化工设备腐蚀与防护

1. 化工设备腐蚀与防护 • 广州工程技术职业学院 谢鹏波

2. 本课程简介 • 一、课程特色 • 1、校企合作院本教材 • 2、项目化及任务驱动 • 3、实践要求与理论相结合

3. 二、课程内容 • 1、四大项目项目一 走进金属腐蚀世界 • 项目二 金属设备腐蚀分析 • 项目三 石油化工设备的防腐蚀措施 • 项目四 石油化工重要设备腐蚀与防护

4. 二、课程内容 • 2、七个任务 • 任务1 找寻一个身边的腐蚀案例 • 任务2 找寻一个化工设备的腐蚀案例 • 任务3 分析任务1腐蚀案例的原因 • 任务4：分析任务2腐蚀案例的原因 • 任务5 制订任务1的防腐蚀方案 • 任务6 制订任务2的防腐蚀方案 • 任务7 完成1个案例的化工设备腐蚀分析报告

5. 二、课程内容 • 项目三 • 知识一：防腐蚀合理结构 • 知识二：防腐蚀合理选材 • 知识三：电化学保护技术 • 知识四：表面防腐技术 • 知识五：环境处理技术 • 知识六：工艺防腐技术 • 知识七：操作管理 • 知识八：防腐蚀技术管理 • 项目四 • 知识一：炼油设备腐蚀与防护 • 知识二：换热设备腐蚀与防护 • 知识三：储罐腐蚀与防护 • 知识四：管道腐蚀与防护 • 项目一 • 知识一：金属设备腐蚀 • 知识二：石油化工设备腐蚀的危害及其特征 • 知识三：金属腐蚀过程的本质及基本原理 • 项目二 • 知识四：金属设备腐蚀失效的类型 • 知识一：影响金属腐蚀的因素 • 知识二：石油化工设备常见腐蚀形式 • 知识三：耐腐蚀金属材料 • 知识四：耐腐蚀非金属材料

6. 学习方法与考核 • 1、注重任务的完成 • 2、积极参与任务成果的分享 • 3、任务与理论相结合 • 4、自觉学习、查阅资料 • 5、成绩构成： 任务完成60%+期末考试40%=课程成绩

7. 项目一 走进金属腐蚀世界 • 任务1 找寻一个身边的腐蚀案例 • 任务要求：对发现的腐蚀案例现象进行描述，尽量能有照片加以说明。 • 考核标准： • 1、描述清楚、简练，60分； • 2、有照片加以说明，15分； • 3、版面整洁程度，15分； • 4、按时完成，10分

8. 项目一 走进金属腐蚀世界 • 任务2 找寻一个化工设备的腐蚀案例 • 任务要求：对发现的腐蚀案例现象进行描述，尽量能有照片加以说明。 • 考核标准： • 1、描述清楚、简练，60分； • 2、有照片加以说明，15分； • 3、版面整洁程度，15分； • 4、按时完成，10分

9. 认识石油化工企业 • 图

10. 知识一：金属设备腐蚀 • 1、腐蚀现象（图）

11. 知识一：金属设备腐蚀 • 2、腐蚀定义 • 说腐蚀就是金属生锈是不全面的，是材料失效有三种形式，即机械破坏、磨损和腐蚀。

13. 知识二：石油化工设备腐蚀的危害及其特征 1、腐蚀危害 2、腐蚀特征

14. 1、腐蚀危害 • 腐蚀对化工生产的影响是多方面的: • 考虑到腐蚀的存在，在设备的壁厚设计计算中，设计壁厚时要考虑增加腐蚀余量； • 输送管道常因腐蚀穿孔，会使原料和产品流失； • 高温、高压的生产装置还会因腐蚀而引起爆炸事故，

15. 例如我国首都钢铁公司化肥厂的两台l20m3的液氨球罐，由于出现了应力腐蚀破裂而报废例如我国首都钢铁公司化肥厂的两台l20m3的液氨球罐，由于出现了应力腐蚀破裂而报废 • 广州石化工厂曾从法国赫尔蒂公司引进的化肥生产的成套设备，尿素合成塔安装后投产，在正常生产情况下，发现塔底泄漏，大量甲铵液外喷，被迫停工，经现场检查发现，在下封头甲铵液出口管附近存在穿孔，管子周围手工堆焊层局部地方穿透，碳素钢部分已被腐蚀出一个大洞，直接影响了生产的正常进行，损失严重

16. 2、腐蚀特征(后面会再详细介绍) • 石油化工设备及其零部件处在高温、高压及腐蚀性介质联合作用下，环境条件恶劣，不 • 同程度地存在腐蚀特征，除与复杂的环境条件及材质本身有关外，还与高压下腐蚀性介质对 • 材质及其性能的影响有关。影响因素的复杂性，导致石油化工设备腐蚀特征的多样性。

17. 知识三：金属腐蚀过程的本质及基本原理 • 1、金属腐蚀从机理上可分为化学腐蚀和电化学腐蚀，重点介绍电化学腐蚀。 • 金属在电解质溶液中发生的电化学腐蚀通常可以简单地看作是一个氧化还原反应过程 ◆金属在酸中的腐蚀 ◆金属在中性或碱性溶液中的腐蚀 ◆金属在盐溶液中的腐蚀

18. 电化学腐蚀实质 • 腐蚀电化学反应实质上是一个发生在金属和溶液界面上的多相界面反应。从阳极传递电子到阴极，再由阴极进人电解质溶液。这样一个通过电子传递的电极过程就是电化学腐蚀过程。

19. 金属在酸中的腐蚀

20. 金属在中性或碱性溶液中的腐蚀

21. 金属在盐溶液中的腐蚀

22. 几个基本概念 • 1、氧化反应----即放出电子的反应，通称为阳极反应 • 2、还原反应----即接受电子的反应，通称为阴极反应

23. 3、去极剂--能够接受电子的物质，也氧化剂 • 注意： • 1、电化学腐蚀过程中的阳极反应和阴极反应是同对发生的，但不在同一地点进行，这是电化学腐蚀与化学腐蚀的主要区别之一。 • 2、电化学腐蚀过程中的任意一个反应停止了，另一个反应(或整个反应)也跟着停止。

24. 讨论 • 1、干电池的工作原理？ • 2、干电池没电的原因？ • 3、干电池为什么不可以再充电？

25. 电池原理 • 电化学过程： 氧化、还原化学反应分别在两个电极上进行，负极活性物质由电位较负并在电解质中稳定的还原剂组成，如锌、镉、铅等活泼金属和氢或碳氢化合物等。正极活性物质由电位较正并在电解质中稳定的氧化剂组成，如二氧化锰、二氧化铅、氧化镍等金属氧化物，氧或空气，卤素及其盐类，含氧酸及其盐类等。电解质则是具有良好离子导电性的材料，如酸、碱、盐的水溶液，有机或无机非水溶液、熔融盐或固体电解质等。

26. 电池原理 • 外部条件： • 当外电路断开时，两极之间虽然有电位差(开路电压)，但没有电流，存储在电池中的化学能并不转换为电能。当外电路闭合时，在两电极电位差的作用下即有电流流过外电路。同时在电池内部，由于电解质中不存在自由电子，电荷的传递必然伴随两极活性物质与电解质界面的氧化或还原反应，以及反应物和反应产物的物质迁移。电荷在电解质中的传递也要由离子的迁移来完成。因此，电池内部正常的电荷传递和物质传递过程是保证正常输出电能的必要条件。

27. 电池原理 • 充电时，电池内部的传电和传质过程的方向恰与放电相反；电极反应必须是可逆的，才能保证反方向传质与传电过程的正常进行。因此，电极反应可逆是构成蓄电池的必要条件。

28. 第2课 • 温故而知新 • 展示任务1和任务2

29. 知识四 金属腐蚀的基本原理及其本质 • 一、金属腐蚀的基本原理 • 电化学反应过程：发生了阳极反应和阳极反应。 • 阳极反应也称为氧化反应，即放出电子的反应； • 阴极反应也称为还原反应，即接受电子的反应。 • 金属电化学腐蚀反应是由至少一个阳极反应和一个阴极反应构成的电化学反应

30. 图1-2为锌在盐酸中腐蚀时的电化学反应 知识四 金属腐蚀的基本原理及其本质 • 二、金属电化学腐蚀的实质 • 腐蚀则是一种使金属回复到自然状态的过程 ，是冶金的逆过程 • 金属腐蚀的本质就是金属由能量高的单质状态自发地向能量低的化合物状态转变的过程

31. 知识五 金属电化学腐蚀倾向的判断 • 一、电极电位与物质能量之间的关系 • 金属的电化学腐蚀决定于金属化合物与金属单质之间的能量差值 • 若△G<0 ，金属能被腐蚀 ，△G越负，金属腐蚀的倾向越大 • 若△G≥0，则金属不能被腐蚀 • 思考： △G如何测定？

32. △G与电极电位(E)之间存在着定量关系，通过测定电极电位实现△G与电极电位(E)之间存在着定量关系，通过测定电极电位实现 • E——电极电位，V； • n——参与反应的电子数； • F——法拉第常数，26.8A·h／mol≈96500C／mol。 • 由上式可以看出，ΔG与E成正比，即ΔG越小，E也越低，反之亦然

33. 二、电极电位(E) • 电极金属与电解质溶液构成的体系称为电极体系，简称电极 • 电位 将单位正电荷由无穷远处移至该点，因反抗电场力所做的电功即为该点的电位 • 电极电位 电极系统中金属与溶液之间的电位差称为该电极的电极电位， 即E=E金属-E溶液

34. 图1-3 金属/溶液界面的双电层 • 极电位的形成——电层结构（同学参与） • 金属和溶液界面可能发生带电粒子的转移，电荷从一相通过界面进入另一相内，结果在两相中都会出现剩余电荷，并或多或少地集中在界面两侧，形成一边带正电子一边带负电的“双电层”

35. 三、平衡电极电位与能斯特(Nernst)方程式 • (一)平衡电极与平衡电极电位 • 在金属和溶液界面建立一个稳定的双电层，亦即不随时间变化的电极电位，称为金属的平衡电极电位(E)，也可称为可逆电位

36. (二)标准电极与标准电极电位 • 标准电极 纯金属、纯气体(气体分压为1．01325×10 5 Pa)，298K，浓度为单位活度(1mol／L)。 • 标准电极电位(E0)标准电极状态下的电极电位。

37. （三）参比电极 • 标准氢电极 把镀有一层铂黑色铂片放在氢离子为单位活度的盐酸溶液中，不断通入压力为l.01325×105 Pa的氢气，氢气被铂片吸附，并与盐酸中的氢离子建立平衡 ，吸附氢气达到饱和的铂和氢离子为单位活度的盐酸溶液间所产生的电位差称为标准氢电极的电极电位 • 国际上规定在任何温度下标准氢电极的电极电位为“0”

38. 图1-4 测定电极电位的装置

39. 参比电极 • 标准氢电极在实际的测定中往往由于条件的限制，不便直接采用，而用别的电极作为参比电极 。 • 用待测电极相对这一参比电极的电位，加上这一参比电极相对于标准氢电极的电位，即可得到待测电极相对于标准氢电极的电位值

40. 25℃时几种参比电极的电极电位

41. 金属在25℃时标准电极电位／V

42. (五)能斯特(Nernst)方程式 • 当一个电极体系的平衡不是建立在标准状态下，要确定该电极的平衡电位除了用图l-4装置直接测得外，还可以利用能斯特(Nernst)方程式进行计算求得

43. 四、腐蚀倾向的判断 • ㈠非平衡电极与非平衡电极电位 • 在实际腐蚀问题中，电极上同时存在两个或两个以上不同物质参加的电化学反应，电极上不可能出现物质与电荷都达到平衡的情况，此时的电极为非平衡电极。 • 非平衡电极的电位可能是稳定的，也可能是不稳定的，电荷的平衡是形成稳定电位的必要条件

44. ㈡利用标准电极电位判断金属的腐蚀倾向 • 在一个电极体系中，若同时进行着两个电极反应，通常电位较负的电极反应往氧化方向进行，电位较正的电极反应则往还原方向进行 。 • （利用金属活动顺序表可原则判断）

45. (三)利用能斯特(Nernst)方程式判断金属的腐蚀倾向(三)利用能斯特(Nernst)方程式判断金属的腐蚀倾向 • 电动序表只能粗略地预测腐蚀体系的反应方向，如果反应条件偏离平衡很远(如浓度、温度、压力变化很大)，用电动序表来判断可能会得出相反结论 • 能斯特方程反应了浓度、温度、压力对电极电位的影响，所以比较准确 • 如果金属表面有覆盖膜存在则不能运用标准电极电位表预测其腐蚀倾向

46. 知识六 腐蚀电池 • 一、腐蚀电池的必要条件 • (一)原电池(丹尼尔电池)构成 • (二)腐蚀电池构成 • (三)腐蚀电池与原电池的比较

47. 图1-6 腐蚀电池示意图 图1-5 铜锌原电池装置示意图 原电池(丹尼尔电池)与腐蚀电池

48. 腐蚀电池与原电池的比较 • 相同点：都有阴(正)、阳(负)极，都有电子通道和离子通道。 • 不同点：原电池未短路，电化学能可以做有用功；腐蚀电池是短路电池，腐蚀电池不可做有用功，反应的电化学能都以热的形式散发了。

49. 构成腐蚀电池的必要条件 • （1）存在电位差，即要有阴极、阳极存在，其中阴极电位总比阳极电位正，阴极、阳极之间产生的电位差是腐蚀电池的推动力。电位差的大小反映出金属电化学腐蚀的倾向。 • （2）要有电解质溶液存在 • （3）在腐蚀电池的阴、阳极之间，要有连续传递电子的回路。

50. 构成腐蚀电池的必要条件 • 一个腐蚀电池必须包括阳极、阴极、电解质溶液和电路四个不可分割的部分