金属腐蚀与防护问题的若干探讨

＊刘帅 王艺澎 王少峰

（1.陆军装备部驻太原地区第四军事代表室 山西 030027 2.晋西工业集团有限责任公司 山西 030027）

化工生产过程中，金属腐蚀现象时常发生，这不仅会对金属器件本身造成伤害，也不利于金属设备使用寿命的维持。据有关数据显示，多数发达国家由于金属腐蚀，每年会造成3%～4%的经济损失。由此可见，金属腐蚀对社会经济发展也产生了重要影响。基于此，开展金属腐蚀防护工作势在必行。

1.金属腐蚀的概念及类型

化工生产过程中，金属容易与环境中的某种物质或成分发生反应，从而导致金属表面基材被破坏，这一过程被称为金属腐蚀。化工生产过程中，金属原子自由度较高，此时金属单质与某种介质发生反应就容易造成腐蚀现象的发生。一般来说，由于物理原因导致金属腐蚀现象发生的概率较低，而因为机械使用不当或机械本身造成的腐蚀现象也不归属于金属腐蚀。金属腐蚀多发生于化学反应条件下，除此以外，电化学反应的发生也会导致金属腐蚀现象的出现。

化学反应下的金属腐蚀通常是指，金属原子与环境中的某种元素相遇，两者发生氧化还原反应，如金属与原油。电化学腐蚀是指金属在使用过程中接触到电解质。从而发生吸氢腐蚀，如碳钢遇到水出现铁锈等。

2.影响金属腐蚀的因素

金属腐蚀不仅与化学反应有关，电化学反应也是加剧金属腐蚀的主要元素。因此，电化学稳定性对金属腐蚀产生了影响。一般来说，点位值处于负值状态时，金属稳定性较低。若负值较大，金属材料的稳定性也不会十分理想。此时，金属离子化会增加金属腐蚀现象的发生。

金属材料的内部组成也是造成金属腐蚀的重要元素。在金属材料内部成分差异较大的情况下，金属材料的整体质量也会出现一定问题。基于此，多项合金材料相较于单相合金材料而言，更容易发生金属腐蚀，其主要原因就是多项合金材料物化性质明显。一旦多项合金材料与电解液相遇，就会产生电位差，且这一电位差较单项合金材料与电解液反应产生的电位差较大。

例如，在热处理作用下，金属材料经过系列反应与变化，会产生很多金相组织。淬火处理后，金相组织更加均匀。因此，该阶段的金属材料更具耐腐蚀性，但此后，随着金属材料碳物质的不断沉淀，金属材料的耐腐蚀性也会愈来愈弱。若该金属表面不平整，也会进一步促进金属腐蚀现象的发生。与此同时，化工生产过程中，金属多处于极冷或极热的极端环境，非氧化性酸性盐类物质会对金属材料的稳定性产生影响，导致金属材料出现腐蚀现象。

除上述内容以外，空气湿度、空气温度等因素也会对金属腐蚀现象的发生产生影响。例如，水分是制约腐蚀反应发生的关键，假若水分达到相对湿度的临界值，腐蚀速率就会大大增加。与此同时，环境温度会对金属表面水分的凝聚产生影响，从而导致电化学腐蚀反应速度出现变化。不仅如此，二氧化硫等是空气中存在的常见污染物，此类气体的出现同样能够加速金属腐蚀。

3.金属腐蚀的分类

结合前文所述可知，造成金属腐蚀现象发生的原因多种多样，基于上述内容，可对金属腐蚀进行分类。

（1）按照金属腐蚀环境进行分类。由于金属腐蚀环境的不同，金属腐蚀可分为以下几种。首先，受到化学药品、大气湿度等因素的影响造成的腐蚀现象，被称为湿蚀。氢腐蚀是干蚀的重要组成部分。除此以外，金属还会受到藻类、真菌等的影响加剧金属腐蚀，这一腐蚀现象可归纳为微生物腐蚀。

（2）按照金属腐蚀形态进行分类。基于金属腐蚀的不同形态，可对金属腐蚀进行分类。在环境等多种元素的影响下，金属表面会出现全面腐蚀，覆盖度较高。在此过程中，通常会发生还原反应，但并不会发生较为明显的还原现象，受金属阳极溶解的影响较小，且金属阳极腐蚀现象的发生是随机的。因此，腐蚀现象较轻，且不会对金属器具等产生严重影响。

局部腐蚀是在金属器件或金属设备表面发生的非均匀性腐蚀，通常聚集于金属表面的某一或某些部位。局部腐蚀是阴阳两极区分开的，且金属阴极区占据较大位置。若金属局部腐蚀较为严重，该位置的腐蚀强度也较大。在化工生产过程中，多数金属设备出现的腐蚀现象都是局部腐蚀。相较于更加均匀的全面腐蚀来说，局部腐蚀的危害性更大。

具体来说，局部腐蚀也可以分为以下几种类型。首先，点状腐蚀和空穴类小面积腐蚀现象的发生可称为点蚀现象，是局部腐蚀的一种，且腐蚀强度较高。但点蚀现象的发生并不一定是由于金属腐蚀导致的，其他因素，如金属器件穿孔，也会导致金属表面出现点状或空穴。其次，合金设备晶界区也是金属腐蚀的高发区，但通过肉眼无法看到，只有在显微镜下才能显示出来。因此，晶间腐蚀现象的发生对于金属设备或器具内部产生的影响较重，如不锈钢材料就容易出现晶间腐蚀。第三，在金属器件或设备表面存在缝隙的情况下，也会发生腐蚀现象，被称为缝隙腐蚀。最后，化工生产过程中，金属设备等不可避免地会与含有研磨作用固体颗粒的溶液相接触。久而久之，溶液的流动会增加金属出现腐蚀的概率，同时也会加快金属腐蚀的速率。目前来说，关于这种腐蚀现象的界定尚未明确，因此，既可以将其视为局部腐蚀的一种，也可以将其看做全面腐蚀现象。

4.金属腐蚀的危害

金属材料的腐蚀对社会经济发展及社会资源建设、生态环境等产生的影响是不可估量的。从经济层面来说，金属腐蚀现象的出现会加剧金属材料的损耗，与此同时，由于金属腐蚀现象的发生，机械生产过程中也可能出现经济效益不达标的情况。据有关资料显示，由于金属腐蚀造成的经济损失占我国GDP的5%～6%，每年的经济损失超5000亿元。从资源浪费的角度来说，我国每年有10%～20%的金属是由于金属腐蚀损失掉的。如果按照每年产钢一亿吨的标准来计算的话，每年将会有上千万钢材由于腐蚀被浪费。而上千万的产钢量与大型钢铁企业一年的钢产量相当。由此可见，金属腐蚀会导致大量金属浪费。

除此以外，由于金属腐蚀，石油化工、造纸等企业在工业生产过程中，导致有害物质泄露，对周边环境产生不利影响，甚至对周边居民的生命安全产生威胁。

5.金属腐蚀防护策略分析

（1）金属表面处理，减缓腐蚀速度。对金属进行表面处理更多的是通过物理手段或化学反应、电化学反应等在金属表面生成保护层，从而减少电解质溶液与基材接触的可能性，减缓金属腐蚀的速度。

①涂层防护。涂层防护法在我国具有较长的应用历史。最早，工业生产通常使用桐油、大漆等充当防护涂料，此后，可用来进行金属防护的涂料种类愈来愈多，涂料涂层在工业生产中的应用十分常见。所谓涂层防护法，就是在金属基材表面涂抹一层涂料，从而形成保护屏障。涂层防护法具有经济、方便、有效性高等多重特点，与此同时，涂料防护法除能够有效缓解金属腐蚀以外，美观性也更加突出，且不太容易受到涂装设备大小等的限制，施工方式也十分简便。目前来说，常用的涂料施工有刷涂、喷涂等多种工艺，聚氨酯漆、丙烯酸树脂漆等是常用的涂料。

②金属层防护。金属层防护法主要是将金属或合金覆盖于金属基材表面，减少保护对象与腐蚀介质的接触，从而达到金属保护的目的。此时，金属基材表面被十几微米的保护层覆盖，金属材料的腐蚀性显著提升，有助于资源的节约。镀层与保护金属容易发生反应，并生成阳极性镀层与阴极性镀层。在受到破坏的情况下，阳极性镀层依然能够发挥保护作用，抵御金属腐蚀现象的发生，而阴极性镀层一旦受到破坏，其保护作用就会消失，甚至会加剧腐蚀情况的发生。

③阳极氧化处理。阳极氧化处理是将金属材料与电源正极连接在一起，此时，外加电流与电解质溶液会共同作用于金属表面，通过氧化膜的生产对金属表面进行保护。阳极氧化工艺的应用依赖于铝、镁等合金材料。上述金属材料表面本身存在一层薄薄的氧化膜，但这种天然生成的氧化膜性能较低，阳极氧化处理后，金属表面的这一氧化膜能够更加致密，耐蚀性也会更强。

④氧化处理。氧化处理是金属腐蚀防护常用方法之一。在氧化剂的不断作用下，金属表面也会生成一层具有保护性的氧化膜，将金属表面与腐蚀介质隔离开来。由于这种氧化处理后氧化膜的颜色多呈黑色或蓝黑色，因此，学术界也以发黑处理命名这一过程。除膜层薄以外，所生成氧化膜的润滑性也较为突出。因此，氧化处理并不会对零件精密度产生影响，这也是氧化处理多用于精密仪器金属防腐的主要原因。

⑤磷化处理。磷化处理需要借助铁、锌等金属及其合金，并将金属材料在酸性磷酸盐溶液中浸泡。此时，金属表面会发生化学和电化学反应，磷酸盐化学膜也在此过程中生成。磷化处理同样能够将金属与腐蚀介质隔离开来。将此处理方法应用于生产过程中，涂层漆膜对基材的附着力大大提升，有助于金属使用寿命的延长。

⑥合金化处理。合金化处理需要将其他元素掺入金属中，通过碳、锰等其他元素的加入提高金属的耐腐蚀性。例如，在对钢铁这一金属进行防腐蚀处理时，可将碳氮元素渗透到钢材表面，促进钢材硬度的提升。日常生活中常用的不锈钢材料就是通过碳、镍等元素的渗透铸造而成的。相较于普通钢材，不锈钢的耐腐蚀性大大提升。

（2）电化学保护法，加强金属防护。电化学保护法需要借助外部电流，在外部电流的不断驱使下，促使被腐蚀金属电位发生变化，从而起到减缓金属腐蚀现象的发生。对电化学保护法进行细分，可分为阴阳两极保护法。其中，阳极保护法就是向金属表面通入阳极电流，驱使金属表面电位变正。此时，金属溶解速度较慢，金属腐蚀现象能够得到抑制。与阳极保护法相同，阴极保护法也是向金属表面通入电流，但是通入阴极电流。此时，金属表面的电位会逐渐变为负，也能够起到抑制作用。除此以外，阴极保护法根据电流来源的不同，又可以继续划分为外加电流法和牺牲阳极法。顾名思义，外加电流法就是将外加电源与被保护金属连接起来，此时被连接的是外加电源的负极。与外加电流原理相同，牺牲阳极法是将被保护金属与牺牲阳极进行连接，从而形成完整的电流回路。

采用牺牲阳极法防护金属腐蚀时，牺牲阳极材料本身的性能会在一定程度上对最终的保护效果产生影响。基于此，所选择的牺牲阳极材料应具有以下特性。首先，牺牲阳极材料本身要具有更负的电位，为阴极极化反应的发生提供动力。其次，工作过程中，牺牲阳极的电位变化要呈下降趋势，不能受到输出电流的影响逐渐增大。

（3）改善腐蚀环境，制约金属腐蚀。腐蚀环境的改善需要借助缓蚀剂实现，即需要将缓蚀物质加入到金属所处环境中，从而降低金属腐蚀速度。尽管缓蚀剂使用量较少，但缓释效果十分显著，因此，这一方法通常被用于化工生产、运输等领域。除此以外，干燥的砂石也是改善腐蚀环境的利器，将其填埋到管道周围，管道与土壤的接触机会大大减少，同样能够制约金属腐蚀现象的发生。

（4）工业生产中的腐蚀防护措施。在对金属材料进行切削时，可能会出现扰动的情况。此时，金属保护层会受到破坏，零部件受到腐蚀的可能性也会随之增加。基于此，可将防腐蚀剂与冷却润滑剂融合在一起，增加内部钝化膜的紧密程度。在此过程中需要对乳浊液浓度进行严格控制。工件处理完成后，也可以采用喷漆、浸泡等外部措施强化工件表面的保护层。除此以外，要全方位做好金属防腐工作，还需要在法律建设、专业技术人员等等方面努力。具体措施内容如下：

①加强防腐相关法律建设。企业需要严格按照国家及地区制定的防腐法律法规实施，在化工生产过程中严格落实。在预算投资方面，企业应结合自身实际，对金属腐蚀损失费用进行考量。②建立全面控制的发展观念，从多环节开展金属腐蚀防护工作，如涉及环节、加工制造环节、安装运输环节等。在不断贯彻落实金属腐蚀防护工作的同时，还要加强对金属腐蚀防护的研究。③强化企业管理制度。企业工程人员应加强对化工生产的指导，并定期或不定期地对生产设备防腐蚀工作开展情况进行检查。一旦出现落实不到位问题，马上启动整改流程，强化防腐管理制度。④综合考虑企业生产环境。由于不同企业生产设备不同、生产环境之间存有差异，所需要使用的防腐工艺也要进行综合考虑。不仅要对涂料的防腐效能进行思考，还要对涂料的施工特点进行考量。以合成氨的生产为例，此过程中会产生冷排系统，由于循环再生水的使用，生产环境较为复杂，对防腐涂料要求较高。由于除锈喷砂已经不能起到很好的防腐蚀作用，需要涂料具备低表面优良涂装的性能。

6.结束语

综上所述，金属作为化工生产的重要材料，对我国经济发展十分关键。因此，金属质量的高低能够直接对化工生产质量及化工生产过程的安全性等产生影响。而金属材料容易受到环境及其他因素的影响，出现腐蚀情况。因此，在对金属腐蚀现象进行处理时，应首先明确造成金属腐蚀现象出现的原因，之后有针对性地选择防护措施，最大程度上减少金属表面与腐蚀介质的接触，从而为化工生产的安全保障及经济效益的进一步提升作出贡献。值得注意的是，为进一步提升金属腐蚀防护效果，相关工作人员需要具备较强的感知能力，能够对生产环境及生产设备等发生的变化做出及时反应，并对上述防护措施进行适时调整。与此同时，金属腐蚀防治也是现阶段科学技术研究的重点话题，需要更多的相关人员投入到金属材料腐蚀工作研究中，使更多具有强抗腐蚀能力的新材料得到推广，最大程度上减少金属腐蚀防护工艺成本高、操作条件复杂等问题。