一文看懂流動(dòng)腐蝕

往期多相流在線介紹了多相流軟件模擬分析、多相流領(lǐng)域相關(guān)的測(cè)試方法，本期將給大家介紹多相流工程領(lǐng)域中讓工程師們頭疼的流動(dòng)腐蝕現(xiàn)象及容易混淆的流動(dòng)腐蝕概念。

流動(dòng)腐蝕現(xiàn)象

自然界中流動(dòng)腐蝕很常見，例如云南昆明附近的喀斯特地貌石林景區(qū)（圖1）就是石灰?guī)r地區(qū)的地表水長(zhǎng)期溶蝕的結(jié)果。石灰?guī)r的主要成分是碳酸鈣CaCO3，在有水和二氧化碳時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸氫鈣Ca（HCO3）2，可溶于水，空洞形成后隨著雨水的不斷溶蝕而逐步擴(kuò)大，最終形成神奇的喀斯特地貌。

圖1 喀斯特地貌——自然界的“流動(dòng)腐蝕”

流動(dòng)腐蝕在工業(yè)領(lǐng)域也很普遍，水利、電力、石油、化工、冶金等，只要有流動(dòng)介質(zhì)就會(huì)發(fā)生流動(dòng)腐蝕，與電化學(xué)腐蝕相比，由于“流動(dòng)”的物理過程，物理和電化學(xué)耦合作用，導(dǎo)致更加嚴(yán)重的腐蝕問題。

某電廠的凝汽器入口管道采用銅合金制成，受到循環(huán)冷卻水中的懸浮物、泥砂等固體顆粒硬物的沖擊、摩擦，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，入口端銅管前段彎管的下游管道內(nèi)壁粗糙，雖無明顯腐蝕坑，但表面粗糙，黃銅基體裸露，銅管減薄。沖刷腐蝕的陽極過程是銅的溶解，陰極過程是氧的還原。腐蝕坑內(nèi)無腐蝕產(chǎn)物，表面呈銅合金的本色，如圖2。

圖2 銅管中的沖刷腐蝕現(xiàn)象

流動(dòng)腐蝕會(huì)帶來極大的危害，甚至危及生命。

2004年8月9日，日本美濱核電廠發(fā)生的一起由于流體對(duì)腐蝕的影響而引發(fā)的管道破裂的事故，造成4名工人死亡，7人被灼傷。據(jù)事后調(diào)查，該蒸汽泄漏事故管道破口的位置正好在流量測(cè)量裝置下游附近，其管道內(nèi)部流體的湍流度很高，流動(dòng)對(duì)管道的腐蝕起到了明顯的加速作用，所以在核電行業(yè)內(nèi)把這種腐蝕類型稱為流動(dòng)加速腐蝕。

圖3 日本美濱核電廠流動(dòng)加速腐蝕引起的管道破裂

易混淆的流動(dòng)腐蝕術(shù)語

流體對(duì)腐蝕的影響過程非常復(fù)雜，對(duì)這些現(xiàn)象的研究認(rèn)識(shí)在早期階段存在著較多概念混亂，直到國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的深入開展和不斷重視，各種流體相關(guān)的腐蝕機(jī)理才逐漸清晰，對(duì)這些術(shù)語有了一些明確的定義。

流致腐蝕（Flow-induced corrosion）：由于流體在金屬表面上流動(dòng)導(dǎo)致流體湍流強(qiáng)度和傳質(zhì)增加而引起的腐蝕增加。

沖刷腐蝕（Erosion-Corrosion）：由于金屬表面上的物理沖擊造成了機(jī)械損傷而引起的腐蝕增加。沖擊可以來自液體或氣相中的固體顆粒，也可以是氣相中的液滴。

流動(dòng)加速腐蝕（Flow-accelerated corrosion，F(xiàn)AC）：由于單相液流或汽/液雙相流將碳鋼或者低合金鋼表面的保護(hù)性氧化膜溶解， 而造成氧化膜減薄并引起碳鋼或者低合金鋼腐蝕速率增大的現(xiàn)象。一般該術(shù)語多出現(xiàn)在核電行業(yè)的腐蝕研究中。

垢下腐蝕（Under-deposit corrosion）：在非金屬固體沉積物下方的金屬表面由于分離水相中的低湍流引起的腐蝕速率增加的現(xiàn)象。

圖4 垢下腐蝕

露點(diǎn)腐蝕（Dew-point corrosion）：當(dāng)氣體在一定壓力下某個(gè)溫度出現(xiàn)含水量的蒸發(fā)和冷凝速率相同時(shí)發(fā)生的腐蝕。由于水分是在露點(diǎn)溫度開始產(chǎn)生的，而濕氣是造成腐蝕的重要因素，所以了解這個(gè)物性特征有助于選材。此外，水分還可以與氣體中傳播的其他腐蝕性氣體如硫化氫和氯化氫等反應(yīng)，這些氣體形成了強(qiáng)酸腐蝕金屬表面，這一問題在煉油廠特別突出，如常減壓塔頂?shù)柠}酸腐蝕現(xiàn)象。這些酸性物質(zhì)是在煉油廠生產(chǎn)的煙道氣形成的。酸性氣體與水蒸氣混合，形成了特定的露點(diǎn)。當(dāng)溫度達(dá)到露點(diǎn)時(shí)，這些酸性氣體就迅速溶解進(jìn)入水相并開始腐蝕金屬材料的表面。

圖5 常壓塔塔頂塔板鹽酸腐蝕穿孔

空泡腐蝕（Cavitation Corrosion）：也稱為空蝕、氣蝕，是一種特殊類型的腐蝕，它是由氣泡在金屬表面上的發(fā)生破裂引起的。它通常與流體的流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)相關(guān)，特別是突然的壓力變化，例如在螺旋槳、攪拌槳和渦輪葉片中。在高流速下催生高壓區(qū)和低壓區(qū)，在低壓區(qū)產(chǎn)生蒸汽氣泡，當(dāng)這些氣泡轉(zhuǎn)移到高壓區(qū)域時(shí)，它們會(huì)塌陷并產(chǎn)生壓力波，這些壓力波會(huì)破壞金屬表面形成的鈍化膜，導(dǎo)致腐蝕速率明顯上升。

圖6  空泡腐蝕過程

例如，當(dāng)液體快速通過收縮孔時(shí)，例如當(dāng)孔的形狀突然改變尺寸時(shí)，可能發(fā)生空穴。通常情況下，水通過一個(gè)稍微打開的閥門或閘門時(shí)，發(fā)生快速的壓力變化，這有利于空化氣泡的形成。當(dāng)液體通過高真空時(shí)，氣蝕現(xiàn)象也可能發(fā)生。當(dāng)燃料供給或泵的液壓流體受到限制導(dǎo)致高真空時(shí)，就可能發(fā)生氣蝕。例如當(dāng)螺旋槳葉片過載或表面不足時(shí)，其后部也可能發(fā)生空蝕。

圖7 汽輪機(jī)葉片邊緣的空泡腐蝕現(xiàn)象

微動(dòng)腐蝕（Fretting corrosion）：兩種或兩種以上材料在接觸載荷下重復(fù)發(fā)生微小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的腐蝕問題，在流體中由于流動(dòng)引發(fā)的振動(dòng)是發(fā)生微動(dòng)腐蝕的主要原因之一。微動(dòng)腐蝕和微動(dòng)磨損（Fretting wear）通常會(huì)同時(shí)發(fā)生，兩者的區(qū)別主要是微動(dòng)腐蝕是以電化學(xué)反應(yīng)過程為主，而微動(dòng)磨損是以機(jī)械作用為主。

圖8 反應(yīng)堆燃料組件的微動(dòng)磨損和腐蝕問題

磨損腐蝕（wear corrosion）：簡(jiǎn)稱磨蝕，是材料由于磨損和腐蝕同時(shí)存在的降解現(xiàn)象，磨損和腐蝕的相互影響引起了強(qiáng)烈的損傷和質(zhì)量損失，這兩種效應(yīng)的疊加造成的后果要遠(yuǎn)比單獨(dú)的機(jī)制嚴(yán)重。

二氧化碳腐蝕（CO2 corrosion）：在石油行業(yè)也稱為甜腐蝕（Sweet corrosion），是由于在管道內(nèi)部流動(dòng)的濕氣體中含有的CO2在水相中形成了弱酸性的碳酸，與金屬管道的表面接觸后發(fā)生點(diǎn)腐蝕的現(xiàn)象。

流動(dòng)腐蝕分類

為了完整梳理一遍與流體相關(guān)的腐蝕類型的相關(guān)術(shù)語，基于流動(dòng)腐蝕是一個(gè)物理和化學(xué)相互作用的復(fù)雜過程，在這里首先將影響腐蝕的控制步驟簡(jiǎn)化成以化學(xué)作用為主和以物理作用為主的兩種大類，然后再細(xì)分出幾種具體的類型。

圖9 流動(dòng)腐蝕的分類

在這其中，傳質(zhì)過程控制的腐蝕有流致腐蝕、流動(dòng)加速腐蝕等；相變過程控制的腐蝕有煉油廠的低溫露點(diǎn)腐蝕、火電廠的煙氣腐蝕等；沖刷腐蝕包括了各種多相流中第二相粒子沖擊金屬表面引起的腐蝕加劇現(xiàn)象，如液相中的固相顆粒對(duì)金屬表面造成的腐蝕，液相中的氣體在金屬表面破滅時(shí)引起鈍化膜破裂的空泡腐蝕等；磨損腐蝕則有磨蝕、微動(dòng)腐蝕等。

當(dāng)然，由于各個(gè)學(xué)者對(duì)這些流動(dòng)腐蝕機(jī)理尚有不同看法，所以有些文獻(xiàn)中將這幾種腐蝕類型的分類并不完全一致。

為了方便理解，根據(jù)物理過程與電化學(xué)過程對(duì)整個(gè)腐蝕過程的影響占比不同，我們按照物理因素占比（如湍流度）逐漸提高的順序，將本文中提到的這些腐蝕類型放到了同一張圖上，供大家參考。

圖10 隨物理因素占比提高的腐蝕分類

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