腐蚀科学与防护技术有哪些发展动向？

Question

如题所述

Answer 1

　　腐蚀科学与防护技术值得注意的发展动向
　　来源：材料保护1999
　　1　前　言
　　腐蚀科学是一门与国民经济和国防建设有密切关系的应用科学，从其学科特点而论，它又是化学(电化学)、物理学、力学、冶金学和微生物学等多门相关学科相互渗透／交叉的边缘科学，在许多方面与环境科学有许多相似之处。在技术上，随着光学、电子光学和表面科学技术等相关技术的不断发展，又推动了腐蚀科学与防护技术的发展。本文将论述腐蚀科学与防护技术近年来几个值得注意的发展动向。

　　2　发展动向
　　2.1　金属／腐蚀介质界面反应的原位研究
　　利用EIS等电化学方法与AFM、STM、SERS及QCM等相关科学／技术的最新成果，对发生在金属／腐蚀环境介质界面上金属表面反应的历程和快速步骤进行原位的综合研究，特别是在腐蚀电化学、高温氧化／腐蚀性磨耗与热腐蚀、应力腐蚀开裂与腐蚀疲劳和氢腐蚀等腐蚀过程的研究中，得到了广泛的重视。
　　例如，近年来，金属腐蚀与防护国家重点实验室和瑞典皇家工学院在这方面进行了广泛的合作研究，已在薄电解液膜下金属的大气腐蚀机理方面，取得了多项研究成果。
　　2.2　在腐蚀环境中结构的可靠性
　　随着工业的发展，愈来愈多的大型工业装置／设备处在高温、高压、高负荷应力、高热流／高质流／多相流、强腐蚀性环境等苛刻的强化操作条件下运作。
　　上述诸因素协同作用下的腐蚀破坏，在很大程度上决定了工业装置／设备在使用中的可靠性。因此，在美国休斯顿举行的国际腐蚀会议主题“以低费用投入条件下保证其可靠性为目的的腐蚀控制”以及相继在英国剑桥和美国檀香山举行的以“腐蚀环境中结构的寿命预测”为主题的国际会议都说明，在腐蚀性环境中工业装置／设备的可靠性已经成为众所关注的热点问题。
　　工业装备的可靠性受到腐蚀破坏决定性制约的例子是不胜枚举的，军事装备的可靠性也普遍受制于腐蚀破坏，直接影响乃至丧失它们的作战能力。例如，1990年美国空军的电子装备因腐蚀而失效的占其总数的20%。同年，全世界用于与腐蚀有关的电子装备的维修费用达50×108美元，这一数字将与日俱增［1］。工作环境相对来说最佳的空军电子装备的腐蚀尚且如此，处于更为苛刻环境条件下的工业装备，其腐蚀的严重性就可想而知了。
　　事实上，当大气中的污染性组分远低于符合环保规定时，电子装备就会受到腐蚀破坏。例如，在大气中环保规定的二氧化硫和硫化氢的上限分别为1 000×10-9和10 000×10-9，而对电子装备不发生腐蚀的二氧化硫和硫化氢安全的浓度上限分别只有30×10-9和10×10-9［1］。保障电子装备正常工作对环境腐蚀性的要求，甚至远远超过保障人类健康对环境的要求。
　　2.3　腐蚀的在线检测／评价／设备的维修保养
　　为了及时发现腐蚀破坏，特别是及时发现那些造成巨大经济损失和严重社会后果的恶性腐蚀破坏事故的隐患，进行腐蚀的在线、实时、无损检(监)测／评价和预测预报，并在此基础上对工业装置／设备进行适时的维修保养，是保障在苛刻的强化操作条件下运行的大型工业装置／设备的可靠性的关键。近10多年来，作者领导的实验室和国际上同步，研究开发了并继续在开发一系列腐蚀的在线、实时、无损检(监)测／评价和预测预报技术［2，3］就是为了满足这方面的需要。
　　根据全世界的统计，近海作业费占近海油气开发费的20%。这个数字的年增长率为11%，而近海作业费的30%用于支付主要与腐蚀破坏作斗争的检测／维修／保养(IRM)的费用［4］。这项统计数字表明，IRM在生产的技术-经济和安全保障中的重要地位。
　　2.4　材料优选的新方法——LCC［5］
　　新的选材方法——工业装置／设备使用寿命期内费用的全分析，LCC(Life cycle costs)和传统的选材方法不同，LCC考虑的是装置／设备整个寿命期内，直至全部更新为止的所有费用。它包括了装置／设备的材料购置费、运费、建造安装费、运转、维修保养、停工、易损件的磨损更换及其剩余价值等费用，而后者主要考虑的是以材料获得费用为主的初始投资。
　　LCC可从下式计算得到：

　　式中　AC——材料获得费用，包括材料购买和运费
　　IC——建造安装费
　　Cj——第i年的操作运行费，包括生产、停工和维修费用
　　Rj——第i个不能再用系统的更换费用
　　r——真实利率，%数除以100
　　a——在整个寿命循环中更换的数目
　　N——在给定年内设备安装的寿命循环次数
　　从表1～3［6］引用的一些例子中可以清楚地看到，用高档耐蚀合金建造的设备仅在材料费上比用低档的碳钢或低合金钢贵几倍甚至近10倍，但是，建造安装费却是接近的。前者基本上属于免维护设备，不需要支出大量的后续费用。而后者的上列其他支出，往往高于初始投资节省的费用。

　　表1　炼油厂管形冷凝器的LCC计算(碳钢受到全面腐蚀)

　　材料 CS 316L SAF2304 SAF2205 SAF2507
　　每套冷凝器管材成本 1.0 6.5 5.5 7.0 9.5
　　每套冷凝器管结构和安装成本 3.0 3.5 3.5 3.5 4.0
　　总的安装成本 4.0 10.0 9.0 10.5 13.5
　　寿命(室温) 10个月 ＞5年 ＞5年 ＞5年 ＞5年
　　含Cl-,150　℃ ＜10个月 ＜1年 ＞5年 ＞5年 ＞5年
　　含Cl-，180 ℃ ＜10个月 ＜1年 ＜1年 ＞5年 ＞5年
　　含Cl-,300 ℃ ＜10个月 ＜1年 ＜1年 ＜1年 ＞5年
　　每5年更换数量，无Cl- 6.0 ＜1.0 ＜1.0 ＜1.0 ＜1.0
　　每5年更换数量，含Cl-(SCC) 6.0 5.0 ＜1.0
　　t＜150 ℃ ＜1.0
　　t＜180 ℃ ＜1.0
　　t＜300 ℃
　　5年的成本，无Cl- 28.0 10.0 9.0 10.5 13.5
　　5年的成本，含Cl-(SCC) 28.0 60.0 9.0
　　t＜150 ℃ 10.5
　　t＜180 ℃ 13.5
　　t＜300 ℃

　　注：CS为碳钢；SAF为Sandvik奥氏体／铁素体双相钢；成本值是以每套冷凝器碳钢管材的成本为1的相对值(下同)。

　　表2　海洋平台高压管路系统的LCC计算
　　

　　材料 CuNi
　　90/10 奥氏体
　　6MoN 碳钢+
　　混凝土 SAF
　　2507
　　密度(g/cm3) 8.9 8.0 7.9 7.8
　　弹性模量(kN/mm2) 132 200 203 200
　　0.2Y.S.,20 ℃(N/mm2) 90 300 241 550
　　UTS，20 ℃(N/mm2) 290 650 414 800
　　0.2Y.S(重量) 10.1∶1.0 37.5∶1.0 30.5∶1.0 70.5∶1.0
　　抗蚀力 无 有 无 有
　　20年内更换次数 1 - 4 -
　　安装成本(m) 4.0 1.5 1.0 1.1
　　总成本比较 3.00 0.75 1.00 0.50

　　表3　高压管路系统(含氯化物，140 ℃)
　　

　　材　料 有涂覆层的
　　碳钢 316L
　　SAF
　　2304
　　管材成本(1G) 1.0 6.5 6.0
　　管材成本(m) 1.0 6.5 3.0
　　扩展环+支架 1.3 1.4 1.1
　　+涂料
　　+安装
　　总安装成本(m) 3.3 7.9 4.1
　　使用寿命 ＜10个月 ＜12个月 ＞5年
　　每5年更换次数 6 5 -
　　5年内成本(m) 23.0 47.0 4.1

　　由此可见，建立在LCC基础上的选材新方法，在技术-经济上显然比传统的方法更为合理，并且更具竞争性。
　　2.5　防护系统工程学(Terotechnology)
　　近年来，随着工业的发展，为了保障在高参数苛刻环境条件下运行的大型工程设施长期的安全和生产／使用过程的自动化，必须对它们提供整套的综合防护措施，防患于未然，杜绝发生严重腐蚀和恶性破坏事故。为此目的而发展起来近代设计-维护工程和科学管理的一门新学科——防护系统工程学。这门学科以腐蚀科学与防护技术为基础，与管理科学、冶金、物理、机械工程、数学等学科相结合，为大型工程设施总体结构的合理设计、正确选材、精心施工、因事制宜地采取综合防护技术、腐蚀的无损检测、连续自动的腐蚀监控和适时的维修保养以及优化的财政／经营管理等提供整套技术。国外，如英国的曼彻斯特大学理工学院(UMIST)腐蚀与保护中心，已为此而设立了这一学科的研究生学位，培养高级的企业管理人员。
　　防护系统工程的成套技术将因不同的工程项目而迥然各异。国际上，这项技术已经在石油化工、航空航天、能源工程等部门得到了普遍的重视和广泛的应用。它为在尽可能低的投入情况下，保证高产出的大型成套设备的可靠性作出了显著的贡献。
　　2.6　腐蚀防护与环境保护
　　不仅腐蚀破坏造成工程结构中物料的跑、冒、滴、漏会引起环境污染，金属供水管道的腐蚀产物，某些牺牲阳极的溶解产物和防腐蚀／防污损生物附着的添加剂等进入水和土壤中也会影响生物链，从而直接或间接进入人体。甚至，建筑材料(如铜、镀锌钢板和不锈钢屋顶等)和车辆的腐蚀产物在雨水冲刷下进入土壤和地表水，同样影响人类的生态环境。因此，欧洲共同体国家就组织了一个国际合作的大项目，其中就包括了专门研究各种建筑腐蚀产物的污染对人类生态环境的影响。
　　以腐蚀防护与环境保护为主题的国际会议等学术交流活动也相当活跃。
　　2.7　微生物腐蚀
　　在微生物影响下的腐蚀(MIC)指的是，在金属表面存在着微生物膜时，金属表面／微生物膜之间界面的pH值、溶解氧的浓度、无机和有机物的种类与浓度等都大大有别于本底溶液，这样造成的局部腐蚀环境从根本上改变了腐蚀过程的机理与速度。MIC通常表现为局部腐蚀，这时微生物的新陈代谢产物二氧化碳、硫化氢、硫醇、硫醚、二硫化物、氨、有机酸和无机酸等，起着腐蚀去极化剂的作用并加速局部腐蚀过程［7］。同时，有金属的氧化还原或金属的沉积。
　　据统计［8］，许多严重的腐蚀破坏，(70～80)%直接由细菌引起或者与细菌有关。其中，特别重要的菌种包括硫酸盐还原菌(SRB)、铁细菌、腐生菌和硫细菌。
　　由于MIC广泛存在于土壤、 海水、供水系统及油气环境，而且已造成了程度不同的腐蚀破坏。因此，MIC受到极大的重视并投入很大的力量进行研究。至今，MIC已成为腐蚀研究中的又一个热点，国际上也多次召开了关于MIC的专题会议。
　　2.8　腐蚀防护的计算机辅助设计
　　凭借腐蚀防护规范提供的设计标准／评价判据和专家经验基础上建立的专家系统，利用计算力学／计算机技术研究建立的腐蚀防护的计算机辅助设计(CAD)。例如，阴极保护的计算机辅助设计(CP-CAD)已经用于诸如海洋平台、海底长输管线等大型工程结构腐蚀防护的优化设计，改变了过去凭经验设计，结果造成某些关键部位过保护或欠保护的弊端。借助于这项技术，就可将与某个特定的阳极配系相对应的平台每个节点或长输管线每个关键点的阴极保护电位，用不同的数字和不同的颜色标示出来。这样就可为改变极的布置，使每个部位都达到最佳的保护电位，从而优化整个结构的阴极保护设计。我国海底管线CP-CAD技术在5年前已由作者领导的跨部门研究组研究完成［9］，此后已成功地用于多条海底管线的CP-CAD。
　　2.9　钢筋混凝土结构的腐蚀防护［10，12］
　　钢筋混凝土作为一种重要的结构材料，广泛地用于桥梁、建筑物、高架公路、堤坝、海底隧道和大型海洋平台等的建设。实际情况表明，钢筋混凝土不仅在海洋或地下环境条件下，而且在使用之前也会受到大气或水的侵蚀而遭到破坏。苏伊士、香港等地都报道过钢筋混凝土建造的海底隧道，仅仅使用几年就发生严重的腐蚀事故。在温带地区，由于海风而造成沿海的钢筋混凝土结构严重的腐蚀事故，大多数情况下，是由于钢筋腐蚀所致。
　　因此，钢筋混凝土结构腐蚀的发生、发展、主要的影响因素与影响规律、腐蚀防护对策和IRM就成为国际上普遍关注和集中研究的问题。在苛刻的腐蚀环境中，如何采取综合性的腐蚀防护措施，以保障跨海大桥、大型堤坝、海底隧道和大型海洋平台等工程结构的可靠性，是近年来腐蚀防护技术研究开发的重点之一。
　　2.10　海洋工程结构的腐蚀防护
　　海洋是资源的宝库、国防的前哨，是远洋和国内运输的重要通道，是21世纪资源开发和国际竞争的重要场所。
　　鉴于海洋环境对金属结构极强的腐蚀性，海洋采油平台、船舶舰艇、港口码头和海岸工程结构等可靠的腐蚀防护就成为开发海洋和巩固国防最重要的前提。但是，严重的早期腐蚀破坏还时有发生。例如，即使按照国际规范和标准，采取相当保守的结构力学设计，在制造和使用过程中采取一整套严格的质量保证(QA)和质量控制(QC)措施，并且按国际规范进行定期的安全检测和适时的维修保养，国内外的钢质平台最关键部位——节点处，仍然普遍出现早期的腐蚀裂纹［12］。
　　事实上，现行的规范和标准是建立在简化的模型基础之上的，与实际情况相去甚远，它们不能覆盖真实的工况。在这种情况下，必将发生早期腐蚀破坏。因此，开展仿真模拟研究，应该成为今后这方面的工作重点。
　　2.11　防护涂(镀)层和缓蚀剂的新发展
　　防护涂(镀)层和缓蚀剂的新发展主要表现在下列几个方面：
　　(1)研究开发适合于耐高温／高压、耐高负荷应力、耐多相流、耐强腐蚀介质等苛刻环境条件下应用的高效、长寿命、技术-经济性能优越的防护涂(镀)层和缓蚀剂；
　　(2)材料的生产、储运和使用都能满足严格的环境保护要求等。
　　腐蚀科学和防护技术这门学科的发展趋势突出反映了它的学科交叉特性和极强的应用性，它的发展不仅取决于生产发展的需要，而且在极大的程度上还得益于众多相关技术取得的成果。
　　(责任编辑　詹小玲)■

　　作者简介：杜元龙，1936年生，毕业于复旦大学化学系，现为中科院金属所和金属腐蚀与防护国
　　家重点实验室研究员、博士生导师；兼任中国石油和石化工程研究会研究员、联合国
　　工业发展组织在档专家等；在国内外发表论文100余篇；取得国家科技攻关鉴定成果2
　　项；中科院及省部级鉴定成果5项；获全国科学大会和部院级重大科技成果2项；中科
　　院及中国人民解放军科技进步二、三等奖各2项；国际发明金奖2项，中国发明专利新
　　技术新产品金奖3项；联合国TIPS发明创新科技之星奖1项及辽宁省发明成果一等奖5
　　项等。
　　作者单位：杜元龙(金属腐蚀与防护国家重点实验室　沈阳　110015)
　　柯克(中国科学院金属与防护研究所　沈阳　110015)

　　参考文献：

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　　［3］杜元龙.电化学传感器及其在腐蚀检测／监测中应用的研究［A］.1998年全国腐蚀电化学及测试方法学术讨论会论文集［C］.［s.l.］：［s.n］，1998.
　　［4］Rivers C.Optimising Information Requirements: a Strategy for
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　　［9］中国科学院金属腐蚀与防护研究所，大连理工大学，中海石油工程设计公司.海底管线阴极保护计算机辅助设计及阴极保护状况的评价／判断智能化技术［A］.论文集［C］.［s.n.］，1994.
　　［10］Du Y L.The State-of-art on Corrosion and Prevention of Rein-forced Concrete［A］.Proceedings of International Symposium on
　　the Corrosion Protection for the Safety Enhancement of Buildings and Public Works,［C］.［s.l.］：［s.n］，1995(5)
　　［11］杜元龙，张学元.钢筋混凝土腐蚀与防护的技术发展动态［A］.第三次全国机电装备失效分析预测预防战略研讨会论文集［C］.［出版不详］，1998.
　　［12］杜元龙，魏炜.海上采油平台腐蚀／断裂隐患的检测预报和防护对策［A］.第二次全国机电装备失效分析预测预防战略研讨会论文集［C］.［出版不详］，1992.
　　

　　关键词： 科学腐蚀防护破坏