金属腐蚀电化学保护省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、金属腐蚀与防护金属腐蚀与防护教学课件教学课件第1页第六章第六章第六章第六章 电化学保护电化学保护电化学保护电化学保护 应用电化学极化方法来预防和减轻金属腐蚀方法称为应用电化学极化方法来预防和减轻金属腐蚀方法称为应用电化学极化方法来预防和减轻金属腐蚀方法称为应用电化学极化方法来预防和减轻金属腐蚀方法称为电化学保护电化学保护电化学保护电化学保护。主要有主要有主要有主要有阳极保护阳极保护阳极保护阳极保护和和和和阴极保护阴极保护阴极保护阴极保护两种类型。两种类型。两种类型。两种类型。另外,为了减轻电解腐蚀(主要是杂散电流腐蚀)所另外,为了减轻电解腐蚀(主要是杂散电流腐蚀)所另外,为了减轻电解腐蚀(主要
2、是杂散电流腐蚀)所另外,为了减轻电解腐蚀(主要是杂散电流腐蚀)所采取排流防蚀技术及区域保护技术也进行了阐述叙述。采取排流防蚀技术及区域保护技术也进行了阐述叙述。采取排流防蚀技术及区域保护技术也进行了阐述叙述。采取排流防蚀技术及区域保护技术也进行了阐述叙述。第2页6.1阳极保护 对腐蚀介质中金属结构物进行阳极极化,使其表面形成钝化膜,对腐蚀介质中金属结构物进行阳极极化,使其表面形成钝化膜,并通电维持其钝化状态,从而显著降低腐蚀速度保护办法称为并通电维持其钝化状态,从而显著降低腐蚀速度保护办法称为阳极保阳极保护护。主要用于有氧化性且无主要用于有氧化性且无Cl-酸、碱、盐溶液中,要求材料必须含有酸、
3、碱、盐溶液中,要求材料必须含有钝化性,所以钝化性,所以在海洋环境中忌用阳极保护,因为海水中含有大量在海洋环境中忌用阳极保护,因为海水中含有大量Cl-。一、一、一、一、原理原理 由由E-pH图图可可见见,当当电电极极发发生生阳阳极极极极化化而而电电位位正正移移时时,金金属属由由活活化化腐腐蚀蚀区区过过渡渡到到钝钝化化稳稳定定区区,使使腐腐蚀蚀过过程程阴阴极极控控制制变变为为阳阳极极控控制制。只只有有能能够够发发生生阳阳极极钝钝化化情情况况下下才才适适合合用用于于该该方方法法,极极化化状状态态必必须须保保持持在在钝钝化区化区。第六章第六章第六章第六章 电化学保护电化学保护电化学保护电化学保护 第3
4、页 二、参数二、参数二、参数二、参数 由钝化曲线能够看出,阳极保护主要参数是:由钝化曲线能够看出,阳极保护主要参数是:由钝化曲线能够看出,阳极保护主要参数是:由钝化曲线能够看出,阳极保护主要参数是:(1 1)致致致致钝钝钝钝电电电电流流流流密密密密度度度度,或或或或临临临临界界界界电电电电流流流流密密密密度度度度(i icpcp):是是是是产产产产生生生生钝钝钝钝化化化化所所所所需需需需最最最最小小小小阳阳阳阳极极极极极极极极化化化化电电电电流流流流密密密密度度度度(AmAm-2-2),它它它它相相相相当当当当于于于于金金金金属属属属阳阳阳阳极极极极溶溶溶溶解解解解最最最最大大大大值值值值,只
5、只只只有有有有超超超超出此值电流部分才能形成钝化膜出此值电流部分才能形成钝化膜出此值电流部分才能形成钝化膜出此值电流部分才能形成钝化膜。极极极极化化化化电电电电流流流流密密密密度度度度(i i)越越越越大大大大,转转转转化化化化为为为为钝钝钝钝化化化化状状状状态态态态所所所所需需需需时时时时间间间间(t t)越越越越短短短短,其其其其间大致有以下关系:间大致有以下关系:间大致有以下关系:间大致有以下关系:(i ii icpcp)t t常数常数常数常数 实实实实际际际际应应应应用用用用中中中中要要要要求求求求i icpcp越越越越小小小小越越越越好好好好,若若若若太太太太大大大大则则则则极极极极
6、化化化化早早早早期期期期消消消消耗耗耗耗功功功功率率率率大大大大,使使使使设备庞大而造价较高。设备庞大而造价较高。设备庞大而造价较高。设备庞大而造价较高。第六章第六章第六章第六章 电化学保护电化学保护电化学保护电化学保护 第4页 (2 2)维维维维钝钝钝钝电电电电流流流流密密密密度度度度或或或或稳稳稳稳定定定定钝钝钝钝化化化化电电电电流流流流密密密密度度度度(i ip p):是是是是钝钝钝钝化化化化状状状状态态态态下下下下维维维维持持持持电电电电位位位位稳稳稳稳定所需电流密度(定所需电流密度(定所需电流密度(定所需电流密度(AmAm-2-2),它主要用于补充钝化膜溶解。),它主要用于补充钝化膜
7、溶解。),它主要用于补充钝化膜溶解。),它主要用于补充钝化膜溶解。所所所所以以以以,i ip p越越越越小小小小越越越越好好好好,且且且且消消消消耗耗耗耗电电电电能能能能少少少少。依依依依据据据据电电电电解解解解定定定定律律律律能能能能够够够够求求求求出出出出钝钝钝钝化化化化膜膜膜膜溶溶溶溶解解解解速速速速度度度度KKmm与与与与i ip p关系为:关系为:关系为:关系为:K KmmNNi ip p26.826.8(gmgm-2-2hh-1-1)(6161)式中:式中:式中:式中:N N钝化膜化学当量(钝化膜化学当量(钝化膜化学当量(钝化膜化学当量(g g););););i ip p钝化膜维钝
8、电流密度(钝化膜维钝电流密度(钝化膜维钝电流密度(钝化膜维钝电流密度(AmAm-2-2););););26.8 26.8电化学当量(电化学当量(电化学当量(电化学当量(AhAh),),),),26.8A26.8Ah h96500 C96500 C。(3 3)钝钝钝钝化化化化(区区区区)电电电电位位位位(E E钝钝钝钝):是是是是使使使使金金金金属属属属维维维维持持持持钝钝钝钝化化化化状状状状态态态态电电电电位位位位,其其其其范范范范围围围围越越越越宽宽宽宽越好越好越好越好。第六章第六章第六章第六章 电化学保护电化学保护电化学保护电化学保护 第5页三、系统结构三、系统结构三、系统结构三、系统结构
9、包含恒电位仪、辅助阴极、参比电极和被保护结构物,以及附设电路和仪表等。1阴极材料要求耐蚀,机械强度好,不发生氢脆。浓硫酸中可使用铂、金、铸铁等;稀硫酸中可使用银、铝青铜、石墨;盐水中可使用高镍或高铬合金、碳钢;碱液中可使用碳钢。阴极设置力争最正确电流分布,使被保护结构物整体均处于钝化稳定区。阴极安装应该绝缘、牢靠、方便维修。阴极引出线与被保护体之间绝缘良好,并进行绝缘密封。第六章第六章第六章第六章 电化学保护电化学保护电化学保护电化学保护 第6页2参比电极参比电极 有有甘甘汞汞电电极极、氯氯化化银银电电极极、硫硫酸酸亚亚汞汞电电极极或或氧氧化化亚亚汞汞电电极极,依依据据介介质性质和使用要求选定
10、质性质和使用要求选定。铂铂在在硫硫酸酸中中,银银在在盐盐酸酸中中或或食食盐盐水水中中,锌锌在在碱碱性性溶溶液液中中含含有有稳稳定定电电位,也可作参比电极使用。位,也可作参比电极使用。参参比比电电极极应应分分别别设设置置在在距距离离阴阴极极近近、中中、远远三三处处,平平时时以以中中间间为为监监控标准,近、远处参比电极可用来观察电位分布或暂时使用。控标准,近、远处参比电极可用来观察电位分布或暂时使用。3电器设备电器设备 恒恒电电位位仪仪,工工业业用用普普通通要要求求为为624V,50500A。依依据据阳阳极极保保护护三三参参数数和和被被保保护护体体面面积积估估算算。配配电电与与走走线线要要求求安安
11、全全合合理理,注注意意接接地地,预预防杂散电流腐蚀。防杂散电流腐蚀。第六章第六章第六章第六章 电化学保护电化学保护电化学保护电化学保护 第7页四、阳极保护方式四、阳极保护方式1单纯阳极保护单纯阳极保护 有连续通电式和间歇通电式。有连续通电式和间歇通电式。有连续通电式和间歇通电式。有连续通电式和间歇通电式。用用同同一一套套电电器器设设备备同同时时满满足足icp和和ip要要求求,往往往往碰碰到到实实际际困困难难。因因为为二二者者数数值值往往往往相相差差几几个个数数量量级级,如如:在在100H2SO4中中,对对于于碳碳钢钢icp100Am-2,ip0.5Am-2;在在30%HNO3中中,对对于于碳碳
12、钢钢icp10000 Am-2,ip0.2Am-2,为为处处理理这这一矛盾,能够采取逐步加液连续通电式或连续钝化式一矛盾,能够采取逐步加液连续通电式或连续钝化式。逐逐步步加加液液连连续续通通电电式式是是采采取取逐逐步步加加液液,逐逐步步钝钝化化,直直至至容容器器中中盛盛满满液液体体和和完完全钝化,在此过程中,所需电流一直维持较小数量级全钝化,在此过程中,所需电流一直维持较小数量级。连连续续钝钝化化式式是是预预先先涂涂覆覆暂暂时时性性涂涂层层,因因为为涂涂层层有有针针孔孔,露露出出面面积积很很小小,钝钝化化电电流流也也较较小小,实实际际使使用用过过程程中中涂涂层层逐逐步步破破损损,破破损损处处很
13、很快快钝钝化化,直直至至涂涂层层完完全全剥剥落,容器完全钝化,但其致钝电流却一直较小。落,容器完全钝化,但其致钝电流却一直较小。第六章第六章第六章第六章 电化学保护电化学保护电化学保护电化学保护 第8页2 2联合保护联合保护联合保护联合保护 阳阳极极钝钝化化法法与与其其它它防防腐腐方方法法相相结结合合联联合合保保护护技技术术往往往往含含有有更更加加好好防腐效果,防腐效果,经常采取联合保护是阳极钝化法经常采取联合保护是阳极钝化法。主主要要有有以以下下三三种种方方式式,即即与与与与涂涂涂涂层层层层结结结结合合合合、与与与与缓缓缓缓蚀蚀蚀蚀剂剂剂剂结结结结合合合合或或或或与与与与电电电电偶偶偶偶结结
14、结结合合合合。比比如如:因因为为硫硫酸酸中中钛钛与与碳碳或或铂铂(电电偶偶)相相连连接接、热热硫硫酸酸中中铬铬钢钢与与Fe3O4+MnO2相相连连接接时时可可处处于于钝钝化化稳稳定定区区,当当早早期期使使设设备备强强制制钝钝化化后后,就能够用电偶方式保持其钝化状态。就能够用电偶方式保持其钝化状态。第六章第六章第六章第六章 电化学保护电化学保护电化学保护电化学保护 第9页五、应用举例(表6-2)设备名称设备材料介质保护方法保护效果有机磺酸中和罐不锈钢20%NaOH中加RSO3H中和铂阴极,钝化区电位范围250mV孔蚀显著降低,产品含铁由(250300)10-6降低至(620)10-6纸浆蒸煮锅碳
15、钢(2.5m,H12m)NaOH100gL-1,Na2S35gL-1,180致钝电流4000A,维钝电流600A腐蚀速度由1.9mma-1降至0.26mma-1硫酸储槽碳钢H2SO4I Ic c,即保护电流要比腐蚀电流大得多,即保护电流要比腐蚀电流大得多。图6-3 阴极极化率较大时极化曲线图图6-4阴、阳极极化曲线相等或阳极极化率较大时极化曲线图第六章第六章第六章第六章 电化学保护电化学保护电化学保护电化学保护 第25页四、阴极保护影响原因腐蚀电池极化 (3)周周围围介介质质腐腐蚀蚀性性增增大大,会会使使保保护护电电流流对对应应加加大大。介介质质中中氯氯离离子子浓浓度度增增加加、含含氧氧量量增
16、增大大、介介质质搅搅动动速速度度加加紧紧(如如增增加加海海水水流流速速)均均使使阴阴极极极极化减弱,从而使极化所需电流增加,即保护电流增大。化减弱,从而使极化所需电流增加,即保护电流增大。介介质质中中化化学学成成份份改改变变、含含氧氧量量多多少少、pH值值大大小小及及离离子子种种类类、悬悬浮浮物物多多少少对对阴阴极极保保护护都都有有影影响响。含含氧氧量量、pH值值及及介介质质电电导导率率都都会会影影响响阳阳极极极极化化速速度,使得所需阴极保护电流发生改变。度,使得所需阴极保护电流发生改变。悬悬浮浮物物增增多多会会使使阴阴极极表表面面发发生生磨磨损损,造造成成阴阴极极极极化化减减弱弱,腐腐蚀蚀电
17、电流流增增加,保护电流对应增大加,保护电流对应增大。温温度度也也会会影影响响极极化化率率。温温度度升升高高使使氧氧溶溶解解度度降降低低,但但同同时时扩扩散散速速度度加加紧,电极反应速度加紧,最终往往使得保护电流密度有所改变。紧,电极反应速度加紧,最终往往使得保护电流密度有所改变。第六章第六章第六章第六章 电化学保护电化学保护电化学保护电化学保护 第26页四、阴极保护影响原因 金属表面油漆涂层能够使金属与周围介质隔离,但因为涂金属表面油漆涂层能够使金属与周围介质隔离,但因为涂层并不是完全致密,往往含有微小孔隙和缺点,在此局部会发层并不是完全致密,往往含有微小孔隙和缺点,在此局部会发生腐蚀。生腐蚀
18、。若阴极保护与油漆联合保护,则使得这些局部得到保若阴极保护与油漆联合保护,则使得这些局部得到保护,而且所需保护电流密度比裸露金属要小得多护,而且所需保护电流密度比裸露金属要小得多。在阴极保护时,接触海水阳极表面因为在阴极保护时,接触海水阳极表面因为pH值升高而形成石值升高而形成石灰质垢层,即电解被覆层。因为金属表面被覆盖,增加了表面灰质垢层,即电解被覆层。因为金属表面被覆盖,增加了表面电阻,降低了防蚀电流密度,电阻,降低了防蚀电流密度,提升了防腐效果提升了防腐效果。因为形成石灰质垢层后保护电流密度会大幅度降低,电位因为形成石灰质垢层后保护电流密度会大幅度降低,电位分布更趋均匀分布更趋均匀,因而
19、在阴极保护过程中,经常最初控制较大电,因而在阴极保护过程中,经常最初控制较大电流密度,使表面尽快形成致密石灰质垢层,然后采取较小电流流密度,使表面尽快形成致密石灰质垢层,然后采取较小电流密度来维持。密度来维持。涂覆层第六章第六章第六章第六章 电化学保护电化学保护电化学保护电化学保护 第27页6.3牺牲阳极阴极保护法一、牺牲阳极性能及种类一、牺牲阳极性能及种类1牺牲阳极性能要求牺牲阳极性能要求 (1)阳阳极极电电位位。牺牺牲牲阳阳极极要要有有足足够够负负电电位位,不不但但要要有有足足够够负负开开路路电电位位,而而且且要要有有足足够够负负工工作作电电位位,并并能能与与被被保保护护金金属属之之间间产
20、产生生较较大大驱驱动动电电压压,另另外要求阳极本身极化小,电位稳定。外要求阳极本身极化小,电位稳定。(2)电电流流效效率率。牺牺牲牲阳阳极极电电流流效效率率是是指指实实际际电电容容量量与与理理论论电电容容量量百百分分比,用比,用%表示。工程要求牺牲阳极含有较高电流效率和较小自腐蚀速度。表示。工程要求牺牲阳极含有较高电流效率和较小自腐蚀速度。第六章第六章第六章第六章 电化学保护电化学保护电化学保护电化学保护 第28页6.3牺牲阳极阴极保护法一、牺牲阳极性能及种类一、牺牲阳极性能及种类 (3)阳极消耗率。)阳极消耗率。牺牲阳极消耗率是单位电量所消耗阳牺牲阳极消耗率是单位电量所消耗阳极极质质量量,单
21、单位位是是kgA-1h-1或或者者kgA-1a-1。对对于于牺牺牲牲阳阳极极来来说说,实实际际测测得得消耗单位质量牺牲阳极所产生电量越大(消耗单位质量牺牲阳极所产生电量越大(Ahkg-1),则阳极消耗率越小。),则阳极消耗率越小。(4)腐腐蚀蚀特特征征。牺牺牲牲阳阳极极表表面面腐腐蚀蚀特特征征是是评评定定阳阳极极性性能能指指标标之之一一。对对于于性性能能良良好好阳阳极极,要要求求表表面面腐腐蚀蚀均均匀匀,无无难难溶溶沉沉积积物物。阳阳极极使使用用寿寿命命长长,不不产产生生局局部部腐腐蚀蚀脱脱落落。牺牺牲牲阳阳极极本本身身合合金金组组织织成成份份及及熔熔炼炼铸铸造造工工艺艺条条件件是是决定阳极腐
22、蚀特征主要原因。决定阳极腐蚀特征主要原因。第六章第六章第六章第六章 电化学保护电化学保护电化学保护电化学保护 第29页2牺牲阳极种类牺牲阳极种类 当当前前惯惯用用牺牺牲牲阳阳极极种种类类有有锌锌合合金金阳阳极极、铝铝合合金金阳阳极极和和镁镁合合金金阳阳极极,另另外外还还有有锰锰合合金金阳阳极极和和铁铁合合金金阳阳极极。在在海海水水中中惯惯用用牺牺牲牲阳阳极极为为锌锌合合金金阳阳极极和和铝合金阳极铝合金阳极。1)锌合金阳极)锌合金阳极 锌锌合合金金阳阳极极是是使使用用较较早早且且较较普普遍遍一一个个阳阳极极。锌锌阳阳极极种种类类很很多多,有有纯纯锌锌体体系系,Zn-Al系系,Zn-Sn系系,Zn
23、-Hg系系等等等等,但但惯惯用用锌锌阳阳极极主主要要是是纯纯锌锌系系和和Zn-Al-Cd系,这两种阳极性能见系,这两种阳极性能见表表6-7。第六章第六章第六章第六章 电化学保护电化学保护电化学保护电化学保护 第30页性能纯锌,锌合金相对密度7.14开路电位/V(vs.SCE)-1.03对铁驱动电压/V0.20理论发生电量/Ahg-10.82海水中电流效率/%953mAcm-2发生电量/Ahg-10.78消耗量/kgA-1a-111.8土壤中电流效率/%650.03mAcm-2发生电量/Ahg-10.53表6-7锌阳极性能第六章第六章第六章第六章 电化学保护电化学保护电化学保护电化学保护 第31
24、页 因因为为锌锌阳阳极极本本身身含含铁铁量量高高,会会造造成成阳阳极极表表面面溶溶解解状状态态不不好好,使使得得电电流流效效率率降降低低。20世世纪纪60年年代代后后,我我国国研研制制出出三三元元锌锌合合金金阳阳极极,并并制制订订出出国国家家标准标准GB4950-85。其化学成份和电化学性能见。其化学成份和电化学性能见表表78。因因为为三三元元锌锌阳阳极极电电化化学学性性能能优优越越,含含有有性性能能稳稳定定、电电流流效效率率高高、溶溶解解性性能能好好、有有自自动动调调整整阳阳极极电电流流能能力力,因因而而被被广广泛泛用用于于船船舶舶、海海底底管管线线、油油舱舱、海海水水冷冷凝凝器器及及其其它
25、它海海上上构构筑筑物物。其其缺缺点点是是对对杂杂质质(铜铜和和铁铁)较较敏敏感感,有效电量小,实际消耗率大,使被保护体负荷较重,保护寿命短。有效电量小,实际消耗率大,使被保护体负荷较重,保护寿命短。第六章第六章第六章第六章 电化学保护电化学保护电化学保护电化学保护 第32页化学元素AlCd杂质最大含量FeCuPbSiZn含量/%0.30.50.050.120.0050.0050.0060.125余量项目开路电位/V(vs.SCE)工作电位/V(vs.SCE)理论发生电量/Ahg-1实际发生电量/Ahg-1电流效率/%溶解情况性能-1.05-1.09-1.00-1.050.820.7895腐蚀产
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