煤礦井下金屬材料的腐蝕機(jī)理和防護(hù)

(山西潞安集團(tuán)司馬煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 047105)

煤礦井下金屬材料的腐蝕機(jī)理和防護(hù)

王建雄

(山西潞安集團(tuán)司馬煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 047105)

介紹了井下金屬材料腐蝕的機(jī)理，提出了防護(hù)措施及其發(fā)展方向。

腐蝕 機(jī)理 預(yù)防

0 引言

金屬腐蝕可造成設(shè)備的全面損壞而報(bào)廢，也可使零件強(qiáng)度下降，還會(huì)產(chǎn)生腐蝕脆性等不良后果，是機(jī)械零件失效的重要形式之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年因腐蝕而損壞的金屬制品重量約占年產(chǎn)量的1/5～1/3。而煤礦井下，由于環(huán)境的特殊性，煤礦設(shè)備長(zhǎng)期處于高濕、高風(fēng)速和酸堿浸蝕等惡劣的環(huán)境中，腐蝕現(xiàn)象十分嚴(yán)重，研究金屬的腐蝕問(wèn)題，具有重要的意義。如果不對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行有效的防護(hù)，其服役壽命將大大降低，甚至提前報(bào)廢，嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)，給國(guó)家造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 金屬的腐蝕機(jī)理

金屬腐蝕按機(jī)理可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。

1.1化學(xué)腐蝕

金屬與介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)作用而引起的損壞叫化學(xué)腐蝕，腐蝕的產(chǎn)物在金屬表面形成膜，膜的性質(zhì)決定化學(xué)腐蝕的速度，如膜完整致密，則有利于保護(hù)金屬而減慢腐蝕。金屬在干燥空氣中的氧化以及金屬在非電介質(zhì)中的腐蝕等均屬于化學(xué)腐蝕。

1.2電化學(xué)腐蝕

金屬表面與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生電化學(xué)作用而有電流產(chǎn)生的腐蝕稱(chēng)為電化學(xué)腐蝕。屬于這類(lèi)腐蝕的有：金屬在酸、堿、鹽溶液以及潮濕空氣中的腐蝕，地下金屬管線的土垠腐蝕等。引起電化學(xué)腐蝕的原因是由于金屬與電解質(zhì)接觸，形成原電池，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，而使電極電位較低的部分遭受腐蝕這種原電池，由于其電流無(wú)法利用，卻使陽(yáng)極金屬受到腐蝕，因此稱(chēng)為腐蝕電池。即使同一種金屬，由于各部分接觸的溶液成份不同，也可以形成濃差腐蝕電池，各種金屬都不是絕對(duì)的純，含有雜質(zhì)，并存在化學(xué)成分不均勻、組織差異和應(yīng)力差別等，這些現(xiàn)象均可產(chǎn)生電位差，構(gòu)成許多微小的腐蝕電池。當(dāng)金屬表面有氧化膜或鍍層時(shí)，若氧化膜不完整有孔隙，或鍍層有破損裂紋等，在電解質(zhì)溶液存在的環(huán)境下，也會(huì)形成局部腐蝕。

金屬按電化學(xué)腐蝕機(jī)理進(jìn)行腐蝕時(shí)，同時(shí)進(jìn)行著兩個(gè)過(guò)程：(1)陽(yáng)極過(guò)程—金屬變成離子進(jìn)入溶液，并在金屬上留下多余電子；(2)陰極過(guò)程—溶液中的去極化劑吸收掉金屬上的多余電子，氫離子和氧是常見(jiàn)的去極化劑，氫離子作為去極化劑與陰極電子結(jié)合析出氫氣，促進(jìn)陽(yáng)極金屬腐蝕，這種腐蝕過(guò)程稱(chēng)為析氫腐蝕，許多金屬在酸性溶液中均受到析氫腐蝕。空氣中的氧被溶液吸收，擴(kuò)散到陰極表面作為去極化劑，吸收陰極電子，促進(jìn)陽(yáng)極腐蝕，這種現(xiàn)象稱(chēng)為吸氧腐蝕，金屬在堿溶液中均產(chǎn)生吸氧腐蝕。遭到的腐蝕不管是化學(xué)腐蝕還是電化學(xué)腐蝕，金屬腐蝕的實(shí)質(zhì)都是金屬原子被氧化轉(zhuǎn)化成金屬陽(yáng)離子的過(guò)程[1]。

2 防護(hù)措施

井下金屬材料腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕，影響腐蝕速度主要因素是空氣成分、溫度、濕度、材料及其表面狀態(tài)，結(jié)合井下腐蝕產(chǎn)生環(huán)境的實(shí)際情況，應(yīng)采取下述預(yù)防腐蝕的措施。

2.1在金屬表面覆蓋各種保護(hù)，把被保護(hù)金屬與腐蝕性介質(zhì)隔開(kāi)，是防止金屬腐蝕的有效方法[2]。

2.1.1涂料重防腐

涂料重防腐是底漆、中間漆和面漆組成的油漆涂層體系進(jìn)行防腐，其防腐原理主要是機(jī)械屏蔽，即油漆涂層將鋼鐵與腐蝕介質(zhì)相隔離，以阻止和減緩腐蝕介質(zhì)對(duì)鋼鐵的侵蝕，保護(hù)鋼鐵不受腐蝕。非金屬油漆涂層隨時(shí)間的延長(zhǎng)，環(huán)境的變化，有機(jī)物終究要老化，影響防腐性能。一般情況復(fù)合涂層可以對(duì)鋼設(shè)備進(jìn)行中等年限的防護(hù)保護(hù)。涂料初次涂裝后，需定期刷面漆進(jìn)行維護(hù)。如進(jìn)行徹底維護(hù)時(shí)還需對(duì)鋼鐵構(gòu)件重新噴砂除銹再涂裝油漆，無(wú)論是國(guó)外涂料還是國(guó)內(nèi)涂料都以無(wú)數(shù)的應(yīng)用實(shí)例充分證明了這一點(diǎn)。

2.1.2熱浸鍍鋅防腐

熱浸鍍鋅防腐是把經(jīng)過(guò)酸洗除銹的鋼構(gòu)件浸入480～520℃，高溫鋅熔池3～5min，使鋼鐵表面沾掛一層鋅液，經(jīng)冷卻形成鍍層。熱浸鍍鋅鍍層能夠?qū)︿撹F提供機(jī)械屏蔽和電化學(xué)保護(hù)雙重作用，涂層與鋼鐵表面結(jié)合力較好，但鍍鋅涂層厚度一般僅為80μm左右。鋅涂層被逐漸腐蝕后局部漏出鋼鐵基體。導(dǎo)致涂層最終失效，因此熱浸鍍鋅防腐耐腐蝕年限稍短，僅可提供鋼鐵中等年限的防腐保護(hù)。另外，熱鍍鋅生產(chǎn)工藝局限性較大，對(duì)鋼井架、井筒裝備等大構(gòu)件應(yīng)用十分困難，而且對(duì)于形狀復(fù)雜的鋼構(gòu)件，由于受高溫影響，可能會(huì)導(dǎo)致鋼構(gòu)件的變形而影響最終作用。

2.1.3電弧噴涂防腐

通過(guò)具有平直特性的電弧噴涂電源，兩根帶正、負(fù)電的金屬(鋅、鋁或其他合金)絲材連續(xù)被送到電弧噴槍端頭，在端部短路接觸產(chǎn)生電弧熔化，熔融鋁的高溫液滴被壓縮空氣噴吹、霧化、噴涂至工件表面，與基體形成結(jié)合良好的電弧噴涂涂層。絲材被熔化溫度達(dá)6000℃ 。由于電弧噴涂絲材熔化溫度高，絲材熔化均勻，無(wú)半熔化或高塑性的噴涂顆粒，噴涂粒子攜帶較大的熱能和動(dòng)能撞擊，涂層與基體以較強(qiáng)的機(jī)械結(jié)合和微冶金結(jié)合。因此電弧噴鋁涂層與金屬基體具有優(yōu)良的涂層結(jié)合力，在彎曲、沖擊或碰撞下也能確保防腐涂層不脫落、不起皮，結(jié)合牢固，防腐長(zhǎng)久有效，這一點(diǎn)是其他任何表面防腐涂層無(wú)法達(dá)到的。電弧噴涂層防腐原理為陰極保護(hù)和機(jī)械屏蔽相結(jié)合。在腐蝕環(huán)境下，即使防腐涂層局部破損，它仍具有犧牲自己保護(hù)鋼鐵基體之效果。涂層(陽(yáng)極)與鋼鐵基體(陰極)的面積比≥1。另外，電弧噴涂層的厚度可根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行施工，能夠達(dá)到較厚的厚度，使得涂層耐蝕壽命大大延長(zhǎng)。電弧噴涂防腐涂層是由電弧噴涂涂層和有機(jī)封閉涂層組成，其耐腐蝕壽命不是二者之和，而是二者之和的1.5～2.3倍，這是世界公認(rèn)的最佳協(xié)同效應(yīng)。經(jīng)合理設(shè)計(jì)涂層厚度，其耐腐蝕壽命完全可以達(dá)到30a以上，30a以后的維護(hù)僅需在電弧噴涂層上刷封閉涂料，無(wú)需重新噴涂，實(shí)現(xiàn)一次防腐，長(zhǎng)久不腐。 但是由于煤礦井下存在瓦斯的特殊性，電弧容易引起瓦斯爆炸，該技術(shù)難以在井下應(yīng)用。

2.2電化學(xué)保護(hù)法

電化學(xué)保護(hù)法是根據(jù)電化學(xué)原理在金屬設(shè)備上采取措施，使之成為腐蝕電池中的陰極，從而防止或減輕金屬腐蝕的方法。

2.2.1陽(yáng)極保護(hù)法

所謂陽(yáng)極保護(hù)法是指金屬在電解質(zhì)溶液中，給予一定量的陽(yáng)極電流。使在金屬表面形成一層耐腐蝕性能很高的鈍化膜，然后再通以較少量的陽(yáng)極電流就能維持這層鈍化膜的存在，像這種防止金屬在電解質(zhì)溶掖中腐蝕手段，稱(chēng)為陽(yáng)極保護(hù)。陽(yáng)極保護(hù)法是一門(mén)新型防腐蝕技術(shù)，國(guó)外從60年代才開(kāi)始應(yīng)用，目前也主要用于硫酸、磷酸、有機(jī)酸、氨水等簡(jiǎn)單設(shè)備的防腐。由于陽(yáng)極保護(hù)難以控制金屬在介質(zhì)中的電極電位，該技術(shù)的推廣應(yīng)用還受到一定限制。

2.2.2陰極保護(hù)法

將被保護(hù)金屬與另一附加電極作為電解池的兩個(gè)極，使被保護(hù)的金屬作為陰極，在外加直流電的作用下使陰極得到保護(hù)[3]。金屬結(jié)構(gòu)上，使結(jié)構(gòu)上原來(lái)存在的腐蝕電池的陰極電位降至與陽(yáng)極電位相等，從而使金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕電池消失，達(dá)到完全保護(hù)結(jié)構(gòu)物的方法。近些年來(lái)，陰極保護(hù)法及其應(yīng)用發(fā)展很快[4]，如美國(guó)自70年代起，從事陰極保護(hù)的工程公司就有100多家，其涉及的應(yīng)用范圍滲透到工業(yè)各個(gè)部門(mén)。

3 煤礦金屬材料防腐趨勢(shì)

20世紀(jì)40年代為油漆防腐；50～70年代為重防腐涂料防腐、熱浸鋅防腐、火焰噴涂防腐、電弧噴涂防腐并存。80年代以后，電弧噴涂防腐技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。但是除油漆防腐外，其他防腐方法在井下都不同程度受到限制。我國(guó)煤礦井下金屬材料目前仍大量采用涂料重防腐，由于其防腐壽命較短、且后期維護(hù)費(fèi)用龐大、維護(hù)期間嚴(yán)重影響生產(chǎn)等，因此已越來(lái)越顯現(xiàn)出局限性。面對(duì)日益嚴(yán)格的環(huán)保要求及使用安全等問(wèn)題，水性防銹涂料逐漸將成為防腐涂料發(fā)展的主要方向。我國(guó)在這方面也取得一定的進(jìn)展，如王云普等研究的新型水性帶銹轉(zhuǎn)銹乳液[5]和任毅水性帶銹防腐涂料的研制[6]。水性帶銹涂料能將一般的鐵銹轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的無(wú)害銹，并兼有防腐蝕功能，用于已腐蝕的金屬面可不經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的除銹和表面處理直接涂裝，而且還非常適用于難以徹底表面處理的大型金屬材料。

[1] 陸致琛. 我國(guó)水工金屬結(jié)構(gòu)防腐方法簡(jiǎn)介[J]. 廣西水利水電, 2002, 26(10): 18-22.

[2] 施利炳. 金屬的腐蝕與防護(hù)[J]. 物理測(cè)試, 廣州市機(jī)電安裝有限公司, 2003(3): 41-43.

[3] 唐明華. 油氣管道陰極保護(hù)[M]. 北京:石油工業(yè)出版社, 1986:34-36.

[4] 趙應(yīng)龍. 金屬腐蝕的運(yùn)用[J]. 腐蝕防護(hù)報(bào). 1986(8): 18-19.

[5] 王云普, 岳斌, 高敬民等. 新型水性帶銹轉(zhuǎn)銹乳液的合成及環(huán)保型防銹涂料的制備[J]. 特種涂料與涂裝特刊, 2006(7): 16-19.

[6] 任毅. 水性帶銹防腐涂料的研制[J]. 四川冶金, 2003(3):30-31.

Talk about the Corrosion Mechanism Mechanism of metal materials and Prevention in Coal Mine Shaft

WANG Jian-xiong
(Shanxi Lu’an Group Sima Coal Co., Ltd. Changzhi 047105, China)

Metal material corrrosion mechanism in coal mine shaft was introduced and proposed the measures and development for prevention．

corrosion; mechanism; prevention

TD407

A

10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2014.08.036.03

王建雄 (1981-) ，男，山西太原人，助理工程師，主要從事礦山機(jī)械工作。