秦明花，鄭文杰，張雪冰，朱玉亮，宋志剛

(1. 鋼鐵研究總院 特殊鋼研究所，北京 100081； 2. 鋼研昊普科技有限公司，北京 100081；3. 武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所,湖北 武漢 430064)

0 前 言

沖刷腐蝕是一種特殊的局部腐蝕，又稱為磨損腐蝕，按介質(zhì)的不同可分為單相流、雙相流和多相流腐蝕，在高速流體介質(zhì)下，沖刷腐蝕的表現(xiàn)形式主要為湍流腐蝕和空泡腐蝕。沖刷腐蝕是船舶、水利工程行業(yè)中各種泵、閥、管道、螺旋槳、渦輪葉片等部件最普遍的失效形式。如潛艇換熱管，由于管內(nèi)高壓冷卻海水及管外蒸汽的沖刷與腐蝕，在表面造成嚴(yán)重的損傷。水煤漿氣化灰水管線在彎管部分，由于液體中的固體顆粒，造成了管道嚴(yán)重的沖刷腐蝕。船舶的船體和螺旋槳，由于海水和泥沙的作用，極易發(fā)生腐蝕失效。這些部件的沖刷腐蝕是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過程，受材質(zhì)因素、介質(zhì)環(huán)境因素的影響，材質(zhì)的選擇受設(shè)計(jì)等因素的限制，而流體介質(zhì)的影響是科研工作者在沖刷腐蝕研究工作中的重點(diǎn)，科研工作者已經(jīng)設(shè)計(jì)了多種實(shí)驗(yàn)裝置，利用各種試驗(yàn)方法研究了水環(huán)境中各種因素對(duì)金屬材料的沖刷腐蝕的影響。

1 沖刷與腐蝕的交互作用

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)而產(chǎn)生的金屬損壞。沖刷是金屬材料的力學(xué)損傷，材料以固體顆粒形式脫離金屬表面; 腐蝕是金屬的電化學(xué)或化學(xué)損傷，材料以離子形式脫離金屬表面[1]。自1949年首次提出沖刷與腐蝕之間存在交互作用后，普遍認(rèn)為總腐蝕速率W(mm/a)由4部分加和而成，即[2，3]：

W=K+C=K0+C0+Ke+Ce

(1)

K=K0+Ke

(2)

C=C0+Ce

(3)

ΔW=Ke+Ce

(4)

其中，C0為純電化學(xué)腐蝕速率、K0為純磨損速率，Ce為沖刷磨損對(duì)電化學(xué)腐蝕的加強(qiáng)部分，Ke為電化學(xué)腐蝕對(duì)沖刷磨損的增強(qiáng)部分,K為總沖刷磨損速率，C為總腐蝕速率，ΔW為沖刷磨損與腐蝕的交互作用部分。沖刷磨損對(duì)電化學(xué)腐蝕的增強(qiáng)作用主要表現(xiàn)為：影響離子的傳質(zhì)過程，即在金屬表面常形成魚鱗狀或馬蹄狀沖蝕坑，甚至使鈍化膜減薄、破裂，間接促進(jìn)電化學(xué)腐蝕。值得注意的是沖刷作用只是加速了金屬的腐蝕, 并不會(huì)改變金屬的腐蝕歷程和溶解機(jī)制。電化學(xué)腐蝕對(duì)沖刷磨損的增強(qiáng)作用主要表現(xiàn)為：溶解加工硬化層、粗化電極表面，弱化材料的晶界和相界，促進(jìn)硬而脆的第二相的暴露，如碳化物，從而促進(jìn)機(jī)械磨損。Islam等[3]分析比較了API X42、API X70、API X100 3種管線鋼在存在CO2的含沙鹽水介質(zhì)中的耐沖刷腐蝕性能，研究表明API X100鋼隨流速的提高表現(xiàn)出更強(qiáng)烈的交互作用。這說明沖刷與腐蝕的協(xié)同作用對(duì)耐沖刷腐蝕材料的影響更為顯著。ΔW值也可能出現(xiàn)負(fù)值現(xiàn)象，如鎳鋁涂層和碳鋼在流速低于6.7 m/s的3.5%NaCl介質(zhì)中皆表現(xiàn)出負(fù)交互作用[4]，這可能是由于在流動(dòng)的介質(zhì)中，溶解氧含量充足，材料表面迅速形成致密的鈍化膜并生長(zhǎng)，從而抑制了傳質(zhì)過程。Stack等[5]則進(jìn)一步將沖刷腐蝕機(jī)制分為4個(gè)部分：(1)當(dāng)C/K<0.1時(shí)為沖刷磨損控制；(2)當(dāng)0.1≤C/K<1.0 時(shí)為沖刷磨損 - 電化學(xué)混合控制；(3)當(dāng)1.0≤C/K<10.0時(shí)為電化學(xué) - 沖刷磨損混合控制；(4)當(dāng)C/K≥10.0時(shí)為電化學(xué)控制。

2 沖刷腐蝕研究方法

國(guó)內(nèi)外研究沖刷腐蝕的試驗(yàn)方法包括試驗(yàn)法和數(shù)值模擬，以實(shí)驗(yàn)法為主，主要探討含沙量、流速、沖刷角等對(duì)管道系統(tǒng)的腐蝕速率的影響。

2.1 試驗(yàn)法

試驗(yàn)過程涉及開展沖刷腐蝕的試驗(yàn)裝置的選取、沖刷腐蝕結(jié)果的采集、沖刷腐蝕形貌的表征3個(gè)部分。

2.1.1 試驗(yàn)裝置的選取

國(guó)內(nèi)外開展沖刷腐蝕試驗(yàn)裝置包括：激光多普勒裝置、磁致伸縮振動(dòng)裝置、砂紙研磨法測(cè)試裝置、ZS - 1型實(shí)海沖刷腐蝕裝置、旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)裝置、噴射沖刷試驗(yàn)裝置和管流試驗(yàn)裝置，其中后3種是目前國(guó)內(nèi)最常用的試驗(yàn)裝置。

旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)裝置[6]是最早使用且現(xiàn)階段使用最廣泛的評(píng)價(jià)沖刷腐蝕性能的試驗(yàn)裝置，包括料漿罐式、旋轉(zhuǎn)圓柱電極式及旋轉(zhuǎn)圓盤電極式3種類型，它們的共同優(yōu)勢(shì)在于設(shè)備簡(jiǎn)單，試驗(yàn)周期短，試驗(yàn)成本低。料漿罐式試驗(yàn)機(jī)適用于模擬水輪機(jī)葉片和水泵葉輪的腐蝕，常被用來研究漿體的沖刷腐蝕作用，但是在試驗(yàn)過程中溶液容易產(chǎn)生渦流。旋轉(zhuǎn)圓柱電極(見圖1a)適用于研究流體力學(xué)因素對(duì)沖刷腐蝕的影響，特別適用于模擬湍流流動(dòng)介質(zhì)下設(shè)備的腐蝕，但是不容易實(shí)現(xiàn)量化固體砂粒作用的研究及沖刷角的控制。旋轉(zhuǎn)圓盤電極和旋轉(zhuǎn)圓柱電極的適用范圍相似，相較而言其更適用于模擬層流流動(dòng)下設(shè)備的腐蝕。

圖1 沖刷腐蝕試驗(yàn)裝置[4，6]

射流試驗(yàn)裝置(見圖1b)基本由研究者依據(jù)試驗(yàn)要求自行設(shè)計(jì)和制造，適用于研究高流速下材料的沖刷腐蝕，試驗(yàn)時(shí)間短，4 h即可，實(shí)驗(yàn)室以6 h和10 h為主，常和電化學(xué)裝置聯(lián)用測(cè)試自腐蝕電位、腐蝕電流密度、電化學(xué)阻抗隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化。該裝置在小角度攻角試驗(yàn)中，在噴射邊緣區(qū)域可能會(huì)形成橫向塑性硬化唇，同時(shí)，存在驅(qū)動(dòng)泵容易出現(xiàn)磨損的問題。

管流裝置主要優(yōu)勢(shì)是符合管道沖刷的實(shí)際工況條件，試驗(yàn)結(jié)果有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。易于控制流速、流態(tài)，有良好的流體力學(xué)模型，操作簡(jiǎn)單，試驗(yàn)結(jié)果可以同流體力學(xué)參數(shù)相關(guān)聯(lián)，易于解釋說明[7]。但是占據(jù)的空間大，所需液流量大，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，試驗(yàn)成本高，容易產(chǎn)生縫隙腐蝕，并且不能用來研究沖刷角對(duì)材料的沖刷腐蝕的影響。

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果的采集

沖刷腐蝕結(jié)果的采集方法包括：重量損失測(cè)試方法(簡(jiǎn)稱失重法)、電化學(xué)法和聲發(fā)射法。其中失重法是最可靠、最經(jīng)典的測(cè)定金屬?zèng)_刷腐蝕速率的方法，操作十分簡(jiǎn)單，常被用來獲得純腐蝕、純沖刷和沖刷腐蝕的失重，但是試驗(yàn)周期長(zhǎng)，只能獲得材料總體的損失速率；電化學(xué)法除可以半定量測(cè)定沖刷腐蝕速率外，還可以在線監(jiān)測(cè)試樣的狀態(tài)，在沖刷腐蝕機(jī)理研究方面發(fā)揮著重要作用，是當(dāng)代主流研究方法，但是難以構(gòu)造三電極體系，測(cè)量結(jié)果易受人為及環(huán)境因素的干擾，因此常和失重法配合使用；聲發(fā)射技術(shù)也可以在線監(jiān)測(cè)沖刷腐蝕過程并獲得顆粒的沖擊頻率及能量分布，在研究金屬材料活化 - 鈍化轉(zhuǎn)變過程、高低溫下材料的腐蝕特征、力學(xué)特性及在線監(jiān)測(cè)管壁減薄方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但是成本相對(duì)較高，應(yīng)用相對(duì)較少。

2.1.3 沖刷腐蝕形貌及表面成分的表征

表征金屬材料的沖刷腐蝕形貌時(shí)需要考慮材料的腐蝕程度，對(duì)于腐蝕比較嚴(yán)重的材料可以采用掃描電鏡(SEM)、光學(xué)顯微鏡(OM)、內(nèi)窺鏡等手段；沒有產(chǎn)生明顯的腐蝕產(chǎn)物時(shí)可以采用透射電鏡(TEM) 、掃描隧道顯微鏡(STEM)、原子力顯微鏡(AFM)等手段。成分表征過程中也需要考慮材料的腐蝕程度，對(duì)于腐蝕比較嚴(yán)重的材料可以采用X射線衍射(XRD)、能量色散譜(EDS)、電子探針(EPMA)等；腐蝕比較輕的材料需選用X射線光電子能譜(XPS) 、俄歇電子能譜(AES)拉、拉曼分析(Raman)等。材料減薄的厚度可以借助輪廓儀來測(cè)量，鈍化膜的厚度可以利用光學(xué)干涉光、角分辨X射線光電子能譜(XPS)、俄歇電子能譜(AES)深度剖析等手段來半定量分析。

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算

沖刷腐蝕數(shù)值模擬以量化材料的損失為主，目前主要基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 軟件展開，主要模擬管道的沖刷腐蝕[7，8]以及溫度[9，10]、pH值[8]、流體壓力[11，12]、沖刷角[13]、流體速度[14]、懸浮固體顆粒物尺寸及濃度等的變化[15]對(duì)金屬材料的沖刷腐蝕速率的影響。和試驗(yàn)相比，數(shù)值模擬能夠滿足復(fù)雜的工程問題需求，如彎管的流體力學(xué)特征，在解釋沖刷腐蝕機(jī)理中發(fā)揮著不可替代的作用，且成本低，周期短，將會(huì)成為沖刷腐蝕研究的核心手段。但是數(shù)值模擬存在2大重要問題：一是邊界條件的設(shè)定需要基于一定的假設(shè)；二是需要基于一定的模型計(jì)算，因此和實(shí)際情況會(huì)有一定的偏差，且適用性有限。

沖刷腐蝕模型基于磨損模型發(fā)展而來，磨損模型相對(duì)較多，包括局部變形模型、塑性變形 - 擠壓模型、剪切模型及脆性開裂和擴(kuò)展模型等。近幾年國(guó)外學(xué)者[8-10,15]以Finnie模型(剪切模型)和Sundararajan模型(局部變形模型)為基礎(chǔ)，模擬了不同固體粒子的濃度、尺寸、及溫度條件下金屬材料的沖刷腐蝕機(jī)制，具體內(nèi)容為假設(shè)活化區(qū)沖刷腐蝕速率由K0和C0兩部分組成，鈍化區(qū)沖刷腐蝕速率由K0和Ce兩部分組成，分別討論鈍化區(qū)和活化區(qū)的沖刷腐蝕速率，從而繪制沖刷腐蝕圖來描述磨損與腐蝕顯著交互作用區(qū)域，即鈍化膜的厚度h和電位之間滿足式(5)：

h=h0+3×10-9(Eap-Ep)

(5)

式中：h0為鈍化電位下的瞬時(shí)鈍化膜厚度，常定義為10-9m ，Ep為鈍化電位，Eap為外加電位，單位為V。

磨損速率見式(6)：

(6)

其中，Dp表示沖擊粒子的密度，單位為g/cm3；C表示沖擊粒子的濃度，g/cm3；υ表示沖擊粒子的速度，m/s；Hs表示材料的維氏硬度，HV，由于文中通過材料的屈服強(qiáng)度Y(T)換算而來，即Hs(T)=2.7Y(T)[10]，因此文中可由MPa來表示Hs的單位；Cp為比熱容，J/(Kg·K)。

鈍化區(qū)的腐蝕速率見式(7)：

(7)

活化區(qū)的腐蝕速率見Butler - Volmer公式(8)：

(8)

由式(8)得到的陽(yáng)極電流密度Janet(A /cm2)見式(9)：

(9)

其中式(7)～(9)中，κi表示和材料相關(guān)的常數(shù)；Df表示鈍化膜的密度，g/cm3；r表示沖擊粒子的半徑，m;M表示相對(duì)原子質(zhì)量；n表示反應(yīng)過程中的電子轉(zhuǎn)移數(shù)；F表示法拉第常數(shù)，96 485.339 9 C/mol;β表示對(duì)稱因子；J0表示平衡電流密度；E0表示平衡電位；R表示氣體常數(shù)，8.314；T表示溫度，K。Telfer等[15]基于Sundararajan和Shewmon模型研究了固體顆粒的濃度和尺寸對(duì)沖刷腐蝕速率的影響；Stack等[10]將式(6)中的硬度Hs和比熱容Cp用溫度T的多項(xiàng)式來表示，以此將溫度引入Sundararajan和Shewmon模型中，以此預(yù)判不同溫度范圍沖刷腐蝕的主導(dǎo)機(jī)制，見圖2，圖中K代表磨損速率，g/(cm2·s)，C代表腐蝕速率，g/(m2·s)。Laukkanen等[8]提出將CFD點(diǎn)缺陷模型同有限元分析結(jié)合起來研究pH值的影響。Wang等[16]建立了考慮外加載荷的磨損方程，模擬不同載荷條件下管材的失重隨流速的變化。這些信息對(duì)材料的選材和防護(hù)有極大的指導(dǎo)作用。

圖2 Fe在pH =5，外加電位0.6 V(vs SCE)條件下的3D圖[10]

對(duì)管道內(nèi)部的流體力學(xué)特征分布的數(shù)值模擬是沖刷腐蝕數(shù)值模擬的另一個(gè)重要研究方向，并且是石油，天然氣領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，它的原理是基于CFD軟件，建立離散相模型、磨損模型及腐蝕模型，從而獲得沖刷腐蝕速率分布圖，預(yù)測(cè)腐蝕最嚴(yán)重的部位。如Benedetto等[17]通過數(shù)值模擬碳鋼及雙相鋼在四相介質(zhì)下的沖刷腐蝕性能，從而得出氣相存在的條件下，彎管底部為最嚴(yán)重的腐蝕部位。王博等[18]采用Mixture - DPM 雙向耦合模型模擬了低濃度顆粒的油水多相流集輸管線流場(chǎng)變化，發(fā)現(xiàn)90°彎管磨損區(qū)域主要集中在外拱壁面，三通管磨損區(qū)域主要位于下支管右壁面，漸縮管磨損區(qū)域主要位于喉部區(qū)域及出口處。

3 沖刷腐蝕的影響因素

金屬在液 - 固兩相中的沖刷腐蝕是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，是腐蝕和沖刷交互作用的結(jié)果，因此影響腐蝕和沖刷的因素都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，主要包括金屬材料本身因素[19-22]：成分、組織、結(jié)構(gòu)、熱處理工藝；流體環(huán)境因素[3,23-26]：流體流速、沙粒濃度及硬度、沙粒尺寸及形狀、沖刷角、溫度、pH值、含氧量等。流體環(huán)境的影響是近年來沖刷腐蝕的研究熱點(diǎn)，亦是本節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容。

3.1 流 速

在金屬發(fā)生腐蝕的條件下，介質(zhì)的流速是影響其腐蝕的重要因素(見表1)。流速對(duì)金屬材料的沖刷腐蝕有雙重影響，一方面可以提高O2的擴(kuò)散速率，促進(jìn)鈍化膜的生成，能夠減少腐蝕性物質(zhì)在金屬表面的累積, 避免點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的發(fā)生；另一方面加速鹵素離子的傳質(zhì)過程，流速過大時(shí)還會(huì)將鈍化膜從基體上拉撕開并沖走，削減鈍化膜的厚度及破壞鈍化膜的完整性。這意味著鈍性材料存在一個(gè)臨界速度(高臨界流速)，有時(shí)也稱之為擊穿速度或膜破裂速度，當(dāng)流體流速超過臨界流速值時(shí)，沖刷腐蝕速度明顯上升。臨界流速已經(jīng)成為工程中評(píng)價(jià)材料沖刷腐蝕性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)及材料保護(hù)的一種重要手段[27]。美國(guó)沖刷腐蝕研究中心認(rèn)為流速應(yīng)控制在高于點(diǎn)蝕產(chǎn)生的低臨界流速和產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷腐蝕的高臨界流速之間[28]。

表1 海水介質(zhì)中不同流速時(shí)的金屬?zèng)_刷腐蝕速率[29] mg/(dm2·d)

不同種類的金屬材料的臨界流速會(huì)有明顯的差異(見表1)[29]，通常，耐磨及耐材料的臨界流速比較高，如鈦合金。除此之外，流體環(huán)境，如溫度、pH值、含沙量等亦會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定影響，其中含沙量對(duì)其的影響最明顯，當(dāng)在臨界含沙量以下，臨界流速隨著含沙量的增加而降低。如常溫下，0Cr25Ni6Mo3CuN 雙相不銹鋼在3.5%的 NaCl 溶液中的臨界流速是15 m/s；當(dāng)溶液中有沙粒存在時(shí)臨界流速降至6.2 m/s[30]； 304 不銹鋼在含沙量為1%，2%，3%的3.5%NaCl溶液中的臨界流速分別為 12，9，7 m/s[31]。Zheng等[31]還發(fā)現(xiàn)鈍化金屬的臨界速度和開路電位之間有密切關(guān)系：當(dāng)流速為臨界流速時(shí)，開路電位和靜態(tài)開路電位接近，當(dāng)流速小于臨界流速時(shí)，開路電位正移，當(dāng)流速大于臨界流速時(shí)，開路電位負(fù)移，也就是說流速小于臨界流速時(shí)，金屬材料表現(xiàn)出更好的耐腐蝕性能,見圖3。

圖3 不同沖刷速度條件下304不銹鋼在2%含沙NaCl溶液中的開路電位變化圖[31]

流速與沖刷速率之間滿足以下關(guān)系[9,31，32]

E=kvn

(10)

式中：E表示沖刷速率，μm/(100 h)，k表示常數(shù)，v代表流速，m/s，n為指數(shù)。研究表明n的取值范圍為0.34～4.83[33]，Stack等[9]認(rèn)為金屬材料的指數(shù)n通常在2～3之間。固體顆粒的形狀、尺寸和硬度會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定影響，通常在圓形粒子、小尺寸粒子和金屬靶材硬度相近的粒子的作用下n會(huì)略微減小，在臨界流速附近n值接近2。雖然該公式可以直接計(jì)算給定速度下的腐蝕情況，由于低流速下，材料以電化學(xué)腐蝕為主，因此其不適用于流速比較小的條件。

3.2 含沙量及粒徑

流體中的顆粒物的存在不僅會(huì)明顯增強(qiáng)金屬表面機(jī)械力，長(zhǎng)期作用下使材料表面會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力松弛效應(yīng)，使得試樣宏觀硬度降低；還會(huì)促進(jìn)電荷的轉(zhuǎn)移，其對(duì)鈍化膜的厚度和完整性也有極大的影響。除此之外，彭文山等[34]還發(fā)現(xiàn)含沙量會(huì)對(duì)鈍化膜的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。沙粒的動(dòng)能通常描述為[4]：

Ek=0.5mυ2

(11)

其中m代表每秒和金屬材料碰撞粒子的總質(zhì)量，kg；υ代表粒子的流速，m/s，常以流體的速度來表示。因此隨著含沙量的增加，材料損傷加劇，但是當(dāng)達(dá)到臨界含沙量后，沖刷腐蝕速率反而下降，這是由于沙粒和回彈沙粒之間相互作用而產(chǎn)生了屏蔽效應(yīng)。

雖然國(guó)內(nèi)外做了較多關(guān)于粒徑和沖刷腐蝕速率之間關(guān)系的研究，但是目前還沒有形成統(tǒng)一觀點(diǎn)。一般認(rèn)為隨著粒徑增大, 沖刷腐蝕速率增高，但達(dá)到某一粒徑后增加率變小，并且在高流速、大攻角下作用下大粒徑的影響更為顯著。Weber[35]認(rèn)為當(dāng)沙粒粒徑小于50 μm時(shí)，沖刷腐蝕速率與沙粒的大小無(wú)關(guān)；當(dāng)沙粒粒徑超過 100 μm時(shí)才會(huì)影響沖刷腐蝕。姜志超等[36]發(fā)現(xiàn)當(dāng)粒徑在120～212 μm時(shí), 砂粒對(duì)X80鋼的沖蝕損害最大。Manisekaran等[37]發(fā)現(xiàn)粒徑在150～300 μm時(shí)，13Cr - 4Ni鋼的損傷最嚴(yán)重，是粒徑小于150 μm下腐蝕速率的2倍多。有學(xué)者[38]提出了2個(gè)臨界粒徑的概念，認(rèn)為在2個(gè)臨界值之間粒徑的影響最為顯著，小粒徑粒子的動(dòng)能和沖擊能很小，因此通常不會(huì)造成犁削型破壞，而大粒徑粒子的質(zhì)量較大，通常為犁削型破壞機(jī)制。除此之外，沙粒的形狀亦會(huì)對(duì)沖刷行為產(chǎn)生影響，相較于圓形粒子，角形粒子對(duì)材料的損傷更大，砂粒的菱角越多，流體對(duì)金屬表面的切應(yīng)力也越大。

3.3 沖刷角

沖刷角，又稱攻角。其對(duì)沖刷腐蝕的影響主要表現(xiàn)為剪切應(yīng)力通過削薄甚至移除金屬表面的鈍化膜而增強(qiáng)腐蝕過程，正應(yīng)力則是通過撞擊材料而產(chǎn)生孔洞和粗糙的電極表面[39]。大量研究表明[13,15,26,33]，沖擊角和沖刷腐蝕速率之間不遵從線性關(guān)系。

Osama等[40]的研究結(jié)果表明45°角度作用下，分切應(yīng)力和正應(yīng)力大小相等，對(duì)材料的沖刷腐蝕最劇烈。趙彥琳等[41]在研究304不銹鋼在模擬海水中的沖刷腐蝕時(shí)發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律，但是陳艷等[42]通過模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)在B10管材在30°沖刷角作用下腐蝕最為嚴(yán)重。Heitz等[43]認(rèn)為韌性材料的最大沖蝕率發(fā)生在15°～40°之間，而脆性材料的最大沖刷腐蝕速率對(duì)應(yīng)90°攻角。Wheeler等[44]贊同上述觀點(diǎn)，并且進(jìn)一步將韌性材料的最大腐蝕速率對(duì)應(yīng)的沖擊角范圍縮小至為20°～30°。Sasaki等[45]認(rèn)為這和90°攻角時(shí)容易產(chǎn)生粗糙的電極表面,點(diǎn)蝕傾向加強(qiáng)有關(guān)。最大沖刷角除和材料的韌脆性有關(guān)，還可能受沙粒尺寸的影響。Shivamurthy等[46]發(fā)現(xiàn)當(dāng)粒徑從100 μm升至375 μm時(shí)，13Cr - 4Ni 鋼的最大沖刷角從45°升至60°。Wu等[47]認(rèn)為最大沖刷角還受含沙量的影響，且二者之間存在函數(shù)關(guān)系。

3.4 溫度、pH值、含氧量及CO2

沙粒的含量及尺寸，沖刷的角度直接影響機(jī)械磨損過程，而溫度、pH值、含氧量、CO2主要影響腐蝕過程。

流體溫度對(duì)溶氧量和流體黏度有顯著的影響，隨著溫度的上升，溶氧量及流體黏度下降，當(dāng)溫度從18 ℃升至50 ℃時(shí)，海水的黏度從1.090×10-2cm2/ s降低至0.451×10-2cm2/s；當(dāng)溫度從0 ℃升至30 ℃時(shí)，氧的溶解量從8.04 mg/L降至4.50 mg/L。同時(shí)，傳質(zhì)過程加速，這意味著隨著溫度的升高，氧的去極化作用減弱，鈍性材料鈍化速度加快，但是對(duì)沖擊沙粒的阻滯作用減弱。因此，材料的沖刷腐蝕速率可能提高亦可能減小。Gat等[48]根據(jù)溫度對(duì)合金材料耐沖刷腐蝕性能的影響將材料分類2類：第一類隨溫度的升高材料耐沖刷腐蝕性能降低；第二類則隨溫度的升高材料耐沖刷腐蝕性能增強(qiáng)。

pH值對(duì)金屬鈍化膜特征有顯著的影響。大量研究表明[24,27-28]，純鎳在酸性水溶液中鈍化膜成分為NiO,堿性水溶液中為雙層膜，外層為Ni(OH)2，內(nèi)層為NiO；純銅在酸性水溶液中鈍化膜的成分為CuO或Cu2O，在堿性水溶液中鈍化膜亦為雙層膜，外層為Cu(OH)2，內(nèi)層為CuO或Cu2O。通常在中性或堿性溶液中隨著pH值的降低，金屬材料的腐蝕傾向增強(qiáng)，并且在電化學(xué)腐蝕進(jìn)程中，伴隨金屬氧化物的水解，電極附近的pH會(huì)緩慢下降，自腐蝕電位和pH值之間滿足以下關(guān)系[49]：

(12)

其中Eap為外加電位，V；E0為金屬在溶液中的自腐蝕電位，V；n為水解反應(yīng)每摩爾金屬轉(zhuǎn)移的摩爾電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)；R為化學(xué)常數(shù)；T為溫度，K；aM(OH)xn-x、aMsoln+分別為M(OH)xn-x、Msoln+的活度。

含氧量是影響鈍性金屬腐蝕類型的核心因素，氧含量充足時(shí)，材料表面會(huì)快速形成鈍化膜，但是通常情況至少3個(gè)月才可以形成穩(wěn)定的、致密的鈍化膜；當(dāng)氧含量不足時(shí)，鈍性材料容易發(fā)生縫隙腐蝕。眾多因素會(huì)引發(fā)溶解氧含量的變化：海水的運(yùn)動(dòng)(潮汐、波浪、流動(dòng)等)及海洋植物的光合作用都可增加海水中的含氧量；海水溫度、深度及鹽度的增大會(huì)降低溶解氧的含量[50](見表2)。對(duì)不具鈍性的金屬，氧含量的增大會(huì)加速金屬的溶解。

表2 常壓下不同溫度及鹽度對(duì)應(yīng)溶解氧含量[50] mg/L

CO2的存在主要對(duì)腐蝕過程產(chǎn)生重要影響，它是碳鋼在石油和天然氣工業(yè)服役中重點(diǎn)關(guān)注的問題，CO2存在的介質(zhì)中陰極反應(yīng)包括3個(gè)過程，即碳酸還原為碳酸氫根離子，碳酸氫根離子還原為碳酸根離子，氫離子還原為氫氣。CO32-能夠和Fe2+形成FeCO3,具有一定的保護(hù)性能，但是當(dāng)FeCO3層達(dá)到一定的厚度后十分容易被沖走，導(dǎo)致新暴露的區(qū)域?qū)Ωg十分敏感[3]。日本鋼鐵公司根據(jù)法國(guó)ELF公司提出的預(yù)測(cè)多相流磨損腐蝕的數(shù)學(xué)模型，研發(fā)了預(yù)防CO2多相流腐蝕的特種鋼材[51]。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

(1)國(guó)內(nèi)外研究沖刷腐蝕的模式為以試驗(yàn)法為主數(shù)值模擬為輔，在金屬材料沖刷與腐蝕的交互作用以及各種金屬材料在不同流體環(huán)境下的沖刷腐蝕速率的研究方面取得諸多成果，但是由于缺乏通用標(biāo)準(zhǔn)，很難綜合比較多種材料不同沖刷測(cè)試方法下的沖刷腐蝕性能，并且導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算模型缺乏足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，從而進(jìn)一步影響了沖刷腐蝕數(shù)值模擬方向的發(fā)展和可靠性，今后需要在試驗(yàn)方法方面進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化。

(2)未來沖刷腐蝕的研究重點(diǎn)不再以總結(jié)溫度、含砂量、pH值等對(duì)腐蝕速率的影響規(guī)律為主，而是將現(xiàn)代表征技術(shù)和原位在線監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合來深入探討材料微觀及表界面不同層次的沖刷腐蝕機(jī)理以及通過優(yōu)化數(shù)值模型結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)磨損腐蝕分布區(qū)域，確定多相流磨損腐蝕的薄弱環(huán)節(jié)及作用機(jī)制，從而指導(dǎo)多相流環(huán)境中服役設(shè)備的合理選材及防蝕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。