煤礦井下金屬材料的腐蝕機理和防護

(山西潞安集團司馬煤業有限公司，山西 長治 047105)

煤礦井下金屬材料的腐蝕機理和防護

王建雄

(山西潞安集團司馬煤業有限公司，山西 長治 047105)

介紹了井下金屬材料腐蝕的機理，提出了防護措施及其發展方向。

腐蝕 機理 預防

0 引言

金屬腐蝕可造成設備的全面損壞而報廢，也可使零件強度下降，還會產生腐蝕脆性等不良后果，是機械零件失效的重要形式之一。據統計，全世界每年因腐蝕而損壞的金屬制品重量約占年產量的1/5～1/3。而煤礦井下，由于環境的特殊性，煤礦設備長期處于高濕、高風速和酸堿浸蝕等惡劣的環境中，腐蝕現象十分嚴重，研究金屬的腐蝕問題，具有重要的意義。如果不對這些設備進行有效的防護，其服役壽命將大大降低，甚至提前報廢，嚴重影響煤礦安全生產，給國家造成巨大的經濟損失。

1 金屬的腐蝕機理

金屬腐蝕按機理可分為化學腐蝕和電化學腐蝕。

1.1化學腐蝕

金屬與介質直接發生化學作用而引起的損壞叫化學腐蝕，腐蝕的產物在金屬表面形成膜，膜的性質決定化學腐蝕的速度，如膜完整致密，則有利于保護金屬而減慢腐蝕。金屬在干燥空氣中的氧化以及金屬在非電介質中的腐蝕等均屬于化學腐蝕。

1.2電化學腐蝕

金屬表面與周圍介質發生電化學作用而有電流產生的腐蝕稱為電化學腐蝕。屬于這類腐蝕的有：金屬在酸、堿、鹽溶液以及潮濕空氣中的腐蝕，地下金屬管線的土垠腐蝕等。引起電化學腐蝕的原因是由于金屬與電解質接觸，形成原電池，產生化學反應，而使電極電位較低的部分遭受腐蝕這種原電池，由于其電流無法利用，卻使陽極金屬受到腐蝕，因此稱為腐蝕電池。即使同一種金屬，由于各部分接觸的溶液成份不同，也可以形成濃差腐蝕電池，各種金屬都不是絕對的純，含有雜質，并存在化學成分不均勻、組織差異和應力差別等，這些現象均可產生電位差，構成許多微小的腐蝕電池。當金屬表面有氧化膜或鍍層時，若氧化膜不完整有孔隙，或鍍層有破損裂紋等，在電解質溶液存在的環境下，也會形成局部腐蝕。

金屬按電化學腐蝕機理進行腐蝕時，同時進行著兩個過程：(1)陽極過程—金屬變成離子進入溶液，并在金屬上留下多余電子；(2)陰極過程—溶液中的去極化劑吸收掉金屬上的多余電子，氫離子和氧是常見的去極化劑，氫離子作為去極化劑與陰極電子結合析出氫氣，促進陽極金屬腐蝕，這種腐蝕過程稱為析氫腐蝕，許多金屬在酸性溶液中均受到析氫腐蝕。空氣中的氧被溶液吸收，擴散到陰極表面作為去極化劑，吸收陰極電子，促進陽極腐蝕，這種現象稱為吸氧腐蝕，金屬在堿溶液中均產生吸氧腐蝕。遭到的腐蝕不管是化學腐蝕還是電化學腐蝕，金屬腐蝕的實質都是金屬原子被氧化轉化成金屬陽離子的過程[1]。

2 防護措施

井下金屬材料腐蝕主要是電化學腐蝕，影響腐蝕速度主要因素是空氣成分、溫度、濕度、材料及其表面狀態，結合井下腐蝕產生環境的實際情況，應采取下述預防腐蝕的措施。

2.1在金屬表面覆蓋各種保護，把被保護金屬與腐蝕性介質隔開，是防止金屬腐蝕的有效方法[2]。

2.1.1涂料重防腐

涂料重防腐是底漆、中間漆和面漆組成的油漆涂層體系進行防腐，其防腐原理主要是機械屏蔽，即油漆涂層將鋼鐵與腐蝕介質相隔離，以阻止和減緩腐蝕介質對鋼鐵的侵蝕，保護鋼鐵不受腐蝕。非金屬油漆涂層隨時間的延長，環境的變化，有機物終究要老化，影響防腐性能。一般情況復合涂層可以對鋼設備進行中等年限的防護保護。涂料初次涂裝后，需定期刷面漆進行維護。如進行徹底維護時還需對鋼鐵構件重新噴砂除銹再涂裝油漆，無論是國外涂料還是國內涂料都以無數的應用實例充分證明了這一點。

2.1.2熱浸鍍鋅防腐

熱浸鍍鋅防腐是把經過酸洗除銹的鋼構件浸入480～520℃，高溫鋅熔池3～5min，使鋼鐵表面沾掛一層鋅液，經冷卻形成鍍層。熱浸鍍鋅鍍層能夠對鋼鐵提供機械屏蔽和電化學保護雙重作用，涂層與鋼鐵表面結合力較好，但鍍鋅涂層厚度一般僅為80μm左右。鋅涂層被逐漸腐蝕后局部漏出鋼鐵基體。導致涂層最終失效，因此熱浸鍍鋅防腐耐腐蝕年限稍短，僅可提供鋼鐵中等年限的防腐保護。另外，熱鍍鋅生產工藝局限性較大，對鋼井架、井筒裝備等大構件應用十分困難，而且對于形狀復雜的鋼構件，由于受高溫影響，可能會導致鋼構件的變形而影響最終作用。

2.1.3電弧噴涂防腐

通過具有平直特性的電弧噴涂電源，兩根帶正、負電的金屬(鋅、鋁或其他合金)絲材連續被送到電弧噴槍端頭，在端部短路接觸產生電弧熔化，熔融鋁的高溫液滴被壓縮空氣噴吹、霧化、噴涂至工件表面，與基體形成結合良好的電弧噴涂涂層。絲材被熔化溫度達6000℃ 。由于電弧噴涂絲材熔化溫度高，絲材熔化均勻，無半熔化或高塑性的噴涂顆粒，噴涂粒子攜帶較大的熱能和動能撞擊，涂層與基體以較強的機械結合和微冶金結合。因此電弧噴鋁涂層與金屬基體具有優良的涂層結合力，在彎曲、沖擊或碰撞下也能確保防腐涂層不脫落、不起皮，結合牢固，防腐長久有效，這一點是其他任何表面防腐涂層無法達到的。電弧噴涂層防腐原理為陰極保護和機械屏蔽相結合。在腐蝕環境下，即使防腐涂層局部破損，它仍具有犧牲自己保護鋼鐵基體之效果。涂層(陽極)與鋼鐵基體(陰極)的面積比≥1。另外，電弧噴涂層的厚度可根據設計進行施工，能夠達到較厚的厚度，使得涂層耐蝕壽命大大延長。電弧噴涂防腐涂層是由電弧噴涂涂層和有機封閉涂層組成，其耐腐蝕壽命不是二者之和，而是二者之和的1.5～2.3倍，這是世界公認的最佳協同效應。經合理設計涂層厚度，其耐腐蝕壽命完全可以達到30a以上，30a以后的維護僅需在電弧噴涂層上刷封閉涂料，無需重新噴涂，實現一次防腐，長久不腐。 但是由于煤礦井下存在瓦斯的特殊性，電弧容易引起瓦斯爆炸，該技術難以在井下應用。

2.2電化學保護法

電化學保護法是根據電化學原理在金屬設備上采取措施，使之成為腐蝕電池中的陰極，從而防止或減輕金屬腐蝕的方法。

2.2.1陽極保護法

所謂陽極保護法是指金屬在電解質溶液中，給予一定量的陽極電流。使在金屬表面形成一層耐腐蝕性能很高的鈍化膜，然后再通以較少量的陽極電流就能維持這層鈍化膜的存在，像這種防止金屬在電解質溶掖中腐蝕手段，稱為陽極保護。陽極保護法是一門新型防腐蝕技術，國外從60年代才開始應用，目前也主要用于硫酸、磷酸、有機酸、氨水等簡單設備的防腐。由于陽極保護難以控制金屬在介質中的電極電位，該技術的推廣應用還受到一定限制。

2.2.2陰極保護法

將被保護金屬與另一附加電極作為電解池的兩個極，使被保護的金屬作為陰極，在外加直流電的作用下使陰極得到保護[3]。金屬結構上，使結構上原來存在的腐蝕電池的陰極電位降至與陽極電位相等，從而使金屬結構的腐蝕電池消失，達到完全保護結構物的方法。近些年來，陰極保護法及其應用發展很快[4]，如美國自70年代起，從事陰極保護的工程公司就有100多家，其涉及的應用范圍滲透到工業各個部門。

3 煤礦金屬材料防腐趨勢

20世紀40年代為油漆防腐；50～70年代為重防腐涂料防腐、熱浸鋅防腐、火焰噴涂防腐、電弧噴涂防腐并存。80年代以后，電弧噴涂防腐技術得到廣泛應用。但是除油漆防腐外，其他防腐方法在井下都不同程度受到限制。我國煤礦井下金屬材料目前仍大量采用涂料重防腐，由于其防腐壽命較短、且后期維護費用龐大、維護期間嚴重影響生產等，因此已越來越顯現出局限性。面對日益嚴格的環保要求及使用安全等問題，水性防銹涂料逐漸將成為防腐涂料發展的主要方向。我國在這方面也取得一定的進展，如王云普等研究的新型水性帶銹轉銹乳液[5]和任毅水性帶銹防腐涂料的研制[6]。水性帶銹涂料能將一般的鐵銹轉化成穩定的無害銹，并兼有防腐蝕功能，用于已腐蝕的金屬面可不經過嚴格的除銹和表面處理直接涂裝，而且還非常適用于難以徹底表面處理的大型金屬材料。

[1] 陸致琛. 我國水工金屬結構防腐方法簡介[J]. 廣西水利水電, 2002, 26(10): 18-22.

[2] 施利炳. 金屬的腐蝕與防護[J]. 物理測試, 廣州市機電安裝有限公司, 2003(3): 41-43.

[3] 唐明華. 油氣管道陰極保護[M]. 北京:石油工業出版社, 1986:34-36.

[4] 趙應龍. 金屬腐蝕的運用[J]. 腐蝕防護報. 1986(8): 18-19.

[5] 王云普, 岳斌, 高敬民等. 新型水性帶銹轉銹乳液的合成及環保型防銹涂料的制備[J]. 特種涂料與涂裝特刊, 2006(7): 16-19.

[6] 任毅. 水性帶銹防腐涂料的研制[J]. 四川冶金, 2003(3):30-31.

Talk about the Corrosion Mechanism Mechanism of metal materials and Prevention in Coal Mine Shaft

WANG Jian-xiong
(Shanxi Lu’an Group Sima Coal Co., Ltd. Changzhi 047105, China)

Metal material corrrosion mechanism in coal mine shaft was introduced and proposed the measures and development for prevention．

corrosion; mechanism; prevention

TD407

A

10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2014.08.036.03

王建雄 (1981-) ，男，山西太原人，助理工程師，主要從事礦山機械工作。