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腐蚀与防护报告
摘要
金属与环境组分发生化学反应而引起的表面破坏被称为金属腐蚀。
电化学保护是根据金属电化学腐蚀原理对金属设备进行保护的方法。
它和其他防腐方法一样。
有其局限性，但在一定条件下使用适当，则能获得良好的保护效果，且比较经济。
关键词:
金属；腐蚀；阴极保护法；阳极保护法
Abstract
ThesurfacedamagewhichcausedbythechemicalreactionbetweenMetalandenvironmentalcomponentscallsmetalcorrosion.Electrochemicalprotectionwhichisaccordingtotheprincipleofelectrochemicalcorrosionofmetalisthemethodformetalequipmentprotection.Itlikesotheranti-corrosionmethodshavingitslimitations,butifusingappropriatelyundercertainconditions,itcangetgoodprotecteffect,andmoreeconomic.
Keywords:
Metal;Corrosion;Cathodicprotection;Anodeprotection
目录
引言1
第1章电化学保护原理2
第2章阴极保护法3
2.1阴极保护的发展3
2.2阴极保护原理4
2.3阴极保护的主要参数4
2.4阴极保护分类5
2.5阴极保护的优缺点5
2.6阴极保护的应用6
第3章阳极保护法7
3.1阳极保护原理7
3.2阳极保护的主要参数8
3.3阳极保护的应用8
第4章展望10
引言
金属材料的腐蚀，是指金属材料和周围介质接触时发生化学或电化学作用而引起的一种破坏现象。
对于金属而言，在自然界大多是以金属化合物的形态存在。
从热力学的观点来看，除了少数贵金属（如金、铂等）外，各种金属都有转变成离子的趋势。
因此，金属元素比它们的化合物具有更高的自由能，必然有自发地转回到热力学上更稳定的自然形态——氧化物的趋势，所以说金属腐蚀是自发的普遍存在的一种现象，是不可避免的。
金属的电化学腐蚀与防护金属腐蚀给生产生活带来很多不便，造成了巨大的经济损失。
全世界每年因为金属腐蚀造成的直接经济损失约达7000亿美元，是地震、水灾、台风等自然灾害造成损失总和的6倍。
我国因金属腐蚀造成的损失占国民生产总值（GNP）的4%左右，钢铁因腐蚀而报废的数量约占钢铁当年产量的25%-30%。
这些数据只是与腐蚀有关的直接损失数据，间接损失数据有时是难以统计的，甚至是一个惊人的数字。
研究金属腐蚀的目的是提出高效，价廉而易行的措施，避免或减缓金属的腐蚀。
由于金属电化学腐蚀的机理复杂，形式多种多样，影响因素千差万别，在防腐实践中，人们研究了多种应对金属腐蚀的措施和方法，其中电化学保护，金属选材和结构设计，覆盖层保护和缓蚀剂是用的最多的几种。
作为一种有效的防护措施，电化学保护方法广泛地应用于船舶，海洋工程，石油，化工等领域，是需要重点了解的方法之一。
电化学保护是指在电化学腐蚀系统中，通过施加外加电流将被保护金属的电位移向免蚀区或钝化区，以降低金属腐蚀程度，这是一项经济而有效的腐蚀控制措施。
在一定条件下，电化学保护不仅能防止金属在海水、土壤或化工介质中的腐蚀，而且还能防止金属发生全面腐蚀和局部腐蚀。
若将电化学保护与涂料、缓蚀剂联合起来，可取的更好的防止金属腐蚀的效果。
目前电化学保护技术已广泛应用于造船、海洋工程、石油和化工等部门，并作为一种标准的防腐蚀措施列入规范与法规之中。
目前腐蚀问题成为阻碍高新技术发展和国民经济持续发展的重要制约因素,这样研究金属的腐蚀与防护便显得非常的重要，本论文主要综合讲述了金属的电化学腐蚀的基本原理和分类，以及讨论了有关现实生产生活中具体的防护措施，以更好的指导现实实践。
第1章电化学保护原理
金属表面由于外界介质的化学或电化学作用而造成的变质及损坏的现象或过程称为腐蚀。
介质中被还原物质的粒子在与金属表面碰撞时取得金属原子的价电子而被还原，与失去价电子的被氧化的金属“就地”形成腐蚀产物覆盖在金属表面上，这样一种腐蚀过程称为化学腐蚀。
由于金属是电子的良导体，如果介质是离子导体的话，金属被氧化与介质中被还原的物质获得电子这两个过程可以同时在金属表面的不同部位进行。
金属被氧化成为正价离子（包括配合离子）进入介质或成为难溶化合物（一般是金属的氧化物或含水氧化物或金属盐）留在金属表面。
这个过程是一个电极反应过程，叫做阳极反应过程。
被氧化的金属所失去的电子通过作为电子良导体的金属材料本身流向金属表面的另一部位，在那里由介质中被还原的物质所接受，使它的价态降低，这是阴极反应过程。
在金属腐蚀学中，习惯地把介质中接受金属材料中的电子而被还原的物质叫做去极化剂。
经这种途径进行的腐蚀过程，称为电化学腐蚀。
在腐蚀作用中最为严重的是电化学腐蚀，它只有在介质中是离子导体时才能发生。
即便是纯水，也具有离子导体的性质。
在水溶液中的腐蚀，最常见的去极化剂是溶于水中的氧（O2）。
在水溶液中电化学腐蚀过程的另一个重要的去极化剂是H+。
在常温下，对铁而言，在酸性溶液中可以以H十离子为去极化剂而腐蚀，故此时腐蚀反应产物是氢气和留在溶液中的二价铁离子。
除了氧和氢离子这两种主要的去极化剂外，在水溶液中往往还有由其他物质作为去极化剂引起的电化学腐蚀。
在用酸清洗钢铁表面的铁锈，即所谓“酸洗”时，锈层溶于酸中，形成一定量的Fe3+离子和Fe2+离子。
Fe3+离子就可以作为去极化剂使钢铁腐蚀。
如果酸液面上有空气，Fe2+离子可以在液面附近被空气中的O2氧化成Fe3+，成为去极化剂。
这就形成了一循环过程：
Fe3+离子在钢铁表面作为去极化剂还原成Fe2+离子，再到液面附近被O2氧化成Fe3+离子，继续作为去极化剂使钢铁腐蚀起着“氧的输送者”的作用。
虽然溶解在溶液中的氧本身就是有效的去极化剂，但由于常温压下O2在水溶液中的溶解度很小，由其去极化而引起的腐蚀速度是不大的。
有“氧的输送者”存在时，腐蚀速度就会大大增加。
第2章阴极保护法
阴极保护技术是电化学保护技术的一种，其原理是向被腐蚀金属结构物表面施加一个外加电流，被保护结构物成为阴极，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。
阴极保护技术分为牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护，目前该技术已经基本成熟，广泛应用到土壤、海水、淡水、化工介质中的钢质管道、电缆、钢码头、舰船、储罐罐底、冷却器等金属构筑物的腐蚀控制。
2.1阴极保护的发展
1928年，被称为美国“电化学之父”的罗伯特・J・柯恩（Kuhn）在新奥尔良的一条长距离输气管道上安装了第一套牺牲阳极保护装置，为阴极保护的现代技术打下了基础。
此后，阴极保护在美国和一些发达国家得到快速推广，并于1936年成立了（美国）中部大陆阴极保护协会。
我国的阴极保护工作开始于1958年。
其直接原因是当时一条长输管道（克拉玛依－独山子输油管道）埋地11个月就开始穿孔漏油，最严重时每天都要穿孔几次。
1961年将原管道停产并施加了阴极保护，施加阴极保护后，该管道连续运行了20多年未出现漏油，1986年有关专家通过考察、分析、评估，认定此管道还可工作20年。
阴极保护技术作为一项效果好、应用领域广的防腐蚀技术，其使用效果已经得到了大家的认可。
在我国，阴极保护最早主要应用于石油化工、船舶等领域，近年来随着东海大桥、杭州湾大桥、青岛跨海大桥等跨海大桥的修建，在桥梁、港口等众多领域都得到了推广。
相信随着众多领域对腐蚀控制的重视，经过我们广大防腐蚀工作者的努力，阴极保护将在我国得到更大发展，为更多构筑物、设备提供防腐蚀保护。
2.2阴极保护原理
阴极保护的原理见右图，未进行阴极保护时，金属M以腐蚀电位Ecorr、腐蚀电流icorr被腐蚀，加入阴极电流后，发生阴极极化的结果使得金属的电位从Ecorr移至Ec，此时总的阴极极化电流由两部分组成，一部分是由腐蚀电池形成的（途中的FD段），另一部分是外加的ED段。
此时腐蚀仍然没有完全停止下来，只不过腐蚀速度变小了。
当外加电流足够大，使金属的电位移至Ee，A，即金属M的平衡电位时，腐蚀电流变为零，腐蚀完全被抑制。
2.3阴极保护的主要参数
（1）最小保护电流
外加阴极电流强度越大，被保护金属的腐蚀速度就越小。
使金属腐蚀停止，亦即达到完全保护时所需的最小电流值称为最小保护电流。
若以电流密度计量，就称为最小保护电流密度。
（2）最小保护电位
在实际工作条件下，往往很难直接测量被保护金属表面的电流密度，因此常以测定金属在所处介质中的电位值来评定其保护程度。
在阴极保护下，当金属刚好完全停止腐蚀的临界电位称为最小保护电位。
阴极保护的电位不是越负越好，过负的阴极电位对腐蚀控制无实际意义，同时也会浪费电源，还可能会引起氢脆腐蚀。
2.4阴极保护分类
阴极保护根据电流来源不同分为牺牲阳极法和外加电流法两种方法。
（1）牺牲阳极保护：
在被保护金属设备上连接一个电位更负的强阳极，促使设备金属发生阴极极化，这种方法叫做牺牲阳极保护，也称护屏保护。
（2）外加电流保护：
将被保护金属设备与直流电源的负极相连，依靠外加阴极电流进行阴极极化而使金属得到保护的方法称为外加电流保护，简称电保护。
图2.2
2.5阴极保护的优缺点
①优点：
A：
一次投资费用偏低，且在运行过程中基本上不需要支付维护费用；
B：
保护电流的利用率较高，不会产生过保护；
C：
对邻近的地下金属设施无干扰影响，适用于厂区和无电源的长输管道，以及小规模的分散管道保护；
D：
具有接地和保护兼顾的作用；
E：
施工技术简单，平时不需要特殊专业维护管理。
②缺点：
A：
驱动电位低，保护电流调节范围窄，保护范围小；
B：
使用范围受土壤电阻率的限制，即土壤电阻率大于50Ω/m时，一般不宜
选用牺牲阳极保护法；
C：
在存在强烈杂散电流干扰区，尤其受交流干扰时，阳极性能有可能发生逆转；
D：
有效阴极保护年限受牺牲阳极寿命的限制，需要定期更换。
2.6阴极保护的应用
阴极保护比较适宜于腐蚀性不太强的介质，如海水、土壤、中性盐溶液。
再强腐蚀介质中，由于电能火护屏材料的消耗太大，不经济。
阴极保护广泛用于保护地下管道、通信或电力电缆、闸门、船舶和海上平台等以及与土壤或海水等接触面积很大的工件，电化学保护与涂装结合则更为经济。
城市和大型工厂的地下金属设备可采用这种保护方法，但需要注意杂散电流不致影响邻近地下金属设施的加速腐蚀。
第3章阳极保护法
阳极保护是利用金属在电解质溶液中依靠阳极极化建立钝态的特性而实施的保护方法。
它与外加电流阴极保护一样，亦用外加直流电源供电，所不同的是被保护设备接电源的正极，辅助电极接负极。
3.1阳极保护原理
阳极保护法是在被保护金属表面通入足够大的阳极电流，使电位变正进入钝化区、腐蚀速度大大降低的方法。
从热力学和动力学上讲，任何金属都具有一个可使金属处于钝化状态的电位，阳极保护就是创造条件使金属表面维持一稳定的钝化膜。
金属从活化腐蚀溶解状态到钝化的转变过程称为钝化过程，一些重要的结构材料均具有钝化转变行为，右图是利用控制电位法得到的金属的阳极极化曲线，可以将曲线分成四个区。
A、活化区这一区域金属正常溶解，其腐蚀电位和腐蚀电流分别为（Ecorr）1和（icorr）1
图3.1
B、钝化过渡区在这一区域随着电位正移，金属溶解速度反而下降，称为钝化过渡区。
金属开始发生钝化的电位为临界钝化电位（Epass）。
C、钝化区当应用阳极保护时，所加阳极电流足够大时，达到金属的致钝电流密度时，会使金属表面发生钝化，电流下降至（icorr）2，即ipass，这时金属处于稳定的状态，此时的金属溶解与电位无关，这一时期也称为稳定钝化区。
D、过钝化区在钝化区以上，金属溶解的电流又随电位的升高而增加。
可以看出阳极保护系一般包括以下几个主要部分。
A、阳极——被保护金属；
B、辅助阴极，与外接直流电源相连，与保护金属阳极、设备内的介质一起构成电流回路，使得电流可以在回路中流通。
C、电源，提供阳极保护电流。
用于金属致钝，一般用可调式的直流电源。
D、参比电极，实际上可以将参比电极看成是获得电位信号的传感器，常用的参比电极主要为金属/难溶盐电极、金属/氧化物电极或金属电极，要根据具体的介质性质和防护体系选择参比电极。
3.2阳极保护的主要参数
①致钝电流密度
促使金属件立钝态的致钝电流密度越小越好，这样不仅可以试用小容量的电源设备，减少设备投资和耗电量，而且致钝过程中，被保护金属的阳极溶解也比较小。
致钝电流密度的大小，主要取决于金属的本性和介质条件，其次与致钝时间的长短也有关系。
因为生成具有保护作用的钝化膜需要一定的电量。
电流密度越小，则之盾时间越长；反之，电流密度大，致钝时间可以很短。
②维钝电流密度
维钝电流密度希望越小越好，因为他直接反映了金属设备在阳极保护下的腐蚀速度。
并且维钝电流密度越小，经常性的电解消耗也越少。
维钝电流密度的大小也取决于金属的本性和介质条件（溶液组成、浓度、pH值、温度等）。
所以具有钝化倾向的金属，如果维钝电流密度很大，那么采用阳极保护就没有意义了。
生产上为了降低维钝电流密度，常常采用涂料-阳极保护的联合保护，有较好的效果。
③钝化区范围
稳定钝化区电位范围越宽越好，这样在实施阳极保护时，即使电位波动，亦不致出现金属由钝态转变为活态或过钝化状态的危险，并且对控制点位的仪器设备和参比电极的要求也可适当降低；反之如果稳定钝化区的点位范围很窄，生产上工艺条件稍有波动，金属就有可能重新活化，阳极保护的实施就很困单。
3.3阳极保护的应用
阳极保护与阴极保护一样，都是适用于电解质溶液中连续液相部分的保护，对于气相部分或设备表面仅有一层很薄的液膜者是不能保护的。
阳极保护的适用
范围较窄，主要用于氧化性介质中对钢铁进行保护。
在强氧化性介质中使用的当时，常常可以获得很高的保护效果，并且比较经济。
图3.2
阳极保护主要用于一些贮罐、塔设备、换热器等的腐蚀防护，下图是应用阳极保护的两个例子。
对浓硫酸贮罐的阳极保护常用的辅助电极有镀铂电极、高硅铸铁、银等，对稀硫酸可用铝青铜、石墨等。
第4章展望
随着科学技术的进步,对工业应用材料的要求越来越高,特别是金属材料的防腐蚀尤其受关注。
电化学保护法只能防护,不能从根本上根治金属的腐蚀问题,同时这些防护方法存在使用成本高、污染环境、应用环境受限制等问题。
因此,研究开发新的特种合金、新型陶瓷、复合材料等耐腐蚀材料,是从根本上治理腐蚀问题的最好途径,有待材料工作者共同努力。
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