影響金屬沖刷腐蝕的主要因素

 流體環(huán)境對沖刷腐蝕的影響

流體環(huán)境中，金屬基體在靜態(tài)溶液中形成的表面氧化膜難以持續(xù)存在，腐蝕加劇[9,35]。流體對金屬沖刷腐蝕的影響主要表現(xiàn)為正應(yīng)力和剪切應(yīng)力的競爭效應(yīng)。機(jī)械磨損、電化學(xué)腐蝕、以及兩者的協(xié)同作用主要決定于電解液、金屬本身的性質(zhì)和摩擦學(xué)條件[12]。

Meng等[10]研究了液體流速、沙含量及溫度對不銹鋼沖刷腐蝕行為的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水流速率和沙介質(zhì)對腐蝕速率的影響較大，溫度影響最小。Hussain等[70]認(rèn)為金屬表面的去鈍化及再鈍化過程與單位時(shí)間內(nèi)沙粒撞擊電極表面的動力學(xué)總能量EK有關(guān)。

式中，N為沙粒單位時(shí)間內(nèi)撞擊電極表面的次數(shù)，mav為沙粒的平均質(zhì)量，V為沙粒的運(yùn)動速率。

流速對沖刷腐蝕的影響 在沖刷腐蝕過程中，流體流速發(fā)揮著重要的作用，其影響著傳質(zhì)過程尤其是腐蝕粒子Cl-的傳遞。

流速對沖刷腐蝕的影響可分為3種情況[71]：(1) 流速較低且沒有誘發(fā)對流的情況下，傳質(zhì)主要由自然對流引起，金屬表面鈍化膜保護(hù)金屬免于嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕，金屬鈍化占主導(dǎo)地位，沖刷磨損相對較弱;電化學(xué)腐蝕在整個(gè)沖刷腐蝕過程中占主導(dǎo)地位，沖刷腐蝕主要受電化學(xué)腐蝕機(jī)制控制[54]。(2) 在中等流速時(shí)，誘發(fā)的對流導(dǎo)致傳質(zhì)的增加，液體流動引起的剪切力使得電極表面的鈍化膜不再穩(wěn)定，腐蝕速率迅速增大，此時(shí)，沖刷磨損開始占據(jù)主導(dǎo)作用。(3) 在更高的沖刷速率下，金屬表面難以形成有效的保護(hù)膜，腐蝕速率達(dá)到較高值，且不再發(fā)生變化，此時(shí)會產(chǎn)生機(jī)械流體效應(yīng)，并且材料的損傷機(jī)制變得格外復(fù)雜。楊帆等[52]采用循環(huán)極化曲線檢測BFe30-1-1銅鎳合金在不同流速人工海水中電極表面鈍化膜的完整性時(shí)發(fā)現(xiàn)，在低流速 (低于2 m/s) 或靜止條件下，材料表面存在較完整的保護(hù)膜，而高流速 (3 m/s) 下保護(hù)膜破裂。對于UNS S32654和UNS S31603兩種不銹鋼，臨界速度都在4~7 m/s之間[53]。低于臨界流速時(shí)，電化學(xué)腐蝕在整個(gè)沖刷腐蝕過程中占主導(dǎo)地位，沖刷腐蝕主要受電化學(xué)腐蝕機(jī)制控制[54];高于臨界流速時(shí)，金屬的沖刷腐蝕受電化學(xué)腐蝕與沖刷磨損機(jī)制控制。當(dāng)溶液流速增至7 m/s時(shí)，電極表面會發(fā)生彈性變形并出現(xiàn)劃痕[53]。不同沖刷條件下，金屬的流速臨界值不同。高流速下沙粒撞擊的動力學(xué)能量的增大及撞擊次數(shù)的增加，將產(chǎn)生較大的瞬態(tài)腐蝕電流。

吳成紅等[72]認(rèn)為增大流速也有其有益的一面，如增大流速可以減少腐蝕性物質(zhì)在金屬表面的累積，從而避免點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的發(fā)生。另外，增大流速可以改善鈍化劑或抑制劑通過流動邊界層到達(dá)金屬表面的能力，從而促進(jìn)金屬的鈍化，起到抑制腐蝕，保護(hù)金屬基體的作用。

此外，Ruff等[73]總結(jié)了影響金屬機(jī)械磨損的因素，其中最主要的是含沙流體的流速;機(jī)械磨損隨流體的流速增大，以沙粒速率的平方或立方的速率加速磨損。在Bitter的模型]中，機(jī)械磨損正比于沙粒速率的平方。

沙含量的影響 流體中的沙粒加速了金屬的腐蝕。沙粒對電極表面氧化膜的沖擊破壞使得金屬裸露在流體中，或者沙粒沖擊電極表面使得氧化膜難以形成，導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕及其與沖刷磨損的協(xié)同效應(yīng)部分對整個(gè)電極失重貢獻(xiàn)很大[15]。有研究[17,19,53]發(fā)現(xiàn)，在不加沙的條件下，Al合金和不銹鋼的電化學(xué)腐蝕主要由O2的擴(kuò)散步驟控制，增大電極轉(zhuǎn)速，O2擴(kuò)散速率加快，電極表面形成氧化膜;在加沙條件下，電極轉(zhuǎn)速增大時(shí)，合金的電化學(xué)腐蝕加劇。

沖刷腐蝕速率隨著溶液中沙含量的增加而上升[27]。Zhang等[9]在研究了乙二醇/水溶液體系中3003鋁合金的沖刷腐蝕后指出，隨著沙含量的增加，沖刷腐蝕總速率增大，其中機(jī)械磨損部分的失重增加較多，而電化學(xué)腐蝕部分基本不變。這一研究結(jié)果得到了Stack等[24]的證實(shí)。其采用CFD模型來模擬室溫下粒子濃度對90°彎管的沖刷腐蝕的影響，結(jié)果表明，隨著沙濃度的升高，電化學(xué)腐蝕在整個(gè)沖刷腐蝕的比重下降。

沖刷腐蝕程度并不隨著含沙量的升高而一直加劇。Meng等[10]和Hu等[33]研究了不銹鋼從鈍化態(tài)到偽鈍態(tài)的腐蝕轉(zhuǎn)換行為，并證明了沙含量臨界值的存在。在腐蝕體系由流體引發(fā)的電化學(xué)腐蝕到?jīng)_刷腐蝕的轉(zhuǎn)變中，沙含量及流體流速存在臨界值，表明電極表面在低含沙量和低流速下形成的鈍化膜消失[53]。Zheng等[75]認(rèn)為，溶液中沙含量在臨界值以下時(shí)，沖刷腐蝕速率隨沙含量增大而加劇，當(dāng)沙含量高于臨界值時(shí)，沖刷腐蝕速率達(dá)到穩(wěn)定，不再隨沙含量增大而增加。在Hu等[53]的研究中，臨界含沙量為60~100 mg/L;高于臨界值時(shí)，兩種不銹鋼電流明顯增大，并且波動頻率變大，這主要源于沖刷腐蝕由流體引發(fā)的電化學(xué)腐蝕機(jī)制轉(zhuǎn)換為沖刷腐蝕機(jī)制。含沙量低于60 mg/L時(shí)，電流的上升主要源于電化學(xué)反應(yīng) (如點(diǎn)蝕的產(chǎn)生)。在含沙量為60~200 mg/L時(shí)，沙粒對電極表面的撞擊有效地破壞了表面的氧化膜，導(dǎo)致電流上升。然而，Neville等[15]發(fā)現(xiàn)沙含量更高 (15%和20%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 時(shí)，合金由于沖刷腐蝕導(dǎo)致的失重下降，可能由于碰撞沙粒和反彈沙粒之間的相互干擾所致[72]。

運(yùn)用該模型計(jì)算得到對UNS S31603不銹鋼影響最大的環(huán)境因素為溶液流速，這與Luo等[76]的研究結(jié)果一致;然后是沙含量及其與溶液流速協(xié)同作用的影響;在高流速和高沙粒含量時(shí)，沙含量與溶液流速協(xié)同作用較強(qiáng)。上述協(xié)同作用并不僅僅受某個(gè)因素影響，當(dāng)沒有足夠的撞擊動力學(xué)能量時(shí)，脆性粗糙面不能移動，所以推測兩者協(xié)同作用的迅速增加主要受臨界撞擊動力學(xué)能量的影響。