影响金属冲刷腐蚀的主要因素

 流体环境对冲刷腐蚀的影响

流体环境中，金属基体在静态溶液中形成的表面氧化膜难以持续存在，腐蚀加剧[9,35]。流体对金属冲刷腐蚀的影响主要表现为正应力和剪切应力的竞争效应。机械磨损、电化学腐蚀、以及两者的协同作用主要决定于电解液、金属本身的性质和摩擦学条件[12]。

Meng等[10]研究了液体流速、沙含量及温度对不锈钢冲刷腐蚀行为的影响。实验发现，水流速率和沙介质对腐蚀速率的影响较大，温度影响最小。Hussain等[70]认为金属表面的去钝化及再钝化过程与单位时间内沙粒撞击电极表面的动力学总能量EK有关。

式中，N为沙粒单位时间内撞击电极表面的次数，mav为沙粒的平均质量，V为沙粒的运动速率。

流速对冲刷腐蚀的影响 在冲刷腐蚀过程中，流体流速发挥着重要的作用，其影响着传质过程尤其是腐蚀粒子Cl-的传递。

流速对冲刷腐蚀的影响可分为3种情况[71]：(1) 流速较低且没有诱发对流的情况下，传质主要由自然对流引起，金属表面钝化膜保护金属免于严重的电化学腐蚀，金属钝化占主导地位，冲刷磨损相对较弱;电化学腐蚀在整个冲刷腐蚀过程中占主导地位，冲刷腐蚀主要受电化学腐蚀机制控制[54]。(2) 在中等流速时，诱发的对流导致传质的增加，液体流动引起的剪切力使得电极表面的钝化膜不再稳定，腐蚀速率迅速增大，此时，冲刷磨损开始占据主导作用。(3) 在更高的冲刷速率下，金属表面难以形成有效的保护膜，腐蚀速率达到较高值，且不再发生变化，此时会产生机械流体效应，并且材料的损伤机制变得格外复杂。杨帆等[52]采用循环极化曲线检测BFe30-1-1铜镍合金在不同流速人工海水中电极表面钝化膜的完整性时发现，在低流速 (低于2 m/s) 或静止条件下，材料表面存在较完整的保护膜，而高流速 (3 m/s) 下保护膜破裂。对于UNS S32654和UNS S31603两种不锈钢，临界速度都在4~7 m/s之间[53]。低于临界流速时，电化学腐蚀在整个冲刷腐蚀过程中占主导地位，冲刷腐蚀主要受电化学腐蚀机制控制[54];高于临界流速时，金属的冲刷腐蚀受电化学腐蚀与冲刷磨损机制控制。当溶液流速增至7 m/s时，电极表面会发生弹性变形并出现划痕[53]。不同冲刷条件下，金属的流速临界值不同。高流速下沙粒撞击的动力学能量的增大及撞击次数的增加，将产生较大的瞬态腐蚀电流。

吴成红等[72]认为增大流速也有其有益的一面，如增大流速可以减少腐蚀性物质在金属表面的累积，从而避免点蚀和缝隙腐蚀的发生。另外，增大流速可以改善钝化剂或抑制剂通过流动边界层到达金属表面的能力，从而促进金属的钝化，起到抑制腐蚀，保护金属基体的作用。

此外，Ruff等[73]总结了影响金属机械磨损的因素，其中最主要的是含沙流体的流速;机械磨损随流体的流速增大，以沙粒速率的平方或立方的速率加速磨损。在Bitter的模型]中，机械磨损正比于沙粒速率的平方。

沙含量的影响 流体中的沙粒加速了金属的腐蚀。沙粒对电极表面氧化膜的冲击破坏使得金属裸露在流体中，或者沙粒冲击电极表面使得氧化膜难以形成，导致电化学腐蚀及其与冲刷磨损的协同效应部分对整个电极失重贡献很大[15]。有研究[17,19,53]发现，在不加沙的条件下，Al合金和不锈钢的电化学腐蚀主要由O2的扩散步骤控制，增大电极转速，O2扩散速率加快，电极表面形成氧化膜;在加沙条件下，电极转速增大时，合金的电化学腐蚀加剧。

冲刷腐蚀速率随着溶液中沙含量的增加而上升[27]。Zhang等[9]在研究了乙二醇/水溶液体系中3003铝合金的冲刷腐蚀后指出，随着沙含量的增加，冲刷腐蚀总速率增大，其中机械磨损部分的失重增加较多，而电化学腐蚀部分基本不变。这一研究结果得到了Stack等[24]的证实。其采用CFD模型来模拟室温下粒子浓度对90°弯管的冲刷腐蚀的影响，结果表明，随着沙浓度的升高，电化学腐蚀在整个冲刷腐蚀的比重下降。

冲刷腐蚀程度并不随着含沙量的升高而一直加剧。Meng等[10]和Hu等[33]研究了不锈钢从钝化态到伪钝态的腐蚀转换行为，并证明了沙含量临界值的存在。在腐蚀体系由流体引发的电化学腐蚀到冲刷腐蚀的转变中，沙含量及流体流速存在临界值，表明电极表面在低含沙量和低流速下形成的钝化膜消失[53]。Zheng等[75]认为，溶液中沙含量在临界值以下时，冲刷腐蚀速率随沙含量增大而加剧，当沙含量高于临界值时，冲刷腐蚀速率达到稳定，不再随沙含量增大而增加。在Hu等[53]的研究中，临界含沙量为60~100 mg/L;高于临界值时，两种不锈钢电流明显增大，并且波动频率变大，这主要源于冲刷腐蚀由流体引发的电化学腐蚀机制转换为冲刷腐蚀机制。含沙量低于60 mg/L时，电流的上升主要源于电化学反应 (如点蚀的产生)。在含沙量为60~200 mg/L时，沙粒对电极表面的撞击有效地破坏了表面的氧化膜，导致电流上升。然而，Neville等[15]发现沙含量更高 (15%和20%，质量分数) 时，合金由于冲刷腐蚀导致的失重下降，可能由于碰撞沙粒和反弹沙粒之间的相互干扰所致[72]。

运用该模型计算得到对UNS S31603不锈钢影响最大的环境因素为溶液流速，这与Luo等[76]的研究结果一致;然后是沙含量及其与溶液流速协同作用的影响;在高流速和高沙粒含量时，沙含量与溶液流速协同作用较强。上述协同作用并不仅仅受某个因素影响，当没有足够的撞击动力学能量时，脆性粗糙面不能移动，所以推测两者协同作用的迅速增加主要受临界撞击动力学能量的影响。