抵御腐蚀

如果你认为腐蚀只是像铁锈一样难看的片片红色氧化物,只会给沿海区域的钢铁产品与近海应用产品造成麻烦,那你就错了。腐蚀会出现在任何地方,甚至是最干旱的内陆国家。腐蚀也是一个事前预防胜于事后解决的问题,我们能做的只有延缓其发生,而无法杜绝。

任何金属产品,特别是那些钢铁衍生制品,最终都会因与氧气和水的接触而生锈,并随着时间的推移分裂瓦解。

在腐蚀过程中会出现两种类型的反应:氧化反应(金属失去电子,造成金属腐蚀)和还原反应(电子将水或氧气转化为氢氧化物)。当氢氧化物与铁离子结合就会产生锈。随着金属的腐蚀,其表面会发生变化,对于含铁金属,锈会蔓延至整个金属表面。

较之其他地区,沿海和近海的应用产品更容易生锈,因为它们暴露在pH值是中性或微酸性的海水中。岸边的产品处于含盐较高的空气中,并受到海潮的拍打,在表面留下残余物质。越接近赤道,空气中的盐分也越高。

然而,腐蚀的发生并不仅限于暴露在海水中。清洁剂、高湿度以及“肮脏”的环境,比如污水和矿产开采,都会加剧腐蚀的过程。化工生产环境含有大量的二氧化碳,同样会对金属产生影响。

Eva Coronado是得克萨斯州休斯敦市Element Materials Technology的腐蚀实验室主管。

她解释:“腐蚀是一种自然现象,发生在特定的湿度、温度和空气环境下;它不可能避免,只能缓解。”

“腐蚀会削弱产品性能,影响其功能和完整性。除造成成本增加外,腐蚀还会影响产品的安全性和外部美观。”

腐蚀研究学会NACE International是世界上规模最大的腐蚀研究权威机构,在全球拥有30,000名会员。其前任主席Kevin Garrity将38年职业生涯的大部分时间用于防腐工程研究。“我最初是一名电气工程师,但却被腐蚀研究深深吸引,因为它涉及工程的诸多方面,如压力、电气部件、化学和生物学反应。”

他强调,自从人类开始把钢铁投入到实际应用,腐蚀问题就一直伴随着我们。

怎样才能避免腐蚀的发生?最直接的回答是“不可能”。最好的“保护”办法是,从开始设计产品时就将腐蚀的影响牢记于心,并充分考虑产品的用途以及使用环境,确保选择尽可能防腐蚀的材料。另外,最重要的是,你需要确保所使用的金属不会因为彼此的反应而加速腐蚀过程——这就是为人熟知的Galvanic理论,由电化学大师Humphry Davy爵士在揭开电偶电流的神秘面纱时提出。

依据Galvanic理论,工程师和制造商需要把材料和产品以特定的方式排列,从而限制电偶腐蚀的发生。例如,如果想让铜和不锈钢合金配合使用,为了减少腐蚀的发生,防护涂层必不可少。铝合金和铜不可配合使用,如果环境含盐度造成pH值较高,应尤其予以避免。此外,应始终牢记,材料之间的电偶差异会受到应用或产品所处环境的影响。

对电偶反应缺乏足够的认识,会对经济和安全性造成毁灭性的影响,并损坏公司的形象。美国一家炼油厂曾发生重大事故,原因正是腐蚀导致的腐蚀性裂纹,其经济损失约5亿美元。

Garrity在他NACE的职业生涯中,看到过不少危险的电偶反应,而他更即时想起在美国一家核电站发生的事故。“工厂的铜制接地系统原用于在发生电气故障时确保人员和设备的安全,但该系统却与氚水管道系统连接,形成类似电池的反应。由于铜和氚之间所产生的反应,管道最终会将铜腐蚀,造成渗漏,导致少量放射性物质泄漏的风险。”

有一些“标准”可以延缓产品或应用的腐蚀过程:选择电偶潜质相似的材料;使用特殊的油漆或涂料制造保护屏障;使用牺牲阳极保护核心产品;或者引入电流以抵消任何电偶反应。

采用何种类型的防腐蚀保护取决于金属类型、实际的应用方式应用环境以及公司计划投入的资金预算。

防护涂层是标准且成本最低的防腐蚀方法,但并非万无一失。比如,某些防护涂层可以增强物品在海水环境下的耐腐蚀性,但却无法耐受除油溶液造成的腐蚀。

环保的防腐蚀涂料同样广受争议,特别是在汽车行业。一些观点认为,在密封环境下最好使用坚硬的防腐蚀涂料,因为使用这种防腐蚀涂料的产品比使用环保涂料的零件需要在使用寿命内更换三次。

另一种对抗电偶反应的方法是引入一种牺牲阳极金属,如块、杆、盘或带状的镁、铝或锌,以保护金属结构或应用产品。该金属可作为阴极保护装置,通过吸收氧化反应,防止结构的主要部分受到腐蚀。这种方法需要在阳极和金属之间必须存在一个电子通道(如用导线将二者连接或使其直接接触),且氧化剂(如水或潮湿的土壤)和阳极,以及氧化剂和需要保护的金属之间必须存在一个离子通道,以便形成一个封闭的回路。

镁、铝和锌是最常见的牺牲阳极材料。重量较轻的铝常用于海上和近海应用(如船体、近海管道和储存箱),但由于其与生锈表面接触时可能产生火花,因此不能在易燃易爆的环境下使用。而作为负电位最高的阳极金属,镁常被用于地下以及和土地相关的应用产品。

如果在产品设计与开发阶段采取足够措施,许多腐蚀情况均可避免。Kevin Garrity指出:“在NACE,我们每年会为大约12,000名工程师培训防腐蚀方面的知识。然而,全球有超过350万名工程师,因此需要培训的人仍然很多。”

Garrity表示很多公司与行业组织正开始认识到,虽然预防腐蚀会带来初期阶段更多的成本投入,但就长期来看,却可节省资金。

他建议通过建立一个风险模型,去计算这笔投资的回报,并“根据结构或设施的重要程度,对潜在腐蚀风险的威胁程度排序,然后顺序依次消除风险因素。”

螺栓虽然只是整个施工过程中的一个很小部分,但仍需小心设计。如果螺栓被腐蚀,不论建筑或产品的规模多大,都存在土崩瓦解的危险。

Coronado说:“紧固器是现代生活中不可缺少的工具,必须稳定可靠。紧固器腐蚀不仅会造成金属损耗,还可能引起紧固器失效,甚至造成高强度紧固器开裂和突然失灵。由于耐腐蚀紧固器不是适合所有情况,因此其他减缓腐蚀的方法(如防腐涂料)也被用于保护紧固器。”

锌片涂料,如Delta Protekt®或是Delta-Tone®,是目前保护钢制螺栓和垫圈的最常用涂料。这种涂料像油漆那样使用,经过烘烤后形成保护膜;如涂抹多层,还能起到防摩擦的作用。其他的选择还包括聚四氟乙烯涂料和热浸镀锌。

Franz Raymann是Nord-Lock的技术服务主管,他认为选择正确材质的螺栓,并采用适当的防腐保护至关重要。他表示:“客户往往不理解我们为何提出这么多的问题,为什么要了解其使用的材料以及相关应用环境。但我们只有在掌握这些详细信息后,才能为顾客提供合适的螺栓。”

他举例说,一个重达4,000吨的海上平台借助四根支柱矗立在海面,且由16个巨型螺栓作固定。“如果这些螺栓被腐蚀,那么平台上的所有工作人员都将葬身北海。”

“常规策略是定期检查螺栓的腐蚀情况。如在检查中发现腐蚀,则根据严重程度,对其进行移除和清理,查看是否存在裂痕并重新涂抹防腐材料,或直接更换整个螺栓。”

如何通过设计抵御腐蚀

  • 分析腐蚀发生所需的环境和条件。
  • 选择具有足够耐腐蚀性的材料(和相似的电偶电极)。
  • 避免采用容易堆积水分和污垢、造成应力集中、引发侵蚀等的几何形状。
  • 选择适当的防腐保护方式(表面涂料、牺牲阳极、直流电等)。
  • 明确要求:例如,ISO 9227盐雾腐蚀试验,针对不锈钢材料的ASTM G48电化学腐蚀试验,ISO 12944环境腐蚀类别。

腐蚀环境的分类

ISO 12944 影响 室内 室外
C1 非常低 空气清新的供暖建筑,如办公室、商店、学校、酒店等。
C2 可能会发生冷凝现象的无供暖建筑,如仓库和体育馆。 环境污染较低。例如,乡村环境。
C3 中等 用于生产的建筑,环境湿度较高,存在一定程度的空气污染,如食品加工厂、啤酒厂、乳制品厂和洗衣房。 城市和工业区域,中度二氧化硫污染。含盐量较低的沿海地区。
C4 化工厂、泳池浴场和近海的造船厂和修船厂。 工业区域和中等海盐量的沿海地区。
C5-i 非常高—工业 存在永久冷凝和高污染的建筑或地区。 高湿度的工业区域和严酷环境。
C5-m 非常高 存在永久冷凝和高污染的建筑或地区。 高含盐量的海岸和海上地区。

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