沖刷腐蝕是金屬表面與腐蝕性流體之間由于高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的金屬損壞現(xiàn)象，是機(jī)械性沖刷和電化學(xué)腐蝕交互作用的結(jié)果。當(dāng)液流中混入固相顆粒時(shí)即構(gòu)成所謂的液/ 固雙相流沖刷腐蝕，它是引起石油、化工、水利電力、礦山和濕法冶金等行業(yè)中各種泵、閥、管道等過(guò)流部件大量損壞的重要原因。

    沖刷腐蝕是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，影響因索很多，材料本身的化學(xué)成份、組織結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能（尤其是硬度）、表面粗糙度、耐蝕性能等是一個(gè)方面，介質(zhì)的溫度、pH 值、溶氧量、各種活性離子的濃度。粘度、密度、固相和氣相在液相中的含量、固相顆粒度和硬度是另一方面，而過(guò)流部種的形狀、流體的流速和流態(tài)也具有很大影響，因?yàn)椴煌牧魉佟⒘鲬B(tài)會(huì)使流體對(duì)材料表面產(chǎn)生不同的力學(xué)效果。

    流體作用下的金屬材料容易發(fā)生沖刷腐蝕。這種腐蝕在海洋環(huán)境及石油管道運(yùn)輸中十分常見(jiàn)，其在工業(yè)磨損中所占比重大于5%。沖刷腐蝕近幾年的研究概況如何？面臨哪些新的挑戰(zhàn)。為此，本刊記者采訪了中國(guó)科學(xué)院金屬研究所鄭玉貴研究員。鄭玉貴，博士生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究員，遼寧省“百千萬(wàn)人才工程”百人層次。他從沖刷腐蝕的研究、實(shí)驗(yàn)室測(cè)試等方面論述了沖刷腐蝕的研究現(xiàn)狀， 并在此基礎(chǔ)上闡述了沖刷腐蝕研究工作的未來(lái)方向和發(fā)展趨勢(shì)。請(qǐng)隨記者一起進(jìn)入精彩訪談。 

中國(guó)科學(xué)院金屬研究所鄭玉貴研究員

    記者：您是第八屆全國(guó)腐蝕大會(huì)多相流腐蝕與防護(hù)分會(huì)場(chǎng)主席，今年召開(kāi)第九屆全國(guó)腐蝕大會(huì)，您是多相流腐蝕與防護(hù)分會(huì)場(chǎng)主席，請(qǐng)您介紹一下多相流沖刷腐蝕近幾年的研究概況？

    鄭研究員：相對(duì)于靜態(tài)條件，材料在流動(dòng)條件下的損傷機(jī)理要復(fù)雜得多，研究工作相對(duì)薄弱，國(guó)內(nèi)外從事這方面研究的人員也偏少。在石油、石化、化工、濕法冶金、采礦、艦船、水利電力（火電、水電和核電）等行業(yè)中，經(jīng)常存在由氣／液／固相所組成的多相流動(dòng)體系，也稱為多相流，從而引起各種過(guò)流部件如泵、閥、管道、水輪機(jī)、汽輪機(jī)、艦船推進(jìn)器、攪拌槳和噴射設(shè)備等的嚴(yán)重?fù)p壞。表1給出了典型的材料雙相流腐蝕類型及工業(yè)實(shí)例，可以看出材料的多相流損傷（有時(shí)簡(jiǎn)稱為多相流腐蝕）背景的普遍性。這些過(guò)流部件的損壞所造成的工藝無(wú)法控制、效率降低、突然停工、頻繁維修（導(dǎo)致術(shù)語(yǔ)“星期泵”的出現(xiàn)；有的閥門只能服役1-2天）、甚至災(zāi)難性事故等間接損失往往比直接損失更嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，葉片運(yùn)行事故約占汽輪機(jī)事故率的40%，而在葉片失效的事故中，液滴沖蝕導(dǎo)致的末級(jí)葉片失效占葉片失效的70%以上。三門峽水電站曾因水輪機(jī)磨蝕問(wèn)題，汛期不得不停機(jī)；美Surry核電站因流動(dòng)加速腐蝕（FAC）導(dǎo)致事故造成4死4傷，直接和間接損失約十億美元；煤化工設(shè)備因嚴(yán)重的沖蝕問(wèn)題，半年時(shí)間就需要大修。可見(jiàn)問(wèn)題的嚴(yán)重性。

    表1 材料的雙相流腐蝕類型及工業(yè)實(shí)例

    材料的多相流腐蝕問(wèn)題的復(fù)雜性體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

    1.相關(guān)術(shù)語(yǔ)、概念十分混亂，見(jiàn)表2，非專業(yè)人士往往無(wú)法解釋清楚這些術(shù)語(yǔ)間的差別。

     表2 多相流腐蝕相關(guān)術(shù)語(yǔ)

從腐蝕角度	從磨損角度
流動(dòng)誘導(dǎo)腐蝕(flow-induced-corrosion)	沖蝕(erosion)或沖蝕磨損(erosive wear)
受流動(dòng)所決定的腐蝕(flow-dependent-corrosion)	空泡腐蝕或氣（汽）蝕(cavitation erosion)
流動(dòng)加速腐蝕(FAC, flow accelerated corrosion )	液滴沖蝕(liquid droplet erosion)
沖擊腐蝕(impingement attack)	磨蝕(corrosion-erosion)
沖刷腐蝕/磨損腐蝕(erosion-corrosion)	腐蝕磨損(corrosive wear)

     1.多種損傷形式耦合

    多相流中材料的損傷形式主要包括腐蝕、沖蝕（沖刷磨損）和空蝕（氣蝕），而且它們之間經(jīng)常存在交互作用，是材料受機(jī)械損傷和化學(xué)或電化學(xué)腐蝕協(xié)同作用的結(jié)果。

    2.多學(xué)科交叉

    材料的多相流損傷涉及材料學(xué)、（電）化學(xué)、流體力學(xué)（流速、流態(tài)、攻角和顆粒性質(zhì)等） 和摩擦磨損等的多學(xué)科交叉，是典型的多因素耦合作用下的材料損傷形式，包含活性溶解、傳熱傳質(zhì)、表面膜的生成和破壞、純力學(xué)損傷等多種基本過(guò)程。

    3.多變的表面狀態(tài)

    在多相流的力學(xué)化學(xué)聯(lián)合作用下，表面和界面（膜的生成及破壞）是復(fù)雜多變的。隨著流速和含沙等力學(xué)因素的加強(qiáng)，腐蝕過(guò)程會(huì)從傳質(zhì)控制逐漸或突然變成力學(xué)損傷控制，往往存在臨界流速現(xiàn)象。

      記者：您是材料防腐專家，請(qǐng)您結(jié)合您的科研工作談?wù)劊跊_刷腐蝕做的相關(guān)研究，以及取得的成果。

    鄭研究員：1987年，我從碩士論文就開(kāi)始涉足材料的多相流腐蝕的相關(guān)研究，至今已經(jīng)有近30年的歷史，雖然研究團(tuán)隊(duì)（見(jiàn)圖1）一直不是很大，但長(zhǎng)期的堅(jiān)持使得我們已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外該研究方向的一支重要力量。先后積累了近40篇碩士、博士學(xué)位論文，100多篇SCI文章（包括Corr. Sci. 21 篇和Electrochim. Acta 3 篇），并逐漸凝練出材料的多相流腐蝕需要解決的核心科學(xué)問(wèn)題（見(jiàn)圖2），據(jù)此開(kāi)展了較為系統(tǒng)和深入的研究工作。先后經(jīng)歷了沖刷腐蝕系列實(shí)驗(yàn)設(shè)備的研制及材料沖刷腐蝕性能評(píng)價(jià)、沖刷腐蝕與再鈍化性能間的關(guān)系、腐蝕與沖刷（空蝕）交互作用的定量研究、耐蝕耐磨合金及涂層的研制（例如σ相強(qiáng)化的耐蝕耐磨合金、環(huán)氧粉末涂層、鐵基非晶涂層、Ti-Si-C-N基納米復(fù)合涂層、Cr-Mn-B堆焊焊條、激光熔覆涂層、攪拌摩擦處理等）、多相流緩蝕劑、損傷敏感部位預(yù)測(cè)、沖刷腐蝕的計(jì)算模擬等歷程，最近的研究集中在沖刷腐蝕臨界流速的數(shù)據(jù)積累及相關(guān)機(jī)理。已完成或正在執(zhí)行國(guó)家基金面上和青年項(xiàng)目6項(xiàng)、重點(diǎn)項(xiàng)目2 項(xiàng)、重大項(xiàng)目子課題1 項(xiàng)，“973”項(xiàng)目3 項(xiàng)，國(guó)家環(huán)境腐蝕平臺(tái)項(xiàng)目2項(xiàng)，中國(guó)科學(xué)院重要方向性項(xiàng)目1項(xiàng)，中石化“九五”、“十五”項(xiàng)目各1項(xiàng)以及多項(xiàng)其它企業(yè)委托項(xiàng)目。多年的研究工作也得到國(guó)內(nèi)外同行一定程度的認(rèn)可，發(fā)表文章被引用2000余次，單篇最高被引用169次，有關(guān)沖刷和腐蝕交互作用的文章已經(jīng)成為該領(lǐng)域的經(jīng)典文獻(xiàn)之一。曾榮獲英國(guó)優(yōu)秀期刊論文獎(jiǎng)（2008 Highly Commended Award） 和鄭州市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。應(yīng)邀擔(dān)任英國(guó)主辦的Tribology - Materials, Surfaces and Interfaces（ISSN 1751- 5831）和韓國(guó)主辦的Corrosion Science and Technology（ISSN 1598-6462）兩個(gè)國(guó)際期刊編委，任美國(guó)ASTM G 32 - 06 Standard Test Method for Cavitation Erosion Using Vibratory Apparatus標(biāo)準(zhǔn)修改工作組成員，與美國(guó)俄亥俄大學(xué)、邁阿密大學(xué)和英國(guó)利茲大學(xué)建立了長(zhǎng)期合作關(guān)系。擔(dān)任合肥工業(yè)大學(xué)、河海大學(xué)、四川理工學(xué)院和東北石油大學(xué)兼職教授和材料腐蝕與防護(hù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)主任，多次擔(dān)任國(guó)內(nèi)外重要腐蝕會(huì)議的分會(huì)主席或作大會(huì)或分會(huì)特邀報(bào)告。

      圖1 研究組成員

    圖2 材料的多相流腐蝕需要解決的核心科學(xué)問(wèn)題

      長(zhǎng)期以來(lái)，我們對(duì)沖刷腐蝕的臨界流速現(xiàn)象倍加關(guān)注，并在此方面進(jìn)行了一系列的研究。針對(duì)不同體系，運(yùn)用不同的沖刷腐蝕模擬設(shè)備及測(cè)試手段研究了銅合金、碳鋼和低合金鋼、碳鋼+緩蝕劑體系、系列鈍性材料（2Cr13、304、2205、2507、254SMO、825、600、Ta2及鐵基非晶合金涂層等）在含砂的模擬海水或酸性溶液中的沖刷腐蝕行為。發(fā)現(xiàn)隨著流速的改變，材料在沖刷腐蝕下的失重率和試樣表面粗糙度、開(kāi)路電位、線性極化電阻、電化學(xué)阻抗譜、鈍化電流密度及循環(huán)極化行為都出現(xiàn)了一些臨界現(xiàn)象。這些臨界現(xiàn)象主要包括一些實(shí)驗(yàn)測(cè)試值的突變及電化學(xué)行為的改變。發(fā)展了多種定量確定鈍態(tài)材料臨界流速的方法，比較了其一致性，研究了外加電位、含沙量、顆粒度和攻角等對(duì)臨界流速的影響，最后還探索了采用鈍化處理方法來(lái)提高鈍性材料臨界流速的可行性。這對(duì)過(guò)流部件的使用有一定指導(dǎo)作用。另外，我們對(duì)于類似情況下，不同體系中空蝕對(duì)腐蝕的影響也有過(guò)系統(tǒng)研究。

     記者：請(qǐng)您談?wù)劊鼛啄隂_刷腐蝕在發(fā)展中出現(xiàn)了遇到了哪些新的挑戰(zhàn)，如何去迎接這些挑戰(zhàn)？

    鄭研究員：沖刷腐蝕是典型的多因素耦合作用下的材料損傷形式，涉及多學(xué)科的交叉，正如上面圖2所展示的核心科學(xué)問(wèn)題是我們面臨的挑戰(zhàn)。從理論上我們要解決復(fù)雜流體的動(dòng)力學(xué)規(guī)律（尤其是局部流速流態(tài)）、單顆粒和單空泡對(duì)材料的單元損傷過(guò)程、多種損傷形式間的交互作用規(guī)律、吸收和耗散多相流沖擊能的方法；從應(yīng)用上要解決測(cè)試設(shè)備和方法的標(biāo)準(zhǔn)化、損傷主控機(jī)制隨環(huán)境條件的改變規(guī)律及轉(zhuǎn)型的臨界條件、耐蝕耐磨合金和涂層的發(fā)展原則、耐蝕耐磨性能與材料常規(guī)力學(xué)性能之間的關(guān)聯(lián)性等。如何量化納米級(jí)或微米級(jí)鈍化膜或氧化膜的承載能力是我們最近研究過(guò)程中遇到的新挑戰(zhàn)，在實(shí)驗(yàn)手段缺乏的條件下，利用好計(jì)算模擬手段可能是解決這些挑戰(zhàn)的正確方向，把計(jì)算流體力學(xué)（CFD）、微區(qū)電化學(xué)測(cè)試和微觀表征手段相結(jié)合，可能是將來(lái)的努力方向。

    記者：您連續(xù)兩屆參加全國(guó)腐蝕大會(huì)，請(qǐng)您談?wù)剠⒓哟髸?huì)的感想和經(jīng)歷。

    鄭研究員：全國(guó)腐蝕大會(huì)是全國(guó)腐蝕與防護(hù)的科學(xué)家和工程師相互交流的良好平臺(tái)，我們?cè)谂c老朋友敘舊的同時(shí)，也會(huì)結(jié)識(shí)一些新朋友，尤其是年輕的80后、90后，為腐蝕與防護(hù)事業(yè)帶來(lái)勃勃生機(jī)。另外，感覺(jué)大會(huì)的參加人數(shù)也越來(lái)越多，大會(huì)組織的規(guī)范性也越來(lái)越強(qiáng)。

     記者：作為分會(huì)場(chǎng)的主席，請(qǐng)您談?wù)勅珖?guó)腐蝕大會(huì)召開(kāi)對(duì)于行業(yè)發(fā)展的推動(dòng)意義。

    鄭研究員：全國(guó)腐蝕大會(huì)匯聚了腐蝕與防護(hù)領(lǐng)域的各類精英，一方面，腐蝕工程師提出了實(shí)際工作中所遇到的新問(wèn)題，讓從事腐蝕研究的科學(xué)家的相關(guān)研究更有針對(duì)性，避免閉門造車；另一方面，從事腐蝕研究的科學(xué)家所展示的最新腐蝕機(jī)理研究成果也為腐蝕工程師解決實(shí)際問(wèn)題帶來(lái)新思路。通過(guò)全國(guó)腐蝕大會(huì)的良好平臺(tái)，全國(guó)腐蝕與防護(hù)的科學(xué)家和工程師相互交流，共同提高。因此，全國(guó)腐蝕大會(huì)的召開(kāi)對(duì)于行業(yè)發(fā)展有重要的推動(dòng)意義。

     后記：近年來(lái)，對(duì)沖刷腐蝕的研究，已經(jīng)成為科學(xué)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。隨著科學(xué)家們對(duì)其的分析和研究，相信會(huì)研究出正確的防護(hù)措施，為石油、化工、采礦、能源產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域減少更多的損失！

 
    人物簡(jiǎn)介：

    鄭玉貴，博士、博士生導(dǎo)師、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所二級(jí)研究員、黨委委員、中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)常務(wù)理事、國(guó)家材料環(huán)境腐蝕野外科學(xué)觀測(cè)研究平臺(tái)理事、中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)會(huì)石油化工腐蝕與安全專業(yè)委員會(huì)副主任委員、材料腐蝕與防護(hù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)主任、結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與控制航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)委員。國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，入選遼寧省“百千萬(wàn)人才工程”百人層次。合肥工大、河海大學(xué)、東北石油和四川理工兼職教授，Tribology - Materials, Surfaces and Interfaces、Corrosion Science and Technology、《中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)》和《腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)》期刊編委，美國(guó)ASTM G32振動(dòng)空蝕測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)修改工作組成員。主要研究方向?yàn)槎嘞嗔鳁l件下材料的腐蝕、沖蝕和空蝕機(jī)理與防護(hù)，承擔(dān)過(guò)多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金、“973” 、國(guó)家環(huán)境腐蝕平臺(tái)、中科院、中石化等項(xiàng)目，發(fā)表SCI期刊論文100余篇（包括Corrosion Science 20余篇），被引用2000余次，曾榮獲英國(guó)優(yōu)秀期刊論文獎(jiǎng)和鄭州市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。多次應(yīng)邀為中石化、中石油、大亞灣和秦山核電站、華電集團(tuán)“腐蝕與防護(hù)培訓(xùn)班”授課。

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