流动腐蚀现象

    自然界中流动腐蚀很常见，例如云南昆明附近的喀斯特地貌石林景区（图1）就是石灰岩地区的地表水长期溶蚀的结果。石灰岩的主要成分是碳酸钙CaCO3，在有水和二氧化碳时发生化学反应生成碳酸氢钙Ca（HCO3）2，可溶于水，空洞形成后随着雨水的不断溶蚀而逐步扩大，最终形成神奇的喀斯特地貌。

图1 喀斯特地貌——自然界的“流动腐蚀”

    流动腐蚀在工业领域也很普遍，水利、电力、石油、化工、冶金等，只要有流动介质就会发生流动腐蚀，与电化学腐蚀相比，由于“流动”的物理过程，物理和电化学耦合作用，导致更加严重的腐蚀问题。

    某电厂的凝汽器入口管道采用铜合金制成，受到循环冷却水中的悬浮物、泥砂等固体颗粒硬物的冲击、摩擦，长时间运行后，入口端铜管前段弯管的下游管道内壁粗糙，虽无明显腐蚀坑，但表面粗糙，黄铜基体裸露，铜管减薄。冲刷腐蚀的阳极过程是铜的溶解，阴极过程是氧的还原。腐蚀坑内无腐蚀产物，表面呈铜合金的本色，如图2。

图2 铜管中的冲刷腐蚀现象

    流动腐蚀会带来极大的危害，甚至危及生命。

    2004年8月9日，日本美滨核电厂发生的一起由于流体对腐蚀的影响而引发的管道破裂的事故，造成4名工人死亡，7人被灼伤。据事后调查，该蒸汽泄漏事故管道破口的位置正好在流量测量装置下游附近，其管道内部流体的湍流度很高，流动对管道的腐蚀起到了明显的加速作用，所以在核电行业内把这种腐蚀类型称为流动加速腐蚀。

图3 日本美滨核电厂流动加速腐蚀引起的管道破裂

    易混淆的流动腐蚀术语

    流体对腐蚀的影响过程非常复杂，对这些现象的研究认识在早期阶段存在着较多概念混乱，直到国内外相关研究的深入开展和不断重视，各种流体相关的腐蚀机理才逐渐清晰，对这些术语有了一些明确的定义。

    流致腐蚀（Flow-induced corrosion）：由于流体在金属表面上流动导致流体湍流强度和传质增加而引起的腐蚀增加。

    冲刷腐蚀（Erosion-Corrosion）：由于金属表面上的物理冲击造成了机械损伤而引起的腐蚀增加。冲击可以来自液体或气相中的固体颗粒，也可以是气相中的液滴。

    流动加速腐蚀（Flow-accelerated corrosion，FAC）：由于单相液流或汽/液双相流将碳钢或者低合金钢表面的保护性氧化膜溶解， 而造成氧化膜减薄并引起碳钢或者低合金钢腐蚀速率增大的现象。一般该术语多出现在核电行业的腐蚀研究中。

    垢下腐蚀（Under-deposit corrosion）：在非金属固体沉积物下方的金属表面由于分离水相中的低湍流引起的腐蚀速率增加的现象。

图4 垢下腐蚀

    露点腐蚀（Dew-point corrosion）：当气体在一定压力下某个温度出现含水量的蒸发和冷凝速率相同时发生的腐蚀。由于水分是在露点温度开始产生的，而湿气是造成腐蚀的重要因素，所以了解这个物性特征有助于选材。此外，水分还可以与气体中传播的其他腐蚀性气体如硫化氢和氯化氢等反应，这些气体形成了强酸腐蚀金属表面，这一问题在炼油厂特别突出，如常减压塔顶的盐酸腐蚀现象。这些酸性物质是在炼油厂生产的烟道气形成的。酸性气体与水蒸气混合，形成了特定的露点。当温度达到露点时，这些酸性气体就迅速溶解进入水相并开始腐蚀金属材料的表面。

图5 常压塔塔顶塔板盐酸腐蚀穿孔

    空泡腐蚀（Cavitation Corrosion）：也称为空蚀、气蚀，是一种特殊类型的腐蚀，它是由气泡在金属表面上的发生破裂引起的。它通常与流体的流体动力学参数相关，特别是突然的压力变化，例如在螺旋桨、搅拌桨和涡轮叶片中。在高流速下催生高压区和低压区，在低压区产生蒸汽气泡，当这些气泡转移到高压区域时，它们会塌陷并产生压力波，这些压力波会破坏金属表面形成的钝化膜，导致腐蚀速率明显上升。

图6  空泡腐蚀过程

    例如，当液体快速通过收缩孔时，例如当孔的形状突然改变尺寸时，可能发生空穴。通常情况下，水通过一个稍微打开的阀门或闸门时，发生快速的压力变化，这有利于空化气泡的形成。当液体通过高真空时，气蚀现象也可能发生。当燃料供给或泵的液压流体受到限制导致高真空时，就可能发生气蚀。例如当螺旋桨叶片过载或表面不足时，其后部也可能发生空蚀。

图7 汽轮机叶片边缘的空泡腐蚀现象

    微动腐蚀（Fretting corrosion）：两种或两种以上材料在接触载荷下重复发生微小的相对运动而引起的腐蚀问题，在流体中由于流动引发的振动是发生微动腐蚀的主要原因之一。微动腐蚀和微动磨损（Fretting wear）通常会同时发生，两者的区别主要是微动腐蚀是以电化学反应过程为主，而微动磨损是以机械作用为主。

图8 反应堆燃料组件的微动磨损和腐蚀问题

    磨损腐蚀（wear corrosion）：简称磨蚀，是材料由于磨损和腐蚀同时存在的降解现象，磨损和腐蚀的相互影响引起了强烈的损伤和质量损失，这两种效应的叠加造成的后果要远比单独的机制严重。

    二氧化碳腐蚀（CO2 corrosion）：在石油行业也称为甜腐蚀（Sweet corrosion），是由于在管道内部流动的湿气体中含有的CO2在水相中形成了弱酸性的碳酸，与金属管道的表面接触后发生点腐蚀的现象。

    流动腐蚀分类

    为了完整梳理一遍与流体相关的腐蚀类型的相关术语，基于流动腐蚀是一个物理和化学相互作用的复杂过程，在这里首先将影响腐蚀的控制步骤简化成以化学作用为主和以物理作用为主的两种大类，然后再细分出几种具体的类型。

图9 流动腐蚀的分类

    在这其中，传质过程控制的腐蚀有流致腐蚀、流动加速腐蚀等；相变过程控制的腐蚀有炼油厂的低温露点腐蚀、火电厂的烟气腐蚀等；冲刷腐蚀包括了各种多相流中第二相粒子冲击金属表面引起的腐蚀加剧现象，如液相中的固相颗粒对金属表面造成的腐蚀，液相中的气体在金属表面破灭时引起钝化膜破裂的空泡腐蚀等；磨损腐蚀则有磨蚀、微动腐蚀等。

    当然，由于各个学者对这些流动腐蚀机理尚有不同看法，所以有些文献中将这几种腐蚀类型的分类并不完全一致。

    为了方便理解，根据物理过程与电化学过程对整个腐蚀过程的影响占比不同，我们按照物理因素占比（如湍流度）逐渐提高的顺序，将本文中提到的这些腐蚀类型放到了同一张图上，供大家参考。

图10 随物理因素占比提高的腐蚀分类

    以上就是小编整理的一些流动腐蚀概念，你Get到了么~

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责任编辑：王元

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