流体力学因素对液固两相流冲刷腐蚀的影响

管道两相流冲刷腐蚀的CFD研究进展赵状;吴玉国;田壘;吴栋【摘要】The harm of erosion-corrosion to the oil industry was introduced, the factors affecting erosion-corrosion were discussed, such as solid phased particles factor, hydrodynamics factor, material factor, and so on. The research progress in computational fluid dynamics (CFD) method for the pipeline erosion-corrosion research was summarized;its advantages and disadvantages were pointed out. CFD numerical simulation provides a new method for study on the corrosion protection. The simulation can predict the erosion-corrosion occurring and development, which can provide reliable theoretical basis for pipeline optimization design and corrosion protection.%介绍了冲刷腐蚀对石化行业的危害，阐述了影响冲刷腐蚀的因素，即主要是流体力学因素、材料因素、固相颗粒等因素的耦合作用。

对计算流体力学（CFD）方法在管道防腐中研究的进展情况进行总结，指出了研究的优点和缺点。

CFD数值模拟为防腐蚀研究提供了新的方法。

通过模拟结果可以预测腐蚀的发生和发展，并为管道优化设计和工艺防腐提供可靠的理论依据。

第12卷第5期 2000年09月腐蚀科学与防护技术C ORROSION SC IENC E A ND PROTEC TION TEC HNOLOGYVol.12No.5 Sep.2000收到初稿:1999-12-17,收到修改稿:2000-03-04作者简介:何大雄:男,1972年出生,博士生不锈钢在液固双相流中的冲蚀腐蚀行为何大雄 姜晓霞 李诗卓 管恒荣(中国科学院金属研究所沈阳110015)摘 要 采用旋转圆筒电极装置研究了1Cr13(铁素体)、316L(奥氏体)、0Cr14Ni5Mo(马氏体)及CD -4MCu(A +C 双相)等不锈钢在不同流速水砂双相流中的冲蚀及NaCl(+H 2SO 4)砂浆中的冲蚀腐蚀行为,用SEM 观察了冲蚀(腐蚀)后材料表面形貌,并测定了样品表层硬度变化.结果表明双相不锈钢CD -4MCu 因其较强的加工硬化能力而具有优良的抗冲蚀腐蚀性能.关键词 不锈钢 双相流 冲蚀 冲蚀腐蚀中图分类号 TG172.85 文献标识码 A 文章编号 1002-6495(2000)05-0264-05EROSION AND EROSION -CORROSION BEHA VIOR OFSTAINLESS STEELS IN DUAL -PHASE FLUIDHE Daxiong,JI ANG Xiaoxia,LI Shizhuo,GUAN Hengrong(I nstitute o f Meta l Research ,The Chinese Academy of Sciences ,Shen yang 110015)ABSTRACT Erosion and erosion -corrosion behaviors of several stainless steels,such as 1Cr13(ferritic),316L (austenitic),0Cr14Ni5Mo (martensitic)and CD -4MCu(A +C duplex ),were studied by using rotating cylinder electrolyzer apparatus.All experiments were conducted in slurry containing synthetic water with or without NaCl(+H 2SO 4)at different fluid velocity.The morphologies of steels after erosion or erosion -corrosion were observed.The variation of surface micro -hardness and the hardness distribution in sub -surface were measured as well.The results showed that CD -4MCu has higher corrosion erosion resistance because of its e xcellent possibility of deformation strengthening.KEY WORDS stainless steel,dua-l phase fluid,erosion,erosion -corrosion 在工程实际中,泥浆型冲蚀引起金属部件破坏的实例很多,如舰船冷却器的入口、水力发电机组叶轮及其它过流部件、矿业中的煤浆输送管道、石化工业中泵、阀、管线的弯头、T 形接头等[1,2].随着我国大型水电工程的实施,对材料在多相流中冲蚀腐蚀机制的研究尤显重要.材料冲蚀或磨蚀失效是多相流环境中影响工程部件寿命的关键因素之一,最常用的材料主要有碳钢和不锈钢.本文选取几种典型组织的不锈钢,如铁素体1Cr13、奥氏体316L 、马氏体0Cr14Ni5Mo 、及A +C 双相钢CD -4MCu,研究它们在不同流速的水砂双相流中的冲蚀及NaCl 或NaCl +H 2SO 4溶液加Al 2O 3砂中的冲蚀腐蚀行为.用SE M 观察了冲蚀(腐蚀)后材料及Al 2O 3粒子的形貌,并测定了样品表层显微硬度的变化,为深入研究不锈钢在多相流中的冲蚀(腐蚀)机理提供一些信息.1试验方法参考S.Zhou 的旋转圆筒电极[3]并增大辅助电极与工作电极的面积比(如图1所示).该装置具有构造简单、冲蚀腐蚀形式单一和数据可比性强的特点.辅助电极为Pt,参比电极为饱和甘汞电极,筒体采用高密聚乙烯,转速在485~4180rpm 间连续可调.电极相应的线速度为1~8.75m P s.Fig.1Schematic diagram of the rotating cylinder electrode system used for erosion and erosion -corrosion tes tsTable 1Chem ical composition and micro -hardness of several stainless steels (mass %)CompositionCCr Ni MoCuSi Mn NFe Hv Ferritic ss 1Cr130.113.50.20.40.1Bal.530Austenitic ss 316L 0.0317.213.1 2.10.8 1.0Bal.200M artensite ss 0Cr14Ni5Mo 0.0012.8 5.7 1.70.20.30.5Bal.410Duplex ss CD -4MCu0.0625.75.42.03.01.50.7Trace Bal.A -235C-280F ig .2Granularity di stributing (a)and morphology (b)of commercial corudum (b 163@)试样工作面积为540@10mm 的外环面.其成分及显微硬度见表1.样品0Cr14Ni5Mo 由铸态经1150e @1h 水淬处理得到马氏体.试验前各样品外环表面均用600#砂纸磨光,蒸馏水、酒精清洗后干燥备用.试验介质采用市售100目白刚玉砂(Al 2O 3)及蒸馏水或3.5%NaCl(+0.5mol P L H 2SO 4)溶液配成砂浆,其中固体粒子含量为30%.试验后样品用蒸馏水、酒精清洗后,干燥并称重(天平感量0.1mg),用SE M 观察冲蚀(腐蚀)后表面形貌,并用显微硬度计测量磨痕的显微硬度(Hv )及其亚表层中硬度沿深度的分布.2655期 何大雄等:不锈钢在液固双相流中的冲蚀腐蚀行为Fig .3The relationship of distance and weight loss of samples in thesame dua-l phase fluid (a)and the morphology of Al 2O 3after 20k m tests (b,c,63@)(b)5127m P s,20km,(c)8175m P s,20km2试验结果2.1Al 2O 3砂粒特性及其试验前后的形貌砂粒的粒度及形状直接影响冲蚀试验结果,为此对白刚玉砂粒度分布进行筛分析,其粒度分布直方图如图2(a),粒径主要分布在125~160L m(80~100目),棱角分明,属于切削力较强的碾碎型颗粒,如图2(b)所示.两种线速度下样品的失重与冲蚀行程的关系见图3a;材料的冲蚀失重随行程增加而趋于稳定,此时白刚玉砂粒形貌发生明显变化(图3a 、3b),尖锐棱角及长形易碎颗粒均退化而变小,尖角钝化,以8.75m P s 下最为明显(图3c);虽经过同样的行程,高速试验后的砂粒比低速(5.27m P s,2520rpm)圆滑.为了评价材料在相近的工作环境中的耐冲蚀性能,每试验20km 行程后必须更换新的砂浆.Fig .4Weight loss of steels vs work distance with di fferent velocity inH 2O+Al 2O 3(a)5127m P s (b)8175m P s2.2不锈钢在水砂双相流中的冲蚀在水砂双相流中,几种不锈钢的冲蚀失重见图4.材料的硬度是影响其耐冲蚀能力的主要因素.由上图可见,硬度最低的316L 耐冲蚀性最差,而其他3种不锈钢、特别是1Cr13和CD -4MCu 的差别不大.这充分说明力学因素是造成材料流失的主要原因.较长时间和较高速度下,CD -4MCu 双相不锈钢的耐冲蚀性能优于其它三种不锈钢.SE M 观察冲蚀表面,表明几种不锈钢的破坏主要是犁削,磨损形式无明显差异.2.3不锈钢在含NaCl(+H 2SO 4)双相流中的冲蚀腐蚀在只含3.5%NaCl 的Al 2O 3的双相流中,CD -4MCu 、1Cr13、0Cr14Ni5Mo 和316L 在初始的20km 行程中平均冲蚀腐蚀率,低速(5.27m P s)时分别为0.42,0.57,0.69和1.54mg P c m 2#h,高速(8.75m P s)时为2.27, 2.55, 3.28和3.47mg P cm 2#h.除双相不锈钢CD -4MCu 外,其它3种材料耐冲蚀腐蚀能力排序与硬度相关,硬度最大的1Cr13钢表现最好.图5为3.5%NaCl+0.5mol P L H 2SO 4+30%Al 2O 3双相流中的冲蚀腐蚀重量随运行时间的变化曲线.低速时,在水砂介质中表现最差的316L 在NaCl+H 2SO 4的砂浆中反而与C D -4MCu 接近,具有优良的耐冲蚀腐蚀性能.但高速下运行较长时间后,316L 失重增加快,而CD -4MCu 失重仍保持平稳.266腐蚀科学与防护技术 12卷Fig.5Weight loss of steels vs distance with different velocity in 0.5mol P L H 2SO 4+ 3.5%NaCl +30%Al 2O 3slurry(a)5127m P s,(b)8175m PsFig.6Morphology of stainless steels after 80km erosion -corrosion at 8.75m P s in 0.5mol P L H 2SO 4+ 3.5%NaCl +30%Al 2O 3slurry(a)1Cr13,(b)316L,(c)0Cr14Ni5M o,(d)CD -4MCu对比高速冲蚀腐蚀后各种样品表面的形貌(图6),1Cr13腐蚀严重,肉眼即可观察到腐蚀产物,SE M 发现有腐蚀孔洞存在;在0C r14Ni5Mo 和CD -4MCu 表面能观察到塑性变形唇、冲击坑和薄片之间的互相重叠,在突唇尾部,呈向上翘起的花边形状,显示出粒子冲击方向性.316L 与前三者不同,与无腐蚀介质的结果相似,未见到明显的冲蚀腐蚀,而在冲击表面有肉眼可见的点状凹坑(图6b),经仔细观察这种凹坑中沿冲击方向坑底存在材料变形后的的堆积(图7a)和坑沿上出现裂纹(图7b),表示在冲蚀过程中仍然是力学破坏而不是腐蚀因素起作用.3分析讨论4类不锈钢在三种介质的冲蚀中,低速轻腐蚀时316L 失重最大,环境腐蚀加重后它的失重相对变小,并接近于双相CD -4MCu,显示出优良的耐冲蚀腐蚀性能.1Cr13和0Cr14Ni5Mo 的冲蚀失重规律相似,随介质腐蚀性增强、冲击速度增大,材料流失量增大,但低速轻腐蚀条件下,后者的冲蚀损失在4种不锈钢中最小.双相组织的CD -4MCu 无论速度大小和腐蚀轻重都显示出良好的抗冲蚀腐蚀性能.合金的耐磨粒磨损能力,在冲蚀载荷不大时,与其硬度有关.前人的经验证明耐磨性与磨痕(经过磨损表面)的硬度几乎呈线性关系[4].轻腐蚀环境下力学因素在冲蚀中起主要作用时,4类不锈钢的失重体现了这种规律.随环境腐蚀作用的加重,合金耐蚀性对冲蚀破坏的影响明显表现出来.众所周知,依靠碳化物等硬质点相提高合金硬度或耐磨性的方2675期 何大雄等:不锈钢在液固双相流中的冲蚀腐蚀行为法,必然会降低其耐蚀性,只有利用形变强化原则,在不明显影响合金耐蚀性情况下,通过冲蚀提高其表面硬度方能收到抗冲蚀效果.为证实这一观点,测量经8.75m P s 冲蚀腐蚀并运行80km 样品近表层的硬度分布(图8).结果表明随深度增加,316L 的显微硬度几乎不变;1Cr13和0Cr14Ni5Mo 的变化不大,而CD -4MCu 的显微硬度明显增加,且C 相的硬度比A 相提高得多,说明双相不锈钢的加工硬化能力得到了充分发挥,而亚稳C 相在此条件下的形变强化及其良好的耐蚀性是CD -4MCu 耐冲蚀腐蚀的主要原因.由于C D -4MCu 兼备耐腐蚀和耐磨损性能,故有效地抑制了腐蚀与磨损的交互作用,这一论点在69%H 3PO 4介质中的稳态腐蚀磨损试验及制成的料浆泵叶轮实际运行结果已得到证实[5,6].Fig .7Pi t and cracking in the surface of 316L ss(a)pi t,(b)crackingFig .8Sectional microhardness of steels(0.5mol P L H 2SO 4+3.5%NaCl+30%Al 2O 3,8.75m P s,80km)4结论在腐蚀较轻的液固双相流中,4种不锈钢的耐冲蚀腐蚀性能与硬度相关,其顺序为CD -4MC u >1Cr13>0Cr14Ni5Mo>316L.在3.5%NaCl+0.5mol P L H 2SO 4+30%Al 2O 3的双相流中,低速时316L 与CD -4MCu 的耐冲蚀腐蚀性能接近,而高速长时间后者最好;4种不锈钢的耐冲蚀腐蚀顺序为CD -4MCu>316L >0Cr14Ni5Mo >1Cr13.在固液双相流中,A +C 双相不锈钢C D -4MCu 由于其较好的耐蚀性和较强的加工硬化能力,从而表现出优良的耐冲蚀腐蚀性能. 参考文献112Stack M M ,Zhou S,Ne wman R C.Materials Science andTechnology.1996,12:261122阎永贵.液固双相流冲刷腐蚀机理研究[博士学位论文].沈阳:中国科学院金属腐蚀与防护研究所,1998,6132Zhou S,Stack M M ,Ne wman R C.Corros.Sci.,1996,38(7):1071142Richardson R C D.Wear,1967,10:353152路新春,姜晓霞,李诗卓,张天成.中国腐蚀与防护学报,1994,14(3):201162张天成,姜晓霞,李诗卓,师昌绪.金属学报,1993,29(5):B217268腐蚀科学与防护技术 12卷。

化工进展CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2020年第39卷第S2期流体动力学过程在流动腐蚀行为中的作用机制王凯，南翠红，卢金玲（西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西西安710048）摘要：在流动体系中，流场作用对腐蚀行为中的力学、离子传质以及界面反应等过程有着复杂的耦合影响，不同金属材料、不同溶液环境下流体流动发挥的作用也复杂多变，这些因素加剧了流动环境下的腐蚀机理研究的困难性。

本文综述了流动腐蚀的研究现状，包括流动对腐蚀过程的影响机制、流动腐蚀研究的实验装置以及流动腐蚀中的关键影响因素，着重分析了流动通过改变腐蚀反应物/产物的质量传输速率对腐蚀反应动力学的影响机制，以及流动的剪切力作用对壁面产物膜的形成/破坏动力学过程的影响。

提出了流动腐蚀在腐蚀界面演化与流场的交互作用、时空尺度跨度、流场-离子传质-界面反应的多场耦合联系以及不同流体力学参数匹配性等方面有待解决的问题，展望了流动腐蚀的发展方向。

关键词：腐蚀；流体动力学；传质；界面反应；腐蚀产物膜中图分类号：TK17文献标志码：A文章编号：1000-6613（2020）S2-0008-11Mechanism of hydrodynamic process in flow corrosion behaviorWANG Kai ，NAN Cuihong ，LU Jinling(State Key Laboratory of Eco-hydraulics in Northwest Arid Region of China,Xi ’an University of Technology,Xi ’an 710048,Shaanxi,China)Abstract:In the flow system,the flow field has a complex interaction with the mechanics,ion mass transfer and interface reaction of the corrosion behavior,and the effect of fluid flow is also complex and variable regarding to different metal materials under different solution environments,which aggravates the difficulty of investigating the corrosion mechanism in the flow environment.In this paper,the status of research on flow corrosion is comprehensively discussed,including the influencing mechanism of flow on the corrosion process,the experimental devices for flow corrosion research and the key factors in the flowcorrosion.In particular,the effect of flow on corrosion reaction kinetics is analyzed from two aspects:changing the mass transfer rate of corrosion reactants/products,altering the flow shear stress being associated with the formation/damage kinetics of wall products films.The problems to be solved are put forward,including the interaction of corrosion interface evolution and flow dynamics,the discrepancy inthe spatial and temporal scale,the multi-field coupling relation as well as the matching of different hydrodynamic parameters in flow corrosion and the further development trend is also proposed.Keywords:corrosion;hydrodynamics;mass transfer;interface reaction;corrosion product film综述与专论DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2020-0679收稿日期：2020-04-27；修改稿日期：2020-08-05。

第12卷第1期 　2000年01月 腐蚀科学与防护技术C ORR OSIONSC IENC E A ND PR OTEC TION TEC HN OLOGY Vol .12No .1 Jan .2000＊国家自然科学基金资助(59601014)收到初稿:1999-04-08,收到修改稿:1999-07-26作者简介:郑玉贵,男,1965年出生,研究员,博士流体力学因素对冲刷腐蚀的影响机制＊郑玉贵　姚治铭　柯伟(中国科学院金属腐蚀与防护研究所金属腐蚀与防护国家重点实验室沈阳110015)摘　要　综述了流速流态、攻角以及颗粒性质等流体力学因素对冲刷腐蚀的影响机制,讨论了流体力学因素的重要性、流体力学条件的描述、关键的流体力学参数以及扰流条件下局部流速流态的获取,并论述了如何从流体力学方面控制冲刷腐蚀.关键词　冲刷腐蚀　流体力学　综述　流速流态　攻角中图分类号　TG172.85 文献标识码　A 文章编号　1002-6495(2000)01-0036-05REVIEW ON THE EFFECTS OF HYDR ODY NAMIC FAC TORSON ER OS ION -C ORROSIONZHE NG Yugui ,YAO Zhiming ,KE Wei(State Key Labo rato ry for Co rros ion and Pro tection ,Institute of Cor rosion and Protectio n o f M etals ,The Chinese Academy of Sciences ,Shenyang 110015)ABSTRACT The effects of hydrodynamic factors such as flo w rate and regime ,impact angle and particle pr operties have been reviewed in details .The main topics were on the importance of hydrodynamic effects ,the key hydrodynamic parameters ,how to describe the hydrodynamic conditions ,how to get the local flow rate andits profile under disturbed flow conditions ,and ho w to control erosion -corr osion through hydrodyna mic aspects .KEY WORDS erosion -c orrosion ,hydrodyna mics ,revie w ,flow rate and regime ,impact angle 冲刷腐蚀(Erosion -corr osion )是金属表面与腐蚀性流体之间由于高速相对运动而引起的金属损坏现象[1],是机械性冲刷和电化学腐蚀交互作用的结果.当液流中混入固相颗粒时即构成所谓的液/固双相流冲刷腐蚀,它是引起石油、化工、水利电力、矿山和湿法冶金等行业中各种泵、阀、管道等过流部件大量损坏的重要原因.冲刷腐蚀是一个很复杂的过程,影响因素众多,概括起来主要包括材料(冶金)、环境和流体力学三个方面.过去人们通过失重实验以及随后引入的各种流动条件下的电化学测量技术[2],对前两方面因素的影响规律有了较为深入的研究,并进而开展了冲刷和腐蚀交互作用的研究[3,4],以期揭示冲刷腐蚀的本质.相对而言,流体力学因素的影响规律研究较为肤浅.因而,无论是对冲刷腐蚀实验结果的预测,还是对冲刷腐蚀机理的深入阐述,都受到限制;对重复实验所产生的较大误差也较难解释和控制.流体力学因素一般通过改变冲刷强度大小或传质过程来影响冲刷腐蚀性能.最重要的参数包括:流速流态、攻角、颗粒性质(种类、硬度、颗粒浓度、颗粒度及分布、颗粒形状、可破碎性、密度以及表面粗糙度等)、流体性质(粘度、密度)等.本文综述流体力学因素对冲刷腐蚀的影响机制.1流体力学因素的影响机制1.1流速流态流速流态对冲刷腐蚀具有十分重要的影响.一方面许多腐蚀过程往往是扩散控制或混合控制体系,因而与反应物向材料表面的传输以及腐蚀产物向溶液本体的传输过程相关,如图1所示[5].因而受流速流态的严重影响;另一方面,随时间的进行,受流速流态所决定的冲刷腐蚀形态会反过来进一步影响流速流态本身,如图2所示[6].在流态发生突然变化的部位(如突然扩充、收缩、凸台、凹槽等),这种恶性循环会造成过流部件的过早失效.Fig .1Distribution of oxidizing agent concentration in theflowing fluid over a metal surface (C b ,C d ,C w are the oxidizing agent concentration in the bulk of the flowing fluid ,in the corrosion products layer and metal surface respectively ,r 1and r 2are the rates of oxidizing agent migration through concentration boundary layer and corrosion products layer respectivel y)Fig .2The relationship amon g wall geometry ,flow pattern anderosion -corrosion pattern流体的流动状态可分为三种如图3所示[7],它不仅取决于流速,而且与流体的物性、设备的几何形状有关,通常用雷诺数(Re )来判别.湍流条件下冲刷腐蚀和流速流态间的关系,可用包含三个无量纲数Sh 、Sc 、Re 以及描述湍流发展程度的x /d 的式(1)来表示.Fig .3Three main types of pipe flow (one -phase ,liquid )(a )Developed la minar fl ow in a pipe ,s howing a parabolic vel ocity profile ;(b )Developed turbulent flow in a pipe ,showing a l ogarithmic velocity profile with large gradients in the vicinity of the wall (non -disturbed flow );(c )Turbulent fl ow in a pipe with s eparation follo wing a step ,showing a complex vel ocity field with reverse flow (disturbed flow )Sh =c ·Sc n1Re n2(x /d )n3(1)其中Sh (舍武德数)为全部质量传递与分子扩散引起的质量传递的比率Sh =KL D(2)Re (雷诺数)为惯性力与摩擦力的比值Re =UL γ(3)Sc (斯密特数)为动量传递与分子扩散引起的质量传递间的比值.Sc =γD(4)这里,K 为传质系数(m /s ),L 为特征尺寸(m ),γ为运动粘度(m 2/s ),D 为分子扩散系数,U 为平均流速,x 为离流态突变处的距离,d 为管道直径,c 、n 1、n 2、n 3为常数.Sh 是传质系数的另一种表达形式,Sc 则表征了材料表面的粘滞底层厚度(δh )和扩散边界层厚度(δd )间的关系,如果δh 和δd 同时存在则有:δh /δd ～Sc1/3(5)式(1)的实际意义在于Sh 可以转化为腐蚀速度,而Re 是流速U 的函数.这样即可得出冲刷腐蚀速度与流速间的通用关系式:EC =const ·U a(6)其中,E C 为冲刷腐蚀速度,a 为常数.在单相液流或液/固双相流冲刷腐蚀条件下,371期 郑玉贵等:流体力学因素对冲刷腐蚀的影响机制由于介质的腐蚀性,材料的损伤已不仅仅来自冲刷引起的力学损伤(以分子形式脱离表面),而且来自于电化学或化学损伤(以离子形式脱离表面),后一项也受流速的严重影响,因此式(6)变得复杂多变.根据不同的流速影响机制,式(6)中a 值会有很大差别,Lotz [8,9]对此有过较详尽的讨论,并给出6种可能的情况,如图4所示.这里并没有列出力学损伤为零而腐蚀过程仅由相界反应控制的极端情况.此时指数a =0,即不随流速而变.这里仅仅列出了与传递过程相关即Sh ～Re m 的几种情况.值得说明的是第6种情况(图4f ),它对应于在高流速条件下表面膜变得更为致密的那种情况[9].a ≤m 对应于腐蚀受完全扩散或部分扩散控制(混合控制)而力学损伤可忽略,a m 则对应于有明显力学损伤的情况.一般m 值在0.8左右.根据指数a 的变化可判别材料的损伤机制:边界层传质控制,表面膜传质控制以及表面层或基材的力学损伤控制.Heitz [10]总结出随机械因素的提高a 值的变化情况,如表1所示.Table 1Velocity components under various conditionsdegradation type co mponents mixed control 0.33<a <1mass transfer control 0<a <1erosion -c orrosi on0.5<a <3liquid -droplet -impinge ment eros ion5<a <6cavitation eros ion2<a <12 ※M echanical intensity increas ing近几十年人们试着寻找某些通用或关键的流体力学参数来解释冲刷腐蚀速度的突然提高(保护膜的去除),其中包括流速[11]、雷诺数[12]、表面剪切应力[13,14]、传质系数[2,15]以及近壁处的湍流强度(near -wall turbulence )[16,17].在工程上或实验室研究中,流速往往是唯一的和可控制的力学指标,人们借以提出临界流速概念[18],美国石油学会还制定出适合油气开采过程的临界流速计算公式[19].但不同学者得出的临界流速各不相同,这与每个学者采用的不同实验方法有关,临界流速本身是否存在也受到质疑.对于直管或旋转圆筒等简单尺寸的非扰流(attached flow ),增加平均流速与增加雷诺数和表面剪切应力是一样的,此时上述参数是相互对应的.但若把一种简单的实验方法如旋转圆筒与另一种方法如管流相关联时,相同的流速或雷诺数则无法保证具有相同的流体力学和传质条件,此时用剪切应力则可克服上述缺点.但Syrett 对此也提出了质疑,并认为单相液流所产生的剪切力不足以去除表面的保护膜[18].对于扰流(disturbed flow )来说,由于湍流已不仅仅由表面剪切应力所产生,此时主体流动参数和局部的近壁处的流体力学和传质条件已无简单的对应关系,此时,表面剪切应力已不是合适的流体力学参数,而局部的近壁处湍流强度则变为合适的描述流体力学条件的参数[16,17].Fig .4Flow dependencyof various corrosion s ystems(schematic )x -axis :flo w rate ;y -axis :removal rate .(a )Flo w dependency purely trans port -determined ,(b )Supplythrough surface layer ,(c )Suppl y (a ≤m )※reaction control (a =0),(d )Suppl y (a =m )※eros ion of basic material (a >m ),(e )Suppl y of reactants to the cathode ,(f )Interrelation of s upply ,removal and reaction control during formation of a s urface layer局部流速流态的确定可以有计算和实验测定两种方法.Zeisel 和Durst[20]以及Nesic 和Postlethwaite [17]分别运用κ-ε模型计算了突然收缩后又突然扩张条件下的局部流速场,进而计算冲刷分量和腐蚀分量以及冲刷腐蚀总量.从实验上,局部流速的测量可分为接触式[21]和非接触式.非接触式主要是运用光学技术包括高速摄影、激光多普勒测速(LDV 或LDA )和粒子图像分析仪(PIV ).Heitz [16]等把激光多普勒测速技术应用于冲刷腐蚀研究,取得了十分有价值的结果,最大失重率在单相流中对应于近壁处径向湍流波动,在双相流中,则对应于颗粒动能的径向分量.国内中科院腐蚀所也开展了类似的研究,并将流速范围加以扩展,发现了一些新现象[22].北京化工大学则将计算流体力38腐蚀科学与防护技术 12卷学引入到冲刷腐蚀的研究中[23].1.2攻角粒子入射方向与试样表面的夹角称为攻角.气/固冲蚀研究表明,延性材料和脆性材料遵循不同的规律[24],延性材料的最大冲蚀率发生在攻角为20°～30°处,而脆性材料的最大冲蚀率则出现在接近90°处.液/固双相流冲刷腐蚀条件下,延性材料的冲蚀率随攻角变化较为复杂[25].低速条件下(≤20m /s ),最大冲蚀率发生在90°处,但曲线形状变得复杂.在高速条件下(>30m /s ),冲蚀率出现两个极大值(30°～60°和90°)和一个极小值(60°～70°).林福严和邵荷声[25]用图5所示的液流铺展效应对上述现象进行了较为满意的解释,并指出材料的延性越好,冲蚀率第一峰值所对应的攻角越小.在液/固双相流冲刷腐蚀条件下,脆性材料(陶瓷、玻璃)的冲蚀率随攻角的变化类似于气/固冲蚀,但最大冲蚀率发生在80°处而不是90°.由于液流的粘滞性(水的粘度约为空气的100倍),实际攻角已无法达到90°[25].Fig .5Spreading effect of a stream of flow impacting on a flatsurfaced 1/d 2=(1+cos α)/2,d 2/d =(1-cos α)/21.3颗粒性质颗粒性质对液/固双相流冲刷腐蚀有很大影响.一般条件下,颗粒硬度越高,冲刷腐蚀越严重.颗粒浓度越大,冲刷腐蚀速率的绝对值越大,但并不是一直线性增加,高浓度条件下颗粒间的相互影响所引起的“屏蔽效应”使得其冲蚀效率降低[26].颗粒半径越大,冲刷腐蚀速率也越大,值得注意的是在气/固冲蚀中,颗粒度的巨大变化会引起冲蚀机制的转变[27].多角颗粒往往比圆形颗粒造成更大的冲刷腐蚀,多角粒子的切削作用要比圆形粒子的犁削作用产生更大的力学损伤,在液/固双相流中因颗粒多角引起的表面膜损伤会进一步造成材料的电化学损伤.Postlethwaite 和Nesic [28]通过对颗粒的高倍SE M 观察,证实了颗粒表面的微观粗糙度的重要性.液/固双相流中颗粒尺寸随实验时间的变化不明显,但表面微观粗糙度的下降是冲刷腐蚀速率随时间而降低的主要原因[28].此外,流体的粘度、密度等物性常数主要通过对雷诺数Re 和斯密特数Sc 的改变来影响冲刷腐蚀.2从流体力学方面控制冲刷腐蚀高流速往往引起严重的冲刷腐蚀,许多材料-介质体系尤其是带膜材料往往存在临界流速(Breaka way velocity ),超过此流速会使材料流失突然增大,因此临界流速对工程设计无疑是十分重要的.关于临界流速,尤其是针对海上设备用材,许多学者作了不少研究,Efird [13]给出了铜在流速小于15m /s 条件下的失重数据和临界剪切应力数据.美国冲刷腐蚀研究中心(Erosion /Corrosion Research Center )针对于油气开采的研究表明[29],流速应控制在高于点蚀产生的低临界流速和产生强烈的冲刷腐蚀的高临界流速之间.当控制流速与实际生产条件发生矛盾时,改变流态便成为控制冲刷腐蚀的有效方法.这需要综合考虑流速、几何尺寸、粘度、密度等参量,将冲刷腐蚀失重同各种无量纲参数如雷诺数(Reynolds number )、舍武德数(Sher wood number )、斯密特数(Schmidt number )等相关联,找出流体流态的影响规律.目前在此方面的研究仅仅局限于牛顿性流体(如海水),而含固量很高的溶液中各无量纲参数的影响规律研究较少.美国Roco 教授[30]建立了一套研究双相流冲刷腐蚀的统计分析方法,从理论上探讨各环境参数的影响规律,从而为双相流冲刷腐蚀控制开辟了新的途径.Bremhorst 等[31]针对于列管式换热器研究了不同流型与冲刷腐蚀间的关系.Heitz 指出[10],合适的弯管半径要介于管道直径的2～4倍之间,要尽量使设备的壁面与流体的主要流动方向间的夹角小于10°.参考文献〔1〕Fontana M G ,Greene N D .Corrosion Engineering ,M c Gra w -HiffBook Company ,1978〔2〕Pouls on B .Corros .Sci .,1983,23:391〔3〕M ads en B W .Wear ,1988,123:127〔4〕ZHENG Yugui ,Y AO Zhiming ,WEI Xiangyun ,et al .Wear ,1995,186/187:555391期 郑玉贵等:流体力学因素对冲刷腐蚀的影响机制〔5〕Mats umura M,N ois hiki K,Sakamoto A.Corros ion,1998,54(1):79〔6〕Lotz U,Heitz E.Werks toffe und Korros ion,1983,34:454〔7〕Heitz E.Corros ion,1991,47(2):135〔8〕Lotz U.Corros ion′90,27〔9〕Lotz U,Heitz E,Scholleier M.Werkstoffe und Korrosion,1985, 36:163〔10〕Heitz E.Electrochi mica Acta,1996,41(4):503〔11〕Copson H R,”Effects of Velocity on Corros ion by Water”,Ind.and Eng.Chem.,1952,44:1745〔12〕Shemilt L W,et al.Corros.Sci.,1980,20:443〔13Efird K D.Corros ion,1977,33(1):3〔14〕Silvermam D C.Corros ion,1984,40:220〔15〕Sydderger T,Lotz U.J.El ectrochem.Soc.,1982,129(2):276〔16〕Blatt W,Heitz E.Corrosi on,1989,45(10):793〔17〕Nesic S,Pos tlethwaite J.Corrosion,1990,46:874〔18〕Syrett B C.Corros ion,1976,32(6):242〔19〕Smart J S.Corros ion′91,468〔20〕Zeisel H.Durst.Corros ion′90,p29〔21〕Brown N P,Shook C A,Poters J,et al.The Canadian J ourral of Che mical Engineering,1983,61(8):597〔22〕郑玉贵,阎永贵,龙康,等.中国腐蚀与防护学报,1999, 19(5):301〔23〕林玉珍等,中国腐蚀与防护学报,1999,19(1):1〔24〕Levy A V,Yau P.Wear,1984,98:163〔25〕LIN Fuyan,SHAO Hes heng.Wear,1991,141:279〔26〕Turenne S,Fiset M,Masounave J.Wear,1989,133:95〔27〕Sheldon G L,Finnie I.Trans.A SME1966,88B:387〔28〕Pos tlethwaite J,Nes ic S.Corros ion.1993,49(10):850〔29〕Shadley J R,et al.Corrosi on,1996,52(9):714〔30〕R oco M C.Corrosion′88,244〔31〕Bremhorst K,Flint P J.Wear,1991,145:123动态海中防腐蚀技术为了详细探讨海洋中金属发生腐蚀的各种原因,苏格兰的阿巴顿大学和地处同一城市的罗巴特·哥顿大学以及英国科学与工程技术研究会等三方面,相互密切配合进行研究.海中金属腐蚀不单船舶会发生,而且对许多海中结构物也有很大关系.海中金属腐蚀的起因往往始于具有生命的有机物和微生物附着在金属上.这个问题一直没有解决.对这一问题至今还没有有效的方法,当然可以用涂料进行涂装,使海草难以粘附,可以采用阴极保护等改进措施,这在某种程度上也获得了成功.但是,不论在阴极还是在给于良好保护涂装的般体上,微小有机物等生物仍能寄生并且生长着.引起这一问题的海洋微生物共有三种:第一种是细菌和单细胞有机物,具有代表性的是藻;第二种是柔软的成长物,具有代表性是海绵;第三种是硬的成长物,具有代表性的紫贝等.这三种有机物相互辅助,共同成长,要研究出一种能抑制它们生长的方法,必然要从多方面进行之.研究微生物的活跃度,从露出海面的金属中取样,把内部含有放射性的硫贡的硫酸盐添加到样品上,然后再对这些混合物进行细菌培养,就能测定其活跃程度了.实验者还用化学处理,把还原的硫酸盐变为硫化氢,对它进行集中测定.利用这样方法,就能正确地对硫酸盐还原的细菌的活跃程度作出分析和评价了.在这一基础上,下一个阶段就能测定引起腐蚀原因的细菌所发生的作用了.这一系列的检查技术,不仅能适用于海中结构物,还能适用于管道及容器内的检查.以阿巴顿大学为中心的三方面,正在进行研究如可预防海草等微生物的粘附及防止金属腐蚀.而且,蕴藏着获得有效地解决这一问题的方法的可能性.(资料选自日本《建筑技术》,No.1,1999.张肇富编译) 40腐蚀科学与防护技术 12卷。

收稿日期:2005204227; 修订日期:2005205212作者简介:陈　茜(19772　),四川中江人,助理工程师.从事技术管理工作1铸造技术FOUNDR Y TECHNOLO GY Vol.26No.6J un.2005液/固两相流冲蚀磨损机理及材料应用现状陈　茜1,鲍崇高2(1.甘肃省金川集团有限公司,甘肃金昌737104;2.西安交通大学材料科学与工程学院,陕西西安710049)摘要:冲蚀磨损存在的工况多,材料失效和工业工程破坏严重。

通过分析液/固双相流过流部件的材料应用及发展现状,冲蚀磨损机理研究现状等,对指导该工况下材料设计、性能研究,特别是新型抗冲蚀磨损材料的应用等至关重要。

关键词:冲蚀磨损;机理研究;材料应用中图分类号:T G174.1 文献标识码:A 文章编号:100028365(2005)0620548203Mechanism and Materials Application by Liquid 2Solid Du al PhaseE rosion Wear and Its R esearch AdvancesCH EN Qian 1,BAO Chong 2gao 2(1.Gansu Jinchuan Group Ltd.,Jinchuan 737104,China ;2.School of Material Sci.&Eng.,Xi ’an Jiaotong University ,Xi ’an 710049,China )Abstract :Erosion 2wear conditio n exist in many industry ,and materials failure and engineering dest royed are serious.In t his paper ,mechanism research and materials application by liquid 2solid dual p hase ero sion wear and it s research advances have been systematically st udied ,and it is very important to guidance materials design and performance st udy ,especially new materials application wit h resistant erosion wear.K ey w ords :Ero sion 2wear ;Mechanism research ;Materials application 1　工程背景冲刷腐蚀(Ero sion 2Corro sion )是金属表面与腐蚀流体之间由于高速相对运动而引起的金属损坏现象[1],是材料受冲刷和腐蚀协同作用的结果。

P110油管用钢液固两相流体冲蚀实验研究杨向同;周鹏遥;丁亮亮;王治国;窦益华【摘要】在油气井压裂改造过程中,高速含砂流体引起的冲蚀是油管失效的重要原因之一.利用自制的喷射式冲蚀实验装置,以3.5wt％ NaCl含砂流体为介质,研究了油井管常用的P110油管用钢冲蚀速率随冲蚀时间、介质流速和含砂量的影响.研究结果表明,在冲蚀时间60～ 90 min时,P110钢材的冲蚀速率趋于稳定;在传统的纯冲刷磨损公式E=KVn基础上,增加了腐蚀因子M对公式进行修正,与实验数据尤其是低流速时的实验数据拟合误差减小;砂含量在25 kg/m3时,冲蚀速率达到最大;继续增加含砂量时,颗粒之间碰撞消耗的动能使得冲蚀速率先减小,然后缓慢增加.实验结果为P110油管在新型储层改造中的应用提供了一定参考.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2014(014)030【总页数】4页(P140-143)【关键词】P110钢;3.5％ NaCl溶液;液固两相流体;冲刷腐蚀【作者】杨向同;周鹏遥;丁亮亮;王治国;窦益华【作者单位】中国石油塔里木油田分公司,库尔勒841000;中国石油塔里木油田分公司,库尔勒841000;中国石油塔里木油田分公司,库尔勒841000;西安石油大学机械工程学院,西安710065;西安石油大学机械工程学院,西安710065【正文语种】中文【中图分类】TE931P110油管用钢具有优良的机械性能以及良好的经济性，是油套管最常用钢材之一。

随着体积压裂、水力喷射压裂等新型储层改造工艺的发展[1]，含砂压裂液形成的液固两相流体高速流经油管内壁，在油管内壁或接头部位造成了严重的冲蚀[2，3]，严重时造成接头部位密封失效[4]，制约了此类传统油管在新型储层改造过程中的进一步应用。

20世纪60年代，Finnie I[5]提出了关于冲刷磨损的微切削理论。

之后各国学者从不同角度分析了单颗粒以及颗粒群碰撞对金属冲蚀速率的影响[6，7]。

流体力学对液态金属流动行为的影响分析引言流体力学是研究流体力学行为的物理学分支，它研究了在液体或气体流动过程中涉及的力学原理和行为。

在工业领域，液态金属被广泛应用于许多领域，包括航空航天、能源、材料等。

了解液态金属的流动行为对于提高生产效率、优化设计以及确保产品质量具有重要的意义。

本文将通过分析流体力学对液态金属流动行为的影响，探讨不同因素对金属流动的影响，以及如何优化金属流动行为。

1. 流体力学基础在讨论流体力学对液态金属流动行为的影响之前，首先需要了解流体力学的基础知识。

流体力学主要包括两个方面：流体静力学和流体动力学。

1.1 流体静力学流体静力学是研究静止流体中的力学行为的学科。

当流体处于静止状态时，压力是它的基本性质之一。

在液态金属中，压力的变化对金属流动行为起到重要的影响。

根据帕斯卡定律，液态金属内部的压力是均匀分布的，且受到外部的压力影响。

1.2 流体动力学流体动力学研究的是流体的运动行为。

在液态金属中，流体动力学的研究对于预测金属的流动行为至关重要。

流体动力学涉及到多个重要参数，包括速度、密度、粘度等。

2. 流体力学对液态金属流动行为的影响因素液态金属的流动行为受多种因素的影响，包括温度、压力、黏度等。

在本节中，将详细讨论这些因素对金属流动行为的影响。

2.1 温度的影响温度是影响液态金属流动行为的重要因素之一。

根据流体动力学的理论，温度的增加会导致金属流体的黏度降低。

黏度是液态金属流动阻力的度量，影响金属流体的粘性行为。

当温度升高时，金属流体的黏度会减小，从而造成流体的流动性增强。

这在某些应用中可能是有利的，例如在金属注射成型过程中，增加温度可以促进金属流体的充填和形成。

2.2 压力的影响压力是液态金属流动行为的另一个重要因素。

根据帕斯卡定律，液态金属内部的压力均匀分布，并且与外部压力相等。

压力的增加会增加金属流体的流动性。

在某些应用中，增加压力可以加速金属流动的速度和强度。

例如，在喷涂液态金属的过程中，增加喷涂压力可以提高涂层的质量和均匀性。

多相流体流动中的冲蚀现象分析引言多相流体流动中的冲蚀现象是工程领域中的一个重要问题。

冲蚀现象的发生会对流体流动的稳定性和工程设备的寿命产生不利影响。

因此，研究多相流体流动中的冲蚀现象具有重要的理论和实际意义。

本文将对多相流体流动中的冲蚀现象进行分析和探讨，以期提供有关冲蚀问题的科学理论支撑和工程实践指导。

一、多相流体流动的基本原理多相流体流动是指在同一空间中存在两种或两种以上的物质同时流动的现象。

根据不同的物理特性和流动规律，多相流可以分为气固、气液、液固等不同组合。

对于不同的多相流体系统，其流动行为和冲蚀特性会有所不同。

因此，在研究多相流体流动中的冲蚀现象时，需要首先理解多相流体流动的基本原理。

多相流体流动中的冲蚀现象通常是由高速流动流体对固体表面的撞击和摩擦引起的。

冲蚀过程中，流体中的固体颗粒被冲刷、侵蚀和破坏，最终导致固体表面的损坏和磨损。

冲蚀现象的发生取决于多种因素，包括流体性质、流速、固体表面的特性等。

因此，研究多相流体流动中的冲蚀现象需要综合考虑多个因素的影响。

二、多相流体流动中的冲蚀机理多相流体流动中的冲蚀机理是冲蚀研究的核心问题。

冲蚀机理的研究可以帮助我们深入理解冲蚀现象的发生和演化过程，为冲蚀问题的预测和控制提供理论依据。

冲蚀机理主要包括两个方面：液固冲蚀和气固冲蚀。

液固冲蚀是指在液相流动中，液体撞击固体表面造成的冲蚀现象。

而气固冲蚀是指在气相流动中，固体颗粒与气体流动的相互作用引起的冲蚀现象。

液固冲蚀和气固冲蚀的机制有一定的相似性，但也存在一些差异。

在液固冲蚀中，流体的流速和固体表面的材料性质是冲蚀机理的主要影响因素。

流体的高速冲击会导致固体表面的局部破坏和脱落，进而引起冲蚀现象。

固体表面的材料性质对冲蚀机理也具有重要影响。

例如，硬度大、表面粗糙的材料更容易发生冲蚀。

在气固冲蚀中，气体流动的速度和颗粒的性质是冲蚀机理的重要因素。

气体的高速流动会导致气固两相之间的摩擦和碰撞，进而引起冲蚀现象。