取解除殘余應(yīng)力的措施。這些考慮均可提高鍛件的耐蝕能力。（4）鑄造鑄件表面存在大量的孔洞、砂眼和夾雜等缺．這些地方易于積聚腐蝕介質(zhì)而被腐蝕，而且還可能成為應(yīng)力腐蝕或腐蝕疲勞的危險區(qū)。

此外，表面多孔層還影響對鑄件進行表面處理的效果。所以要選擇合適工藝予以避免。

通常精密鑄造和壓力鑄造比普通鑄造的表面質(zhì)量好．從而有利于鑄件耐蝕性能的提高。（5）焊接·為防止縫隙腐蝕，要用對接焊而不用搭接焊，用連續(xù)焊而不用間斷焊和點焊。·為防止電偶腐蝕，焊條的成分和組織結(jié)構(gòu)應(yīng)與基體的相似，或其電位比基體更正一些，避免大陰極小陽極的不良組合?！榉乐购缚p兩側(cè)熱影響區(qū)發(fā)生的腐蝕，應(yīng)采用淬火的熱處理，予以消除?！し乐购附又衅鸷负屯：肝恢?、焊縫端部以及引弧點位置易于發(fā)生的腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕，應(yīng)采取熱處理和噴丸強化來解除殘余應(yīng)力。·對氫敏感的材料，避免在能產(chǎn)生氫原子的氣織中進行焊接。諸如鍍鋅、鍍鉻層等易引起金屬脆性的鍍層，嚴禁鍍后焊接．以免產(chǎn)生金屬脆致裂紋或發(fā)生斷裂?！ず附雍?，焊縫處的殘渣應(yīng)及時清理，以免殘渣引起局部腐蝕。

（6）表面處理

表面處理屬防腐措施，應(yīng)注意處理不當引起的腐蝕或留下腐蝕隱患。涂鍍前的脫脂、酸洗．既要使零件表面清潔沒有污物，又要防止產(chǎn)生過腐蝕或滲氫。在電鍍、氧化等表而處理之后，要及時清洗，以免殘液腐蝕零件。對高強鋼，酸洗、電鍍后，要進行除氫處理。對超高強鋼，可導致氫脆的表面處理。對于組合件，應(yīng)先進行表面處理而后組合。（7）裝配設(shè)備裝配時．應(yīng)嚴格施工．不得用鍍層有損傷的零件；也不宜赤手裝配精密產(chǎn)品或易于腐蝕的零件。裝配時應(yīng)不要造成過大的裝配應(yīng)力，要采用提高設(shè)計精度、減少公差、適當加墊以及采用合理裝配方法來減少裝配應(yīng)力。對有密封要求的部位，在裝配中要保證密封質(zhì)量，防止有害介質(zhì)的侵入。裝配結(jié)束后，應(yīng)及時進行清理檢查，除去裝配中留下的灰塵、金屬屑等殘留物；檢查通風孔、排水孔等孔口，使其不被堵塞。作業(yè)1．防腐蝕設(shè)計包括哪幾個方面?2．選材的原則及應(yīng)考慮的因素是什么?3．防腐蝕措施大體分哪幾類?4．防腐蝕工藝設(shè)計中應(yīng)注意哪些問題?在線作業(yè)（3）查找并分析1-2例子的防腐蝕設(shè)計。本課程復(fù)習題1．指出高溫氧化理論(Wagner)要點，結(jié)合金屬氧化的等效電池模型推導出高溫氧化速度常數(shù)的表達式，并說明式中各參數(shù)的意義。圖有哪些作用?舉例說明。并請參考右圖，確定1000℃下，

Fe、Al、Mg、C