腐蝕是與界面相關(guān)的溶解過程，介質(zhì)在金屬表面的流動(dòng)會(huì)影響腐蝕機(jī)理，進(jìn)而增加或者降低金屬的腐蝕速率，通常稱之為流動(dòng)腐蝕。按流動(dòng)體系分類，腐蝕系統(tǒng)包括單相流、兩相流和多相流腐蝕。

單相流腐蝕是由單一流體介質(zhì)引起的腐蝕，研究較早，是兩相流和多相流研究的基礎(chǔ)，涉及的工業(yè)設(shè)備主要是輸送腐蝕性介質(zhì)的管道等過流部件。

兩相流腐蝕是最普遍的一種，當(dāng)流體中混入固體顆粒時(shí)就形成固液兩相流腐蝕體系，例如噴砂沖蝕、螺旋槳、各類輸送管道等，此時(shí)固體顆粒導(dǎo)致的磨損會(huì)破壞具有保護(hù)性的腐蝕產(chǎn)物膜，使得更多的金屬表面裸露于腐蝕性介質(zhì)中，進(jìn)而加劇腐蝕作用。高速流體中含有氣泡時(shí)形成氣液兩相流腐蝕體系，氣泡的產(chǎn)生是由于流體的湍流或者溫度變化引起局部壓力下降，氣泡破裂時(shí)對(duì)壁面產(chǎn)生極高的液壓沖擊，進(jìn)一步加劇腐蝕過程。兩相流腐蝕已成為目前的研究焦點(diǎn)。

多相流腐蝕是由固、液、氣多相組成的介質(zhì)，腐蝕程度比單相流嚴(yán)重，腐蝕機(jī)理也更加復(fù)雜，其中每一相的比例、固體顆粒的大小、氣泡的流動(dòng)等因素都會(huì)對(duì)腐蝕造成影響，其過程十分復(fù)雜，且實(shí)驗(yàn)難度較大，是未來研究的難點(diǎn)，后文將會(huì)詳細(xì)闡述。

20世紀(jì)20年代起，人們開始關(guān)注流動(dòng)水引起金屬材料的失效問題，學(xué)者們初步研究了低流速介質(zhì)中金屬材料的腐蝕規(guī)律。40年代中期，為了適應(yīng)沿海工業(yè)的發(fā)展，學(xué)者們研究了流動(dòng)水體系中各種合金材料失效行為。其中，針對(duì)合金鑄鐵、低碳鋼、不銹鋼等材料的研究較多，且主要為單相流。國(guó)外從80年代開始研究多相流腐蝕，而我國(guó)對(duì)于多相流腐蝕的研究尚處于起步階段。

為了探索界面介質(zhì)流動(dòng)與腐蝕的關(guān)系，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有效預(yù)測(cè)實(shí)際工況中的流動(dòng)腐蝕，學(xué)者們陸續(xù)引入雷諾數(shù)、傳質(zhì)系數(shù)等流體力學(xué)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)研究中，傳統(tǒng)的測(cè)試方法（失重法）是對(duì)實(shí)驗(yàn)前后的試件重量進(jìn)行測(cè)量和比較，容易實(shí)現(xiàn)，但只能得到總體腐蝕速率。隨著現(xiàn)代電化學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，極化曲線、電化學(xué)阻抗譜、電化學(xué)噪聲技術(shù)等電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)受到了重視，被廣泛應(yīng)用于流動(dòng)腐蝕研究中，可以通過腐蝕過程中的電化學(xué)參數(shù)分析流動(dòng)腐蝕動(dòng)力學(xué)特征，并進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腐蝕行為。近年來，隨著計(jì)算機(jī)的普及、計(jì)算流體力學(xué)的產(chǎn)生，以及近似計(jì)算方法的發(fā)展，數(shù)值計(jì)算成為流動(dòng)腐蝕研究的方法之一。學(xué)者通過計(jì)算機(jī)建模模擬流動(dòng)工況，實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)狀況下材料表面近壁處的流體力學(xué)參數(shù)的測(cè)量。與實(shí)驗(yàn)方法相比，數(shù)值計(jì)算方法能夠大大節(jié)省時(shí)間及費(fèi)用，對(duì)于實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的部分，數(shù)值計(jì)算能更好的模擬測(cè)量。在20世紀(jì)90年代初，Zeisel等利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬了固液兩相流中電極表面近壁處的流體力學(xué)對(duì)腐蝕過程的影響，并初步取得了一些成果。

但是數(shù)值計(jì)算方法對(duì)于模型的建立要求較高，另外在數(shù)值方法中工況較為理想，與實(shí)際存在一定誤差。因此，將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)研究以及理論解析相結(jié)合，是解決流動(dòng)體系下腐蝕問題的可靠手段。

流體介質(zhì)在金屬表面的流動(dòng)并不一定總是增加金屬的腐蝕速率，在一些特殊情況下，金屬腐蝕速率因流速增大而降低。例如，由于特定流速的沖刷作用，使材料表面更平整、產(chǎn)物膜更加均勻而致密，從而降低了腐蝕速率。但在大部分情況下，流動(dòng)會(huì)加速腐蝕。流體介質(zhì)在高速流動(dòng)狀態(tài)下，金屬材料表面受到機(jī)械沖刷和電化學(xué)腐蝕交互協(xié)同作用而產(chǎn)生破壞。一方面，腐蝕過程導(dǎo)致材料表面粗糙度增加，促進(jìn)沖刷過程；同時(shí)，產(chǎn)物膜缺陷處容易產(chǎn)生局部腐蝕坑，介質(zhì)高速流動(dòng)導(dǎo)致腐蝕坑內(nèi)產(chǎn)生湍流渦，從而加速了沖刷過程。另一方面，材料表面的腐蝕產(chǎn)物膜容易被介質(zhì)沖刷破裂或脫落，甚至產(chǎn)生沖蝕坑，裸露的金屬與周圍腐蝕產(chǎn)物膜形成“小陽極-大陰極”的特征，誘發(fā)局部腐蝕；同時(shí)，介質(zhì)沖刷促進(jìn)了反應(yīng)物（如腐蝕性離子）朝向壁面以及腐蝕產(chǎn)物遠(yuǎn)離壁面方向的傳輸，從而促進(jìn)腐蝕過程。一般情況下，流動(dòng)狀態(tài)下的局部腐蝕速率遠(yuǎn)大于均勻腐蝕速率，Wei等研究發(fā)現(xiàn)在動(dòng)態(tài)條件下，X70鋼局部腐蝕速率和凹坑深度遠(yuǎn)高于靜態(tài)條件下的腐蝕速率和凹坑深度，且隨流速線性增加，腐蝕坑內(nèi)流型。流動(dòng)加速腐蝕過程主要通過增加質(zhì)量傳輸速率和去除保護(hù)性腐蝕產(chǎn)物層實(shí)現(xiàn)。

在金屬材料的電化學(xué)腐蝕過程中，電荷轉(zhuǎn)移、反應(yīng)物及腐蝕產(chǎn)物的傳輸會(huì)對(duì)腐蝕速率造成很大的影響。腐蝕性離子，如氯離子、硫酸根離子等的傳輸也會(huì)影響腐蝕過程。流體的湍動(dòng)能可以有效減小流動(dòng)邊界層的厚度，導(dǎo)致質(zhì)量傳輸速率的增大，同時(shí)還會(huì)干擾產(chǎn)物層的過飽和度，導(dǎo)致產(chǎn)物層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而影響腐蝕速率。當(dāng)流速較低時(shí)，反應(yīng)物的質(zhì)量傳輸速率較低，相對(duì)來說電荷轉(zhuǎn)移速率太高，以至于金屬表面反應(yīng)物濃度耗盡，此時(shí)腐蝕過程受到傳質(zhì)過程的控制，隨著流速的增大，流動(dòng)效應(yīng)會(huì)增加質(zhì)量傳輸速率，從而加速腐蝕；當(dāng)流速繼續(xù)增大，直到電荷傳輸成為反應(yīng)速率的決定步驟，此時(shí)流速的增大對(duì)于腐蝕速率影響不大；然而在更高的流速下，表面剪切應(yīng)力足夠高以致對(duì)表面產(chǎn)生破壞，腐蝕急劇加速。傳質(zhì)過程（腐蝕反應(yīng)物/產(chǎn)物的質(zhì)量傳輸）主要通過三種方式進(jìn)行，即分子擴(kuò)散、對(duì)流傳質(zhì)、電遷移。

2.1.1 分子擴(kuò)散

分子擴(kuò)散是由分子熱運(yùn)動(dòng)引起，流體在金屬表面附近存在濃度梯度，其驅(qū)動(dòng)離子或分子從高濃度區(qū)域擴(kuò)散到低濃度區(qū)域，靜止溶液中的傳質(zhì)主要依靠分子擴(kuò)散過程，擴(kuò)散通量J符合菲克第一定律。

由于擴(kuò)散系數(shù)通常較小，因此材料在靜止溶液中的腐蝕速率相對(duì)較小，然而當(dāng)溶液處于流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，流場(chǎng)誘發(fā)的對(duì)流擴(kuò)散增加了腐蝕反應(yīng)物/產(chǎn)物的質(zhì)量傳輸速率，進(jìn)而導(dǎo)致腐蝕速率的增加。

2.1.2 對(duì)流傳質(zhì)

對(duì)流質(zhì)量傳輸是由于流體微團(tuán)的宏觀運(yùn)動(dòng)引起的物質(zhì)的傳輸，僅發(fā)生在流動(dòng)介質(zhì)中，其傳質(zhì)過程很大程度上受到流體力學(xué)參數(shù)的影響，包括雷諾數(shù)和施密特?cái)?shù)。

Re為慣性力與黏性力的比值，通常用來表征流體的流動(dòng)情況，Re越大，表明流動(dòng)越不穩(wěn)定，對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的擾動(dòng)作用更強(qiáng)；Sc（施密特?cái)?shù)）為動(dòng)量傳遞與分子擴(kuò)散引起的質(zhì)量傳遞間的比值，即濃度與流動(dòng)邊界厚度之比的度量，高施密特?cái)?shù)對(duì)應(yīng)薄的流動(dòng)邊界層，也表示對(duì)流過程比分子擴(kuò)散影響更大。

邊界層理論對(duì)研究近壁面區(qū)域的對(duì)流擴(kuò)散過程十分重要，流動(dòng)邊界層與濃度（傳質(zhì)）邊界層的關(guān)系。介質(zhì)流過固體表面時(shí)，與表面直接接觸的流體因黏性力的作用使速度降為零，遠(yuǎn)離壁面的流體速度有所增加并逐漸達(dá)到自由流的速度，從而沿壁面法線方向形成速度梯度。其中黏性的影響僅限于靠近壁面的薄層，也就是流動(dòng)邊界層，邊界層越厚，質(zhì)量傳遞速率越小。此外，傳質(zhì)邊界層的厚度明顯小于流動(dòng)邊界層，即物質(zhì)濃度沿壁面法線方向經(jīng)歷更短的距離即可達(dá)到主體溶液的濃度。

為了綜合考慮流動(dòng)邊界層和傳質(zhì)邊界層的影響，進(jìn)而評(píng)價(jià)對(duì)流傳質(zhì)效果，學(xué)者們提出舍伍德數(shù)Sh，為分子擴(kuò)散阻力與對(duì)流傳質(zhì)阻力的比率。在一定溫度下，速度的增加導(dǎo)致邊界層厚度（δ）變薄，從而導(dǎo)致傳質(zhì)系數(shù)增加，質(zhì)量傳遞速率加快。

2.1.3 電遷移

電遷移通常是指在電場(chǎng)作用下，電解質(zhì)溶液中的帶電離子沿一定方向移動(dòng)的現(xiàn)象。其中，某種離子濃度發(fā)生變化的數(shù)量稱為電遷移流量。傳輸?shù)碾x子并非都參與電極反應(yīng)，有些起到傳導(dǎo)電流的作用。電遷移與溶液溫度、濃度等性質(zhì)有關(guān)，在溶液中沒有大量惰性電解質(zhì)的情況下，必須考慮電遷移對(duì)擴(kuò)散作用產(chǎn)生的影響（疊加或抵消）。

電極反應(yīng)會(huì)消耗大量粒子，需要靠傳質(zhì)過程補(bǔ)充，三種傳質(zhì)方式可能同時(shí)存在，互相影響，但電解液中有大量惰性電解質(zhì)或電解質(zhì)電流較小時(shí)，電遷移的傳質(zhì)作用可忽略不計(jì)。

剪切力是流體介質(zhì)相對(duì)材料表面運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的，其大小表明了流體與表面相互作用的程度，可以用來度量流體介質(zhì)對(duì)于表面的沖量。對(duì)于牛頓流體，壁面剪切力與速度梯度有關(guān)，剪切力隨流速增大而增大，一些現(xiàn)場(chǎng)以及腐蝕試驗(yàn)表明產(chǎn)物膜在高速流動(dòng)狀態(tài)下失效是因?yàn)楦弑诿婕羟辛Φ淖饔茫?dāng)壁面剪切力大于產(chǎn)物層與基體的黏合強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)物層發(fā)生破壞。Tobón等研究表明，旋轉(zhuǎn)圓柱電極轉(zhuǎn)速在6000～6500r/min之間時(shí)API5LX52鋼的腐蝕速率加劇，這是由于高壁面剪切力造成部分腐蝕產(chǎn)物與基體分離，產(chǎn)物層厚度減小而引起的。但是某些情況下，湍流狀態(tài)下的高壁面剪切應(yīng)力不影響緩蝕劑膜或者腐蝕產(chǎn)物層，Li等使用浮動(dòng)元件壁面探測(cè)針測(cè)量多相流中的壁面剪切應(yīng)力，最高測(cè)量值約為100Pa,Xiong等研究表明從鋼表面去除緩蝕劑膜需要的側(cè)向力為50～100MPa，比多相管流中測(cè)量的壁面剪切應(yīng)力大了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，多相管流中的壁面剪切力不一定總能機(jī)械去除保護(hù)性緩蝕劑膜或腐蝕產(chǎn)物層，這與剪切力數(shù)值、膜黏附力有密切關(guān)系。值得注意的是，在多相流管中對(duì)于表面剪切應(yīng)力的測(cè)量多通過間接方法獲得，因此流體剪切效應(yīng)與表面膜破壞之間的聯(lián)系仍需進(jìn)一步研究。

流動(dòng)腐蝕與界面流體動(dòng)量和質(zhì)量傳遞有很大的關(guān)系，很大程度上受材料近壁處流體力學(xué)參數(shù)的影響，包括傳質(zhì)系數(shù)、表面剪切力、雷諾數(shù)以及舍伍德數(shù)等。在傳質(zhì)控制的腐蝕體系中，表面剪切力與傳質(zhì)系數(shù)直接相關(guān)，共同影響腐蝕體系，同時(shí)，隨著腐蝕過程的進(jìn)行，腐蝕體系的變化也會(huì)反過來影響流動(dòng)情況以及傳質(zhì)過程。因此，流動(dòng)條件下的腐蝕過程是流場(chǎng)、濃度場(chǎng)、傳質(zhì)過程以及材料溶解等多種物理化學(xué)過程耦合作用的結(jié)果，其中如何準(zhǔn)確獲得流體力學(xué)相關(guān)參數(shù)并揭示腐蝕動(dòng)力學(xué)與流體動(dòng)力學(xué)的內(nèi)在數(shù)理聯(lián)系是研究腐蝕過程的重難點(diǎn)。

旋轉(zhuǎn)式裝置需要的試件形狀為圓盤、圓柱等，通過電極自身的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)被測(cè)試件與腐蝕介質(zhì)之間的相對(duì)流動(dòng)。試驗(yàn)過程中應(yīng)重點(diǎn)考慮轉(zhuǎn)速與流速的匹配問題，通過改變?cè)嚰男D(zhuǎn)速度，模擬實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)介質(zhì)流動(dòng)，并且要求圓盤尺寸較大方可達(dá)到較高的雷諾數(shù)。此實(shí)驗(yàn)裝置操作簡(jiǎn)單、費(fèi)用低、實(shí)驗(yàn)周期短、易于操作，在低轉(zhuǎn)速下就能使雷諾數(shù)大于2000，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)層流向湍流的轉(zhuǎn)變，因此在流動(dòng)腐蝕研究中被廣泛應(yīng)用。周昊等采用旋轉(zhuǎn)圓柱電極流動(dòng)腐蝕裝置研究了N80油氣井套管鋼在固液兩相流中的腐蝕規(guī)律，結(jié)果表明砂粒的沖刷作用會(huì)使材料表面產(chǎn)生腐蝕坑，并形成局部湍流，從而導(dǎo)致材料表面腐蝕加劇。該裝置的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)速較高時(shí)，電化學(xué)信號(hào)不穩(wěn)定、不易控制流體的流動(dòng)性、無法考慮沖擊角度的影響等。

在管流式實(shí)驗(yàn)裝置中，試件直接鑲嵌在管道內(nèi)壁上，試件工作表面與管道內(nèi)壁面平齊，此裝置是一個(gè)流動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)容易控制，能更好地模擬實(shí)際運(yùn)行工況條件，流體流速、介質(zhì)成分等更易控制，可進(jìn)行多種流態(tài)實(shí)驗(yàn)。在相關(guān)領(lǐng)域中，對(duì)于管流式的流體動(dòng)力特性研究較深入，與其他方法相比，更易將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與流體力學(xué)參數(shù)相聯(lián)系。郭浩等將電化學(xué)測(cè)試裝置與循環(huán)管路系統(tǒng)相結(jié)合，研究了球墨鑄鐵供水管道中流速對(duì)腐蝕的影響，結(jié)果表明流速與腐蝕速率基本正相關(guān)，流動(dòng)主要促進(jìn)陰極反應(yīng)。該裝置的缺點(diǎn)是耗溶液量較大，管道維修、校準(zhǔn)復(fù)雜且費(fèi)用高，操作要求比較高，制約了其廣泛應(yīng)用。

這種裝置通過水泵控制相應(yīng)的水壓改變流體流速，流速易于控制，可調(diào)節(jié)沖刷角度。電化學(xué)測(cè)量方便，適用于高溫、高壓下的湍流腐蝕研究，多用于研究螺旋槳、水翼前緣等的沖刷腐蝕。楊江等利用噴射沖擊裝置評(píng)價(jià)緩蝕劑性能，裝置可以模擬高達(dá)30m/s的高速流沖刷腐蝕，還可實(shí)現(xiàn)含砂與不含砂條件下的沖蝕。該裝置的缺點(diǎn)是加工和安裝試樣困難，不能很好地模擬實(shí)際工況條件。

以往對(duì)于流動(dòng)影響腐蝕的研究主要建立在實(shí)驗(yàn)研究上，根據(jù)不同的研究目標(biāo)選擇不同的設(shè)備，但是所得材料流動(dòng)腐蝕結(jié)果存在較大差異，難以橫向比較。因此學(xué)者們對(duì)比研究了不同裝置對(duì)腐蝕過程的影響。

Nesic等利用旋轉(zhuǎn)圓柱裝置和管流裝置研究了低碳鋼在含二氧化碳的氯化鈉溶液中的腐蝕過程，發(fā)現(xiàn)在相同的傳質(zhì)條件下，低溫狀態(tài)材料表面沒有保護(hù)性產(chǎn)物膜時(shí)，兩裝置測(cè)得電化學(xué)參數(shù)相似。然而溫度較高時(shí)，管流式試樣表面生成了更為致密的產(chǎn)物膜，因此管流式的腐蝕速率較低。但Efird等研究了碳鋼在含二氧化碳的氯化鈉溶液中的腐蝕，表明相同的表面切應(yīng)力或者傳質(zhì)系數(shù)下，管流裝置測(cè)得的腐蝕速率與噴射裝置所得數(shù)據(jù)相似，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于旋轉(zhuǎn)圓柱裝置所得的腐蝕速率。

學(xué)者們?cè)噲D利用流體力學(xué)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)不同裝置之間的關(guān)聯(lián)，并與實(shí)際情況相聯(lián)系，然而對(duì)于如何選擇適當(dāng)?shù)囊蛩貋黻P(guān)聯(lián)不同裝置的流動(dòng)腐蝕一直存在爭(zhēng)議。Chen等發(fā)現(xiàn)在傳質(zhì)系數(shù)相同的條件下，旋轉(zhuǎn)流、管流、沖擊裝置測(cè)量的腐蝕數(shù)據(jù)一致。Azmi等研究發(fā)現(xiàn)在25℃時(shí)，旋轉(zhuǎn)圓柱裝置和管道流動(dòng)裝置的腐蝕速率相近，證實(shí)了在特定條件下，質(zhì)量傳遞速率相近時(shí)，二氧化碳腐蝕速率與幾何無關(guān)的假設(shè)。Dayalan等發(fā)現(xiàn)在由質(zhì)量傳遞控制過程中，傳質(zhì)系數(shù)相同的管流裝置和旋轉(zhuǎn)流裝置之間的腐蝕數(shù)據(jù)存在一定的定量關(guān)系，而基于相同的剪切應(yīng)力下均不能建立關(guān)聯(lián)。不同學(xué)者的研究尚存在一定差異，需要進(jìn)一步研究。

流動(dòng)狀態(tài)下的腐蝕過程中影響因素眾多，包括材料本身的因素（硬度、鈍化特性、腐蝕性能等）、流體力學(xué)因素（流速、流態(tài)、流型、沖擊角度等）、液相因素（pH、溫度、溶解氧含量等）、固體顆粒因素、累計(jì)沖刷時(shí)間等，這些因素的影響不是獨(dú)立作用，而是共同影響腐蝕過程。其中與介質(zhì)流動(dòng)相關(guān)的因素包括以下幾方面。

流體介質(zhì)流速對(duì)于腐蝕速率起著至關(guān)重要的作用，流態(tài)通過不同雷諾數(shù)可分為層流和紊流，這不僅取決于流速，還取決于流體的物性、流道的幾何形狀，突然擴(kuò)充、收縮、凸臺(tái)、改變流向等都會(huì)影響流態(tài)。因此在低流速狀態(tài)下也有可能出現(xiàn)湍流，流態(tài)對(duì)于腐蝕規(guī)律影響較大，研究中需要考慮這點(diǎn)。

在層流條件下，介質(zhì)流速較低，腐蝕反應(yīng)主要受氧擴(kuò)散過程控制，此時(shí)流速增加，會(huì)提高氧擴(kuò)散系數(shù)及電荷轉(zhuǎn)移速度，從而促進(jìn)了陰陽極反應(yīng)，腐蝕過程加速[30]，陰極極化曲線表現(xiàn)在陰極段部分一般呈現(xiàn)氧擴(kuò)散特征；介質(zhì)流速增加，金屬表面的剪切應(yīng)力也隨之增加，但數(shù)值較小。流速對(duì)于腐蝕速率的影響表現(xiàn)為流速增加，腐蝕速率緩慢上升。對(duì)于鈍性材料來說，合適的流速會(huì)促進(jìn)材料表面氧化膜的形成、保護(hù)基體，腐蝕速率很大程度上取決于流體沖刷作用與鈍化能力的相對(duì)強(qiáng)弱，當(dāng)流速對(duì)鈍化的促進(jìn)作用大于沖刷作用時(shí)，腐蝕速率隨流速減小，反之則增大。

當(dāng)流速增大到雷諾數(shù)超過層流臨界值時(shí)進(jìn)入紊流狀態(tài)，傳質(zhì)速率較高，反應(yīng)物以及腐蝕性離子更易到達(dá)金屬材料表面，從而促進(jìn)腐蝕；同時(shí)湍流造成材料表面剪切力增大，腐蝕產(chǎn)物與基體的結(jié)合力變差，破碎程度增加，流體介質(zhì)中固體顆粒對(duì)表面產(chǎn)生無規(guī)則沖擊也會(huì)加速腐蝕。

一般情況下，材料腐蝕速率隨流速增大開始緩慢增加，當(dāng)流速超過某個(gè)臨界值時(shí)，腐蝕明顯加劇。這個(gè)臨界值通常稱為臨界流速，是評(píng)價(jià)材料沖蝕腐蝕性能的有效參數(shù)之一，其大小與腐蝕體系以及材料自身性質(zhì)有關(guān)。例如當(dāng)流道形狀突然改變，流態(tài)隨之改變，也會(huì)引發(fā)腐蝕加劇，導(dǎo)致腐蝕形態(tài)復(fù)雜多變。關(guān)于臨界流速的研究已成為流動(dòng)腐蝕研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。Wang等通過彩色標(biāo)記法和離子標(biāo)記法，探尋了臨界流速引起腐蝕的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)鈦表面膜在低于臨界流速的流速下發(fā)生機(jī)械破裂，提出臨界流速現(xiàn)象存在的機(jī)理為固體顆粒碰撞引起的去鈍化過程與再鈍化過程的相對(duì)強(qiáng)弱。Yi等研究發(fā)現(xiàn)2205雙相不銹鋼表面經(jīng)過固液射流沖擊后，按腐蝕損傷程度可分為三個(gè)區(qū)域，臨界流速分別為13m/s、11m/s和15m/s，臨界值越低的區(qū)域沖蝕損傷越大。不同區(qū)域之間的臨界流速差異是由固體顆粒撞擊角和撞擊速度的聯(lián)合作用造成的。此外，流速也會(huì)引起腐蝕形貌的變化，Wang等研究發(fā)現(xiàn)流動(dòng)條件下點(diǎn)蝕坑內(nèi)部的渦流會(huì)帶來濃度場(chǎng)和電勢(shì)場(chǎng)的變化，進(jìn)而導(dǎo)致點(diǎn)蝕坑的演變呈現(xiàn)非對(duì)稱性的特點(diǎn)。

由于流體湍動(dòng)、相間沖擊作用及相對(duì)運(yùn)動(dòng)，兩相流和多相流流動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，相界面分布呈現(xiàn)不同的幾何形狀或流動(dòng)結(jié)構(gòu)，稱為流型。不同的多相流流型的相分布、分相速度差別很大，對(duì)腐蝕性環(huán)境的形成及腐蝕性離子的傳質(zhì)過程影響很大，進(jìn)而對(duì)壁面腐蝕程度產(chǎn)生影響。張昆對(duì)氣液兩相不同流型下腐蝕規(guī)律進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)分層流、氣泡流、段塞流和環(huán)狀流四種流型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不同流型下管道的腐蝕速率不同，段塞流和環(huán)狀流下的腐蝕速率最大。主要原因?yàn)槎稳安啃纬傻臍庖夯旌蠀^(qū)對(duì)管壁產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷作用，同時(shí)氣泡對(duì)管壁底部產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊并破滅，伴隨高溫和高壓作用。同時(shí)，氣泡相鄰的液膜對(duì)管壁產(chǎn)生很大的瞬間剪切力作用，這種綜合效果導(dǎo)致劇烈的流動(dòng)腐蝕。另外，段塞流腐蝕速率隨溫度和壓力的增大而升高。劉曉田通過研究段塞流特性參數(shù)對(duì)腐蝕的影響發(fā)現(xiàn)，管道頂部的腐蝕速率會(huì)隨弗勞德數(shù)增大而減小，而液塞頻率、液相流速、氣液比增大時(shí)，腐蝕速率隨之增大。環(huán)狀流中由于氣體和液滴不斷沖擊管壁表面，破壞保護(hù)膜的形成，使金屬腐蝕加劇。氣泡流和分層流狀態(tài)下的腐蝕速率較低。氣泡流中，流速增大的氣體易與液相混合形成氣液混合物，雖然氣泡的破裂也會(huì)對(duì)管壁形成沖擊，但這種作用比較輕微。分層流中液體和氣體流速較慢，重力的作用使氣相與液膜分層，腐蝕主要是液相介質(zhì)產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕，外部流體的沖擊作用較弱，導(dǎo)致腐蝕速率相對(duì)較低。

對(duì)于常見的輸油管道內(nèi)部多相流動(dòng)過程，油包水分散流條件下形成原油為連續(xù)相的油水分散體系，避免水相與管道內(nèi)壁直接接觸。然而油包水型分散體系的小液滴在長(zhǎng)距離、長(zhǎng)時(shí)間輸送過程中容易發(fā)生沉降形成積液，導(dǎo)致管道底部腐蝕問題。段塞流條件下管道內(nèi)壁特定位置將處于周期性的油水兩相交替潤(rùn)濕狀態(tài)，其潤(rùn)濕特性取決于流型特征和材料表面等因素，此時(shí)管道的腐蝕規(guī)律和機(jī)理變得更加復(fù)雜。張魯飛研究發(fā)現(xiàn)油管腐蝕中，當(dāng)管內(nèi)流型變化時(shí)，對(duì)壁面的腐蝕程度比較劇烈，段塞流對(duì)壁面的腐蝕最嚴(yán)重。由于段塞流中流體處于高度紊流狀態(tài)，在管壁形成的邊界層很薄，從而發(fā)生對(duì)流傳質(zhì)腐蝕、相轉(zhuǎn)變腐蝕和沖刷腐蝕等多種腐蝕機(jī)制，腐蝕速率遠(yuǎn)高于其他流型。目前對(duì)于復(fù)雜流型下多種腐蝕機(jī)制并存的問題仍缺乏深入認(rèn)識(shí)，流型與腐蝕的關(guān)系是一項(xiàng)特別需要深入研究的問題。

材料表面膜的阻隔作用對(duì)于腐蝕過程起著至關(guān)重要的作用，可增加傳質(zhì)阻力，防止基體暴露在介質(zhì)中從而溶解。表面膜的化學(xué)成分、厚度、穩(wěn)定性對(duì)于腐蝕過程影響很大。

Mohammadi等采用多種電化學(xué)模型計(jì)算了不同操作條件下不銹鋼表面鈍化膜的厚度，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出最近發(fā)展起來的冪律模型比其他模型更能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鈍化膜厚度。Karoui等對(duì)于不銹鋼的研究表明，流動(dòng)海水腐蝕過程中形成的沉積物主要是碳酸鈣和水鎂石。另外，沉積層的孔隙率對(duì)于腐蝕過程有很大的影響，孔隙率低的沉積層具有更好的阻隔性，能有效地防止腐蝕性離子進(jìn)入基體。Hoseinieh等研究表明，與水鎂石相比，碳酸鈣的孔隙率小，阻隔性能更好。高流速能降低沉積層的孔隙率，更有利于碳酸鈣生成，保護(hù)基體，抗腐蝕性能更好。

腐蝕過程中產(chǎn)物膜的形成和溶解同時(shí)進(jìn)行，而產(chǎn)物膜的形成以及溶解本身受多種因素的影響，包括合金成分、溶液pH、離子種類、溫度、流速等，這些因素不是單獨(dú)作用的，它們共同影響金屬的腐蝕過程。其中溶液介質(zhì)流動(dòng)對(duì)于表面產(chǎn)物膜的形成和溶解過程影響很大且非常復(fù)雜，流速增大，質(zhì)量傳輸速率隨之增大，可以為表面膜提供充足的氧，有利于維持金屬的鈍化，而溶液的沖刷作用會(huì)使產(chǎn)物膜更為致密，減少了腐蝕產(chǎn)物的缺陷，降低腐蝕速率；同時(shí)，流動(dòng)會(huì)加速腐蝕性離子（氯離子等）的傳質(zhì)，破壞產(chǎn)物膜的完整性，容易引起局部腐蝕。另外流速增大會(huì)使材料表面剪切力增大，當(dāng)剪切力大于表面產(chǎn)物膜與基體的黏合強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)物膜遭到破壞，基體與介質(zhì)接觸從而加速腐蝕。但是也有研究表明，在一些情況下由于流體對(duì)壁面的剪切力遠(yuǎn)小于表面膜與壁面的黏合強(qiáng)度，僅剪切力不足以去除產(chǎn)物膜。Wei等研究表明動(dòng)態(tài)條件下鈍化膜的破壞由流動(dòng)的剪切應(yīng)力和氧化膜的內(nèi)應(yīng)力共同引起，雖然壁面剪切力太小不足以破壞產(chǎn)物膜，但內(nèi)應(yīng)力會(huì)隨產(chǎn)物膜的厚度增加而顯著增大，從而導(dǎo)致表面膜因缺陷而開裂。Tan等研究發(fā)現(xiàn)在流動(dòng)條件下，特別是有缺陷引起的不均勻流場(chǎng)下X80鋼表面要形成完整的鈍化膜比較困難，當(dāng)鈍化膜被部分破壞時(shí)，金屬表面會(huì)形成陰極和陽極，且陰陽極面積相差較大，從而加速受損區(qū)域的局部腐蝕。

綜上，流速會(huì)通過促進(jìn)物質(zhì)傳遞來加速表面膜的生成，同時(shí)也會(huì)通過剪切效應(yīng)來破壞表面膜，表面膜的生成和溶解共同決定了對(duì)腐蝕的影響。

流體對(duì)于金屬表面的沖刷力可分為水平和垂直兩個(gè)分量。在水平方向上，流體對(duì)材料表面產(chǎn)生剪切作用，這種作用雖然加快了電荷傳輸速度，但反應(yīng)物質(zhì)難以在材料表面吸附。當(dāng)剪切力大于腐蝕產(chǎn)物的附著力時(shí)，腐蝕產(chǎn)物從材料表面剝離，因而剪切作用是材料損失的主要原因；而垂直方向分量則產(chǎn)生撞擊作用，促進(jìn)反應(yīng)物在材料表面上的附著并接觸發(fā)生反應(yīng)，抑制電荷轉(zhuǎn)移過程，同時(shí)固體顆粒會(huì)對(duì)表面造成沖擊坑、微裂紋等。持續(xù)沖擊作用使材料呈片狀脫落，表面粗糙度增大，加速腐蝕。兩者損傷效果不同，沖刷角度的變化會(huì)使得這兩個(gè)分量發(fā)生變化，隨著沖擊角的增加，水平剪應(yīng)力通常會(huì)減小，法向撞擊作用會(huì)增強(qiáng)，腐蝕過程會(huì)隨之變化。因此，存在某一角度使得切應(yīng)力和沖擊作用共同產(chǎn)生的損傷最大，此時(shí)材料的腐蝕損傷最嚴(yán)重。Tang等研究發(fā)現(xiàn)沖刷角度從45°到90°時(shí)，沖刷腐蝕先減小后增大，沖刷角度大于30°小于45°時(shí)，腐蝕速率隨角度增大而增大，45°時(shí)，腐蝕速率最大，主要是因?yàn)樗郊羟辛痛怪狈较虻淖矒糇饔霉餐瑢?dǎo)致的。當(dāng)沖擊角度小于45°時(shí)，剪切力占主導(dǎo)，沖擊角度大于45°時(shí)，法向撞擊作用占主導(dǎo)。45°時(shí)，剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力具有最大的協(xié)同作用。綜上，流體沖刷角度對(duì)于材料腐蝕速率的影響較為復(fù)雜，具體取決于施加在材料表面上的水平剪切力和法向應(yīng)力的大小以及二者的協(xié)同作用。

在腐蝕研究過程中，累積時(shí)間是一個(gè)重要的變量。腐蝕速率一般隨流體介質(zhì)的作用時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，Zhang等研究發(fā)現(xiàn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)，EIS圖顯示阻抗譜半圓的大小隨時(shí)間的增加而增大。這主要是初期材料表面未形成完整而致密的產(chǎn)物膜，此時(shí)氧化膜處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此腐蝕性介質(zhì)以及反應(yīng)物等更容易到達(dá)金屬表面，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，伴隨著鈍化膜的形成和溶解，金屬表面更容易形成均勻而致密的膜，因此腐蝕速率也隨著降低。連續(xù)的沖擊腐蝕，會(huì)導(dǎo)致腐蝕坑面積增大產(chǎn)生潰瘍腐蝕，進(jìn)而會(huì)增加材料表面粗糙度，影響流體力學(xué)參數(shù)，例如傳質(zhì)系數(shù)和舍伍德數(shù)，影響腐蝕過程。

從熱力學(xué)角度看，溫度對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程的影響同樣不可忽視，主要通過影響腐蝕反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)、氧擴(kuò)散系數(shù)、氧溶解量及產(chǎn)物膜特性等方面對(duì)流動(dòng)腐蝕產(chǎn)生復(fù)雜多變的影響。氧的擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度的上升而逐漸增高，促進(jìn)腐蝕過程；另一方面，溫度升高時(shí)，氧會(huì)逐漸析出，減緩了陰極還原反應(yīng)。對(duì)于鈍性材料，表面膜的特性及材料再鈍化的能力也會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生轉(zhuǎn)變：溫度較低時(shí)，腐蝕性離子的傳輸速率低，腐蝕產(chǎn)物膜的形成較慢，難以形成連續(xù)、附著力強(qiáng)、具有保護(hù)性的產(chǎn)物膜，再加上流體的流動(dòng)沖刷對(duì)膜的破壞，容易引起嚴(yán)重的局部腐蝕；溫度較高時(shí)，腐蝕速率較快，腐蝕產(chǎn)物達(dá)到過飽和并且加速沉淀，容易形成致密、保護(hù)性強(qiáng)的產(chǎn)物膜，從而抑制腐蝕過程。彭文才等研究表明不同溫度條件下腐蝕模式也有差別，在高溫度以及較高含氧量的情況下，5083鋁合金容易發(fā)生均勻腐蝕，在低溫度低含氧量的情況下5083合金容易產(chǎn)生點(diǎn)蝕。Gat等研究表明溫度對(duì)流動(dòng)腐蝕的影響過程由多種機(jī)制共同決定，包括擴(kuò)散過程、氧溶解量以及產(chǎn)物膜特性等。隨著溫度的升高，材料的流動(dòng)腐蝕速率是增大還是減少取決于腐蝕過程中上述熱動(dòng)力耦合作用的哪種機(jī)制占據(jù)主導(dǎo)地位，而主導(dǎo)機(jī)制也會(huì)隨溫度而發(fā)生變化，導(dǎo)致腐蝕速率的變化規(guī)律隨著實(shí)驗(yàn)條件而發(fā)生復(fù)雜的變化。

在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，流體介質(zhì)不只是有單純的化學(xué)成分，還經(jīng)常存在雜質(zhì)。當(dāng)流體介質(zhì)中存在固體顆粒，此時(shí)形成了固/液兩相流。固體顆粒對(duì)金屬的影響主要通過破壞金屬表面氧化膜來實(shí)現(xiàn)，流體經(jīng)過材料表面時(shí)，顆粒會(huì)對(duì)表面產(chǎn)生切應(yīng)力，增強(qiáng)了介質(zhì)對(duì)于材料表面的沖刷，疏松的腐蝕產(chǎn)物膜容易被沖刷掉，從而對(duì)材料表面造成沖擊坑，導(dǎo)致材料表面的粗糙度增加，使得金屬基體裸露在外面遭到腐蝕。此外，Zhang等研究表明，溶液中加砂會(huì)使電荷轉(zhuǎn)移阻力顯著降低，鋼的腐蝕性能增加。

固體顆粒的硬度、尺寸、棱角度、含量等對(duì)腐蝕過程也會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。一般情況下，顆粒硬度越高、尺寸越大，破壞性越大，顆粒以相同的速度撞擊材料表面時(shí)較大的粒子具有更大的動(dòng)能，顆粒的粒徑越大，密度越大，磨損率越高；棱角越多，對(duì)于材料表面破壞性越強(qiáng)；但是并不是固體顆粒含量越高腐蝕速率越大，顆粒含量增大，流體對(duì)表面的切應(yīng)力可能減小，這主要是顆粒之間相互作用，從而對(duì)材料產(chǎn)生了屏蔽作用，彭文山等研究表明含砂量增加時(shí)，材料表面產(chǎn)物層的孔隙被細(xì)微砂石填補(bǔ)，在一定程度上減弱腐蝕。

當(dāng)流動(dòng)介質(zhì)中存在氣泡時(shí)，特別是在高流速下，隨著流體的運(yùn)動(dòng)，氣泡對(duì)金屬表面的沖擊作用不可忽視，會(huì)導(dǎo)致腐蝕明顯加劇。氣泡和液體以相同的速度流動(dòng)，進(jìn)入高壓區(qū)或者碰撞材料表面時(shí)，氣泡瞬間潰滅，對(duì)壁面產(chǎn)生極高的液壓沖擊、機(jī)械力，并伴有高溫、振動(dòng)等現(xiàn)象，它會(huì)破壞金屬表面上的保護(hù)膜，甚至?xí)够w受到損傷，長(zhǎng)期作用使壁面形成破壞區(qū)，加劇材料腐蝕。另外，氣泡的尺寸、上升速度、氣相濃度、體積分率對(duì)腐蝕也有顯著影響。茅俊杰等[63]研究表明在彎管內(nèi)壁側(cè)存在局部壓降，氣泡體積分率和剪切力增大，沖刷腐蝕最嚴(yán)重。李鵬等研究發(fā)現(xiàn)在一定流速下，截面含氣率增加會(huì)降低腐蝕速率。不僅如此，流體中氣體的存在可能改變流型，對(duì)表面邊界層產(chǎn)生擾動(dòng)作用，從而進(jìn)一步加速腐蝕過程。