流体力学因素对液固两相流冲刷腐蚀的影响

　　冲刷腐蚀 ( Erosion-Corrosion)又称为磨损腐蚀, 是金属表面与腐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,在石油、化工等生产领域广泛存在。暴露在运动流体中的所有类型的设备如料浆输送管道、泵的过流部件和阀门等, 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。因此冲刷腐蚀问题的研究,引起了人们的高度重视。

　　冲刷腐蚀是一个很复杂的过程, 影响因素众多, 概括起来主要包括材料 (冶金)、环境和流体力学三个方面。过去人们通过失重实验以及各种流动条件下的电化学测量技术, 对前两方面因素的影响做了较为深入的研究, 并进而开展了冲刷和腐蚀交互作用的研究, 以期揭示冲刷腐蚀的本质[1]。相对而言, 流体力学因素影响规律的研究尚未成熟。因此,无论是对冲刷腐蚀实验结果的预测, 还是对冲刷腐蚀机理的深入阐述, 都受到限制。

　　1 流体力学因素的影响机制

     流体力学因素一般通过改变冲刷强度或传质过程来影响冲刷腐蚀作用。其主要条件包括: 流速、流态、冲刷角度、颗粒性质等^[1]。

　　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^[2,3]。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,导致钝化膜剥落, 裸金属重新暴露出来, 从而加剧金属的冲刷腐蚀^[4]。

　　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、缝隙以及突然改变流向的截面) 。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,比较缓慢。