金屬腐蝕與防護(hù)問題的若干探討

＊?jiǎng)?王藝澎 王少峰

（1.陸軍裝備部駐太原地區(qū)第四軍事代表室 山西 030027 2.晉西工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 山西 030027）

化工生產(chǎn)過程中，金屬腐蝕現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，這不僅會(huì)對金屬器件本身造成傷害，也不利于金屬設(shè)備使用壽命的維持。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，多數(shù)發(fā)達(dá)國家由于金屬腐蝕，每年會(huì)造成3%～4%的經(jīng)濟(jì)損失。由此可見，金屬腐蝕對社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展也產(chǎn)生了重要影響?；诖?，開展金屬腐蝕防護(hù)工作勢在必行。

1.金屬腐蝕的概念及類型

化工生產(chǎn)過程中，金屬容易與環(huán)境中的某種物質(zhì)或成分發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致金屬表面基材被破壞，這一過程被稱為金屬腐蝕?；どa(chǎn)過程中，金屬原子自由度較高，此時(shí)金屬單質(zhì)與某種介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)就容易造成腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。一般來說，由于物理原因?qū)е陆饘俑g現(xiàn)象發(fā)生的概率較低，而因?yàn)闄C(jī)械使用不當(dāng)或機(jī)械本身造成的腐蝕現(xiàn)象也不歸屬于金屬腐蝕。金屬腐蝕多發(fā)生于化學(xué)反應(yīng)條件下，除此以外，電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生也會(huì)導(dǎo)致金屬腐蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)。

化學(xué)反應(yīng)下的金屬腐蝕通常是指，金屬原子與環(huán)境中的某種元素相遇，兩者發(fā)生氧化還原反應(yīng)，如金屬與原油。電化學(xué)腐蝕是指金屬在使用過程中接觸到電解質(zhì)。從而發(fā)生吸氫腐蝕，如碳鋼遇到水出現(xiàn)鐵銹等。

2.影響金屬腐蝕的因素

金屬腐蝕不僅與化學(xué)反應(yīng)有關(guān)，電化學(xué)反應(yīng)也是加劇金屬腐蝕的主要元素。因此，電化學(xué)穩(wěn)定性對金屬腐蝕產(chǎn)生了影響。一般來說，點(diǎn)位值處于負(fù)值狀態(tài)時(shí)，金屬穩(wěn)定性較低。若負(fù)值較大，金屬材料的穩(wěn)定性也不會(huì)十分理想。此時(shí)，金屬離子化會(huì)增加金屬腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

金屬材料的內(nèi)部組成也是造成金屬腐蝕的重要元素。在金屬材料內(nèi)部成分差異較大的情況下，金屬材料的整體質(zhì)量也會(huì)出現(xiàn)一定問題?；诖?，多項(xiàng)合金材料相較于單相合金材料而言，更容易發(fā)生金屬腐蝕，其主要原因就是多項(xiàng)合金材料物化性質(zhì)明顯。一旦多項(xiàng)合金材料與電解液相遇，就會(huì)產(chǎn)生電位差，且這一電位差較單項(xiàng)合金材料與電解液反應(yīng)產(chǎn)生的電位差較大。

例如，在熱處理作用下，金屬材料經(jīng)過系列反應(yīng)與變化，會(huì)產(chǎn)生很多金相組織。淬火處理后，金相組織更加均勻。因此，該階段的金屬材料更具耐腐蝕性，但此后，隨著金屬材料碳物質(zhì)的不斷沉淀，金屬材料的耐腐蝕性也會(huì)愈來愈弱。若該金屬表面不平整，也會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)金屬腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。與此同時(shí)，化工生產(chǎn)過程中，金屬多處于極冷或極熱的極端環(huán)境，非氧化性酸性鹽類物質(zhì)會(huì)對金屬材料的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

除上述內(nèi)容以外，空氣濕度、空氣溫度等因素也會(huì)對金屬腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生產(chǎn)生影響。例如，水分是制約腐蝕反應(yīng)發(fā)生的關(guān)鍵，假若水分達(dá)到相對濕度的臨界值，腐蝕速率就會(huì)大大增加。與此同時(shí)，環(huán)境溫度會(huì)對金屬表面水分的凝聚產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕反應(yīng)速度出現(xiàn)變化。不僅如此，二氧化硫等是空氣中存在的常見污染物，此類氣體的出現(xiàn)同樣能夠加速金屬腐蝕。

3.金屬腐蝕的分類

結(jié)合前文所述可知，造成金屬腐蝕現(xiàn)象發(fā)生的原因多種多樣，基于上述內(nèi)容，可對金屬腐蝕進(jìn)行分類。

（1）按照金屬腐蝕環(huán)境進(jìn)行分類。由于金屬腐蝕環(huán)境的不同，金屬腐蝕可分為以下幾種。首先，受到化學(xué)藥品、大氣濕度等因素的影響造成的腐蝕現(xiàn)象，被稱為濕蝕。氫腐蝕是干蝕的重要組成部分。除此以外，金屬還會(huì)受到藻類、真菌等的影響加劇金屬腐蝕，這一腐蝕現(xiàn)象可歸納為微生物腐蝕。

（2）按照金屬腐蝕形態(tài)進(jìn)行分類?；诮饘俑g的不同形態(tài)，可對金屬腐蝕進(jìn)行分類。在環(huán)境等多種元素的影響下，金屬表面會(huì)出現(xiàn)全面腐蝕，覆蓋度較高。在此過程中，通常會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)，但并不會(huì)發(fā)生較為明顯的還原現(xiàn)象，受金屬陽極溶解的影響較小，且金屬陽極腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生是隨機(jī)的。因此，腐蝕現(xiàn)象較輕，且不會(huì)對金屬器具等產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

局部腐蝕是在金屬器件或金屬設(shè)備表面發(fā)生的非均勻性腐蝕，通常聚集于金屬表面的某一或某些部位。局部腐蝕是陰陽兩極區(qū)分開的，且金屬陰極區(qū)占據(jù)較大位置。若金屬局部腐蝕較為嚴(yán)重，該位置的腐蝕強(qiáng)度也較大。在化工生產(chǎn)過程中，多數(shù)金屬設(shè)備出現(xiàn)的腐蝕現(xiàn)象都是局部腐蝕。相較于更加均勻的全面腐蝕來說，局部腐蝕的危害性更大。

具體來說，局部腐蝕也可以分為以下幾種類型。首先，點(diǎn)狀腐蝕和空穴類小面積腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生可稱為點(diǎn)蝕現(xiàn)象，是局部腐蝕的一種，且腐蝕強(qiáng)度較高。但點(diǎn)蝕現(xiàn)象的發(fā)生并不一定是由于金屬腐蝕導(dǎo)致的，其他因素，如金屬器件穿孔，也會(huì)導(dǎo)致金屬表面出現(xiàn)點(diǎn)狀或空穴。其次，合金設(shè)備晶界區(qū)也是金屬腐蝕的高發(fā)區(qū)，但通過肉眼無法看到，只有在顯微鏡下才能顯示出來。因此，晶間腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生對于金屬設(shè)備或器具內(nèi)部產(chǎn)生的影響較重，如不銹鋼材料就容易出現(xiàn)晶間腐蝕。第三，在金屬器件或設(shè)備表面存在縫隙的情況下，也會(huì)發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，被稱為縫隙腐蝕。最后，化工生產(chǎn)過程中，金屬設(shè)備等不可避免地會(huì)與含有研磨作用固體顆粒的溶液相接觸。久而久之，溶液的流動(dòng)會(huì)增加金屬出現(xiàn)腐蝕的概率，同時(shí)也會(huì)加快金屬腐蝕的速率。目前來說，關(guān)于這種腐蝕現(xiàn)象的界定尚未明確，因此，既可以將其視為局部腐蝕的一種，也可以將其看做全面腐蝕現(xiàn)象。

4.金屬腐蝕的危害

金屬材料的腐蝕對社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及社會(huì)資源建設(shè)、生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)生的影響是不可估量的。從經(jīng)濟(jì)層面來說，金屬腐蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)會(huì)加劇金屬材料的損耗，與此同時(shí)，由于金屬腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，機(jī)械生產(chǎn)過程中也可能出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益不達(dá)標(biāo)的情況。據(jù)有關(guān)資料顯示，由于金屬腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失占我國GDP的5%～6%，每年的經(jīng)濟(jì)損失超5000億元。從資源浪費(fèi)的角度來說，我國每年有10%～20%的金屬是由于金屬腐蝕損失掉的。如果按照每年產(chǎn)鋼一億噸的標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算的話，每年將會(huì)有上千萬鋼材由于腐蝕被浪費(fèi)。而上千萬的產(chǎn)鋼量與大型鋼鐵企業(yè)一年的鋼產(chǎn)量相當(dāng)。由此可見，金屬腐蝕會(huì)導(dǎo)致大量金屬浪費(fèi)。

除此以外，由于金屬腐蝕，石油化工、造紙等企業(yè)在工業(yè)生產(chǎn)過程中，導(dǎo)致有害物質(zhì)泄露，對周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響，甚至對周邊居民的生命安全產(chǎn)生威脅。

5.金屬腐蝕防護(hù)策略分析

（1）金屬表面處理，減緩腐蝕速度。對金屬進(jìn)行表面處理更多的是通過物理手段或化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)等在金屬表面生成保護(hù)層，從而減少電解質(zhì)溶液與基材接觸的可能性，減緩金屬腐蝕的速度。

①涂層防護(hù)。涂層防護(hù)法在我國具有較長的應(yīng)用歷史。最早，工業(yè)生產(chǎn)通常使用桐油、大漆等充當(dāng)防護(hù)涂料，此后，可用來進(jìn)行金屬防護(hù)的涂料種類愈來愈多，涂料涂層在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用十分常見。所謂涂層防護(hù)法，就是在金屬基材表面涂抹一層涂料，從而形成保護(hù)屏障。涂層防護(hù)法具有經(jīng)濟(jì)、方便、有效性高等多重特點(diǎn)，與此同時(shí)，涂料防護(hù)法除能夠有效緩解金屬腐蝕以外，美觀性也更加突出，且不太容易受到涂裝設(shè)備大小等的限制，施工方式也十分簡便。目前來說，常用的涂料施工有刷涂、噴涂等多種工藝，聚氨酯漆、丙烯酸樹脂漆等是常用的涂料。

②金屬層防護(hù)。金屬層防護(hù)法主要是將金屬或合金覆蓋于金屬基材表面，減少保護(hù)對象與腐蝕介質(zhì)的接觸，從而達(dá)到金屬保護(hù)的目的。此時(shí)，金屬基材表面被十幾微米的保護(hù)層覆蓋，金屬材料的腐蝕性顯著提升，有助于資源的節(jié)約。鍍層與保護(hù)金屬容易發(fā)生反應(yīng)，并生成陽極性鍍層與陰極性鍍層。在受到破壞的情況下，陽極性鍍層依然能夠發(fā)揮保護(hù)作用，抵御金屬腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，而陰極性鍍層一旦受到破壞，其保護(hù)作用就會(huì)消失，甚至?xí)觿「g情況的發(fā)生。

③陽極氧化處理。陽極氧化處理是將金屬材料與電源正極連接在一起，此時(shí)，外加電流與電解質(zhì)溶液會(huì)共同作用于金屬表面，通過氧化膜的生產(chǎn)對金屬表面進(jìn)行保護(hù)。陽極氧化工藝的應(yīng)用依賴于鋁、鎂等合金材料。上述金屬材料表面本身存在一層薄薄的氧化膜，但這種天然生成的氧化膜性能較低，陽極氧化處理后，金屬表面的這一氧化膜能夠更加致密，耐蝕性也會(huì)更強(qiáng)。

④氧化處理。氧化處理是金屬腐蝕防護(hù)常用方法之一。在氧化劑的不斷作用下，金屬表面也會(huì)生成一層具有保護(hù)性的氧化膜，將金屬表面與腐蝕介質(zhì)隔離開來。由于這種氧化處理后氧化膜的顏色多呈黑色或藍(lán)黑色，因此，學(xué)術(shù)界也以發(fā)黑處理命名這一過程。除膜層薄以外，所生成氧化膜的潤滑性也較為突出。因此，氧化處理并不會(huì)對零件精密度產(chǎn)生影響，這也是氧化處理多用于精密儀器金屬防腐的主要原因。

⑤磷化處理。磷化處理需要借助鐵、鋅等金屬及其合金，并將金屬材料在酸性磷酸鹽溶液中浸泡。此時(shí)，金屬表面會(huì)發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)，磷酸鹽化學(xué)膜也在此過程中生成。磷化處理同樣能夠?qū)⒔饘倥c腐蝕介質(zhì)隔離開來。將此處理方法應(yīng)用于生產(chǎn)過程中，涂層漆膜對基材的附著力大大提升，有助于金屬使用壽命的延長。

⑥合金化處理。合金化處理需要將其他元素?fù)饺虢饘僦校ㄟ^碳、錳等其他元素的加入提高金屬的耐腐蝕性。例如，在對鋼鐵這一金屬進(jìn)行防腐蝕處理時(shí)，可將碳氮元素滲透到鋼材表面，促進(jìn)鋼材硬度的提升。日常生活中常用的不銹鋼材料就是通過碳、鎳等元素的滲透鑄造而成的。相較于普通鋼材，不銹鋼的耐腐蝕性大大提升。

（2）電化學(xué)保護(hù)法，加強(qiáng)金屬防護(hù)。電化學(xué)保護(hù)法需要借助外部電流，在外部電流的不斷驅(qū)使下，促使被腐蝕金屬電位發(fā)生變化，從而起到減緩金屬腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。對電化學(xué)保護(hù)法進(jìn)行細(xì)分，可分為陰陽兩極保護(hù)法。其中，陽極保護(hù)法就是向金屬表面通入陽極電流，驅(qū)使金屬表面電位變正。此時(shí)，金屬溶解速度較慢，金屬腐蝕現(xiàn)象能夠得到抑制。與陽極保護(hù)法相同，陰極保護(hù)法也是向金屬表面通入電流，但是通入陰極電流。此時(shí)，金屬表面的電位會(huì)逐漸變?yōu)樨?fù)，也能夠起到抑制作用。除此以外，陰極保護(hù)法根據(jù)電流來源的不同，又可以繼續(xù)劃分為外加電流法和犧牲陽極法。顧名思義，外加電流法就是將外加電源與被保護(hù)金屬連接起來，此時(shí)被連接的是外加電源的負(fù)極。與外加電流原理相同，犧牲陽極法是將被保護(hù)金屬與犧牲陽極進(jìn)行連接，從而形成完整的電流回路。

采用犧牲陽極法防護(hù)金屬腐蝕時(shí)，犧牲陽極材料本身的性能會(huì)在一定程度上對最終的保護(hù)效果產(chǎn)生影響?；诖?，所選擇的犧牲陽極材料應(yīng)具有以下特性。首先，犧牲陽極材料本身要具有更負(fù)的電位，為陰極極化反應(yīng)的發(fā)生提供動(dòng)力。其次，工作過程中，犧牲陽極的電位變化要呈下降趨勢，不能受到輸出電流的影響逐漸增大。

（3）改善腐蝕環(huán)境，制約金屬腐蝕。腐蝕環(huán)境的改善需要借助緩蝕劑實(shí)現(xiàn)，即需要將緩蝕物質(zhì)加入到金屬所處環(huán)境中，從而降低金屬腐蝕速度。盡管緩蝕劑使用量較少，但緩釋效果十分顯著，因此，這一方法通常被用于化工生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。除此以外，干燥的砂石也是改善腐蝕環(huán)境的利器，將其填埋到管道周圍，管道與土壤的接觸機(jī)會(huì)大大減少，同樣能夠制約金屬腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

（4）工業(yè)生產(chǎn)中的腐蝕防護(hù)措施。在對金屬材料進(jìn)行切削時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)的情況。此時(shí)，金屬保護(hù)層會(huì)受到破壞，零部件受到腐蝕的可能性也會(huì)隨之增加?；诖耍蓪⒎栏g劑與冷卻潤滑劑融合在一起，增加內(nèi)部鈍化膜的緊密程度。在此過程中需要對乳濁液濃度進(jìn)行嚴(yán)格控制。工件處理完成后，也可以采用噴漆、浸泡等外部措施強(qiáng)化工件表面的保護(hù)層。除此以外，要全方位做好金屬防腐工作，還需要在法律建設(shè)、專業(yè)技術(shù)人員等等方面努力。具體措施內(nèi)容如下：

①加強(qiáng)防腐相關(guān)法律建設(shè)。企業(yè)需要嚴(yán)格按照國家及地區(qū)制定的防腐法律法規(guī)實(shí)施，在化工生產(chǎn)過程中嚴(yán)格落實(shí)。在預(yù)算投資方面，企業(yè)應(yīng)結(jié)合自身實(shí)際，對金屬腐蝕損失費(fèi)用進(jìn)行考量。②建立全面控制的發(fā)展觀念，從多環(huán)節(jié)開展金屬腐蝕防護(hù)工作，如涉及環(huán)節(jié)、加工制造環(huán)節(jié)、安裝運(yùn)輸環(huán)節(jié)等。在不斷貫徹落實(shí)金屬腐蝕防護(hù)工作的同時(shí)，還要加強(qiáng)對金屬腐蝕防護(hù)的研究。③強(qiáng)化企業(yè)管理制度。企業(yè)工程人員應(yīng)加強(qiáng)對化工生產(chǎn)的指導(dǎo)，并定期或不定期地對生產(chǎn)設(shè)備防腐蝕工作開展情況進(jìn)行檢查。一旦出現(xiàn)落實(shí)不到位問題，馬上啟動(dòng)整改流程，強(qiáng)化防腐管理制度。④綜合考慮企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。由于不同企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備不同、生產(chǎn)環(huán)境之間存有差異，所需要使用的防腐工藝也要進(jìn)行綜合考慮。不僅要對涂料的防腐效能進(jìn)行思考，還要對涂料的施工特點(diǎn)進(jìn)行考量。以合成氨的生產(chǎn)為例，此過程中會(huì)產(chǎn)生冷排系統(tǒng)，由于循環(huán)再生水的使用，生產(chǎn)環(huán)境較為復(fù)雜，對防腐涂料要求較高。由于除銹噴砂已經(jīng)不能起到很好的防腐蝕作用，需要涂料具備低表面優(yōu)良涂裝的性能。

6.結(jié)束語

綜上所述，金屬作為化工生產(chǎn)的重要材料，對我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展十分關(guān)鍵。因此，金屬質(zhì)量的高低能夠直接對化工生產(chǎn)質(zhì)量及化工生產(chǎn)過程的安全性等產(chǎn)生影響。而金屬材料容易受到環(huán)境及其他因素的影響，出現(xiàn)腐蝕情況。因此，在對金屬腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行處理時(shí)，應(yīng)首先明確造成金屬腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，之后有針對性地選擇防護(hù)措施，最大程度上減少金屬表面與腐蝕介質(zhì)的接觸，從而為化工生產(chǎn)的安全保障及經(jīng)濟(jì)效益的進(jìn)一步提升作出貢獻(xiàn)。值得注意的是，為進(jìn)一步提升金屬腐蝕防護(hù)效果，相關(guān)工作人員需要具備較強(qiáng)的感知能力，能夠?qū)ιa(chǎn)環(huán)境及生產(chǎn)設(shè)備等發(fā)生的變化做出及時(shí)反應(yīng)，并對上述防護(hù)措施進(jìn)行適時(shí)調(diào)整。與此同時(shí)，金屬腐蝕防治也是現(xiàn)階段科學(xué)技術(shù)研究的重點(diǎn)話題，需要更多的相關(guān)人員投入到金屬材料腐蝕工作研究中，使更多具有強(qiáng)抗腐蝕能力的新材料得到推廣，最大程度上減少金屬腐蝕防護(hù)工藝成本高、操作條件復(fù)雜等問題。