流體誘導(dǎo)腐蝕的研究進(jìn)展

西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 劉小燕

流體誘導(dǎo)腐蝕的研究進(jìn)展

西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 劉小燕

一、流體誘導(dǎo)腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

流體誘導(dǎo)腐蝕的研究設(shè)備多種多樣，所得到的腐蝕數(shù)據(jù)隨實(shí)驗(yàn)方法的不同而有一定的差異。目前，國(guó)內(nèi)外采用的流體誘導(dǎo)腐蝕裝置大都是研究者根據(jù)自身的實(shí)驗(yàn)要求，自主設(shè)計(jì)和制造。其基本結(jié)構(gòu)大同小異，主要有管流裝置和噴射裝置。

噴射式實(shí)驗(yàn)裝置主要有砂漿泵、閥、電磁流量計(jì)、電化學(xué)工作站；管流式實(shí)驗(yàn)裝置主要有泵、閥、流量計(jì)、封閉式管道和電化學(xué)工作站。兩種裝置都是通過(guò)泵產(chǎn)生動(dòng)力使流體沖刷試樣，用流量計(jì)和閥門調(diào)節(jié)流速，再用電化學(xué)工作站來(lái)測(cè)腐蝕速率。兩種實(shí)驗(yàn)裝置各有優(yōu)缺點(diǎn)，從流速控制和沖蝕角度來(lái)講，噴射式實(shí)驗(yàn)裝置的流速和沖蝕角度容易調(diào)節(jié)，特別是高流速的動(dòng)態(tài)電化學(xué)測(cè)試比較容易實(shí)現(xiàn)；從流體力學(xué)模型的建立和模擬工況的真實(shí)度來(lái)講，管流式實(shí)驗(yàn)裝置最容易建立流體力學(xué)模型和真實(shí)的模擬工況；從經(jīng)濟(jì)性和試驗(yàn)周期角度來(lái)講，管流式實(shí)驗(yàn)裝置的造價(jià)和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用最高，實(shí)驗(yàn)周期也長(zhǎng)。

二、流體誘導(dǎo)腐蝕機(jī)理

與靜態(tài)條件下的腐蝕相比，在流體誘導(dǎo)腐蝕過(guò)程中， 流體力學(xué)因素與腐蝕電化學(xué)因素交互作用引起的協(xié)同效應(yīng)是腐蝕加劇的實(shí)質(zhì)。流體沖刷造成材料局部酸化，加速材料腐蝕速率，并阻止產(chǎn)物膜的形成。腐蝕作用粗化并破壞材料硬化表面，暴露出材料基體，降低了材料的機(jī)械性能，促進(jìn)流體沖刷作用效果。雖然流體力學(xué)因素與腐蝕電化學(xué)因素的交互作用是腐蝕加劇的實(shí)質(zhì)。但針對(duì)不同的腐蝕介質(zhì)和流體誘導(dǎo)條件，交互作用中哪方面因素是主要因素還需進(jìn)一步的研究。

三、流體誘導(dǎo)腐蝕的影響因素

流體誘導(dǎo)腐蝕是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，影響因素眾多，概括起來(lái)主要包括材料、環(huán)境和流體力學(xué)3個(gè)方面。

以前學(xué)者通過(guò)失重實(shí)驗(yàn)以及后來(lái)引入的各種流動(dòng)條件下的電化學(xué)測(cè)量技術(shù)，對(duì)材料和環(huán)境的影響規(guī)律有了較為深入的研究，進(jìn)而開(kāi)展了流體沖刷和腐蝕交互作用的研究，以期揭示流體誘導(dǎo)腐蝕的本質(zhì)。相對(duì)而言，流體力學(xué)因素的影響規(guī)律研究較為膚淺。因而，無(wú)論是對(duì)流體誘導(dǎo)腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測(cè)，還是對(duì)流體誘導(dǎo)腐蝕機(jī)理的深入闡述，都受到限制。

四、流體誘導(dǎo)腐蝕研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)研究流體誘導(dǎo)腐蝕的主要機(jī)構(gòu)有中科院金屬研究所、中國(guó)石油大學(xué)、中石油管材研究所、西南石油學(xué)院等。研究方法主要以數(shù)值模擬為主，實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較少。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也都是通過(guò)測(cè)失重得出平均腐蝕速率。國(guó)外許多大學(xué)也通過(guò)各種試驗(yàn)方法來(lái)研究流體誘導(dǎo)腐蝕協(xié)同作用的機(jī)理。采用電化學(xué)和失重以及表面觀察等方法進(jìn)行綜合分析，從微觀和宏觀兩方面對(duì)沖刷腐蝕機(jī)理進(jìn)行研究，這樣采取多種方法研究的結(jié)果能夠更加準(zhǔn)確。目前對(duì)流體誘導(dǎo)腐蝕的研究主要集中在以下幾個(gè)方面。

1.流體誘導(dǎo)腐蝕動(dòng)力學(xué)模型研究。林玉珍、雍興躍等在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方法，針對(duì)旋轉(zhuǎn)圓盤中的流體力學(xué)，模擬計(jì)算流速分布， 求出碳鋼表面近壁處的流體力學(xué)參數(shù)， 考察其對(duì)碳鋼腐蝕的影響， 并建立流體腐蝕的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得出碳鋼在層流和湍流條件下的腐蝕數(shù)學(xué)模型。

2.流體誘導(dǎo)腐蝕協(xié)同作用研究。許多學(xué)者用公式概述此過(guò)程，即

使用不同的測(cè)量方法，測(cè)得各分項(xiàng)和協(xié)同作用項(xiàng)有很大差異。有些學(xué)者用靜態(tài)腐蝕失重量代表式中的△WC項(xiàng)，用含固量相同的非腐蝕流體中材料的動(dòng)態(tài)失重量代表式中的△WE項(xiàng)；有些學(xué)者采用陰極保護(hù)下的動(dòng)態(tài)失重量代表式中的△WE項(xiàng)，動(dòng)態(tài)下腐蝕電化學(xué)數(shù)據(jù)換算成的失重量代表式中的△WC項(xiàng)。第一種表示法的優(yōu)點(diǎn)是有工程的直觀性，第二種表示法則更能說(shuō)明交互作用的本質(zhì)。

另一種測(cè)試方法就是比較動(dòng)態(tài)純腐蝕與靜態(tài)純腐蝕失重率對(duì)沖刷腐蝕交互作用失重率的影響。采用電化學(xué)測(cè)試方法分別測(cè)定動(dòng)態(tài)和靜態(tài)純腐蝕的電化學(xué)行為，分析這兩種不同的測(cè)試方法哪一個(gè)更能反映材料沖刷腐蝕交互作用失重率的本質(zhì)。沖刷腐蝕交互作用失重率的計(jì)算方法如下。

用動(dòng)態(tài)Wc計(jì)算動(dòng)態(tài)△Wec的公式為

用靜態(tài)∪c計(jì)算靜態(tài)△∪ec 的公式為

以上兩種方法都可以測(cè)出流體誘導(dǎo)腐蝕交互作用量，但公式（2）能比較直觀地反應(yīng)交互作用，因此也被大多數(shù)學(xué)者接受，而且計(jì)算精度較高。公式（3）在高流速下計(jì)算的交互作用誤差較大。

3.影響因素研究。流體誘導(dǎo)腐蝕的影響因素很多，掌握各個(gè)影響因素的作用規(guī)律一直是流體誘導(dǎo)腐蝕研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。