电偶腐蚀又称接触腐蚀、双金属腐蚀,是一种由于不同金属在电解质溶液中相互接触而引发的电化学腐蚀现象,以下为你详细介绍它的相关内容:
原理
电极电位差异:不同金属具有不同的电极电位(也叫标准电极电位),当两种或多种电极电位不同的金属在电解质溶液(比如海水、潮湿的土壤、含有某些电解质的工业废水等)中相互接触时,就会形成一个类似原电池的电化学体系。电极电位较负的金属(较活泼金属)在这个体系中充当阳极,而电极电位较正的金属(较不活泼金属)则成为阴极。
电子转移与氧化还原反应:在这个 “原电池” 中,阳极金属会失去电子发生氧化反应,其原子不断变成金属离子进入到电解质溶液中,导致阳极金属逐渐被腐蚀损耗;与此同时,阴极金属表面会有电子聚集,电解质溶液中的某些氧化性物质(如水中溶解的氧气等)会在阴极获得这些电子发生还原反应。整个过程中,电子通过相互接触的金属从阳极流向阴极,从而构成了完整的电流回路,促使腐蚀过程持续进行,直至阳极金属被腐蚀到一定程度或电解质溶液等条件发生改变。
影响因素
金属电位差:两种相互接触金属之间的电极电位差越大,电偶腐蚀的驱动力就越强,腐蚀速率往往也就越快。例如,将锌(电极电位较负)和铜(电极电位较正)连接在一起放入电解质溶液中,它们之间较大的电位差会使锌快速地发生电偶腐蚀。
电解质溶液性质:
电解质浓度:一般来说,电解质溶液浓度越高,其中所含的离子数量越多,导电能力越强,越有利于电偶腐蚀过程中电子的转移和离子的扩散,从而加快腐蚀速率。比如在高浓度的氯化钠溶液(类似海水)中,金属发生电偶腐蚀的速度会比在低浓度该溶液中更快。
溶液酸碱度(pH 值):不同的 pH 值环境对电偶腐蚀也有影响。在酸性较强的溶液中,很多金属本身就容易发生析氢腐蚀等其他类型腐蚀,再加上电偶腐蚀的作用,腐蚀情况会更加严重;而在碱性环境中,有些金属表面会形成钝化膜,能在一定程度上减缓电偶腐蚀,但如果钝化膜被破坏,腐蚀依然会加剧。
溶解氧含量:电解质溶液中溶解氧的含量对电偶腐蚀影响显著。溶解氧是常见的阴极去极化剂,其含量越高,在阴极处获得电子发生还原反应的速率越快,也就会加速阳极金属的腐蚀。例如,在含氧量丰富的流动水中,金属的电偶腐蚀比在静止且含氧量低的水中更为严重。
阴阳极面积比:通常情况下,阴极面积与阳极面积的比值越大,阳极金属的腐蚀速率越高。这是因为相对较大的阴极能够为电子提供更多的聚集和反应场所,使得阳极金属失去电子的氧化反应更容易、更快速地进行。比如,用一小块锌(阳极)连接一大块铜(阴极)放在电解质溶液中,锌的腐蚀速度会明显加快。
常见发生场景
海洋环境中的金属结构:在海洋工程领域,像船舶的外壳、码头的金属桩柱、海上石油钻井平台等金属结构,往往是由多种不同金属材料组成的。例如,船体可能部分结构采用钢铁,而一些附属设备使用了不锈钢或铜合金等,当它们浸泡在海水中(海水中含有大量氯化钠等电解质)时,不同金属之间就容易发生电偶腐蚀,导致钢铁部件加速腐蚀,影响结构的安全性和使用寿命。
工业设备及管道系统:在化工、石油化工等工业生产中,设备和管道常常会用到不同材质的金属来满足不同的工艺需求。比如,在一个热交换器中,管束可能采用铜合金以提高热交换效率,而外壳是碳钢材质,当热交换器内部有循环的冷却水(含有电解质成分)时,碳钢和铜合金之间就会形成电偶腐蚀,碳钢部分容易被腐蚀损坏,进而可能引发泄漏等安全问题。
电子电器产品:电子设备内部也存在电偶腐蚀的风险,很多电路板上有不同金属的焊点、引脚以及元器件的金属外壳等,在潮湿的环境下(如高湿度的车间、使用环境潮湿的情况),如果这些金属之间存在电位差并且有电解质(如灰尘吸附水分后形成的电解质溶液)存在,就会发生电偶腐蚀,可能导致电路接触不良、元器件损坏等故障,影响电子设备的正常运行。
预防措施
选择相容的金属材料:在设计和制造金属结构或产品时,尽量选用电极电位相近的金属材料进行搭配,这样可以从根本上降低形成电偶腐蚀的可能性。例如,在一些要求不高的普通环境中,如果要使用两种金属,可以选择同为碳钢系列的不同型号钢材,它们之间电位差小,不易发生电偶腐蚀。
绝缘隔离:采用绝缘材料将不同金属隔开,阻止它们之间形成导电通路,从而避免电偶腐蚀的发生。比如,在船舶上,对于一些容易发生电偶腐蚀的不同金属部件连接处,可以使用橡胶、塑料等绝缘垫片或套管进行隔离,确保不同金属之间不会直接接触。
涂层保护:在金属表面涂覆防腐涂层,既可以对金属起到物理隔离作用,防止电解质溶液与金属接触,又能在一定程度上改变金属表面的电极电位,起到缓蚀效果。例如,对钢铁结构表面涂刷防锈漆,对铝合金表面进行阳极氧化处理后形成氧化膜涂层,这些涂层能够有效减少电偶腐蚀的发生。
阴极保护:
牺牲阳极保护法:将一种电极电位比被保护金属更负的金属材料连接到需要保护的金属上,在电解质溶液中,这种更负的金属会优先充当阳极发生腐蚀,从而牺牲自己保护了目标金属。比如在钢铁管道的外部连接一些镁合金块,镁合金在电解质溶液中先被腐蚀,源源不断地为钢铁提供电子,使钢铁处于阴极状态而免遭腐蚀。
外加电流阴极保护法:通过外部电源向被保护的金属结构提供电子,使其成为阴极,抑制其发生氧化反应,从而避免腐蚀。这种方法常用于大型的海洋金属结构、长距离埋地金属管道等,可根据实际需要调节保护电流的大小,精准控制保护效果。