煤矿井下金属材料的腐蚀机理和防护

(山西潞安集团司马煤业有限公司，山西 长治 047105)

煤矿井下金属材料的腐蚀机理和防护

王建雄

(山西潞安集团司马煤业有限公司，山西 长治 047105)

介绍了井下金属材料腐蚀的机理，提出了防护措施及其发展方向。

腐蚀 机理 预防

0 引言

金属腐蚀可造成设备的全面损坏而报废，也可使零件强度下降，还会产生腐蚀脆性等不良后果，是机械零件失效的重要形式之一。据统计，全世界每年因腐蚀而损坏的金属制品重量约占年产量的1/5～1/3。而煤矿井下，由于环境的特殊性，煤矿设备长期处于高湿、高风速和酸碱浸蚀等恶劣的环境中，腐蚀现象十分严重，研究金属的腐蚀问题，具有重要的意义。如果不对这些设备进行有效的防护，其服役寿命将大大降低，甚至提前报废，严重影响煤矿安全生产，给国家造成巨大的经济损失。

1 金属的腐蚀机理

金属腐蚀按机理可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。

1.1化学腐蚀

金属与介质直接发生化学作用而引起的损坏叫化学腐蚀，腐蚀的产物在金属表面形成膜，膜的性质决定化学腐蚀的速度，如膜完整致密，则有利于保护金属而减慢腐蚀。金属在干燥空气中的氧化以及金属在非电介质中的腐蚀等均属于化学腐蚀。

1.2电化学腐蚀

金属表面与周围介质发生电化学作用而有电流产生的腐蚀称为电化学腐蚀。属于这类腐蚀的有：金属在酸、碱、盐溶液以及潮湿空气中的腐蚀，地下金属管线的土垠腐蚀等。引起电化学腐蚀的原因是由于金属与电解质接触，形成原电池，产生化学反应，而使电极电位较低的部分遭受腐蚀这种原电池，由于其电流无法利用，却使阳极金属受到腐蚀，因此称为腐蚀电池。即使同一种金属，由于各部分接触的溶液成份不同，也可以形成浓差腐蚀电池，各种金属都不是绝对的纯，含有杂质，并存在化学成分不均匀、组织差异和应力差别等，这些现象均可产生电位差，构成许多微小的腐蚀电池。当金属表面有氧化膜或镀层时，若氧化膜不完整有孔隙，或镀层有破损裂纹等，在电解质溶液存在的环境下，也会形成局部腐蚀。

金属按电化学腐蚀机理进行腐蚀时，同时进行着两个过程：(1)阳极过程—金属变成离子进入溶液，并在金属上留下多余电子；(2)阴极过程—溶液中的去极化剂吸收掉金属上的多余电子，氢离子和氧是常见的去极化剂，氢离子作为去极化剂与阴极电子结合析出氢气，促进阳极金属腐蚀，这种腐蚀过程称为析氢腐蚀，许多金属在酸性溶液中均受到析氢腐蚀。空气中的氧被溶液吸收，扩散到阴极表面作为去极化剂，吸收阴极电子，促进阳极腐蚀，这种现象称为吸氧腐蚀，金属在碱溶液中均产生吸氧腐蚀。遭到的腐蚀不管是化学腐蚀还是电化学腐蚀，金属腐蚀的实质都是金属原子被氧化转化成金属阳离子的过程[1]。

2 防护措施

井下金属材料腐蚀主要是电化学腐蚀，影响腐蚀速度主要因素是空气成分、温度、湿度、材料及其表面状态，结合井下腐蚀产生环境的实际情况，应采取下述预防腐蚀的措施。

2.1在金属表面覆盖各种保护，把被保护金属与腐蚀性介质隔开，是防止金属腐蚀的有效方法[2]。

2.1.1涂料重防腐

涂料重防腐是底漆、中间漆和面漆组成的油漆涂层体系进行防腐，其防腐原理主要是机械屏蔽，即油漆涂层将钢铁与腐蚀介质相隔离，以阻止和减缓腐蚀介质对钢铁的侵蚀，保护钢铁不受腐蚀。非金属油漆涂层随时间的延长，环境的变化，有机物终究要老化，影响防腐性能。一般情况复合涂层可以对钢设备进行中等年限的防护保护。涂料初次涂装后，需定期刷面漆进行维护。如进行彻底维护时还需对钢铁构件重新喷砂除锈再涂装油漆，无论是国外涂料还是国内涂料都以无数的应用实例充分证明了这一点。

2.1.2热浸镀锌防腐

热浸镀锌防腐是把经过酸洗除锈的钢构件浸入480～520℃，高温锌熔池3～5min，使钢铁表面沾挂一层锌液，经冷却形成镀层。热浸镀锌镀层能够对钢铁提供机械屏蔽和电化学保护双重作用，涂层与钢铁表面结合力较好，但镀锌涂层厚度一般仅为80μm左右。锌涂层被逐渐腐蚀后局部漏出钢铁基体。导致涂层最终失效，因此热浸镀锌防腐耐腐蚀年限稍短，仅可提供钢铁中等年限的防腐保护。另外，热镀锌生产工艺局限性较大，对钢井架、井筒装备等大构件应用十分困难，而且对于形状复杂的钢构件，由于受高温影响，可能会导致钢构件的变形而影响最终作用。

2.1.3电弧喷涂防腐

通过具有平直特性的电弧喷涂电源，两根带正、负电的金属(锌、铝或其他合金)丝材连续被送到电弧喷枪端头，在端部短路接触产生电弧熔化，熔融铝的高温液滴被压缩空气喷吹、雾化、喷涂至工件表面，与基体形成结合良好的电弧喷涂涂层。丝材被熔化温度达6000℃ 。由于电弧喷涂丝材熔化温度高，丝材熔化均匀，无半熔化或高塑性的喷涂颗粒，喷涂粒子携带较大的热能和动能撞击，涂层与基体以较强的机械结合和微冶金结合。因此电弧喷铝涂层与金属基体具有优良的涂层结合力，在弯曲、冲击或碰撞下也能确保防腐涂层不脱落、不起皮，结合牢固，防腐长久有效，这一点是其他任何表面防腐涂层无法达到的。电弧喷涂层防腐原理为阴极保护和机械屏蔽相结合。在腐蚀环境下，即使防腐涂层局部破损，它仍具有牺牲自己保护钢铁基体之效果。涂层(阳极)与钢铁基体(阴极)的面积比≥1。另外，电弧喷涂层的厚度可根据设计进行施工，能够达到较厚的厚度，使得涂层耐蚀寿命大大延长。电弧喷涂防腐涂层是由电弧喷涂涂层和有机封闭涂层组成，其耐腐蚀寿命不是二者之和，而是二者之和的1.5～2.3倍，这是世界公认的最佳协同效应。经合理设计涂层厚度，其耐腐蚀寿命完全可以达到30a以上，30a以后的维护仅需在电弧喷涂层上刷封闭涂料，无需重新喷涂，实现一次防腐，长久不腐。 但是由于煤矿井下存在瓦斯的特殊性，电弧容易引起瓦斯爆炸，该技术难以在井下应用。

2.2电化学保护法

电化学保护法是根据电化学原理在金属设备上采取措施，使之成为腐蚀电池中的阴极，从而防止或减轻金属腐蚀的方法。

2.2.1阳极保护法

所谓阳极保护法是指金属在电解质溶液中，给予一定量的阳极电流。使在金属表面形成一层耐腐蚀性能很高的钝化膜，然后再通以较少量的阳极电流就能维持这层钝化膜的存在，像这种防止金属在电解质溶掖中腐蚀手段，称为阳极保护。阳极保护法是一门新型防腐蚀技术，国外从60年代才开始应用，目前也主要用于硫酸、磷酸、有机酸、氨水等简单设备的防腐。由于阳极保护难以控制金属在介质中的电极电位，该技术的推广应用还受到一定限制。

2.2.2阴极保护法

将被保护金属与另一附加电极作为电解池的两个极，使被保护的金属作为阴极，在外加直流电的作用下使阴极得到保护[3]。金属结构上，使结构上原来存在的腐蚀电池的阴极电位降至与阳极电位相等，从而使金属结构的腐蚀电池消失，达到完全保护结构物的方法。近些年来，阴极保护法及其应用发展很快[4]，如美国自70年代起，从事阴极保护的工程公司就有100多家，其涉及的应用范围渗透到工业各个部门。

3 煤矿金属材料防腐趋势

20世纪40年代为油漆防腐；50～70年代为重防腐涂料防腐、热浸锌防腐、火焰喷涂防腐、电弧喷涂防腐并存。80年代以后，电弧喷涂防腐技术得到广泛应用。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。我国煤矿井下金属材料目前仍大量采用涂料重防腐，由于其防腐寿命较短、且后期维护费用庞大、维护期间严重影响生产等，因此已越来越显现出局限性。面对日益严格的环保要求及使用安全等问题，水性防锈涂料逐渐将成为防腐涂料发展的主要方向。我国在这方面也取得一定的进展，如王云普等研究的新型水性带锈转锈乳液[5]和任毅水性带锈防腐涂料的研制[6]。水性带锈涂料能将一般的铁锈转化成稳定的无害锈，并兼有防腐蚀功能，用于已腐蚀的金属面可不经过严格的除锈和表面处理直接涂装，而且还非常适用于难以彻底表面处理的大型金属材料。

[1] 陆致琛. 我国水工金属结构防腐方法简介[J]. 广西水利水电, 2002, 26(10): 18-22.

[2] 施利炳. 金属的腐蚀与防护[J]. 物理测试, 广州市机电安装有限公司, 2003(3): 41-43.

[3] 唐明华. 油气管道阴极保护[M]. 北京:石油工业出版社, 1986:34-36.

[4] 赵应龙. 金属腐蚀的运用[J]. 腐蚀防护报. 1986(8): 18-19.

[5] 王云普, 岳斌, 高敬民等. 新型水性带锈转锈乳液的合成及环保型防锈涂料的制备[J]. 特种涂料与涂装特刊, 2006(7): 16-19.

[6] 任毅. 水性带锈防腐涂料的研制[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，助理工程师，主要从事矿山机械工作。