腐蚀工程手册（原著第三版）

译者前言 
《腐蚀工程手册（原著第三版）》是一本有关腐蚀科学与工程技术的综合性工具书。该手册内容十分丰富，其中不仅涉及腐蚀与腐蚀控制的基本理论，还结合大量工业腐蚀实际案例进行了详细阐述，并补充了目前腐蚀工程领域中一些最重要的进展。正如作者所言，该手册中包含了作者自己的一些研究成果，但更多的是对当前腐蚀科学技术成果的总结，无论是对腐蚀工程技术人员还是腐蚀科研工作者，都是一本很有价值的参考资料。该手册首先简单介绍了腐蚀的基本概念与腐蚀工程师的基本任务，随后分章节详细介绍了水溶液及其他主要腐蚀环境中腐蚀控制的基本原理、腐蚀模型与寿命预测、腐蚀失效分析、腐蚀管理、检测与维修、腐蚀监测、工程设计与选材、保护涂层、缓蚀剂、阴极保护等相关内容。此外，书后还提供了有关附录，包括元素周期表、国际标准（SI）单位表、常用参比电极、工程合金化学成分以及腐蚀科学里程碑事件。手册简明扼要，条理清晰，且各章内容相对独立，查阅和使用十分方便，读者可根据需要选择性地阅读。 
该手册的翻译和校正工作主要由以下单位同志完成。第一章、第七章、第十四章、附录及其他内容：赵旭辉（北京化工大学）；第二章：孙永亮（苏州热工研究院有限公司），卢向雨（河海大学）；第三章：尚宪和（中核核电运行管理有限公司），赵旭辉（北京化工大学）；第四章：周勇（武汉工程大学）；第五章：金伟（沈阳中科腐蚀控制工程技术有限公司），林冰（西南石油大学）；第六章：卢向雨（河海大学），廉纪祥（北京百川井田油气科技有限公司）；第八章：周勇（武汉工程大学），赵旭辉（北京化工大学）；第九章：刘瑶、张明作、高佳伟、冯志永（北京市鼎新新技术有限责任公司），赵旭辉（北京化工大学）；第十章：卢向雨（河海大学），陈博、刘子豪（沈阳中科环境工程科技开发有限公司）；第十一章：赵旭辉（北京化工大学），尚宪和、张维（中核核电运行管理有限公司），孙永亮、刘洪群（苏州热工研究院有限公司）；第十二章：刘兴唐（广东兴鲁涂料工程有限公司），周勇（武汉工程大学）；第十三章：林冰（西南石油大学）。全书由北京化工大学赵旭辉总校和审定。 
在组织翻译和审校过程中，译者得到了化学工业出版社的大力协助，深表感谢。由于译者水平有限，时间仓促，译文中难免存在疏漏，敬请读者谅解和指正。 

译者 
2023年7月 

前言 
腐蚀是一个自发过程。目前使用的大多数结构材料，基本上都处于热力学不稳定状态，铁、铬、镍、钛、铝和很多其他金属都是以氧化物或硫酸盐等化合物形式自然存在于地壳之中。一旦有腐蚀环境提供机会，这些金属就可能迅速恢复到它们在地壳中自然存在的初始状态，即氧化物或盐类化合物等形式。此外，腐蚀还可能严重影响系统和装备的正常运行，造成巨大的经济损失，甚至威胁人身安全。 
本手册主要面向腐蚀工程师，可从检测与监测到预防与控制等诸多方面为解决腐蚀问题提供参考。本手册第三版保留了第二版的主体结构，主要对相关内容进行了重新编排，使其更清晰明了，并补充和更新了目前腐蚀工程领域中一些最重要的进展。这项工作很有挑战性，也很有意义。近些年来，我们对腐蚀过程及其预防与控制技术的认识不断深入。事实上，有关腐蚀工程各相关领域的科学发现和技术革新，呈指数级增长。 
本手册第三版遵循上一版的布局，分为14章，但每章内容都相对独立，读者可以跳过前面章节，选择阅读所感兴趣的章节。前六章介绍了水溶液及其他主要腐蚀环境中腐蚀控制的基本原理。其中第二章主要介绍了室内及户外环境中各种金属和合金的腐蚀行为，这也是后面关于金属耐蚀性的检测方法以及预防和控制腐蚀措施的基础。 
第三章主要阐述了与现代生活息息相关的水及海水中的腐蚀问题。本章以弗林特（Flint）危机为例，阐述了在保护宝贵水资源行动中所涉及腐蚀问题的复杂性及诸多困难。第四章讨论了土壤腐蚀的各种影响因素，并重点介绍了土壤腐蚀性的很多评估方法。 
第五章介绍了钢筋混凝土的腐蚀及其各种影响因素。在人类建造的诸多极具挑战性的建筑中，钢筋混凝土都是极其重要的工程结构材料。一旦发生事故，其后果将非常可怕，如2018年8月14日意大利热那亚（Genoa）莫兰迪（Morandi）大桥的坍塌。 
第六章介绍了微生物腐蚀及其各种影响因素，神奇的微生物可使原本良性的服役环境逆转成为强腐蚀性的环境。此外，此章还讨论了微生物繁殖可能对水处理设备性能和耐久性造成的各种影响及其危险后果。第七章详细介绍了在过去的100多年里以材料腐蚀动力学理论为基础的几种典型腐蚀预测模型，以及伴随着计算机技术飞速发展进而建立起来的几种非常实用的寿命预测方法。 
第八章腐蚀失效部分，我们首先介绍了各种具体腐蚀损伤形态及相关分析检测方法和腐蚀预防控制措施，并在此基础上对前版相关内容进行了大量的修订。第九章是本手册中最新补充的内容，我们首先介绍了腐蚀管理的基本概念，接着分析讨论了较为传统的维修与检测的腐蚀管理策略特点。此外，本章还介绍了最近引入的先进IMPACT腐蚀管理体系，它可作为在平衡运行需求冲突时，基于日常管理做出关键性决策的依据。 
第十章从腐蚀监测方法的基本物理化学原理出发，详细介绍了多种不同类型的实用腐蚀监测技术，包括最直接的侵入式技术到离线监测技术。同时，在本章中，我们还介绍了在制订高效腐蚀监测方案时所必须考虑的诸多重要因素，涉及从数据分析和监测报告到探针设计和安装等各个环节。 
第十一章是本手册中篇幅最长的一章，其中详细介绍了铝、铜、镍、铬、镁、难熔金属、钛、锆、铸铁、不锈钢及其他钢材等主要工程合金系列材料的性能及其腐蚀防护注意事项，特别有价值。本章也是腐蚀选材的重要参考资料。 
最后三章介绍了几种常见的金属防腐蚀手段及其在实际应用中相关注意事项。第十二章讨论了与涂层性能和失效相关的几个基础性问题，并详细介绍了多种防护涂层及其役中或役前的性能测试方法。 
第十三章介绍了另一种非常重要且广泛应用的防腐蚀方法，即添加缓蚀剂，降低环境的腐蚀性。缓蚀剂可以添加在防护涂层中，也可以加入到强酸性清洗液甚至饮用水中，以降低环境的腐蚀性，使腐蚀可控。手册最后一章，即第十四章，全面介绍了阴极保护技术，该技术可解决大多数常见环境中很多结构设施的腐蚀问题，如船舶、管线、石油钻井平台及其他部件和系统。 
附录A为元素周期表，附录B为国际标准单位（SI）换算表，用于不同标准的单位转换。附录C列出了常用参比电极及相关信息，其中参比电极是测量腐蚀电位的重要工具。附录D列出了工程合金的化学成分。附录E总结了在腐蚀科学与工程技术发展历程中的一些里程碑事件。 
第十四章和附录部分英文电子版文件，可以访问麦格劳-希尔集团（McGraw-Hill）网站上相关链接获得。 

本书是一本有关腐蚀科学技术的综合性工具书。内容包括水、大气及土壤等主要环境中的腐蚀与控制问题，涉及生物污损，腐蚀模型与寿命预测，腐蚀失效分析，腐蚀管理、维修与检测，腐蚀监测，工程设计与选材，保护涂层，缓蚀剂和阴极保护等相关内容。本书不仅涉及腐蚀与腐蚀控制的基本理论，而且还结合大量工业腐蚀实际案例进行了详细阐述，并补充了目前腐蚀工程领域中一些重要进展，全面实用。本书适合从事腐蚀工程的设计、生产、科研及管理人员使用，还可以作为高校相关专业师生的参考书。

皮埃尔·罗贝热（Pierre R. Roberge），博士，腐蚀研究科学家、工程师、顾问。2011年获得国际腐蚀工程师协会T.J.Hull奖以及材料与加工技术集团颁发的非原子军事研究与开发技术合作项目成就奖。赵旭辉，北京化工大学，副教授。1998年硕士毕业于北京化工大学腐蚀与防护专业，然后留校任教，在北京化工大学一直从事材料腐蚀与电化学监检测技术相关的科研与教学工作，其中2009-2010年在日本名古屋工业大学做博士后研究，先后主讲《材料腐蚀学》《材料保护学》《材料科学研究方法》《表面工程学》等与腐蚀与防护相关的本科生与研究生课程，目前主要从材料性能的电化学评价、金属腐蚀失效机理与监测、涂层服役性能快速评测及寿命预测等方面的研究工作，参译著作1部，发表论文100余篇。

第一章　绪论001 
1.1　腐蚀概念的历史演化001 
1.2　腐蚀电池的可视化003 
1.3　一个简单的腐蚀模型005 
1.3.1　阳极过程007 
1.3.2　阴极过程007 
1.3.3　法拉第定律009 
1.4　日常生活中的腐蚀010 
1.4.1　道路车辆010 
1.4.2　混凝土基础设施012 
1.4.3　水质和供水系统013 
1.5　腐蚀成本和IMPACT 研究014 
1.5.1　早期研究014 
1.5.2　2002 年联邦高速公路管理局的研究015 
1.5.3　2014 年美国腐蚀工程师协会的IMPACT 研究017 
1.6　腐蚀工程师的任务017 
1.6.1　团队成员018 
1.6.2　腐蚀工程师教育018 
1.6.3　腐蚀工程师和管理019 
参考文献019 

第二章　大气腐蚀021 
2.1　引言021 
2.2　户外大气环境021 
2.3　室内大气环境024 
2.4　大气腐蚀影响因素及其测量026 
2.4.1　相对湿度、露点、湿润时间027 
2.4.2　悬浮微粒028 
2.4.3　污染物030 
2.4.4　大气腐蚀性031 
2.5　大气腐蚀试验033 
2.5.1　户外环境暴露试验033 
2.5.2　户外间歇式喷雾试验035 
2.5.3　盐雾箱试验036 
2.5.3.1　盐雾试验037 
2.5.3.2　改进的盐雾试验038 
2.6　预防与控制039 
2.6.1　大气腐蚀图039 
2.6.2　追踪季节性和区域性变量040 
2.6.3　维修成本优化041 
2.6.4　材料选择044 
2.6.5　除湿046 
参考文献047 

第三章　水和海水腐蚀049 
3.1　引言049 
3.2　腐蚀和水质/可用性049 
3.2.1　腐蚀影响050 
3.2.1.1　缺乏足够的腐蚀控制：弗林特危机实例050 
3.2.1.2　健康法规051 
3.2.1.3　美学和消费者感知051 
3.2.1.4　管道过早损坏及其经济影响051 
3.2.1.5　环境问题052 
3.2.2　腐蚀管理052 
3.2.2.1　短期腐蚀管理053 
3.2.2.2　长期腐蚀管理053 
3.2.2.3　长期腐蚀管理规划的必要性054 
3.2.2.4　用水管线管理框架054 
3.2.3　状态评估技术055 
3.3　水的类型056 
3.3.1　天然水057 
3.3.1.1　淡水057 
3.3.1.2　苦咸水060 
3.3.2　净化水062 
3.3.2.1　饮用水062 
3.3.2.2　蒸馏水或软化水062 
3.3.2.3　蒸汽冷凝水062 
3.4　冷却水系统063 
3.4.1　直流式系统063 
3.4.2　密闭式循环系统064 
3.4.3　敞开式循环系统064 
3.4.4　换热器066 
3.5　蒸汽发电系统067 
3.5.1　锅炉给水补水处理067 
3.5.2　化石燃料蒸汽发电设备068 
3.5.3　超临界蒸汽发电设备068 
3.5.4　废热锅炉070 
3.5.5　核沸水反应堆070 
3.5.6　核压水反应堆071 
3.5.7　电力行业腐蚀成本072 
3.6　水处理075 
3.6.1　缓蚀剂076 
3.6.2　阻垢076 
3.6.3　微生物控制077 
3.6.4　离子交换树脂的类型077 
3.6.4.1　强酸性阳离子树脂078 
3.6.4.2　弱酸性阳离子树脂078 
3.6.4.3　强碱性阴离子树脂078 
3.6.4.4　弱碱性阴离子树脂079 
3.7　结垢指数079 
3.7.1　朗格利尔饱和指数079 
3.7.1.1　朗格利尔饱和指数计算举例080 
3.7.1.2　朗格利尔饱和指数的误用081 
3.7.2　其他结垢指数082 
3.8　铅腐蚀：氯-硫质量比083 
3.9　海水腐蚀084 
3.9.1　盐度085 
3.9.2　氧086 
3.9.3　有机质088 
3.9.4　污染海水088 
3.9.5　钙质沉积物089 
3.9.5.1　计算示例090 
3.9.6　材料的耐海水腐蚀性092 
3.9.6.1　碳钢093 
3.9.6.2　不锈钢093 
3.9.6.3　镍基合金094 
3.9.6.4　铜基合金094 
3.9.6.5　流速影响094 
3.9.6.6　温度影响094 
参考文献095 

第四章　土壤腐蚀097 
4.1　引言097 
4.2　土壤分类097 
4.3　土壤腐蚀性的影响因素098 
4.3.1　水098 
4.3.2　土壤类型099 
4.3.3　含气量100 
4.3.4　pH 值100 
4.3.5　土壤电阻率100 
4.3.6　结构-土壤间电位差和氧化还原电位100 
4.3.7　氯化物101 
4.3.8　硫酸盐101 
4.3.9　微生物102 
4.4　土壤腐蚀性分级102 
4.5　土壤腐蚀电池104 
4.5.1　电偶腐蚀105 
4.5.2　浓度电池106 
4.5.3　氧浓度电池107 
4.5.4　温度电池108 
4.5.5　杂散电流109 
4.5.6　应力电池110 
4.5.7　表面膜电池111 
4.6　腐蚀电池的附加影响112 
4.6.1　氢112 
4.6.2　电渗113 
4.6.3　阴极结垢113 
4.6.4　点蚀113 
4.7　埋地系统实例114 
4.7.1　管线114 
4.7.2　分配系统115 
4.7.3　集气系统115 
4.7.4　工厂管道系统115 
4.7.5　油井套管115 
4.7.6　地下储罐116 
4.7.7　钢桩116 
4.7.8　传输和通信塔116 
4.8　碳钢之外的其他材料的腐蚀116 
4.8.1　铸铁116 
4.8.2　铝合金116 
4.8.3　锌117 
4.8.4　铅117 
4.8.5　不锈钢117 
4.8.6　铜及其合金118 
4.8.7　混凝土118 
4.8.8　聚合物材料118 
参考文献119 

第五章　钢筋混凝土腐蚀120 
5.1　引言120 
5.2　钢筋混凝土的劣化120 
5.2.1　腐蚀萌生和扩展121 
5.2.1.1　萌生阶段122 
5.2.1.2　扩展阶段123 
5.2.2　氯离子侵蚀124 
5.2.2.1　氯离子来源124 
5.2.2.2　氯离子侵蚀机制和氯离子阈值125 
5.2.2.3　宏电池的形成125 
5.2.3　碳化腐蚀126 
5.2.4　氯离子和碳化腐蚀的协同作用127 
5.3　补救措施127 
5.3.1　修复技术128 
5.3.2　电化学技术129 
5.3.2.1　外加电流的阴极保护129 
5.3.2.2　牺牲阳极的阴极保护131 
5.3.2.3　电化学脱氯132 
5.3.2.4　再碱化133 
5.3.3　新建结构——钢筋选择133 
5.3.3.1　环氧涂层钢筋133 
5.3.3.2　不锈钢钢筋133 
5.3.3.3　镀锌钢筋135 
5.3.4　缓蚀剂135 
5.3.5　混凝土保护层和拌合料设计135 
5.4　钢筋混凝土结构的状态评估136 
5.4.1　半电池电势分布图138 
5.4.2　氯离子含量139 
5.4.3　岩相检测139 
5.4.4　渗透性试验139 
5.5　混凝土劣化的其他形式139 
5.5.1　碱-集料反应140 
5.5.2　冻融损伤140 
5.5.3　硫酸盐侵蚀140 
参考文献140 

第六章　微生物和生物污损142 
6.1　引言142 
6.2　微生物腐蚀实例142 
6.3　生物膜属性144 
6.4　生物膜的形成和生长145 
6.5　海洋生物污损147 
6.6　与生物膜相关问题147 
6.6.1　摩擦系数147 
6.6.2　热交换148 
6.7　生物腐蚀机制149 
6.8　微生物分类149 
6.8.1　真菌151 
6.8.2　藻类151 
6.8.3　细菌151 
6.8.3.1　硫酸盐还原菌152 
6.8.3.2　硫/硫化物氧化菌153 
6.8.3.3　铁/锰氧化菌153 
6.8.3.4　产甲烷菌154 
6.8.3.5　产有机酸菌154 
6.8.3.6　好氧黏泥菌154 
6.9　微生物腐蚀监测154 
6.9.1　取样155 
6.9.2　生物学评估155 
6.9.2.1　直接检查156 
6.9.2.2　生长试验156 
6.9.2.3　活性试验157 
6.9.2.4　标准样片精细检查158 
6.9.3　微生物腐蚀的影响监测159 
6.9.3.1　沉积物监测仪159 
6.9.3.2　电化学方法159 
6.10　生物膜的控制161 
6.10.1　杀生剂162 
6.10.2　一个实例：冷却塔的臭氧处理165 
参考文献166 

第七章　腐蚀模型和寿命预测168 
7.1　模型、计算机与腐蚀168 
7.2　早期模型（历史记录） 168 
7.3　自下而上的腐蚀模型171 
7.3.1　机械模型171 
7.3.1.1　污染物向表面的传质171 
7.3.1.2　海洋悬浮颗粒传输172 
7.3.1.3　液滴下腐蚀172 
7.3.1.4　风速因子173 
7.3.1.5　离子缔合模型173 
7.3.2　概率模型179 
7.3.2.1　正态分布180 
7.3.2.2　对数正态分布181 
7.3.2.3　指数分布181 
7.3.2.4　泊松分布181 
7.3.2.5　极值统计181 
7.3.2.6　核废物包装容器的失效183 
7.3.2.7　腐蚀损伤函数183 
7.3.2.8　ISO CORRAG 计划184 
7.3.2.9　关于材料影响因素的国际合作计划（ICP 材料） 185 
7.3.2.10　伊比利亚-美洲大气腐蚀图计划（MICAT） 185 
7.3.2.11　地形对风速的影响186 
7.4　自上而下的腐蚀模型186 
7.4.1　腐蚀管理框架186 
7.4.1.1　政策和宗旨清晰187 
7.4.1.2　组织架构和职责187 
7.4.1.3　计划、规程和实施188 
7.4.1.4　性能监测和测量188 
7.4.1.5　性能评价189 
7.4.1.6　审核189 
7.4.2　风险模型189 
7.4.3　知识模型191 
7.4.3.1　专家系统192 
7.4.3.2　神经网络195 
7.4.3.3　案例推理198 
7.4.4　在线培训或学习199 
7.5　腐蚀信息与通信技术201 
7.5.1　腐蚀术语表202 
7.5.2　腐蚀手册和专题报告202 
参考文献202 

第八章　腐蚀失效205 
8.1　引言205 
8.2　腐蚀失效机制和形式205 
8.2.1　全面或均匀腐蚀207 
8.2.2　局部腐蚀207 
8.2.2.1　点蚀207 
8.2.2.2　缝隙腐蚀212 
8.2.2.3　电偶腐蚀218 
8.2.2.4　沉积腐蚀226 
8.2.2.5　脱合金腐蚀 226 
8.2.2.6　晶间腐蚀229 
8.2.2.7　剥层腐蚀234 
8.2.2.8　氢腐蚀（氢蚀） 236 
8.2.3　流动腐蚀240 
8.2.3.1　流速影响241 
8.2.3.2　磨损腐蚀和流动加速腐蚀245 
8.2.3.3　空泡腐蚀247 
8.2.3.4　固体粒子冲击249 
8.2.3.5　流动腐蚀试验250 
8.2.4　力作用下的腐蚀266 
8.2.4.1　应力腐蚀开裂267 
8.2.4.2　腐蚀疲劳273 
8.2.4.3　微动腐蚀275 
8.3　腐蚀失效研究277 
8.3.1　腐蚀失效研究指南278 
8.3.2　执行失效分析279 
8.3.2.1　制定分析计划280 
8.3.2.2　失效部位的状态280