常见腐蚀类型及定义

腐蚀的分类方法较多,例如按腐蚀介质分有大气腐蚀、水腐蚀、土壤腐蚀、干燥气体腐蚀及各种酸、碱、盐的腐蚀等;按遭受腐蚀的材料分有碳钢的腐蚀、不锈钢的腐蚀、各种有色金属的腐蚀及高分子材料的腐蚀等。但比较容易与工程选材结合的腐蚀分类方法有以下两种,即按腐蚀发生的机理划分和按腐蚀形态划分。

1.按腐蚀发生的机理划分

按腐蚀发生的机理来分,可分为化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀三大类。

1)化学腐蚀

化学腐蚀是指金属表面与非电解质直接发生纯化学作用而引起的破坏。其特点是金属表面的原子与非电解质中的氧化剂直接发生氧化还原反应,形成腐蚀产物,而没有电流产生。金属在高温气体中的硫腐蚀、金属的高温氧化均属于化学腐蚀。

2)电化学腐蚀

电化学腐蚀是指金属表面与离子导电的介质发生电化学反应而引起的破坏。其特点是:它至少包含一个阳极反应和一个阴极反应,腐蚀反应过程中电子通过金属从阳极区流向阴极区,其结果必然伴随着电流的产生。电化学腐蚀是最普遍、最常见的腐蚀,例如金属在大气、海水、土壤和各种电解质溶液中的腐蚀都属于此类。

3)物理腐蚀

它是指金属由于单纯的物理溶解而引起的破坏。其特点是:当低熔点的金属注入金属材料中时,会对金属材料产生“割裂”作用。由于低熔点的金属强度一般较低,在受力状态下它将优先断裂,从而成为金属材料的裂纹源。但这种腐蚀在工程中并不多见。

2.按腐蚀形态划分

按腐蚀形态分类,可分为均匀腐蚀、局部腐蚀和应力作用下的腐蚀三大类。

1)均匀腐蚀

它的特点是腐蚀均匀地发生在整个金属表面。大多数的化学腐蚀均属于这种类型。均匀腐蚀是危险性最小的一种腐蚀,工程中往往是给出足够的腐蚀余量就能保证材料的机械强度和使用寿命。均匀腐蚀常用单位时间内腐蚀介质对金属材料的腐蚀深度或金属构件的壁厚减薄量(称之为腐蚀速率)来评定。《石油化工管道设计器材选用通则》SH3059—2001规定:腐蚀速率不超过0.05mm/a的材料为充分耐腐蚀材料;腐蚀速率为0.05～0.1mm/a的材料为耐腐蚀材料;腐蚀速率为0.1～0.5mm/a的材料为尚耐腐蚀材料;腐蚀速率超过0.5 mm/a的材料为不耐腐蚀材料。

2)局部腐蚀

局部腐蚀又叫非均匀腐蚀,它的特点是腐蚀发生在金属材料的一些特定区域。局部腐蚀虽不像均匀腐蚀那样造成大量的金属损失,但其危害性远比均匀腐蚀大,因为均匀腐蚀容易被发觉,容易设防,而局部腐蚀则难以预测和预防,往往在没有先兆的情况下,使金属构件突然发生破坏,从而造成重大火灾或人身伤亡事故。局部腐蚀很普遍,据统计,均匀腐蚀占整个腐蚀的17.8%,而局部腐蚀则占80%左右。工程中,选材时应力求避免局部腐蚀的发生。根据腐蚀发生的条件和形态不同,局部腐蚀又可分为以下几种。

(1)电偶腐蚀 当两种电极电位不同的金属或合金接触并处于电解质溶液环境中时,电位较负的金属其腐蚀速度会比它单独存在时更快,而电位较正的金属腐蚀速度反而比它单独存在时减慢,这种腐蚀称之为电偶腐蚀。如碳钢与不锈钢接触并处于电解质环境中时,碳钢将被加速腐蚀,而不锈钢则被保护。工程上,应尽可能避免具有不同电位的金属材料在腐蚀环境中直接接触。(www.xing528.com)

(2)点蚀 对于表面有钝化膜或保护膜的金属,当其钝化膜表面存在机械裂缝、擦伤、夹杂物等缺陷造成钝化膜的厚薄不均匀时,甚至露出基体金属时,便形成活化-钝化腐蚀电池,从而产生局部腐蚀。这种腐蚀一般纵向发展,形成蚀坑或蚀孔,通常称这种腐蚀为点蚀。具有钝化膜或保护膜的金属有铝及铝合金、不锈钢、耐热钢、钛合金等。这种腐蚀环境多为含有氯离子或氯化物等强还原性介质的腐蚀环境。点蚀的破坏性和隐蔽性较大,它往往又是晶间腐蚀、剥蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳等发生的诱因。工程上防止点蚀发生的措施是:选择对点蚀不敏感的材料,控制介质中氯离子的含量。

(3)缝隙腐蚀 金属构件表面由于存在异物或由于结构上的原因而存在缝隙(一般在0.025～0.1mm)时,因为缝隙内存在的腐蚀介质迁移比较困难,从而引发金属的腐蚀,这种发生在缝隙内的金属腐蚀叫做缝隙腐蚀。缝隙腐蚀往往会成为其他腐蚀如点蚀、应力腐蚀的诱因。因此,工程上应力求避免缝隙腐蚀的发生。对于容易产生缝隙腐蚀的介质,在管道结构设计上应避免有缝隙存在。

(4)晶间腐蚀 晶间腐蚀是一种因微电池作用而引起的局部破坏,是特定的金属材料在特定的腐蚀介质中沿着材料的晶界产生的腐蚀。它的特点是在表面还看不出破坏时,晶粒之间已丧失了结合力。它是一种危害性很大的局部腐蚀。晶间腐蚀的发生有两个条件,其一是晶界物质的物理化学状态与晶粒本身不同;其二是有特定的腐蚀环境存在。工程上最常见的容易发生晶间腐蚀的材料是奥氏体型不锈钢。防止奥氏体型不锈钢晶间腐蚀发生的措施主要有三个:其一是降低不锈钢中的含碳量,使之小于奥氏体室温溶解度(0.02%～0.03%);其二是进行固溶热处理,使晶粒和晶界物质的化学成分一致;其三是采用含稳定化元素(主要是钛和铌)的奥氏体型不锈钢。

关于奥氏体型不锈钢发生晶间腐蚀的机理,目前说法很多,但能为大多数人所接受的说法是贫铬说。贫铬说认为,由于高温奥氏体和低温奥氏体对碳的溶解度不一样,当材料从高温冷却时,过饱和的碳元素将从奥氏体中析出并向晶界迁移,同时铬元素也向晶界迁移,但碳和铬的迁移速度不同,碳元素的迁移速度快。当冷却速度较快时,碳和铬都来不及迁移,而碳被固溶在奥氏体中,此时晶界的化学成分没有发生变化,也就不会产生晶间腐蚀倾向。当冷却速度非常慢时,碳和铬先后都充分迁移到晶界,重新达到碳铬平衡,此时晶界与晶粒内的化学成分也没有差别,故也不会产生晶间腐蚀倾向。这种冷却方式在工程上是不现实的。当冷却速度介于极快和极慢之间时,由于碳元素迁移的速度快,在铬还来不及充分迁移到晶界时,冷却已经完成,此时就造成晶界上的碳元素多,铬元素少,也就是说造成了晶界的贫铬。贫铬的晶界其耐腐蚀性能下降,从而导致材料晶间腐蚀倾向产生。对于超低碳奥氏体型不锈钢,因其碳含量低于奥氏体室温溶解度,不存在过饱和的碳迁移问题,也就不存在晶间腐蚀倾向问题。对于稳定型奥氏体型不锈钢,由于其中的稳定化元素(钛和铌)与碳形成很稳定的碳化物(碳化钛、碳化铌),它将固定着碳使其不能迁移,从而抑制了晶间腐蚀倾向的产生。

晶间腐蚀是点蚀的一种特例,只不过它是发生在晶界上而已,而点蚀既可以发生在晶界上,又可以发生在晶内。

3)应力作用下的腐蚀

应力作用下的腐蚀也像局部腐蚀那样,在没有发生预兆的情况下,突然导致金属构件的破坏。因此它也是一种危害性较大的腐蚀。与局部腐蚀有所不同的是,应力作用下的腐蚀通常是在应力和腐蚀介质共同作用下产生的,而在实际工程应用中,管道元件通常都是在受力状态下工作的。因此,它也是一种普遍存在的腐蚀类型。根据腐蚀发生的条件和形态不同,它又可分为以下几种类型。

(1)应力腐蚀 它指的是金属构件在拉伸应力和腐蚀环境共同作用下引起的破坏。应力腐蚀断裂的产生应具备以下三个条件:其一是要有特定的腐蚀环境(包括腐蚀介质的成分、浓度和温度等);其二是要有足够大的拉伸应力(应超过某一极限值);其三是金属材料具有特定的合金成分和组织(包括晶粒大小、晶粒取向、形态、相结构、各类缺陷等)。常用金属材料易产生应力腐蚀断裂的环境组合见表4-3。

表4-3　易产生应力腐蚀开裂的金属材料和环境组合

工程上防止应力腐蚀开裂的措施有以下几方面:其一是降低管道元件中的应力水平,避免或减少局部应力集中,消除加工残余应力和焊接残余应力;其二是控制敏感环境,例如加入缓蚀剂,升高介质的pH,采用电化学保护等措施;其三是正确选用材质,力求避免易产生应力腐蚀开裂的材料-环境组合。

关于应力腐蚀发生的机理,业内人士普遍认为:在较大的应力作用下,金属材料的原子处于不稳定的高能状态,在特定的腐蚀介质作用下,原子容易失去电子而使材料遭受腐蚀,进而发生脆裂,即产生微裂纹。由于微裂纹的应力集中效应,使材料的脆裂得以快速发展,微裂纹快速扩大,最终导致材料断裂。此时的应力一般指结构峰值应力或由结构应力与加工残余应力、焊接残余应力叠加后的高值局部应力,只有高值局部应力才足以导致材料的不稳定。此时的腐蚀介质是指对材料有选择性腐蚀并使材料处于脆性的特定腐蚀介质。如果腐蚀介质对材料有很强的腐蚀性,并发生全面腐蚀,由此造成材料受力面积减小而导致的破坏,则不属于应力腐蚀开裂破坏。

(2)氢损伤 由于氢的存在或与氢发生反应而引起的金属构件的破坏称为金属的氢损伤。根据氢引起的金属破坏的条件、机理和形态不同,氢损伤主要可以分为氢脆、氢鼓泡、表面脱碳和氢腐蚀(内部脱碳)四大类。

(3)腐蚀疲劳 它是在腐蚀和循环应力共同作用下而产生的一种破坏。腐蚀疲劳能显著降低金属材料的疲劳极限。腐蚀疲劳在石油化工生产过程中的存在也很普遍,有交变应力和腐蚀环境共同存在的场合就有腐蚀疲劳。它是应力腐蚀的一种特殊情况,因此它的危害并不亚于应力腐蚀开裂。工程上防止腐蚀疲劳的措施一般有两种:其一是对金属构件采用阴极保护法或者在介质中添加缓蚀剂,以消除或缓和腐蚀环境;其二是降低金属构件的应力水平或峰值应力。

(4)磨损腐蚀 由于腐蚀性流体和金属表面间相对运动而引起的金属加速破坏称为磨损腐蚀。它常发生在流体处于高速运动的设备中,如工艺管道(特别是弯头处)、离心机叶轮、换热器管、蒸汽管道等。根据磨损的方式不同,磨损腐蚀又可分为湍流腐蚀、空泡腐蚀和微振腐蚀等几种型式。工程上防止磨损腐蚀发生的措施有:选用耐腐蚀性好的材料;结构设计上采取措施,如管道中磨蚀部位比较严重的弯头处加保护板;对空泡腐蚀来说,采用光洁度较高的加工表面,以减少甚至避免气泡成核。