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1、液固两相流中金属冲刷腐蚀的研究30四川化工第9卷2006年第4期一腐蚀与控制ttttttl一液固两相流中金属冲刷腐蚀的研究代真沈士明(南京工业大学机械与动力工程学院,南京,210009)摘要液固两相流中金属受冲刷和腐蚀行为的相互作用,严重影响材料的寿命.影响冲刷腐蚀的因素较多,不同的介质和不同的金属材料其冲刷腐蚀过程不同.本文对冲刷腐蚀的特征,影响因素,机理进行了论述,并提出了今后研究的方向.关键词:液固两相流冲刷腐蚀影响因素机理研究冲刷腐蚀(Erosion-Corrosion)又称为磨损腐蚀,是金属表面与腐
2、蚀流体之间由于高速相对运动而引起的金属损坏现象,是材料受冲刷和腐蚀交互作用的结果,是一种危害性较大的局部腐蚀.冲刷腐蚀在石油,化工等领域广泛存在,暴露在运动流体中的所有类型的设备如料浆泵的过流部件,弯头,三通和换热器管都会遭受到冲刷腐蚀的破坏,尤其是在含固相颗粒的双相流中破坏更为严重,它将大大缩短设备的使用寿命,故对这类腐蚀问题的研究引起了人们的高度重视.1冲刷腐蚀的影响因素液固两相流中冲刷腐蚀是一个非常复杂的过程,主要影响因素可分为流体力学因素,材料因素,两相流体中的固相颗粒因素,电化学因素等四个方面,四方
3、面的因素交织在一起,影响材料冲刷腐蚀性能.1.1流体力学因素流体力学因素主要包括流体流速,流态与冲刷角度等.l_1.1流体流速介质的流动对冲刷腐蚀有两种作用:质量传递效应和表面切应力效应.因此流体流速在冲刷腐蚀过程中起着重要作用,并直接影响冲刷腐蚀的机理.对于不具有钝化特性的金属,特别是在中性条件下,氧的存在将会加速阳极金属的溶解.因此随流速的提高,氧,二氧化碳等腐蚀剂与金属表面充分地接触,促进腐蚀;另外,液流冲击金属表面,随流速的提高,在悬浮固相颗粒作用下,切力矩作用增强,将腐蚀产物不断从金属表面剥离,并且
4、在金属基体上产生划痕,使腐蚀加剧.所以,不具钝化特性的金属冲刷腐蚀失重率随冲刷速度的增加而增大l_1,2-引.对于有钝化特性的金属,只有当介质中加入了足够的氧化剂才能产生钝化态.流速对钝化金属材料抗冲刷腐蚀性能的影响分为两种情况:低速条件下,流速的提高增加了氧的传质过程,使钝化和再钝化能力提高,金属钝化占主导地位,而冲刷作用相对较弱;而在高流速下,流体对金属表面产生的附加剪切力增大,同时固相颗粒碰撞金属表面的速度和频率也增大,冲刷作用占主导地位,随流速的提高,液固双相流冲刷对表面膜的破坏作用加剧,导致钝化第4
5、期液固两相流中金属冲刷腐蚀的研究31膜剥落,裸金属重新暴露出来,从而加剧金属的冲刷腐蚀J.1.1.2流体流态流体的流动状态有层流与湍流两种.它不仅取决于流体的流速,而且还取决于流体的性质(如粘度,密度等)和设备的几何形状(如凸出物,缝隙,突然改变流向的截面以及其它能破坏层流的障碍).通常对流动状态是用雷诺数来判别,不同的流动状态有不同的运动规律,故对冲刷腐蚀的影响也不一样.层流时,供氧量比较少,但能形成保护膜,水体对金属的剪切应力小,不能破坏保护膜.此时阴极反应呈现出氧扩散控制特征.冲刷腐蚀受氧的扩散控制,比
6、较缓慢.湍流使金属与流体介质的接触更加频繁,不仅加速了腐蚀剂的供应和腐蚀产物的转移,而且增加了流体与金属之间的剪切应力.这种应力会将金属腐蚀产物(包括保护膜)从基体上拉,撕开并冲走,同时流体中固相颗粒物无规则地剧烈冲击金属表面,促进冲刷腐蚀L2].1.1.3冲刷角度液固两相流作用在冲刷面上的力可分为水平和垂直分量,它们的损伤作用不同:水平分量对冲刷面产生切削作用;垂直分量产生撞击.随着冲刷角度变化,这两种损伤机制此消彼长,交织作用.在小角度冲刷时,水平分量作用较强,因而切削机制是材料损失的主要原因.在大角度冲
7、刷时,垂直分量作用较强,固相粒子撞击材料表面.这种损伤机制主要由两部分组成:一部分是由粒子冲击形成冲击坑及周围的突出唇,突出唇在随后的颗粒冲击下被冲掉;另一部分是粒子冲击金属表面,形成微裂纹,裂纹扩展使材料呈片状脱落.因此,会存在某一冲刷角度,微切削和冲刷撞击共同作用产生的损伤最大,从而使得材料的冲刷腐蚀失重率达到最大.1.2材料因素冲刷腐蚀是机械损伤破坏与腐蚀破坏协同作用的结果.因此金属冶金过程和性能都会影响冲刷腐蚀行为.材料抵抗冲刷腐蚀的能力主要与材料的耐腐蚀性和材料的机械性能(尤其是硬度)有关,同时也与
8、材料表面膜的形成难易有关.1.2.1材料性能选择耐冲刷腐蚀材料要从耐磨和耐腐蚀两个方面考虑,究竟是偏重于耐腐蚀还是偏重于耐磨要针对不同的情况而言.液固两相流体中,要使材料具有优良的耐冲刷腐蚀性能,首先材料必须具备优良的耐腐蚀性,同时又应具备良好的硬度,两者合理地配合尤为重要.硬度的大小对材料耐冲刷性能有很大的影响.一般硬度越高,耐冲刷性能越强,但耐冲刷腐蚀能力却不一定强.因此在发展耐冲刷腐蚀材料时,
