非金属材料的腐蚀与防护 - 副本24页PPT

第二章 钻井、采油及集输系统的腐蚀与防护 第一节 钻井工程的腐蚀与防护
一、钻井过程中的腐蚀环境 钻井过程中的腐蚀介质主要来自大气、钻井液和地层产出 物，通常是几种组分同时存在。对钻井专用管材、井下工具、井 口装置等金属常见的腐蚀类型有：应力腐蚀、腐蚀疲劳、硫化物 应力开裂、点蚀（坑点腐蚀）、湍流腐蚀（冲蚀）等。 1、钻井液 （1）钻井液组成及温度对腐蚀的影响。
⑤溶解盐类。油田水中含有相当数量的溶解盐，其中 包括K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、CO、HCO3-、 Ba2+、Sr2+等。 ⑥pH值。碳钢在碱性水中的均匀腐蚀速率低于酸性水。 然而，在碱性水中，特别是水温较高时，如果出现沉积 物又不加以控制，则将导致严重的局部腐蚀。因此，可 以认为碱性体系将会降低碳钢的均匀腐蚀速率，但有可 能增加局部腐蚀或结垢的危险。 ⑦水温。一般情况下，水温升高，腐蚀速度增大。 ⑧流速。起初由于水的运动携带了更多的氧到达金属 表面而增加了腐蚀速率。在流速高到一定值后，足够的 氧会到达金属表面，可能引起金属表面部分钝化，此时 腐蚀速率会下降。如果流速再进一步增加，饨化膜或腐 蚀产物膜的机械磨损又使腐蚀速率增加。 ⑨空泡磨蚀。
第四节 非金属腐蚀原理及腐蚀评定方法
一、非金属腐蚀原理 非金属的腐蚀一般不是电化学腐蚀，而是纯粹的化学或物理 的作用，这是与金属腐蚀的主要区别。 当非金属材料表面和介质接触后，溶液(或氢气)会逐渐扩散 到材料内部。表面和内部都可能产生一系列变化，如聚合物分子 起了变化，可引起物理机械性能的变化，即强度降低、软化或硬 化等。 非金属因为没有电化学溶解作用，所以，对离子的抵抗力 强，能耐非氧化性稀酸、碱、盐溶液等。 非金属腐蚀破坏的主要特征是：物理、机械性能的变化或外 形的破坏，不一定是失重，往往还会增重。对金属而言，因腐蚀 是金属逐渐溶解(或成膜)的过程，所以失重是主要的。对非金属， 一般不测失重，而以一定时间的强度变化或变形程度来衡量破坏 程度。

时，就构成一个原电池，其中较活泼的金属为阳极而被腐蚀。
• 例如，船体钢壳与某种青铜铸品相接触的地万，往往容易腐 蚀，这是因为在电动序中，铁的位置在铜的前面。又如在铜 板上钉一个铁制的铆钉：
铁钉在铜板上的腐蚀
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即使单独的一种金属构件，与水或潮湿泥土相 接触时，也同样会发生电化学腐蚀，因为工业 用的金属经常含有各种杂质，例如普通钢是铁 碳合金，钢中含有Fe3C和其他杂质。
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3.能源电力 水电：水轮机组的腐蚀，叶片空蚀； 火电：锅炉和管道的腐蚀； 核电站：高温、辐照、液态金属等腐蚀； 煤矿安全； 油气开采、运输。
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4.化工工业 5.机械电子 6.民生 7.环境污染
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腐蚀造成的经济损失（美国）： 占国民生产总值的1.8%~4.2%
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第一节 腐蚀概论
腐蚀经济损失可分为直接损失和间接损失两类。
有机玻璃、不透性石墨在化学介质和应力的同时
作用下会破裂。
非金属腐蚀破坏的主要特征是物理、机械性能的变化 或外形的破坏，不一定是失重，往往还会增重。
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第一节 腐蚀概论
• 三、腐蚀的危害
• 1、腐蚀造成重大的直接和间接经济损失； • 2、腐蚀消耗大量的资源和能源； • 3、腐蚀还危及人身安全和造成环境污染； • 4、腐蚀妨碍新技术、新工艺的发展。
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第一节 腐蚀概论
一、腐蚀的基本概念 腐蚀即是损坏、腐烂
腐蚀是指材料在其周围环境的作用下引起的破 坏或变质现象。
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第一节 腐蚀概论
从不同角度曾对腐蚀下过不同的定义，主要有以下三个：
（1）材料因与环境反应而引起的损坏或变质、除了单纯机械 破坏之外的一切破坏；
强调了腐蚀与单纯的机械破坏具有本质上区别；适用于 金属和非金属材料。

电极电势(electrode potential)，其数值通常取决于电极本身、电解液浓度、 温度等因素。包括平衡电极电位和非平衡电极电位。由于其绝对值很难测量， 常见电极电位是半电池反应“O+R=R”相对于标准氢电极而言，是“氧化态和 还原态(O/R)”电位，有正负之分。
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1.1 金属电化学腐蚀原理
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腐蚀的定义与分类
(1)按腐蚀的反应历程，可分为化学腐蚀和电化学腐蚀： ➢ 化学腐蚀-金属与非电解质直接发生化学作用而引起的破坏。该过程是一种纯
氧化和还原的化学过程，反应过程中无电流形成。例如铅在四氯化碳，镁或 钛在甲醇中的腐蚀； ➢ 电化学腐蚀-金属与电解质溶液发生电化学作用而引起的破坏，电化学反应过 程中有电流产生，服从电化学动力学规律。例如金属在大气、海水、工业用 水、各种酸碱盐溶液中的腐蚀等。
v1O ne v2R
(1-3)
EO/R
EO O/R
0.059 n
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lg
O R
1.1 金属电化学腐蚀原理
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1.1 金属电化学腐蚀原理
例子：计算Zn2+离子浓度为0.001mol·L-1时锌电极的电极电位(298K)。 解：根据金属电动序表可知
当[Zn2+]=0.001mol·L-1时，从(1-3)式可计算锌电极的电极电位为
化合而形成腐蚀产物，即氧化还原在反应粒子相碰撞的瞬间直接于碰撞的反应 点上完成。例如高温气体中活泼金属的初期氧气过程。
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Zn
1 2
O2
ZnO
1.1 金属电化学腐蚀原理
电 化 学 腐 蚀 (Electrochemical corrosion),其特点是金属的腐蚀存在 两个同时进行却相互独立的氧化还原 过程，即阳极反应(anode reaction) 和阴极反应(cathode reaction)。例 如锌在含氧Zn中性12 O水2 溶 H液2O中的Zn腐(O蚀H)：2

（2）水解与腐蚀
1) 在酸中的腐蚀
实质是弱酸盐的水解
Ⅱ）在碱性溶液中, 腐蚀更严重。
Ⅲ）光学玻璃
由于SiO2↓，Ba、Pb及其他金属氧化物易与醋酸、硼酸等弱 酸中腐蚀。
Ⅳ）HF腐蚀玻璃
F-破坏Si—O—Si键
H+ F-
F- H+
≡Si—O—Si≡→≡Si……O—Si→≡Si—F+HO—Si≡
（3）玻璃的风化
（4）选择性腐蚀
二 混凝土
混凝土是砾石、卵石、碎石或炉渣在水泥 或其它胶结材料中的凝聚体。
1. 混凝土的结构
2.波特兰水泥的结构 （1）组成 质量分数为75％的硅酸钙 质量分数为25％的矿物质 （2）水泥水合硬化→水泥石 ① 水合反应 ② 出现孔隙 （3）腐蚀 ① 浸析腐蚀 ② 化学反应引起的腐蚀
老化表现： （1）外观变化 （2）物理性能变化 （3）力学性能变化 （4）电性能变化
老化的本质：
物理老化：由物理过程引起的发生可逆性的 变化，不涉及分子结构的改变。主要是溶胀 与溶解。
化学老化：
主要发生主键的断裂，有时发生次价键的断 裂
（化学过程老化）
（物理过程老化）
主键断裂不可逆，如大分子的降解和交联。
温度物理状态链段热运动ttg玻璃态基本无链段甚至大分子都可以体积膨胀强度伸长率急剧下降机械性能可能完全丧失极性大的溶质易溶于极性大的溶剂极性小的溶质易溶于极性小的溶剂
第七章 非金属材料 的腐蚀与防护
§7.1 高分子材料的腐蚀
一 概述
1. 高分子材料的发展与应用
高分子材料具有较良的耐腐蚀性能
2、高分子材料的腐蚀类型——老化
一、玻璃的耐蚀性能 （1）组成 SiO2为主，并含有R2O、RO（R代表碱金属或碱

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非金属基复合材料的腐蚀与防护
玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）：性能特点 （综合）：高强度、高的冲击韧性、良好 的低温性能；低的热膨胀系数、绝缘、绝 热性、耐腐蚀，防磁，微波穿透性好，吸 水性低。
应用：用于制造要求自重轻的受力构件、要求无磁性、绝缘性、耐腐蚀性的 零件，如航天和航空工业中的雷达罩、直升飞机的机身，制造轻型船、舰和 赛艇等，制造冷却塔，代替不锈钢制造一些容器和管道等。
长石等。主要特性是有抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、
绝缘、易成型等优点。 由于以上特性玻璃和陶瓷多作为耐腐蚀材料进行使用。
1
硅酸盐材料
玻璃与陶瓷材料的腐蚀与防护
玻璃与陶瓷材料腐蚀的机制
它们通常仅在碱性溶液和特殊酸性环境中才有较高的腐蚀速率。 碱性：
OH－破坏Si－O－Si，而形成Si－OH及Si－O－Na，因此腐蚀较水或酸性溶 液为重，并不受扩散控制 酸性：除氢氟酸、高温磷酸外，几乎耐其它所有无机酸的侵蚀,
非金属材料的腐蚀与防护
目录
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1
4
硅 酸 盐 材 料
有 机 高 分 子 材 料
木 质 材 料ຫໍສະໝຸດ 复 合 材 料1硅酸盐材料
硅酸盐材料是主要的无机非金属材 料，广泛应用硅酸盐材料主要有混 凝土、玻璃和陶瓷材料。硅酸盐材 料的腐蚀与防护也主要以这三种材 料进行展开。
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硅酸盐材料 混凝土的腐蚀与防护
混凝土的结构特点 混凝土是一种复杂的建筑材料，它是碎石或炉渣在水泥或其它胶结材料中 的凝聚体，因此它是一种多微孔的非均质性的结构材料，腐蚀介质从孔隙的渗透 是侵蚀的主要原因
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有机高分子材料的腐蚀与防护
高分子材料腐蚀的防护措施
选择合适的高分子材料，如在有机溶剂环境中选择聚四氟乙烯。 加入抗老化剂，如在塑料和橡胶生成过程中加入稳定剂、抗老化剂。 合理的工艺操作，如在实际使用环境中避免接触有机溶剂、高温等。

在水中的氧化一还原电位(E)与溶液的pH值图
要想避免铁的腐蚀，其状态点 就不能落入腐蚀区，可采取以 下几种措施：
1)将铁的电极电位降至非腐蚀 区。
这就要对铁施行阴极保护。
2)将铁的电极电位升高，进入 钝化区。
这可使用阳极保护法或在溶液 中添加阳极型缓蚀剂来实现。
3)调整溶液PH值范围使PH＝ 8—13，可使铁进入钝化区。
金属材料的腐蚀分类
1、化学腐蚀(Chemical Corrosion) 化学腐蚀是指金属与腐蚀介质直接发
生反应，在反应过程中没有电流产生 。
最重要的化学腐蚀形式是气体腐蚀， 如金属的氧化过程或金属在高温下与 SO2、水蒸气等的化学作用。
金属材料的腐蚀分类
2．电化学腐蚀 (Electrochemical Corrosion) 电化学腐蚀是指金属与电解质溶液(大多数为
化学腐蚀- 氧化膜的产生和作用
化学腐蚀的腐蚀产物在金属表面形成表面膜，表 面膜的性质决定了化学腐蚀速度。
氧化膜的作用： 氧化膜阻隔了金属与介质之间的物质传递，将减
慢金属继续氧化的速度。 如果氧化膜致密完整，强度、塑性都较好、膜的
膨胀系数与金属接近、膜与金属的亲和力较强等 情况下，则有利于保护金属、降低腐蚀速度。
水溶液)发生了电化学反应而发生的腐蚀。 其特点是：在腐蚀过程中同时存在两个相对独
立的反应过程——阳极反应和阴极反应，在反 应过程中伴有电流产生。 电化学腐蚀是最常见的腐蚀形式， 自然条件下、如潮湿大气、海水、土壤、地下 水以及化工、冶金生产中绝大多数介质中金属 的腐蚀通常具有电化学性质。 一般来说，电化学腐蚀比化学腐蚀强烈得多， 它所造成的危害和损失也是极为严重的。
化学腐蚀
钢铁的气体腐蚀类型: 高温氧化 脱碳 氢蚀 铸铁肿胀

用于制作风机也非常广泛。国内为大化肥装 置配套，已成功地研制出3.5m直径的轴流式 风机叶片，效果很好。
玻璃纤维增强树脂缠绕成型 设备和管道
玻璃钢管道可分为大直径和中小直径两类。多用玻璃 纤维增强环氧树脂缠绕成型。一般在中温受压化工介 质条件下使用。目前国内已经研制出带微机的大型缠 绕机，可制造直径4m，长10m的玻璃钢管道。 贮槽和贮罐是化工生产的主要工艺设备，目前国内己 成功地制造了1000～1500m3的盐酸贮罐，现在已经 可以现场缠绕制作5000m3贮罐。
受衬面焊缝的要求
• (A)直筒节
(B)角焊缝
(a)
(c)
(b)
(d)
(e)
(a) （b)
（c)
焊接与修补等工序必须在衬里前完成
• 焊缝不合格时可以修补。修补后仍应符 合上述要求，但不得采用如树脂、腻子、 填料和低熔点的钎焊、铜焊等填补。受 衬设备上的机加工、焊接等工序必须在 衬里之前完成。
• 与衬里设备金属壳体焊接的所有零部件， 必须在衬里施工前焊接完毕，衬里后不 允许再进行焊接。
• 必须考虑冷凝水排出口并应设置在设备最低处，以免冷凝水 积存，影响硫化质量。
• 常压蒸汽硫化橡胶设备贴衬橡胶时用冷滚轮压合，严禁采用 热烙铁压合。
大型贮罐橡胶衬里
• 尽量选用自然硫化或预硫化橡胶衬里。 喷砂除锈和 贴衬橡胶注意下列事项：
• 要安排连续工作； • 喷砂要自上而下进行；罐顶、罐壁橡胶衬里完工后再
• 接管的长度（高度）一般不大于100mm。 衬里设备的人孔、手孔、接管，一般不 得突出设备内表面。
衬里设备的人孔接管
3衬里设备的封头
• 衬里设备的封头为椭圆形、碟形、锥 形等形状时，一般都是凸面在外侧， 凹面在内侧；如有特殊要求时，应设 计成图4（a）的结构形式，而不应采 用图4（b）结构形式。

腐蚀防护意义
——减少损失和降低防腐成本、延长服役寿命
总费用最低：腐蚀损失和防腐成本的最少
通过普及腐蚀与防护知识，推 广应用先进的防腐蚀技术，腐 蚀造成的经济损失可减少30％ ~40％。
防腐蚀：成本支出 腐蚀：导致设备损失，停工损失等
腐蚀损失和防护费用与防腐蚀程度关系
腐蚀科学的发展：
腐蚀科学的发展：
• 四、腐蚀与防护的重要意义
•
随着工业迅速的发展，腐蚀问题越来越严重， 国家科技部门、各工厂对这个问题也越来越重视。 腐蚀给国民经济带来巨大的损失，据统计，由于腐 蚀而报废的金属设备和材料相当于金属年产量的 1/3。 假定其中2/3的金属尚可回炉重新熔炼，那么剩下的 1/3，或者说约有1/10的金属材料因腐蚀而无法收回。 可见腐蚀造成资源极大的浪费。
• (1)改善金属材料 制耐蚀合金。 • (2)改变腐蚀介质
• (3)改变金属/介质体系的电极电势 护等。
• (4)借助表面涂层把金属与腐蚀介质分开
腐 蚀
金属腐蚀
机 理 形态 类型
非金属腐蚀
腐蚀 环境
无水 有机 液体 和气 体中 的腐 蚀
化 学 腐 蚀
电 化 学 腐 蚀
物 理 腐 蚀
生 物 腐 蚀
• （4）1977年完工的美国拉斯维加斯一条长约 1287km，观景 1219.2mm 的原油输送管道，一半埋地一半外露，造价 80 亿 美元。使用 12年后，发生腐蚀穿孔达 826 处之多，仅修复费 用一项就耗资15亿美元。
• 3.国外腐蚀损失实例
• （5）1988年，英国帕尔波-阿尔法平台油管因CO2腐蚀疲劳 造成断裂引起突然鲍照燃烧，死亡166人，使英国北海油田 原油产量减少12%。
腐蚀与防护

• 介质向材料内部渗透扩散；材料中的某些
成分，如增塑剂、稳定剂等添加剂或低相 对分子质量组分也会向介质迁移
物理腐蚀的影响因素
• 溶剂和高分子材料的化学结构越相似，溶 解的可能性越大，如极性相近等
• 非晶态材料结构松散，容易溶解 • 晶态材料结构紧密，分子间作用力强，不 容易溶解
• 相对线性非晶态材料来说，分子质量增大， 温度降低，溶解减缓
（4）微生物腐蚀
• 来源于硫杆菌等
• 有氧和水时，细菌将硫转变成硫酸。硫来
源于矿物硫、油田中的硫化物或者污水
（5）碱集性反应
• 来源于强碱（Na2O和K2O）与SiO2作用
• 水泥石中的强碱与骨料中活性的SiO2作用，在骨 料中形成一层致密的碱-硅酸盐凝胶（如 Na2SiO3· 2O），再遇水产生膨胀，使骨料遇水 2H 泥石之间的界面胀破，导致混凝土整体破坏。它 是影响混凝土结构物耐久性＆寿命的重要因素， 是当前材料学科研究的前沿之一
光-生物降解
高能辐射降解
稳定性次序：聚苯乙烯>聚乙烯>聚氯乙烯> 聚四 氟乙烯
降解的影响因素
① 化学键：酐和原酸酯键的水解反应速率最 快，其次是酯和酰胺键 ② pH值：通过催化作用影响反应速率
③ 共聚物成分
④ 水的吸收：由于水解作用是水和不稳定功 能基团间的双分子反应，因此亲水性的高 聚物降解速率大
高分子材料的特点
高 分子量和分子尺寸的多分散性 分 子 结构多层次性 特 大分子或聚合物，或高聚物 点
分子量很大（104~107）
高分子材料的优势
1.资源 2.吸水性
3.疏水性
5.生物性能 7.透明性
4.阻尼性能
6.轻质高强 8.加工性