縫隙腐蝕產生的原因及其防護措施

張 娟

(中昊(大連)化工研究設計院有限公司，遼寧大連 116023)

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縫隙腐蝕產生的原因及其防護措施

張 娟

(中昊(大連)化工研究設計院有限公司，遼寧大連 116023)

介紹了縫隙腐蝕的定義，對縫隙腐蝕的產生原因和影響因素進行了分析，并提出了縫隙腐蝕的防護措施。

縫隙腐蝕；產生原因；電解質；氧化反應；還原反應；影響因素；防護措施

我們在日常的工業生產中經常會遇到像螺栓連接、金屬鉚接、鉚釘接頭等金屬之間的聯接結構，還有一些非金屬墊圈與金屬材料相接觸的密封結構。無論哪一類的聯接結構都存在縫隙。當這種金屬結構存在于腐蝕介質中時，因為縫隙的存在，腐蝕介質不能很好的擴散，就會經常發生縫隙腐蝕。這樣的縫隙在工業生產實踐中是常見的，因此縫隙腐蝕具有一定的普遍性，縫隙腐蝕是不可避免的，但是可以控制和盡可能的緩解，所以研究其產生的原因及其防護的措施有一定的現實意義。

1 縫隙腐蝕定義

縫隙腐蝕是金屬之間或者非金屬與金屬之間形成的縫隙，存在于電解質溶液中，縫隙的大小程度可以允許介質能夠進入，又可以使介質處于停滯狀態，當縫隙里面溶液中的氧被還原反應消耗盡后，氯離子從縫隙外面移動到縫隙里面，從而生成金屬氯化物，金屬氯化物在溶液中會水解酸化，致使氧化膜或者鈍化膜被破壞進而產生的局部腐蝕[1]。如圖1所示。

圖1 縫隙腐蝕示意圖

2 縫隙腐蝕產生的原因

縫隙腐蝕產生的原因一直有人認為是氧濃差與金屬離子濃差電池的存在，但它不是引起縫隙腐蝕的主要原因。我們現以圖2所示的鉚接造成的縫隙腐蝕為例來剖析一下縫隙腐蝕的原理[2]。假如將此構件至于充氣的海水中(pH=7),此時總的反應既包括金屬溶解的氧化反應，也包括氧的還原反應：

陽極的氧化反應為金屬的離子化：

(1)

陰極還原反應為氧的還原：

(2)

構件放入溶液中的最初階段，縫隙里面與外面的氧化反應及還原反應都是同時進行的，溶液與金屬間的電荷總是能夠保持平衡，氧化反應產生的電子立即被還原反應消耗掉。經過一個短暫的時間，縫隙里面的氧被完全消耗掉了，可是縫隙外面的氧要想遷移到縫隙里面是非常困難的，縫隙里面由于沒有氧，所以還原反應只能終止。也就意味著縫隙內的微電池反應停止了，不產生任何腐蝕。但是縫隙內的面積總是比相鄰的面積小，而氧的還原反應總速度是沒有變化的，所以也就形成了縫隙里面金屬表面與縫隙外面相鄰的表面間宏觀電池。縫隙外面大面積進行的氧化還原反應促進金屬溶解。從而導致縫隙內金屬陽離子不斷積累、過剩。為了保持縫隙里面電荷的平衡，縫隙外面溶液中的氯離子不斷地遷移到縫隙里面，從而導致縫隙里面的氯離子急劇增多，溶液中的金屬氯化物濃度不斷增大，金屬氯化物在水中可以水解：

(3)

生成不溶解于水的金屬氫氧化物和帶有氫離子的酸，酸的生成可以使縫隙里面的酸堿度(pH值)迅速下降，能達到2～3，而縫隙里面是酸堿度(pH值)的下降使里面的溶液不斷酸化。酸性溶液濃度的升高又加速了縫隙里面金屬的陽極溶解。陽極的溶解又使更多的氯離子遷移到縫隙里面，導致氯化物的濃度不斷增加，氯化物又在水中不斷的水解，又不斷的酸化介質。如此反復的循環，形成了一個閉塞電池的自催化過程[3]，如圖3，自催化過程加速縫隙里面金屬的陽極溶解過程，保護了作為陰極的縫隙外部相鄰的表面。

圖3 閉塞電池自催化過程示意圖

綜上所述，“供氧差異電池”的形成，促進了縫隙腐蝕的開始，但酸化自催化過程加深和擴展了蝕坑的形成。酸化自催化過程是造成縫隙腐蝕不斷加劇的最根本原因。也就是說，只有“供氧差異電池”的存在，而沒有酸化自催化的過程，也不會產生非常嚴重的縫隙腐蝕。

3 縫隙腐蝕的影響因素

1)材質因素

材質中的合金成分對縫隙腐蝕的產生有重要的影響，不銹鋼中含鉻、鎳、硅、銅、氮、鉬都能提高其抗縫隙腐蝕的能力。而鈀、釕則不利于提高抗縫隙腐蝕能力。

2)環境因素

縫隙腐蝕在許多介質中都能產生，尤其是在含有氯離子的溶液中最容易發生。對于含有非氧化物的氯化物和溶解氧的體系而言，當氯離子濃度超過0.1%時，就可以引起縫隙腐蝕。縫隙里溶液的pH值與氯離子濃度有關，當發生縫隙腐蝕時，可用下列關系式來表示縫隙內的pH值與氯離子的關系[4]：

pH(縫隙內)=4.7-8.2×lg[Cl-](縫隙內)

(4)

其它鹵素族離子(比如碘離子和溴離子)含在溶液中時，也會有縫隙腐蝕發生，但是腐蝕的程度都沒有氯離子嚴重。另外，氧濃度的大小也影響著縫隙腐蝕的形成，一般情況下，如果溶液中溶解的氧濃度超過0.5 ppm時，就有可能引起縫隙腐蝕。溫度對縫隙腐蝕也有影響，溫度越高的溶液，縫隙腐蝕就越容易發生。在室溫下鈦具有很好的耐縫隙腐蝕的性能，但當溫度大于95 ℃時，鈦在含碘、溴、氮或硫酸根離子的濃溶液中都可以發生縫隙腐蝕。

3)幾何因素

縫隙內外面積比、深度和寬度以及幾何形狀等等，它們都能影響著縫隙內外腐蝕的介質及產物交換或遷移的難易程度、電位的分布和宏觀電池的有效性。

上述因素都不是孤立的，而是相互聯系的，應該綜合分析考慮。

4 防護措施

常用下列方法來加以防止縫隙腐蝕：

1)在設計和制造時盡量避免造成縫隙結構。

2)合理選擇耐蝕性材料。

3)采用電化學保護來防止縫隙腐蝕。

4)采用緩蝕劑來緩解縫隙腐蝕。因為緩蝕劑很難進到縫隙內，所以如果把帶有緩蝕劑的油漆涂在結合面上，可以一定程度的減緩縫隙腐蝕。但是采用此方法時要特別注意，因為要高濃度緩蝕劑才能有效果，而且緩蝕劑進到縫隙內不是很容易，其消耗量還比較大，所以如果緩蝕劑用量不當，很可能還會加速縫隙腐蝕。

5 結 語

綜上所述，縫隙腐蝕可以給我們的設備帶來很大的破壞，是一種令人非常擔憂的局部腐蝕，所以了解和掌握縫隙腐蝕的概念、產生原因、影響因素及其防護措施是非常重要的。

[1] 吳劍.不銹鋼的腐蝕破壞與防蝕技術(二)縫隙腐蝕[J].腐蝕與防護，1997(1)，38～42

[2] 王延香,張存遠.丁二烯蒸出塔腐蝕原因和機理分析[J]. 石油化工設備技術，2001(3)

[3] 宋曉芳.環境因子對304不銹鋼縫隙腐蝕的影響[D].華北電力大學(河北), 2005

[4] 周波(導師：寇生中).新型耐海水腐蝕不銹鋼的耐蝕性研究[D]. 蘭州理工大學碩士論文,2009

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1005-8370(2016)04-35-03

2016-03-25