防磨抗蚀领域
战胜腐蚀方能屹立碧海蓝天
作者:赵泽南
发表时间:2014年6月20日

钢铁是一种重要的金属材料,在人类的生产和生活中有着广泛的用途。装备制造、铁路车辆、道路、桥梁、轮船、码头、房屋、土建均离不开钢铁材料。根据国家统计局公布的《2013年全年经济数据》显示,2013年我国钢材产量首次突破10亿吨,达10.6762亿吨(含重复计算),同比增长11.4%.然而,钢铁材料的腐蚀也是让人触目惊心的,我国每年被腐蚀的钢铁占到我国钢铁年产量的十分之一。

钢铁材料的腐蚀如此严重,如何摸准方向,找到开启破解钢铁腐蚀难题的新钥匙?201465日,本刊记者在中国科学院宁波材料技术与工程研究所召开的国家重点基础研究发展计划(973计划)海洋工程装备材料腐蚀与防护关键技术基础研究项目启动会上采访了中国杰出的金属材料学专家、中国工程院院士翁宇庆教授。翁宇庆长期从事钢铁材料的研究开发,从他这里,我们似乎找到了答案。

 

  由铁到钢:源远流更长

 

  人们最早认识的铁是陨石中的铁,古代埃及人称之为圣物,此时的铁主要用于祭祀或者加工成饰物。世界上最早进行人工炼铁的是居住在小亚细亚的赫梯人,大约在公元前1400年左右。公元前1300-公元前1100年,冶铁术传入两河流域和古埃及。大约在公元前500年,欧洲大陆开始普遍使用铁器。中国对人工铁器的使用始于春秋战国时期,考古工作者曾经在湖南长沙杨家山春秋晚期的墓葬中发掘出一把铜格铁剑,金相检验的结果显示这把铁剑是由钢制成的。这是迄今为止被发现的中国最早的钢制实物,它说明从春秋晚期起中国就已经开始炼钢了,炼钢生产在中国已有2500多年的历史。

 

  从公元前1400前起,人类开始逐步掌握冶炼铁的技术,铁从此被大量地生产和使用。战国末期,我国锻造铁的技术已达到一定的水平,铁器被广泛地应用于农业生产和军事战争中。随着冶炼技术的不断发展进步,大斧、阔刀、利剑、弓箭等相继出现,此时铁器产品已不再是稀有之物,被广泛地应用在生活的方方面面。在元末明初,我国就可以利用铁器制作火铳一类的大规模杀伤性武器了。

 

  钢铁材料在人造结构材料里面,始终是最重要的,同时它也是使用量最多的功能材料。在可预见的300-500年内,可能还没有材料能够取代钢铁材料的地位。翁宇庆介绍说。

 

  根据冶金工业规划研究院于2013126日在“2014年中国钢铁需求预测研究成果发布会上的预测显示,2013年我国粗钢产量为7.8亿吨,2014年预计将达到8.1亿吨,2013年我国钢材实际消费量为6.93亿吨,2014年预计将达到7.15亿吨。

 

  目前来看,钢铁材料在材料里面,用量最大,用途最广,价格最便宜。翁宇庆风趣地打了个比方说,钢铁的价格,如果按斤算的话,和我们平时喝的矿泉水是差不了多少的。

 

  钢铁有大块头  防腐需大智慧

 

  翁宇庆说:钢铁材料有两个致命的弱点,一个是它的比重太大,为7.8g/cm3,铝的比重为2.7g/cm3,镁的比重就更小了,才1.8g/cm3.由于钢铁材料的比重太大,在作为交通运载工具的原材料上是有所限制的,现在有些零部件已经采用粉末冶金材料、泡沫金属和其他复合材料进行加工和制造了。

 

  以汽车为例,由于钢铁材料在强度、塑性、抗冲击能力、回收使用及低成本方面具有综合的优势,其在汽车材料中的主导地位仍是不可动摇的。不过,近年来为了节约能源,实现汽车的轻量化,不少钢铁零件已被有色金属和其他材料所替代。比如:泡沫铝填充圆管汽车保险杠的质量比空心金属圆管保险杠减少了55%;由铁基粉末冶金材料制成的空心凸轮轴,与常规的锻钢件或铸铁件相比,可降重25%-30%

 

  钢材还有一个缺点,就是不耐腐蚀。翁宇庆接着说,常温下的铝与空气中氧气发生化学反应,在其表面生成一层致密的氧化铝薄膜,可以保护内层金属不被继续氧化,使得铝拥有比较强的耐腐蚀性能。不锈钢的原理也与这类似,铁在空气中与氧气发生化学反应,表面会形成成分为Fe2O3Fe3O4的氧化膜,这层氧化膜是非常疏松的,阻止不了其内部的继续氧化。不锈钢耐腐蚀的原理是其材质中含有大量的铬(Cr),可以在钢的表面迅速形成致密的Cr2O3薄膜,这层钝化膜使钢与腐蚀介质相隔离,阻止了其内部的继续氧化。

 

  我国每年仅因金属材料腐蚀造成的损失高达5000亿元,约占国民生产总值的5%.钢铁材料在其中是用量最大的,其腐蚀问题不容忽视。

翁宇庆介绍说:钢铁材料作为结构材料,可以分为动态使用和静态使用。在动态使用方面,比如,钢铁材料可以用来铸造汽车的发动机缸体。在汽车的运动过程中,发动机会出现疲劳、磨损、高温蠕变等损伤。在静态使用方面,钢铁材料被广泛地应用在桥梁、土建等工程结构方面。在静态使用中,钢铁材料面临的最大问题就是腐蚀破坏。我们应该把腐蚀的根本原因梳理清楚,做好钢铁材料的腐蚀防护措施,要提高钢铁的质量,减少钢铁的数量,要从普通质量钢向优等质量钢发展,减少普通质量钢生产和使用的比例。

 

  在建筑领域,作为钢筋混凝土建筑构件的骨架,螺纹钢被人们所熟知。螺纹钢广泛地应用于房屋、桥梁、道路等土建工程建设方面。大到高速公路、铁路、桥梁、涵洞、隧道、防洪、水坝等公用设施,小到房屋建筑的基础、梁、柱、墙、板,螺纹钢都是不可或缺的结构材料。关于螺纹钢的腐蚀问题,曾经还有不小的争议。

 

  在过于,中国的钢铁产能不足,钢铁的需求远大于供给,人们对钢铁材料的防腐意识不强。有一种观点认为螺纹钢做耐腐蚀方面的处理是没有必要的,理由是螺纹钢被混凝土包裹,与空气隔绝,不会发生氧化作用。其实不然,因为,混凝土具有热胀冷缩的特性。当环境或结构内部温度发生变化时,混凝土会发生变形。如果变形受到约束,在结构内会有应力产生,一旦应力超过混凝土的抗拉强度就会产生温度裂缝。混凝土胀裂松动后会造成砂浆脱落,使螺纹钢暴露出来,很多桥梁都有螺纹钢的露头现象。未来的二三十年,我们要为过去对于钢铁材料腐蚀防护的不足而买单。翁宇庆说。

 

  欲圆海洋梦  需解腐蚀忧

 

  21世纪是海洋的世纪,海洋将成为人类获取蛋白质、工业原料和能源的重要场所。海洋资源可分为生物资源、非生物资源和空间资源三大类。海洋生物资源主要指海洋中具有经济价值的动物和植物。非生物资源包括海水化学资源、海底矿产资源和海洋动力资源等。随着陆地资源的日渐枯竭,海洋资源越来越受到人类的重视。我国国民经济和社会发展十二五规划中强调要强化海洋意识,保护海洋生态,开发海洋资源,实施海洋综合管理

 

  做好海洋工程装备材料的腐蚀防护,是实现海洋强国梦的先决条件。国家重点基础研究发展计划(973计划 )海洋工程装备材料腐蚀与防护关键技术基础研究项目应运而生。

 

  海洋工程装备材料中,用量最大的就是钢铁材料,而海洋环境中,钢铁材料的腐蚀更为严重。翁宇庆说。

 

  海洋环境根据其性质的不同可以分为:大气区、飞溅区、潮差区、全浸区和海泥区5个区域不同带。钢铁在这几个区带的腐蚀也不尽相同,主要的腐蚀有:电化学腐蚀,机械作用腐蚀,生物腐蚀以及化学腐蚀等。但不论在哪个区带中都存在电化学腐蚀,电化学腐蚀是海洋防腐蚀领域中最重要的研究对象。

 

  钢铁是铁元素和渗碳体的混合物,铁元素的电位较低,渗碳体的电位较高,电位不等的两种元素在海洋海水电解质溶液的作用下,构成了以铁元素为阳极,渗碳体为阴极的微电池网络,产生电流。在阳极区,由于海洋中极性水分子的作用,铁素体被析出,呈自由状态的铁离子进入溶液。在阴极区,由于电位差的作用,阳极区的电子经钢铁本体流到阴极,被溶液中的某些物质所吸收。当溶液的PH值大于4时,表现为氧的还原;当溶液的PH值小于4时,表现为氢的析出。阳极产物铁离子与阴极产物氢氧根离子相结合,生成初步的腐蚀产物氢氧化亚铁而沉淀,氢氧化亚铁进一步被溶液中的氧所氧化,转变为氢氧化铁(即铁锈)。氢氧化铁的溶解度较小,呈疏松的薄膜状包裹于钢铁的表面,有一定的保护作用,但氢氧化铁的抗渗能力很弱,性质不稳定,当溶液中有充足的氧气供应时,腐蚀过程会一直进行,直至钢铁成为铁锈为止。

 

  海洋工程材料因腐蚀问题不好解决,成品通常比设计的要厚一些,这样会造成很大的浪费。通过提高材料强度可以降低材料的尺寸,但这又使得材料更易发生氢脆腐蚀。同样的氢含量,高强钢要比普通钢更易脆化更敏感。翁宇庆感叹道,钢铁材料在海洋工程装备材料中,又重要腐蚀问题又难解决。

 

  目前,防止或减缓钢铁设备在海洋环境中腐蚀的技术有:改善金属的本质、形成保护层、改善腐蚀环境和电化学保护。其中最主要的技术是改善金属本质和形成保护层。

 

  改善金属本质就是添加不同的合金元素,使钢铁表面形成一个耐腐蚀层。上世纪50十年代,国外的许多学者就进行了各种合金元素对钢材耐海水腐蚀性能影响的研究。研究发现以CrNiCuPSi以及稀土等为基的合金钢材,有优异的防腐性能,他们在此基础上开发了一系列耐海水腐蚀用钢。

 

  形成保护层就是涂覆非金属或金属保护层。金属保护层主要是对镀层金属进行磷化处理、氧化处理、钝化处理;非金属保护层主要是将涂料、塑料等涂覆在金属表面上形成保护层。这两种保护层均起到隔绝基材与海水的作用,代替基材与海水反应,从而形成保护。翁宇庆介绍说。

 

  面对严酷的海洋环境,需考虑湿度、温度、盐度等因素。不解决钢铁材料的腐蚀问题,中国海岸、沿海、岛礁的基础建设都是没有办法施工的,更不用说开发海洋了。石油资源从钻探、开采到输送,每一个环节都需要用钢铁材料制成的设备设施来完成。翁宇庆表示。

 

  高湿热、微生物如何攻克  材料、腐蚀、防护三位一体

 

  高湿热严酷海洋大气中的腐蚀问题是制约我国海洋工程装备发展的一大瓶颈,我国目前尚无成熟的钢铁品种供东海和南海安全服役。这些地区的高湿热、强辐射、高氯环境和微生物侵蚀会造成钢铁材料的严重腐蚀。深水高压、高温(热液区)、低温(2)等复杂环境造成了材料和装备的开发困难。在高湿热的气候条件下,高润湿时间使得锈层不易干燥,经常处于湿热的状态。同时,高浓度氯离子等污染物的积聚为电化学腐蚀提供了有利的条件,腐蚀速率急剧上升。

 

  从北到南:渤海、黄海、东海、南海,越往南,海洋大气温度越高,东海的年平均温度是30,南海是40,而黄海、渤海仅十几度。腐蚀的速度跟温度的变化呈指数关系,温度每升高1,腐蚀的速度就会有很大的提高。海水的盐含量从北到南也是增加的,越往南,氯离子浓度更高,更易腐蚀。翁宇庆说。

 

  生物污损问题是海洋工程和装备所面临的另一个海洋环境材料损伤问题。对海洋船舶而言,由于生物污损会对航行船舶造成非常严重的影响,如增加船舶的航行阻力,降低航速,增加燃油消耗,导致温室气体排放增多,增加维修维护费用,不仅造成非常严重的经济损失,而且严重地影响军用船舶的机动灵活性。同时,生物污损问题在其它海洋工程和装备中也非常严重,比如,在海水换热器管道、网箱养殖等海洋经济场合经常引起堵塞,在海洋平台和桥梁等方面增加其荷重。

 

  目前,在实际工程中应用较多的是以含氧化亚铜作为防污剂的防污涂料。但是,研究表明氧化亚铜会在港湾等处形成累积,对生态环境会造成非常严重的破坏性影响,面临着被淘汰的趋势,发展环境友好型的绿色防污涂料势在必行。

 

  不友好地防污涂料会将微生物杀死,破坏生态环境,这是不可取的,涂料的环境问题和生态问题是必须要解决的。我们要建立对环境友好的防污途径,在抑制生物污损的过程中,不能够对生物的生理过程造成干扰。翁宇庆说。

海洋工程装备材料腐蚀与防护关键技术基础研究项目启动会上,翁宇庆表示:我们要把研究集中在东海和南海上,把东海、南海高湿热的科学问题和微生物的污损问题搞清楚,找到出口,要在经济上能够体现作用、显示出前景。腐蚀是重点,防护是措施,材料是基础,我们要从把腐蚀作为重点来开拓,形成材料、腐蚀、防护三位一体的国家队伍和一个系统的研发工作。

 

  希望全体研究人员团结起来,找准方向,深入地开展工作,使我国在海洋问题上能够有所突破,提升我国的海洋腐蚀防护能力。翁宇庆语重心长地说。

 


文章转自中国腐蚀与防护网http://www.ecorr.org/

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