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磨損和沖刷腐蝕

2022-08-15 16:32:37 作者：工業小南點來源：工業小南點分享至：

流動的腐蝕介質、或在腐蝕介質中的兩個金屬的接觸面發生相對運動，則金屬表面即發生腐蝕作用，又存在機械作用導致的金屬破壞，兩者協同作用，從而使腐蝕或磨損的速率大大加速。雖然磨損是一個漸進的過程，正常情況下磨損直接的結果也并非災難性的，但有時也會導致壓力容器的爆炸事故發生，因此，腐蝕磨損造成材料的加速損壞已經引起了人們極大的關注和重視。實際上，機械設備的磨損失效造成的經濟損失是巨大的。我國每年因摩擦磨損造成的經濟損失在1000億人民幣以上，僅磨料磨損每年就要消耗300多萬噸金屬耐磨材料。

Vol.4.6.1

磨損和沖刷腐蝕定義

當材料的表面相互接觸或材料表面與流體接觸并作相對運動時，由于物理和化學的作用，材料表面的形狀、尺寸或質量發生變化的過程，稱為磨損腐蝕（wear corrosion），也稱為摩耗腐蝕。磨損有多種形式，根據相對運動的特點，可分為3種形式：腐蝕磨損、沖擊磨損和空泡腐蝕。根據失效機理也可以分為：粘著磨損、磨料磨損、沖擊磨損、微動磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損等。

腐蝕磨損

腐蝕磨損是摩擦副接觸表面的機械磨損與周圍環境介質發生的化學或電化學腐蝕的共同作用，導致表層材料流失的現象。常發生在礦山機械、工程機械、農業機械、冶金機械等接觸部件或直接與砂、石、煤、灰渣等摩擦的部件，如磨煤機、礦石破碎機、球磨機、溜槽、振動篩、螺旋加料器、刮板運輸機、旋風除塵器等。

①微動性損傷。微動性損傷有微動疲勞、微動磨損和微動腐蝕等。微動腐蝕屬于腐蝕磨損，又稱摩振腐蝕，微動指名義上相對靜止的兩個固體的相互接觸表面在一定法面載荷作用下互相擠壓，在周期性小幅相對滑動（通常為振動）的固體表面因磨損與腐蝕交互作用所導致的材料表面損傷現象。產生微動腐蝕的相對滑動極小，振幅一般約為5～400μm。腐蝕使金屬表面呈現麻點或溝槽，在麻點或溝槽周圍是腐蝕產物。他同時破壞了零部件接觸面所允許的公差，使緊配合松動。

②粘著磨損。粘著磨損是在兩摩擦表面相對滑動時，材料發生"冷焊"后便從一個表面轉移到另一個表面，成為表面凸起物，促使摩擦表面進一步磨損的現象稱。

③磨料磨損。由外部進入摩擦面間的硬顆粒或突出物在較軟材料的表面上犁刨出很多溝紋，產生材料的遷移而造成的一種磨損現象。常會產生一些小的磨粒或碎屑，進一步加重表面的磨損。

對于磨料磨損還可以進一步按不同分類方法進行分為兩體磨損、三體磨損、鑿削磨損、.高應力磨損、低應力磨損、切削磨損和變形磨損。

沖擊磨損（Erosion或Erosive wear）

指流體或固體粒子（通常粒徑不超過1mm）以一定速度（通常不超過500m·s-1）和角度對材料表面進行沖擊所造成的材料表面流失的現象，也稱為侵蝕或侵蝕磨損。根據流動介質可以分為：氣固沖蝕磨損、液固（漿體）沖蝕磨損、液滴沖蝕磨損等。

材料在靜止的或低速流動的腐蝕介質中，腐蝕并不嚴重，而當腐蝕流體高速運動時，因為破壞了金屬表面具有保護作用的表面膜或腐蝕產物膜，表面膜的減薄或去除加速了金屬的腐蝕過程，因而沖蝕是流體的沖刷與腐蝕協同作用的結果。流體輸送管道、旋流分離器、旋風分離器、容器的進料口（物料沖蝕）, 鍋爐管道（燃燒粉塵沖蝕），噴砂機的噴嘴，各種排料泵（磨粒對葉輪和泵體的沖蝕）等都可能受到沖刷腐蝕。據統計，在用管道輸送物料的氣動運輸裝置中，彎頭處的沖蝕磨損比直通部分嚴重50倍；鍋爐管道的失效分析表明，在管道事故中約有1/3是由于沖蝕磨損造成的。英國Eyre估計，沖蝕磨損約占工業生產中磨損總量的8%。

①氣固沖蝕磨損：當含有固體微粒的流體沖擊材料表面造成的一種磨損現象；

②漿體（液體-固體）沖蝕磨損：液體介質攜帶固體粒子以一定的角度和速度對材料表面進行沖擊，使材料表面產生磨損的現象；

③液滴沖蝕磨損：液滴或連續射流沖擊材料表面產生的磨損。

氣蝕磨損（Cavitation corrosion，erosion corrosion）

氣蝕磨損又稱空泡腐蝕，是一種高速相對運動的、局部的沖擊腐蝕，屬于沖擊腐蝕的特殊形式。當流體高速運動達到湍流時，在流體內形成負壓區，從而產生氣泡。氣泡受到壓縮時，內壓升高而發生潰滅，氣泡潰滅產生高壓沖擊波，壓力可達103MPa以上，由于液流中不斷潰滅的氣泡產生的高壓強以及潰滅時的微射流的反復沖擊作用，使材料表面產生破壞的現象稱為氣蝕（或空蝕）磨損。常發生在水輪機葉片、高速螺旋槳、閥門、管路、水冷發動機缸套、水工泄水建筑物等處。除水以外，其它液體也常發生氣蝕磨損。如原子能電站中常用的傳熱介質-液態金屬鈉、鉀、鉍等；一些飛行器中的液態氫；油泵或軸瓦中的潤滑油等。

Vol.4.6.2

磨損和沖刷腐蝕對壓力容器的危害

腐蝕和沖蝕并存會加速劣化的速率，使設備壽命大大縮短。當磨損和沖刷腐蝕發生在壓力容器的殼體上時，往往因殼體局部承壓能力的下降導致容器爆炸事故的發生。換熱器管束也常因為微動磨損、沖刷腐蝕導致內漏，使裝置非計劃停車。

Vol.4.6.3

磨損和沖刷腐蝕形貌

不同的磨損類型，有不同的宏觀和微觀特征，共同的宏觀特征是受損部位嚴重減薄。

腐蝕磨損

①磨粒磨損。大部分磨粒棱角比車床、刨床所用刀具刃口鈍得多，因此磨粒切削過程使材料表面產生更大程度的塑性變形。典型的微切屑形貌，一面是磨屑形成時與磨粒表面摩擦產生的微細磨痕，另一面是磨粒切削時產生的剪切變形皺折。微切屑的長寬比一般比較大，常有卷曲現象。

但脆性材料，塑性變形很小，裂紋擴展導致斷裂脫落的機理可能占支配的地位。當斷裂發生時，壓痕四周外圍的材料都要被磨損剝落，因此磨損量比塑性材料的磨損量大；

②微動磨損。材料表面形成凹坑或麻點，并在摩擦表面上伴有腐蝕斑點，這些是集結的氧化物，常布滿在表面的凹坑或麻點中。有些凹坑及凹坑邊緣可見材料疲勞或塑性流動特征。

沖刷腐蝕

常發生在容器進出口接管的彎管外彎處，設備正對氣體介質入口的筒壁，換熱器管板、折流板、U形彎、筒體接管入口處的管束，折流板及入口防沖板附近殼體器壁等部位。宏觀形貌有方向性溝槽。

湍流腐蝕和沖擊腐蝕是沖刷腐蝕的兩種重要形式，高速流體或流動截面突然變化形成了湍流或沖擊，湍流形成的切應力使表面膜破壞，不規則的表面使流動方向更為紊亂，產生更強的切應力，在磨損和腐蝕的協同作用下形成腐蝕坑。湍流常發生在管道截面或流向突變部位，在介質的入口端，金屬表面凸出、凹陷、縫隙、沉積物等處都易形成湍流。受到湍流腐蝕的金屬表面往往呈現溝槽、波紋、凹谷和馬蹄形外觀，且與流向有明顯關系。

氣蝕磨損

材料表面局部出現圓形或橢圓形的深淺不同的凹穴和麻點，有的甚至呈蜂窩狀，并產生裂紋和剝落。

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