1 前言

沖刷腐蝕 （Erosion-corrosion） , 是金屬表面與腐蝕性流體之間由于相對運動而引起的金屬損壞現(xiàn)象 , 是材料受沖刷和腐蝕交互作用的結(jié)果 , 在石油、化工等生產(chǎn)領(lǐng)域中廣泛存在 , 是一種危害性較大的局部腐蝕。在石油天然氣工業(yè)中 , 各種裝置、設(shè)備內(nèi)的液相介質(zhì)流速普遍較高且大多具有腐蝕性 , 固相的攝入使得其零部件遭受嚴重的破壞。據(jù)Kermani 等報道 , 石油天然氣工業(yè)中 9%的腐蝕失效都是由沖刷腐蝕造成的。長期以來 , 沖刷腐蝕不僅造成了巨大的經(jīng)濟損失 , 還在一定程度上限制了新技術(shù)與工程應(yīng)用的發(fā)展。

沖刷腐蝕是一個廣義名詞 , 按介質(zhì)不同 , 沖刷腐蝕可分為單相流、雙相流、多相流沖刷腐蝕等 , 其中液 / 固兩相流沖刷腐蝕在工業(yè)中最為普遍 , 相應(yīng)的研究工作也最多。根據(jù)占主導(dǎo)機制的不同 , 沖刷腐蝕包括從以溶解占主導(dǎo)機制的活化腐蝕到以純沖刷占主導(dǎo)機制的機械破壞之間一系列的范疇。沖刷腐蝕是一個沖刷和腐蝕在溶液中同時存在 , 并伴隨復(fù)雜交互作用的過程。其中 , 沖刷是固相顆粒沖擊材料表面導(dǎo)致材料去除或變形的力學(xué)過程 , 腐蝕是在材料表面發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致材料去除的過程 , 這兩個過程的交互作用為協(xié)同作用。在不同的研究體系下 , 協(xié)同作用可表現(xiàn)為正協(xié)同作用或負協(xié)同作用 （ 或稱抑制效應(yīng) ）。相對于負協(xié)同作用 , 正協(xié)同作用更為普遍 , 且常在材料的總沖刷腐蝕失重中占較大比重。此外 , 正協(xié)同作用又可細分為沖刷對腐蝕的促進作用和腐蝕對沖刷的促進作用因而沖刷腐蝕過程可表示為 :

式中，T 為沖刷腐蝕導(dǎo)致的總質(zhì)量損失，E 為純沖刷導(dǎo)致的質(zhì)量損失，C 為純腐蝕導(dǎo)致的質(zhì)量損失，ΔE 為腐蝕對沖刷的促進作用導(dǎo)致的質(zhì)量損失，ΔC 為沖刷對腐蝕的促進作用導(dǎo)致的質(zhì)量損失。將沖刷對腐蝕的促進作用機制和腐蝕對沖刷的促進作用機制進一步細化，可分別由下面兩式表示：

式中 ,ΔE p 為金相間腐蝕促進沖刷 ,ΔE m 為 腐 蝕 對 材 料 力 學(xué) 性 能 的影響 ,ΔE s 為氧化膜形成導(dǎo)致沖刷增加 ,ΔC f 為沖蝕顆粒破壞鈍化膜或腐蝕產(chǎn)物膜導(dǎo)致下層金屬表面腐蝕 ,ΔC e 為顆粒使材料表面變形進而促進腐蝕。

為了有效解決沖刷腐蝕問題 , 從而為材料的選用及防護措施的采取提供依據(jù) , 需要確定沖刷腐蝕中占主導(dǎo)地位的破壞機制。國內(nèi)外研究人員先后開展了大量的研究工作 , 通過實驗研究和數(shù)值仿真等手段探討了沖刷腐蝕的作用機制和控制因素。本文旨在針對沖刷腐蝕當(dāng)前主要采用的研究方法和存在的問題進行綜合評述。

2 沖刷腐蝕實驗研究2.1 沖刷腐蝕實驗裝置在實驗室內(nèi)開展模擬工藝條件下的實驗研究是當(dāng)前獲得材料的沖刷腐蝕性能參數(shù)行之有效的方法 , 這其中 , 實驗裝置起著至關(guān)重要的作用。目前 , 應(yīng)用較多的實驗裝置包括旋轉(zhuǎn)電極式試驗機、射流式?jīng)_刷腐蝕試驗機、管流式?jīng)_刷腐蝕試驗機和 Coriolis 沖蝕試驗機等。

2.1.1 旋轉(zhuǎn)電極式試驗機旋轉(zhuǎn)電極式試驗機是最早用于評價金屬腐蝕性能的實驗裝置 , 其原理是電極浸沒在漿體中隨轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)而發(fā)生沖刷腐蝕。它具有設(shè)備簡單、價格低廉、測試用溶液量小、實驗周期短的特點 , 是目前國內(nèi)外使用最多的一種實驗裝置。

根據(jù)電極形狀及電極裝夾結(jié)構(gòu)的不同 ,這種試驗機主要分為料漿罐式、旋轉(zhuǎn)圓柱電極式 （RCE）及旋轉(zhuǎn)圓盤電極式 （RDE）等 3 種。圖 1 所示為 Zhou 等開展實驗研究用的旋轉(zhuǎn)圓柱電極試驗機的示意圖。

料漿罐式試驗機可以模擬水輪機葉片和水泵葉輪等工況 , 直觀地反映出材料在腐蝕介質(zhì)中的流失情況 , 可用于指導(dǎo)類似設(shè)備的選材和設(shè)計。但使用這種試驗機進行實驗時會因旋轉(zhuǎn)而在溶液中形成渦流 , 溶液隨旋轉(zhuǎn)試件一起運動會降低其相對速度 ; 盡管可采用加擋板的方法消除這方面的影響 , 但這又會使流態(tài)變得復(fù)雜。除非預(yù)先開展預(yù)實驗測試，否則無法確切獲知漿體的流動特點和顆粒沖擊條件，進而實驗結(jié)果僅能對應(yīng)“名義”設(shè)定的測試條件。此外 , 由于漿體流動及顆粒沖擊條件非常復(fù)雜 , 顆粒粒徑可能產(chǎn)生的影響往往難以測定。

而旋轉(zhuǎn)圓柱電極和旋轉(zhuǎn)圓盤電極在結(jié)構(gòu)上有一定相似之處，比較適合用于流體力學(xué)因素對沖刷腐蝕影響的研究。其中，旋轉(zhuǎn)圓柱電極可較好地模擬湍流流動 , 而旋轉(zhuǎn)盤電極則更適合模擬層流流動。但這兩種試驗機在控制電極與液體的沖擊角方面都比較困難 , 且沖擊角通常都較小。Tian 等借助旋轉(zhuǎn)圓盤電極開展實驗時發(fā)現(xiàn) , 電極旋轉(zhuǎn)僅能將一部分砂粒帶入到溶液中 , 很大一部分的砂粒都沉積在實驗池的底部 , 單純提高轉(zhuǎn)速并不能顯著改善砂粒在溶液中的濃度和分布。綜合考慮電機轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)圓盤浸入溶液的深度、旋轉(zhuǎn)圓盤與容器的相對尺寸、沙含量、沙粒大小以及是否加有攪拌裝置等因素 ,并只有將這些因素控制得當(dāng) , 才能獲得容器中沙粒的均勻分布。由此可見 ,RCE 在鋼材沖刷腐蝕研究中不容易實現(xiàn)量化固體砂粒作用的研究。

2.1.2 射流式?jīng)_刷腐蝕試驗機射流沖刷腐蝕試驗機是另外一種應(yīng)用較多的實驗裝置 , 比較適合于研究流體流經(jīng)復(fù)雜形狀部件時的沖刷腐蝕作用 , 并可用于開展較高流速下的實驗研究。Zu 等于 1990 年建成了一臺射流式料漿沖刷實驗設(shè)備 , 該設(shè)備可很好地控制沖擊速度、固體顆粒濃度和沖角等重要參數(shù) , 通過吸射式噴頭結(jié)構(gòu)較好地解決了料漿流動造成的泵體、管路、閥門等過流部件磨損而給實驗帶來的不穩(wěn)定問題。

早期的射流沖刷腐蝕實驗數(shù)據(jù)多采用失重法獲得 , 為了能夠?qū)崟r獲得電極表面的腐蝕電化學(xué)信息并開展沖刷腐蝕作用機制的研究 ,Barika 等在原射流式試驗機設(shè)計的基礎(chǔ)上增設(shè)了電化學(xué)測試系統(tǒng) , 改進后的裝置如圖 2 所示。

Barika 等的設(shè)計采用 Venturi tube 原理將顆粒吸入到液體中 , 但這種方法通常要求射流速度較高 , 且從噴頭流出的含砂量不能保持穩(wěn)定 , 三電極測試體系結(jié)構(gòu)通常也較為復(fù)雜。

從驅(qū)動泵及射流型式方面改進 ,Neville 等提出了圖 3 所示的射流試驗機 , 該試驗機結(jié)構(gòu)相對簡單 , 便于開展測試 , 但存在試驗機的管路及驅(qū)動泵等容易出現(xiàn)磨損的問題。

將射流實驗同射流數(shù)值模擬相結(jié)合 , 利用數(shù)值模擬獲得的流場內(nèi)流速、實驗顆粒軌跡等數(shù)據(jù)同實驗結(jié)果進行比較 ,將有助于探討沖刷腐蝕機理。射流實驗的不足之處在于 , 除非顆粒含量很低 , 顆粒間會不可避免地產(chǎn)生交互影響 ; 高速射流必須穿過側(cè)向移過表面的低速流體 , 顆粒的沖擊速度將因此降低 , 沖擊角也會發(fā)生變化 ; 當(dāng)沖擊角小于 90°時 , 流道內(nèi)流型不再具有對稱性 , 使流動分析變得更為復(fù)雜。此外 ,實驗中顆粒的實際沖角并不等同于名義射流角度。

2.1.3 管流式?jīng)_刷腐蝕實驗裝置管流式實驗裝置由于其實驗參數(shù)容易控制 , 能較好地模擬管道沖刷的實際工況 , 而且還可模擬多種流態(tài)形式 , 并有良好的流體力學(xué)模型支持 , 有利于深入開展理論分析 , 因而得到了研究者的重視。該方法的主要優(yōu)點是符合管道沖刷的實際工況條件 , 實驗結(jié)果有很強的實用價值 , 易于控制流速、流態(tài) , 有良好的流體力學(xué)模型 , 實驗結(jié)果可以同流體力學(xué)參數(shù) （ 如傳質(zhì)系數(shù)、Reynolds 數(shù)等 ） 相關(guān)聯(lián) , 易于解釋說明。

但管流裝置的缺點也很突出 , 整套系統(tǒng)占據(jù)空間大 , 實驗所需溶液量大 , 泵需要持續(xù)運轉(zhuǎn) , 實驗周期長 , 對閥門、管件以及密封的可靠性要求高 , 整套裝置的費用和實驗費用均較高 , 所模擬的壁面剪切力相對較小等。

圖 4 所示為 Postlethwaite 等于 1978 年建成的管流式實驗裝置 , 該裝置的測試段主要包括一根僅供簡單暴露性實驗的樣品段及一個用于三電極體系電化學(xué)測量的電化學(xué)測量池。

電化學(xué)測量池的設(shè)計如圖 5 所示 , 其中 , 工作電極為一個與管內(nèi)壁有相同曲率的碳鋼電極片 , 將其安裝在管的內(nèi)壁且與管內(nèi)壁保持一致 , 該電化學(xué)測量池有助于研究碳鋼在較長時間內(nèi)腐蝕速率的變化。這套裝置的缺點在于只能用于研究水平流動式管線材料的沖刷腐蝕 , 且無法開展含有固體粒子的腐蝕性流體的沖刷腐蝕研究。

為了研究在管路突然收縮、擴張及有突起物等工況下的沖刷腐蝕作用機制 ,Malka 等開發(fā)了一種新型大規(guī)格的管流循環(huán)實驗裝置 , 如圖 6 所示。其實驗段包括一個直徑比為 1.61、由粗管到細管突變的區(qū)段 , 同時在收縮管段安裝有一個高出約 3mm 的突起環(huán)。測試單元為被分割成數(shù)段較薄的電極環(huán) ,這樣可方便地對擾動流流經(jīng)區(qū)域開展局部電化學(xué)測試和失重測量。不過 , 該測試方法僅能獲得整個電極環(huán)內(nèi)表面沖刷腐蝕的統(tǒng)計平均數(shù)據(jù) , 而無法對某一截面不同角度位置處進行測試。

此外 ,El-Gammala 等在設(shè)計的管路中對 90°彎頭內(nèi)的流致腐蝕進行了研究 , 并借助數(shù)值模擬獲得了彎頭內(nèi)的流場數(shù)據(jù)。

2.1.4 Coriolis 沖蝕試驗機Coriolis 沖蝕試驗機的工作原理是通過 Coriolis 效應(yīng)來加強流體與靶材表面的接觸 , 其結(jié)構(gòu)如圖 7 所示。該試驗機包含一個帶有 4 個樣品架的圓筒 , 圓筒繞一個豎直軸旋轉(zhuǎn) , 樣品架上鄰近流道處有 T 型模槽用于安裝樣品。測試時 , 漿體通過管路從料漿罐中泵送到旋轉(zhuǎn)圓筒并經(jīng)樣品架流出 , 從而對樣品架上的電極進行沖刷腐蝕?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)圓筒轉(zhuǎn)速實現(xiàn)對沖刷速度的調(diào)節(jié)。

Coriolis 測試方法可有效地模擬離心渣漿泵、旋風(fēng)分離器及其它應(yīng)用系統(tǒng)并開展相應(yīng)材料的沖蝕磨損測試。Coriolis沖蝕試驗機當(dāng)前主要用于測定材料的滑移磨損系數(shù) （ 去除單位體積材料需要的能量 ）。Tian 等將其用于材料在液 / 固兩相漿體沖刷腐蝕性能的研究由于不同的試驗機都有各自的優(yōu)缺點 , 僅適合于開展特定工況條件下的實驗，但最大的問題還在于，從理論上講，沖刷腐蝕是一種危害性較大的局部腐蝕 , 現(xiàn)有研究工作中采用的研究手段及方法多是基于宏觀條件下的實驗研究 ,僅能獲得整體電極的統(tǒng)計平均的沖刷腐蝕信息。如何對局部腐蝕問題進行研究、表征 , 還需要展開更多的嘗試及研究工作。此外 , 為了讓不同測試條件下的測試結(jié)果之間具有可比性 , 迫切需要對沖刷腐蝕測試進行標(biāo)準(zhǔn)化。這些實驗裝置更適用于材料性能的排序 , 而將這種排序用于提供沖刷腐蝕機制信息 , 預(yù)測在役設(shè)備真實的磨蝕速率仍是一個很大的挑戰(zhàn)。這主要是由于實驗條件同工廠裝置工作條件有很大不同 , 以及現(xiàn)場工作條件的不確定性等因素所導(dǎo)致。為提高實驗的經(jīng)濟性及可行性 , 通常實驗室內(nèi)的測試都屬于小尺寸結(jié)構(gòu)內(nèi)的加速沖刷腐蝕測試。此時 , 用獲得的實驗結(jié)果來對工廠設(shè)備進行標(biāo)定將非常復(fù)雜 , 這主要是由于隨著設(shè)備尺寸的不同 , 導(dǎo)致顆粒沖擊的水動力條件也將會不同 , 從而導(dǎo)致沖刷腐蝕機制的差異。

2.2 沖刷和腐蝕單因素控制方法為了量化純腐蝕、純沖刷、腐蝕促進沖刷和沖刷促進腐蝕等幾部分失重在總沖刷腐蝕失重中所占的比重 , 進而確定占主導(dǎo)的破壞機制 , 需要分別測定純腐蝕、純沖刷及總沖刷腐蝕的失重數(shù)據(jù)。

為了表征沖刷和腐蝕單獨的作用 , 進行純腐蝕實驗時需要有效抑制沖刷的發(fā)生 , 同樣地純沖刷實驗中則需要抑制腐蝕的發(fā)生。

2.2.1 抑制沖刷方法鑒于對純腐蝕認識的不同 , 研究人員獲得純腐蝕的方法亦有不同。鄭玉貴等曾采用靜態(tài)實驗的方法抑制沖刷作用 , 即將靜止介質(zhì)中開展的腐蝕測試結(jié)果作為純腐蝕失重。

考慮到介質(zhì)流動常常會影響到傳質(zhì)過程及腐蝕產(chǎn)物在電極表面的分布進而影響到腐蝕過程 , 當(dāng)前已開展的研究中更多將在不含固相顆粒的動態(tài)介質(zhì)中開展的實驗測試結(jié)果作為純腐蝕失重。

2.2.2 抑制腐蝕方法為了將腐蝕控制在可以忽略的水平 , 當(dāng)前已開展的實驗研究中常用的方法包括 :

（1） 陰極保護方法 : 通過施加陰極電位或陰極電流來抑制腐蝕電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。林玉珍等指出 , 即使在高流速條件下 , 對處于流體中的試樣施加陰極電流 , 控制其電位比自腐蝕電位負 250mV 以上時 , 其陰極保護度可達98% 以上。Neville 等在研究鈷基鎢鉻鈷合金 X40 及鑄鐵 BS 3468 S2W 在料漿的沖刷腐蝕交互作用時 , 恒電位控制在 -0.8V（vsSCE） 作為沖擊條件下對工作電極的陰極保護以抑制腐蝕作用。而實驗中遇到的一些問題表明陰極保護的方法仍有一些需要解決的問題 , 包括 :

施加陰極保護電位過低將不足以提供全部保護 , 仍會有殘余腐蝕存在 ; 施加的外加電流會加大 H 還原電流 , 導(dǎo)致產(chǎn)生過多 H 滲入到金屬基體內(nèi)。同時 , 陰極保護會改變界面化學(xué)組成 , 且樣品成為陰極 , 需將陰極反應(yīng)加以考慮。

（2） 控制溶液溶氧量 : 由于在一些鹽溶液中的陰極反應(yīng)主要是吸氧腐蝕 ,通過控制介質(zhì)中溶氧量可以抑制陰極反應(yīng)的發(fā)生 , 進而控制材料的腐蝕。Malka等在 NaCl 溶液中采取充 N 2 至飽和去除溶液中溶氧及控制中性 pH 值方法來研究純沖刷作用。但該方法僅適合于近中性或偏堿性的鹽溶液中 , 使用范圍很有限。

（3） 添加緩蝕劑 : 選用適宜的緩蝕劑 , 亦可以有效地控制腐蝕的發(fā)生 , 緩蝕劑包覆在金屬和砂粒表面 , 形成一種很薄的有機膜 , 從而起到保護作用。但是 , 在加速實驗中緩蝕劑可能部分或完全地被沖走卻無法控制。

（4） 采用非腐蝕性的替代液 : 如采用自來水或鈍化性溶液替代海水等腐蝕性溶液 ,Harvey 等在研究碳鋼 （En3B） 材料在含砂溶液中的純沖刷性能時 , 即用0.1mol/L NaOH 替代原 3.5%NaCl（ 質(zhì)量分數(shù) ） 溶液。該方法可以抑制腐蝕的發(fā)生 , 但溶液的改變會改變界面的化學(xué)組成 , 生成一種在原腐蝕性溶液中所觀察不到的氧化膜 , 進而對沖刷也產(chǎn)生一定的影響。

2.2.3 電化學(xué)劃痕法電化學(xué)劃痕法是指人為地在電極表面制造一段劃痕 , 從而使新鮮的金屬暴露在介質(zhì)環(huán)境中的方法。該方法由于測試方便、操作簡便的特點 , 在研究沖刷腐蝕的作用機制時有一定的優(yōu)越性 , 常用于鈍化金屬及合金的再鈍化機制研究 , 同時也用于腐蝕環(huán)境下的材料磨蝕研究。由于沖刷腐蝕的研究體系中常包括固 / 液兩相 , 而電化學(xué)劃痕法的研究體系僅為液相 , 所以電化學(xué)劃痕法主要是應(yīng)用于磨損腐蝕而非沖刷腐蝕的研究。但是 , 利用電化學(xué)劃痕法研究磨損腐蝕的思路與沖刷腐蝕的研究有類似之處 ,Wang 等采用該方法結(jié)合其它測試手段 , 獲得了 3 種材料在 3.5%NaCl 溶液及自來水中腐蝕、磨損和協(xié)同作用在總失重中的比重。此外 ,Guo 等則采用電極劃痕法模擬固體顆粒沖擊樣品表面 ,去除腐蝕產(chǎn)物或產(chǎn)物膜 , 從而導(dǎo)致新鮮的金屬表面暴露在腐蝕環(huán)境中 , 材料遭受嚴重腐蝕破壞的過程。

2.3 沖刷腐蝕實驗的測試方法2.3.1 重量損失測試方法在沖刷腐蝕的實驗研究中 , 傳統(tǒng)的測試方法是通過測量材料的重量損失（ 簡稱失重法 ） 來計算沖刷腐蝕速率。

失重法的特點是操作簡單 , 主要是對試樣實驗前后的重量進行測試和比較 , 容易實現(xiàn)。為了獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù) , 在稱量天平精度確定的情況下 , 要求失重數(shù)據(jù)盡可能大 , 因而也就需要比較長的實驗周期。由于失重法只能獲得材料總體的損失速率 , 給出的統(tǒng)計平均數(shù)據(jù)不能滿足深入研究的需要 , 但該方法在當(dāng)前沖刷腐蝕作用機制的研究中又是不可缺少的 , 它常被用來獲得純腐蝕、純沖刷和總沖刷腐蝕的失重。

2.3.2 電化學(xué)測試方法相比之下 , 電化學(xué)測試方法的優(yōu)勢則比較突出 , 原因在于該方法可以定量地測定沖刷腐蝕速率 , 或定性地提供工作表面上的腐蝕信息 , 可實時記錄工作表面的腐蝕反應(yīng)狀態(tài)。電化學(xué)測試可通過電化學(xué)儀器對試樣的狀態(tài)進行在線監(jiān)測 , 選用不同的分析方法可得到?jīng)_刷腐蝕進程中不同時刻的實時腐蝕數(shù)據(jù) , 實驗周期短 , 精確度高 , 與失重法配合使用 , 有助于深入研究沖刷腐蝕的作用機制。其缺點是電化學(xué)測試是以三電極體系為前提的 , 進行測試前需要設(shè)計出巧妙的結(jié)構(gòu)來滿足三電極的安裝和測試要求。另外 , 電化學(xué)儀器測試中容易受到干擾 , 需要做好屏蔽措施。

當(dāng)前常用的電化學(xué)測試技術(shù)包括極化曲線和電化學(xué)阻抗譜等。此外 , 電化學(xué)噪聲測量方法也被愈來愈多地應(yīng)用到?jīng)_刷腐蝕研究中。Rajahram 等就曾利用電化學(xué)噪聲方法研究不銹鋼UNS S31603在顆粒沖擊下的去鈍化和再鈍化過程。

Wood 等的研究表明 , 電化學(xué)噪聲方法可以實時清晰地對沖刷腐蝕條件下涂層破裂 , 如電解質(zhì)滲透、涂層剝落等行為做出實時響應(yīng) , 并指出電化學(xué)噪聲方法的主要優(yōu)點是 :1） 利用它開展研究不會對體系帶來人為的干擾 ;2） 與僅可獲得少量信息的傳統(tǒng)測試方法相比 , 電化學(xué)噪聲方法對局部腐蝕過程更為敏感。

2.3.3 其它測試方法激光 Doppler 測速儀 （LDA） 因適合于紊流條件下局部干擾流場的測量 , 在沖刷腐蝕研究中也有一定的應(yīng)用。早期Blatt 等運用 LDA 對管流實驗裝置中流型突變部位單相流和液 / 固雙相流的流速、流態(tài)進行測試。國內(nèi)鄭玉貴等首先在一套管流式實驗裝置上配置了二維激光 Doppler 測試系統(tǒng) , 開展了擾流條件下的沖刷腐蝕實驗并定量測量了擾流場的流速、流態(tài)。

因聲發(fā)射技術(shù) （AE） 可對材料的受力變形、斷裂等產(chǎn)生響應(yīng) , 人們認為可利用該技術(shù)來監(jiān)測顆粒對材料的沖擊行為，并獲得顆粒的沖擊頻率及能量分布。

基于此 ,Burstein 等創(chuàng)新性地將聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用到?jīng)_刷腐蝕的研究 , 測試了不同沖角下顆粒對電極表面的沖擊作用。

3 沖刷腐蝕的數(shù)值模擬計算隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展 , 數(shù)值模擬方法在沖刷腐蝕的研究中有愈發(fā)廣泛地應(yīng)用。與單純理論計算相比 , 數(shù)值模擬在研究流體力學(xué)問題時可以得到數(shù)值解 , 更能適應(yīng)研究復(fù)雜工程問題的需要。和實驗相比 , 數(shù)值模擬不會受到實驗條件的種種限制 , 能夠很好地指導(dǎo)實驗 , 更能大幅度節(jié)省實驗費用和時間 ,特別是對實驗難以完成的某些測量 , 則可以用計算機作數(shù)值模擬。數(shù)值模擬的優(yōu)點還在于 , 在研究流道結(jié)構(gòu)對沖刷腐蝕的影響時 , 能夠清晰地觀察到易腐蝕部位的流場情況 , 方便提取流動參數(shù) ,如壓力、剪切應(yīng)力和紊流度等 , 可結(jié)合流動情況和參數(shù)變化規(guī)律深入分析侵蝕原因 , 同時還能較為直觀地給出顆粒相運動信息 , 如顆粒對過流部件壁面的碰撞作用等 , 進而對沖刷腐蝕速率進行計算和預(yù)測 , 這有利于進一步揭示多相流中沖刷腐蝕的規(guī)律及機理。為此 , 許多學(xué)者認為 , 沖刷腐蝕的數(shù)值模擬研究是很有必要的。

3.1 數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀借助商用計算流體動力學(xué) （CFD） 軟件或自行開發(fā)模擬仿真軟件是當(dāng)前開展沖刷腐蝕數(shù)值模擬研究的主要方式 , 其中 CFD 軟件如 Fluent 軟件包的應(yīng)用較為廣泛 , 因其對研究人員的要求相對較低 , 可直接利用現(xiàn)有的程序開展研究 ,但有時也需要通過用戶自定義編程引入所需的模型。與 CFD 相比 , 自行開發(fā)軟件也有一定的優(yōu)勢 , 開展研究不受軟件自身的限制 , 可自行引入數(shù)值模擬所需的模塊 , 具有很大的靈活性。兩種模式的思路則是相同的 , 均需要借助流體流動模型以及沖刷模型、腐蝕模型等進行計算和求解。

Ferng 等借助 CFD 方法計算獲得管線內(nèi)的流動參數(shù) , 并將其與實測的局部壁面減薄數(shù)據(jù)相對應(yīng) , 通過對兩者之間的關(guān)系進行研究和拓展 , 從而為管壁檢測方案設(shè)計提供指導(dǎo)。Davis 等利用 CFD可以計算 O 在流體中的擴散及向反應(yīng)面轉(zhuǎn)移的特點 , 研究了收縮 - 擴張幾何模型內(nèi)的沖蝕磨損情況 , 獲得的磨蝕圖與實驗結(jié)果有較好的一致性。Telfer 等用 CFD 軟件研究了顆粒濃度、粒度等對Fe 等純金屬在水 / 砂兩相流中的沖刷腐蝕機制的影響。由于射流實驗中漿體沖擊試樣的名義角度和顆粒實際沖角是不同的 , 為此 Gnanavelu 等利用 CFD 軟件給出局部的顆粒沖擊速度、沖角與距測試面中心半徑位置的函數(shù)關(guān)系。Bozzini等運用 CFD 軟件模擬了兩種互不相溶液體、氣體、固體顆粒等四相流對管道彎頭的沖刷腐蝕 , 分別研究了氣相體積分數(shù)、流體流速、固相含量等因素對腐蝕的影響。Hu 等借助 CFD 模擬得到彎曲及焊點部位的流動行為 , 從而輔助分析管道的失效原因。此外 , 張政等利用 CFD研究了突擴圓管中液 / 固兩相流沖刷腐蝕過程。

北京化工大學(xué)的研究人員利用自行編制的程序分別開展了層流、紊流條件下 , 單相或兩相流中 , 碳鋼、不銹鋼等材料的流動腐蝕數(shù)值研究 , 探討了表面剪切力與腐蝕速率的關(guān)系 , 得到的結(jié)果與實測值有較好的一致性。

3.2 沖刷腐蝕的計算模型開發(fā)計算模型最初的目的在于 , 用數(shù)學(xué)方程的方法量化在某種工況下沖刷腐蝕所造成的材料損失 , 初步判定腐蝕過程的類型及程度 , 從而為操作的優(yōu)化和材質(zhì)的選用提供依據(jù)。如 Stack 等先后通過模型計算及實驗獲得相關(guān)數(shù)據(jù) , 根據(jù)表 1 中對機制的分類 , 構(gòu)建了不同研究體系下的沖刷腐蝕機制圖，分別表征了外加電位、顆粒含量、顆粒速度、溶液 pH 值、氧濃度、流速和沖擊角等因素下的沖刷腐蝕機制 , 可用于識別不同條件下材料的損失機制和水平 , 該圖可以成為選擇材料和優(yōu)化過程參數(shù)潛在的有力工具。同時 , 沖刷腐蝕計算模型的建立也為數(shù)值模擬的開展提供了可能。

3.2.1 沖刷計算模型目前的沖刷模型可包括由 Finnie 于1958 年首次提出的基于微切削的模型 ,由 Bitter 對 Finnie 的切削模型修正后提出的變形磨損理論模型 , 由 Mamoun 首先提出并經(jīng) Hutchings 擴充的基于低循環(huán)疲勞的疲勞模型 , 由 Sundararajan 等提出的局部化模型 , 針對充分硬化的鋼由Hien等和Shewmon等提出的“絕熱剪切-導(dǎo)致剝落”模型 , 由 Levy 提出的擠壓鍛造“成片”模型 , 由 Jahanmir 提出的脫層理論模型等。

由于研究人員對沖刷機制認識的不同 , 側(cè)重點各異 , 而且沖刷受到環(huán)境、材料、幾何結(jié)構(gòu)等眾多因素的影響 , 至今仍未提出一個得到廣泛認可并應(yīng)用于生產(chǎn)實踐的理論模型。因此 , 目前研究人員往往根據(jù)研究體系及研究因素的需要 , 選用不同的理論計算模型 , 如Wood 等在開展基于沖刷模型的 CFD 模擬運算 , 進而預(yù)測閥門、管路的沖蝕情況時 , 采用了 Bitter-Hashish 沖蝕模型 ;Stack 等所開展的研究中 , 曾先后用 到 Finnie,Bitter,Hutching,Sundararajan,Sundararajan 和 Shewmon 等 模 型 , 還 曾為研究溫度的影響 , 對 Sundararajan 和Shewmon 模型進行了改進。

目前 , 比較常用的沖刷計算模型是經(jīng) Bergevin 改進后的 Finnie 模型 :

對于撞擊角度 α ≤ 18.5°時 , 有 :

對于撞擊角度 α ≥ 18.5°時 , 有 :

式中 ,P 為材料屈服強度 ,Ucr 為流體的臨界速度 ,ρ m 為失重金屬的密度 ,c m 為顆粒質(zhì)量濃度 ,U p 為顆粒的撞擊速度。

3.2.2 腐蝕計算模型對處于活化溶解區(qū)的金屬腐蝕計算模型為：

式中 ,Z 和 M 分別為轉(zhuǎn)移的電子數(shù)和物質(zhì)的摩爾質(zhì)量 ,m 為溶解物質(zhì)的種類 （ 如 Fe），Cb,O 2 為溶液主體中的氧濃度 ,fd 為引起腐蝕電流密度的分數(shù) , 視溶解的物質(zhì)在主體溶液或在質(zhì)量傳遞邊界層中氧化而定 , 即溶解氧貢獻的大小 ,fd 取 1 （ 氧化在溶液主體 ） 或 2/3（ 氧化在質(zhì)量傳遞邊界層 ），fe 為沖刷對腐蝕過程的增強因子 ,D 為擴散系數(shù) ,Uf為流體流速 ,drce 為旋轉(zhuǎn)圓盤電極直徑 ,ν 為動力粘度。

而對于鈍化控制的條件 , 鈍化過程會阻止純腐蝕的進一步發(fā)生 , 總腐蝕速率可以簡化為鈍化膜的去除量 , 進而鈍化模型為 :

式中 ,h 為氧化層厚度 ,Df 為鈍化膜密度 ,c 為顆粒含量 ,υ 為顆粒速度 ,r為顆粒半徑 ,D p 為顆粒的密度 ,H s 為材料靜態(tài)硬度。

3.3 數(shù)值模擬存在的問題數(shù)值模擬計算在應(yīng)用于沖刷腐蝕研究過程中存在的主要問題為 :

（1） 邊界條件的設(shè)定需要基于一定的假設(shè)。例如 , 顆粒的形狀是球形 , 直徑一致 ; 忽略顆粒 - 顆粒間的相互作用 , 因而要求介質(zhì)中顆粒的含量較低 ;認為在顆粒含量較低時 , 固相對平板的沖擊不會影響到主流場 ; 流體中各相是均勻混合的等。而這些假設(shè)往往與實際情況不符 , 得到的結(jié)果會有偏差。

（2） 數(shù)值模擬中腐蝕與沖刷的計算均要基于一定的計算模型。例如 , 雙相流中腐蝕動力學(xué)模型 , 固體顆粒對金屬表面沖擊的沖刷模型。而隨研究體系與研究條件的不同 , 模型外推能力和適用性有限 , 因此目前還沒有一套通用的模型用于計算。

此外 , 由于協(xié)同機制的認識有限且因材料而異 , 因此目前尚未提出一個考慮了沖刷和腐蝕協(xié)同作用的計算模型 , 也就無法開展協(xié)同作用的數(shù)值模擬計算。

Note: Ke is total mass loss oferosion, Ke=E+ΔE, Kc is totalmass lossof corrosion, Kc=C+ΔC（3） 由于實際體系中隨著沖刷腐蝕時間的延長 , 材料表面腐蝕產(chǎn)物的堆積或蝕坑的形成會導(dǎo)致壁面粗糙度加大 ,進而影響到流場內(nèi)流速、流態(tài)分布 , 呈現(xiàn)出一個非穩(wěn)定的動態(tài)過程 , 這就需要考慮液 / 固的耦合作用 , 以保證流體流動和沖刷腐蝕數(shù)值計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語一直以來 , 沖刷腐蝕不僅造成了巨大的經(jīng)濟損失 , 還給裝備安全及人身安全埋下了隱患 , 為了有效解決沖刷腐蝕問題 , 人們緊密結(jié)合現(xiàn)場條件采用實驗研究和數(shù)值模擬計算等手段開展了大量的研究工作。當(dāng)前存在的主要問題為 :

（1） 實驗研究已較好地做到了流動條件相似 , 而如何做到?jīng)_刷腐蝕行為相似以及如何用短時間的實驗結(jié)果去指導(dǎo)現(xiàn)場長周期運行出現(xiàn)的問題仍有待于進一步解決。其次 , 沖刷腐蝕是一種危害性較大的局部腐蝕 , 現(xiàn)有研究工作中采用的研究手段及方法多是基于宏觀條件下的實驗研究 , 僅能獲得整體電極的統(tǒng)計平均的沖刷腐蝕信息。如何對局部腐蝕問題進行研究、表征 , 還需要開發(fā)相應(yīng)的局部沖刷腐蝕測試裝置和方法 , 展開更多的嘗試及研究工作。

（2） 數(shù)值模擬計算有助于從流動參數(shù)角度解釋沖刷腐蝕問題 , 該方法的良好運用對沖刷腐蝕的預(yù)測工作具有重要意義。而數(shù)值模擬計算由于受到基于假設(shè)的合理性、計算模型的適應(yīng)性、對動態(tài)過程的考慮等方面的影響 , 其結(jié)果的準(zhǔn)確性還需要經(jīng)過實驗的驗證。

（3） 實驗研究與數(shù)值模擬計算相結(jié)合的方法是開展沖刷腐蝕研究較為有效的方法。但由于兩種研究手段在結(jié)果的表現(xiàn)形式方面存在一定的差異 , 如何對獲得的結(jié)果進行有效的對比分析 , 從而進一步指導(dǎo)實驗設(shè)計或數(shù)值模擬 , 同樣也是需要考慮的問題。