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  2. 液固兩相流中顆粒撞擊對(duì)不銹鋼表面電化學(xué)反應(yīng)的影響
    2019-02-20 15:46:33 作者:程嘉瑞 來(lái)源:多相流在線(xiàn) 分享至:

        沖蝕腐蝕(部分研究稱(chēng)為沖刷腐蝕)交互作用多數(shù)出現(xiàn)在含顆粒液固兩相流或濕潤(rùn)氣固兩相流中,金屬表面受到顆粒物理切削與金屬電化學(xué)反應(yīng)雙重作用,造成材料變形、脫落。一方面顆粒撞擊壁面產(chǎn)生疏松金屬結(jié)構(gòu)和粗糙表面,增加參與電化學(xué)反應(yīng)的金屬面積,加速腐蝕進(jìn)程;另一方面,腐蝕后的金屬表面力學(xué)性能降低,更容易被顆粒切削所剝離。沖蝕腐蝕的協(xié)同作用作為多相流領(lǐng)域研究的一個(gè)分支,越來(lái)越被國(guó)內(nèi)外學(xué)者所關(guān)注。


        根據(jù)前人的研究(Lu,2008, 2011; Guo, 2007),當(dāng)顆粒撞擊金屬表面時(shí)會(huì)短時(shí)間產(chǎn)生電流密度變化,通常電流密度會(huì)先快速增加再緩慢降低。其中,電流密度增加值受電化學(xué)反應(yīng)時(shí)間、暴露面積、液體流動(dòng)等因素影響;電流密度恢復(fù)時(shí)間受鈍化反應(yīng)影響。本文測(cè)試出顆粒群撞擊過(guò)程13Cr不銹鋼表面開(kāi)路電位及極化曲線(xiàn)變化值,得到表征顆粒撞擊對(duì)電化學(xué)反應(yīng)影響參數(shù),討論在液固兩相流中的不銹鋼再鈍化參數(shù)變化規(guī)律。


        1實(shí)驗(yàn)條件

     

        利用自制射流式實(shí)驗(yàn)裝置(圖1),將含顆粒液體以較高速度噴射至試樣表面,形成快速的沖蝕腐蝕破壞。該實(shí)驗(yàn)裝置包括:螺桿泵、流量計(jì)、實(shí)驗(yàn)段、儲(chǔ)液箱、電化學(xué)工作站及配套電腦。

     

    1.png
    圖1 液固兩相射流實(shí)驗(yàn)裝置

     

        電化學(xué)測(cè)量試驗(yàn)段如圖2所示,包括試樣夾、噴嘴、儲(chǔ)液曹、篩網(wǎng)、保護(hù)外罩和三電極系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)參比電極采用Ag/AgCl(銀絲、玻璃管、聚四氟乙烯接頭組成),毛細(xì)管內(nèi)填充飽和KCl溶液引至試樣表面;輔助電極采用鉑片電極,與工作電極形成導(dǎo)電回路;工作電極采用13Cr不銹鋼外層封裝環(huán)氧樹(shù)脂固化結(jié)構(gòu),尾部焊接銅導(dǎo)線(xiàn)。

     

    2.jpg

    圖2 液固射流沖蝕腐蝕實(shí)驗(yàn)段示意圖

     

        本實(shí)驗(yàn)主要研究顆粒群撞擊過(guò)程不銹鋼表面的電化學(xué)反應(yīng)特性的變化,因此采用定量添加顆粒并回收的方法。每次實(shí)驗(yàn)向儲(chǔ)液箱中添加75g顆粒(圓形陶粒如圖2所示,直徑約0.6mm),顆粒撞擊試樣后,利用試驗(yàn)段中的篩網(wǎng)過(guò)濾回收顆粒。實(shí)驗(yàn)射流液體速度為3m/s、6m/s和9m/s,溫度為室溫,介質(zhì)為蒸餾水+3.5wt%NaCl。


        2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

     

        如圖3所示為射流速度由3m/s向9m/s連續(xù)變化過(guò)程,液固兩相中的試樣表面電流密度變化曲線(xiàn)。

     

    3.jpg

    圖3 13Cr表面在液固兩相流中的電流密度連續(xù)變化曲線(xiàn)

     

        結(jié)果顯示出在3m/s~6m/s流速范圍,13Cr不銹鋼表面的電流密度增長(zhǎng)量很小。當(dāng)流速大于7m/s時(shí),電流密度快速增長(zhǎng)。測(cè)試結(jié)果表明不銹鋼表面電流密度隨流速變化存在臨界值,高于此臨界流速時(shí),電流密度會(huì)急劇增加。


        當(dāng)采用顆粒回收方式測(cè)試表面開(kāi)路電位時(shí),得到如圖4所示的開(kāi)路電位變化測(cè)試曲線(xiàn)。

     

    4.jpg

    圖4 13Cr表面受顆粒群撞擊開(kāi)路電位變化曲線(xiàn)

     

        圖中為各流速下的兩次顆粒群撞擊過(guò)程開(kāi)路電位變化,結(jié)果顯示顆粒撞擊前受氯離子影響,金屬表面電位值不斷跳躍,說(shuō)明表面局部可能連續(xù)發(fā)生鈍化膜溶解及再鈍化過(guò)程。當(dāng)顆粒群撞擊表面,開(kāi)路電位急劇減小,且隨著撞擊速度增大,電位減小量隨之增大。在顆粒群撞擊后,13Cr表面開(kāi)始再鈍化過(guò)程,這一過(guò)程的開(kāi)路電位的增長(zhǎng)速率由快到慢,最終達(dá)到較為穩(wěn)定的區(qū)間。但受表面結(jié)構(gòu)破壞的影響,再鈍化穩(wěn)定開(kāi)路電位始終小于顆粒撞擊前的電位。當(dāng)再次用同樣數(shù)量的顆粒群撞擊表面時(shí),開(kāi)路電位再次發(fā)生急劇減小和緩慢上升的過(guò)程。

     

    5.jpg

    (a)純液體射流

     

    6.jpg

    (b)液固兩相射流

    圖5 13Cr表面極化曲線(xiàn)

     

        圖5為純液體和液固兩相射流中的13Cr表面極化曲線(xiàn),圖(a)純液體中的極化曲線(xiàn)顯示出隨液體流速增加,金屬表面腐蝕電位降低,同時(shí)腐蝕電流密度增加。圖(b)顯示在液固兩相流中,陽(yáng)極極化曲線(xiàn)發(fā)生劇烈跳動(dòng),電流密度不斷在10-2和10-3量級(jí)變化。這種變化可能受顆粒撞擊影響,不銹鋼表面鈍化膜不斷被剝離然后再鈍化,無(wú)法形成穩(wěn)定的陽(yáng)極鈍化區(qū)間。


        3小結(jié)

     

        當(dāng)顆粒撞擊金屬表面時(shí),通常會(huì)瞬間破壞表面已建立的穩(wěn)定電化學(xué)反應(yīng)平衡體系,使未發(fā)生反應(yīng)的基體金屬與反應(yīng)物接觸,形成新的反應(yīng)步驟。因此,研究顆粒撞擊過(guò)程金屬表面的電化學(xué)參數(shù)變化是分析沖蝕腐蝕協(xié)同作用的重要方向,包括液體局部流動(dòng)狀態(tài)分析,近壁面物質(zhì)傳遞分析,金屬表面粗糙度影響分析,金屬硬度變化分析,縫隙腐蝕分析等內(nèi)容。


        此外,作為影響電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程的重要因素,在多數(shù)液固兩相流中物質(zhì)傳遞速率直接影響電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程,進(jìn)而改變腐蝕速率。

     

    7.jpg

    圖6 單顆粒撞擊金屬表面邊界層變化示意圖

     

        如圖6所示為單顆粒撞擊金屬表面時(shí),近壁面液體流動(dòng)變化示意圖,其中顆粒侵入邊界層和離開(kāi)邊界層過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)物濃度突變的情況,進(jìn)而使瞬時(shí)表面電流密度增加,促進(jìn)腐蝕發(fā)生。沖蝕與腐蝕的交互影響的研究涉及多學(xué)科交叉,既包括材料彈塑性變形、疲勞、硬化等,也包括介質(zhì)流動(dòng)和傳質(zhì)傳熱等反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)相關(guān)內(nèi)容,是一個(gè)復(fù)雜的研究分支。

     

     

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