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)為正應力和剪切應力的競爭效應。機械磨損、電化學腐蝕、以及兩者的協(xié)同作用主要決定于電解液、金屬本身的性質和摩擦學條件[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。實驗發(fā)現(xiàn)，水流速率和沙介質對腐蝕速率的影響較大，溫度影響最小。Hussain等[70]認為金屬表面的去鈍化及再鈍化過程與單位時間內(nèi)沙粒撞擊電極表面的動力學總能量EK有關。

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

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，傳質主要由自然對流引起，金屬表面鈍化膜保護金屬免于嚴重的電化學腐蝕，金屬鈍化占主導地位，沖刷磨損相對較弱;電化學腐蝕在整個沖刷腐蝕過程中占主導地位，沖刷腐蝕主要受電化學腐蝕機制控制[54]。(2) 在中等流速時，誘發(fā)的對流導致傳質的增加，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，沖刷磨損開始占據(jù)主導作用。(3) 在更高的沖刷速率下，金屬表面難以形成有效的保護膜，腐蝕速率達到較高值，且不再發(fā)生變化，此時會產(chǎn)生機械流體效應，并且材料的損傷機制變得格外復雜。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膜，而高流速 (3 m/s) 下保護膜破裂。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，電化學腐蝕在整個沖刷腐蝕過程中占主導地位，沖刷腐蝕主要受電化學腐蝕機制控制[54];高于臨界流速時，金屬的沖刷腐蝕受電化學腐蝕與沖刷磨損機制控制。當溶液流速增至7 m/s時，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在金屬表面的累積，從而避免點蝕和縫隙腐蝕的發(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金屬表面的能力，從而促進金屬的鈍化，起到抑制腐蝕，保護金屬基體的作用。

此外，Ruff等[73]總結了影響金屬機械磨損的因素，其中最主要的是含沙流體的流速;機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，導致電化學腐蝕及其與沖刷磨損的協(xié)同效應部分對整個電極失重貢獻很大[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腐蝕主要由O2的擴散步驟控制，增大電極轉速，O2擴散速率加快，電極表面形成氧化膜;在加沙條件下，電極轉速增大時，合金的電化學腐蝕加劇。

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，其中機械磨損部分的失重增加較多，而電化學腐蝕部分基本不變。這一研究結果得到了Stack等[24]的證實。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，結果表明，隨著沙濃度的升高，電化學腐蝕在整個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)的電化學腐蝕到?jīng)_刷腐蝕的轉變中，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]認為，溶液中沙含量在臨界值以下時，沖刷腐蝕速率隨沙含量增大而加劇，當沙含量高于臨界值時，沖刷腐蝕速率達到穩(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，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)的電化學腐蝕機制轉換為沖刷腐蝕機制。含沙量低于60 mg/L時，電流的上升主要源于電化學反應 (如點蝕的產(chǎn)生)。在含沙量為60~200 mg/L時，沙粒對電極表面的撞擊有效地破壞了表面的氧化膜，導致電流上升。然而，Neville等[15]發(fā)現(xiàn)沙含量更高 (15%和20%，質量分數(shù)) 時，合金由于沖刷腐蝕導致的失重下降，可能由于碰撞沙粒和反彈沙粒之間的相互干擾所致[72]。

運用該模型計算得到對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，沙含量與溶液流速協(xié)同作用較強。上述協(xié)同作用并不僅僅受某個因素影響，當沒有足夠的撞擊動力學能量時，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能量的影響。