主题:【系列讲座】钢铁腐蚀与钢结构防护 系列问答-2

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6.怎样理解金属“电位”的概念与术语?
上面的表 4-.1 给出了主要金属的电化学电位序,可以看出,不同金属的“电位”也不同。 “电位”是涉及金属腐蚀的重要概念,同时又有非常广泛的使用意义。
现在要解释“电位”的含义,一方面非常必要,另一方面,还需要费一些周转方能说的明白些。
我们先看图 6-1,铁浸在溶液中,铁的表面存在一个“双电层” ,这个“双电层”的正极是溶液中紧靠铁表面带正电的铁离子,而负极是留在铁表面上的电子(带负电) ,这个“双电层”的电位差就定义为在此条件下铁“绝对电位” 。很可惜,科学发展到现在,这个“绝对电位”还是无法测量的。于是,人们设想出测量其“相对电位”的办法。那就是把氢与氢离子所构成的双电层的“绝对电位”定义为零值(实际值并不知道,但在标准条件下,这个值是固定不变的) ,然后用氢的“绝对电位”与铁(或其他金属)的“绝对电位”做“比较” ,凡高于氢的“绝对电位”者(大于零)为正值,相反为负值。这样,就像人们先定义一把尺的长度(如 1 米) ,在用这把尺子量度那些未知的长度一样。以标准氢电极作为标准,来测量那些未知“绝对电位”值,所测得的是一个相对比较值,但它已经能够达到区分不同金属“双电层”表征的目的。此相对比较值(表 6-1)就是通常所说的某金属的电化学电位,简称电位。


实际中,氢电极是难以在现场使用的,于是就出现许多类型的“参比电极” (表6-1),以便用于各种场合下测量不同金属的电位值。常见的有甘汞电极、氯化银电极、饱和硫酸铜电极、金属铂电极等。在标准条件下,这些电极都有固定的电位值(与氢电极比较) ,可以用这些参比电极进行测量,并可换算成氢电极比较电位。通常不换算时,必须注明所用参比电极的种类。


钢铁处在不同的介质中,其电位值也不一样。一般说来,电位负值越高,表明其腐蚀活性越大。因此,可以用测量电位的方法,
7. 气候与钢铁腐蚀的关系如何?
图7-1是我国按气候划分的腐蚀影响程度的区分图,颜色深的部分表示是重腐蚀区(高温高湿),颜色浅的部分表示轻腐蚀区。可以看出,我国东南部大多处在重腐蚀区内。 就温度与腐蚀的关系而言, 有资料表明,温度每提高 10℃,钢铁的腐蚀就增加 1 倍。预测金属(包括钢铁)的腐蚀情况。 而湿度与腐蚀的关系更为密切。图 7-2 表明了钢铁腐蚀与相对湿度(RH)的关系,可以看出,低相对湿度(如 RH≤60%) ,钢铁不腐蚀或腐蚀速度很低,而 RH在 90—98%范围内,钢铁腐蚀速度最高。大气污染严重区的区域,也往往是腐蚀的“重灾区” 。二氧化硫、氮氧化物、粉尘、酸雨等都能够大大加速钢铁和其它金属的腐蚀。
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8. 钢试片半浸在水中, 为什么 “水线”部分最容易腐蚀?这在实际中有何重要意义?
这是一个常见的现象, 也是一种重要的腐蚀类型。解释这种现象,还需要由“腐蚀电池”说起。我们知道,出现阴、阳极和电位差是构成腐蚀电池的必要因素。而造成阴、阳极和电位差的条件是多种多样的。水线腐蚀现象,是由于氧的“浓差电池”造成的。在大气中氧是丰富的(浓度高) ,而一旦进入水中,氧只能以溶解的形式存在,而水中溶解氧的含量是很低的。这样,水线上下, 氧的浓度发出陡然变化, 出现明显的 “浓差” 。钢试片接近水线上侧部分,处于富氧状态,是钢表面的电位偏正向(电位高) ,而钢试片接近水线下侧部分,由于氧的浓度突然降低,是钢表面的电位偏负向(电位低) 。这样在水线附近就出现了所谓的“浓差电池” 。富氧区为阴极,而而钢试片接近水线下侧部分,作为阳极而遭受腐蚀。通常叫做水线腐蚀(图 8-1) 。


“浓差电池”不仅仅是氧可以造成,其他“介质:的浓差也可造成,因此具有广泛意义。而水线腐蚀现象,在实际中也是广泛存在的。半浸于水中的钢结构、混凝土中钢筋都可能存在此现象。因此,水线部位是防腐蚀的重点区段。 推而广之,处在土与大气交界面、地下水界面附近的基础设施、建筑构筑物(钢、钢筋等)也会受到氧的“浓差电池” 。这些部位,还常常受到“干湿交替“的作用。工程设计、施工和使用维护人员,应该理解和重视对这些“特殊”部位的重点保护。
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9. 为什么海水环境中的钢桩不同部位腐蚀不一样?
在世界上,海洋环境与海水是最具有腐蚀性的自然条件。海水、海风、海雾均含有大量盐份,而盐份是最具有腐蚀性的介质之一。我国具有漫长的海岸线和众多岛屿,广大沿海地区,正是我国经济最发达、基础设施最多、发展最快的地区。沿海各经济开发区的发展,都离不开基础设施的发展和保持良好的运行状态。我国海洋开发和大规模跨海桥的兴建,都将经受海洋环境与海水环境腐蚀的考验。港口码头、跨海大桥等重要基础设施,要求 50—100年的使用寿命,已经和正在大量使用钢结构和钢桩。图 9-1 是钢桩在海水环境中,不同区段腐蚀速率分布的示意图。可以看出,腐蚀速度最快的是浪溅区,其次是潮差区,再次是浪溅区以上(4-10m)的大气区段,而海水中和海底泥土中,腐蚀速度反而是最小的。


图9-1钢桩在海水环境中不同区段腐蚀速率分布示意图
用“水线腐蚀”可以解释浪溅区、潮差区腐蚀严重的道理,而水腐蚀速度小可以如下理
解:我们知道,腐蚀需要几个条件(上面已有讲述) ,其中之一就是需要氧气的参与。
大气中大约含有 21%的氧气,而在水中,溶解氧的量相对来说就低了很多。搅动的海水
(深度 0-20m)含氧可以达到饱和状态,其含量只有 5-10mL/L。更深的水,其氧含量
更低。 由于氧的缺少, 腐蚀反应就快不起来,这就是深水中腐慢的原因。虽然海水中含有大量盐份,但在水下部分的腐蚀速度仍然是较小的。 钢桩处在潮差、特别是飞溅区,这里氧的供给是充足的,由于干湿交替,盐份被浓缩,又有足够的水分参与,腐蚀条件最为充分,因此,腐蚀速度也就最快。 可见,氧气在腐蚀过程中起着重要、乃至关键作用。为了进一步描述氧的作用,下面再就图 9-2进行解释。该图描述了钢在不同浓度盐水中的腐蚀速率。按常规的想法,盐的浓度越高,似乎钢的腐蚀速度越快,其实不然。为什么高浓度的盐水中,钢的腐蚀速度反而低下来了?主要是随着盐浓度的提高,溶解氧的浓度下降,因此腐蚀速度也伴随下降了。由图 9-2 可以看出,在通常大气条件下,3-6%的 Nacl 水溶液的腐蚀性是最强的。 一般做腐蚀试验, 常用 3-5%的Nacl水溶液是有道理的。海水含盐量为 3-3.5%,因此具有强腐蚀性。
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冬季向路、桥上撒的氯盐或盐水,被雪水稀释成低浓度盐溶液,对于金属结构、管道、钢筋混凝土等均有很强的腐蚀性。而有人曾用钢试验片浸泡在高浓度的氯盐融雪剂中,以检验其腐蚀性。得出结论是这种融雪剂的腐蚀性小(其实是溶解氧减少的结果) 。在此试验条件下,氯盐浓度已经不起主导作用,因此,用这种试验方法检验、比较氯盐融雪剂的腐蚀性,就很值得商榷了。自然,用此方法所得结论也是需要认真探讨其正确性。
  金属 (钢铁) 腐蚀是多种因素作用的结果,了解和掌握这些因素, 对于工程设计、 施工、维护、管理人员是十分必要的。
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