沖刷腐蝕是金屬表面與腐蝕性流體之間由于高速相對運動而引起的金屬損壞現(xiàn)象，是機械性沖刷和電化學(xué)腐蝕交互作用的結(jié)果。當(dāng)液流中混入固相顆粒時即構(gòu)成所謂的液/ 固雙相流沖刷腐蝕，它是引起石油、化工、水利電力、礦山和濕法冶金等行業(yè)中各種泵、閥、管道等過流部件大量損壞的重要原因。

    沖刷腐蝕是一個很復(fù)雜的過程，影響因索很多，材料本身的化學(xué)成份、組織結(jié)構(gòu)、機械性能（尤其是硬度）、表面粗糙度、耐蝕性能等是一個方面，介質(zhì)的溫度、pH 值、溶氧量、各種活性離子的濃度。粘度、密度、固相和氣相在液相中的含量、固相顆粒度和硬度是另一方面，而過流部種的形狀、流體的流速和流態(tài)也具有很大影響，因為不同的流速、流態(tài)會使流體對材料表面產(chǎn)生不同的力學(xué)效果。

    流體作用下的金屬材料容易發(fā)生沖刷腐蝕。這種腐蝕在海洋環(huán)境及石油管道運輸中十分常見，其在工業(yè)磨損中所占比重大于5%。沖刷腐蝕近幾年的研究概況如何？面臨哪些新的挑戰(zhàn)。為此，本刊記者采訪了中國科學(xué)院金屬研究所鄭玉貴研究員。鄭玉貴，博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院金屬研究所研究員，遼寧省“百千萬人才工程”百人層次。他從沖刷腐蝕的研究、實驗室測試等方面論述了沖刷腐蝕的研究現(xiàn)狀， 并在此基礎(chǔ)上闡述了沖刷腐蝕研究工作的未來方向和發(fā)展趨勢。請隨記者一起進(jìn)入精彩訪談。 

中國科學(xué)院金屬研究所鄭玉貴研究員

    記者：您是第八屆全國腐蝕大會多相流腐蝕與防護分會場主席，今年召開第九屆全國腐蝕大會，您是多相流腐蝕與防護分會場主席，請您介紹一下多相流沖刷腐蝕近幾年的研究概況？

    鄭研究員：相對于靜態(tài)條件，材料在流動條件下的損傷機理要復(fù)雜得多，研究工作相對薄弱，國內(nèi)外從事這方面研究的人員也偏少。在石油、石化、化工、濕法冶金、采礦、艦船、水利電力（火電、水電和核電）等行業(yè)中，經(jīng)常存在由氣／液／固相所組成的多相流動體系，也稱為多相流，從而引起各種過流部件如泵、閥、管道、水輪機、汽輪機、艦船推進(jìn)器、攪拌槳和噴射設(shè)備等的嚴(yán)重?fù)p壞。表1給出了典型的材料雙相流腐蝕類型及工業(yè)實例，可以看出材料的多相流損傷（有時簡稱為多相流腐蝕）背景的普遍性。這些過流部件的損壞所造成的工藝無法控制、效率降低、突然停工、頻繁維修（導(dǎo)致術(shù)語“星期泵”的出現(xiàn)；有的閥門只能服役1-2天）、甚至災(zāi)難性事故等間接損失往往比直接損失更嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計，葉片運行事故約占汽輪機事故率的40%，而在葉片失效的事故中，液滴沖蝕導(dǎo)致的末級葉片失效占葉片失效的70%以上。三門峽水電站曾因水輪機磨蝕問題，汛期不得不停機；美Surry核電站因流動加速腐蝕（FAC）導(dǎo)致事故造成4死4傷，直接和間接損失約十億美元；煤化工設(shè)備因嚴(yán)重的沖蝕問題，半年時間就需要大修。可見問題的嚴(yán)重性。

    表1 材料的雙相流腐蝕類型及工業(yè)實例

    材料的多相流腐蝕問題的復(fù)雜性體現(xiàn)在如下幾個方面：

    1.相關(guān)術(shù)語、概念十分混亂，見表2，非專業(yè)人士往往無法解釋清楚這些術(shù)語間的差別。

     表2 多相流腐蝕相關(guān)術(shù)語

從腐蝕角度	從磨損角度
流動誘導(dǎo)腐蝕(flow-induced-corrosion)	沖蝕(erosion)或沖蝕磨損(erosive wear)
受流動所決定的腐蝕(flow-dependent-corrosion)	空泡腐蝕或氣（汽）蝕(cavitation erosion)
流動加速腐蝕(FAC, flow accelerated corrosion )	液滴沖蝕(liquid droplet erosion)
沖擊腐蝕(impingement attack)	磨蝕(corrosion-erosion)
沖刷腐蝕/磨損腐蝕(erosion-corrosion)	腐蝕磨損(corrosive wear)

     1.多種損傷形式耦合

    多相流中材料的損傷形式主要包括腐蝕、沖蝕（沖刷磨損）和空蝕（氣蝕），而且它們之間經(jīng)常存在交互作用，是材料受機械損傷和化學(xué)或電化學(xué)腐蝕協(xié)同作用的結(jié)果。

    2.多學(xué)科交叉

    材料的多相流損傷涉及材料學(xué)、（電）化學(xué)、流體力學(xué)（流速、流態(tài)、攻角和顆粒性質(zhì)等） 和摩擦磨損等的多學(xué)科交叉，是典型的多因素耦合作用下的材料損傷形式，包含活性溶解、傳熱傳質(zhì)、表面膜的生成和破壞、純力學(xué)損傷等多種基本過程。

    3.多變的表面狀態(tài)

    在多相流的力學(xué)化學(xué)聯(lián)合作用下，表面和界面（膜的生成及破壞）是復(fù)雜多變的。隨著流速和含沙等力學(xué)因素的加強，腐蝕過程會從傳質(zhì)控制逐漸或突然變成力學(xué)損傷控制，往往存在臨界流速現(xiàn)象。

      記者：您是材料防腐專家，請您結(jié)合您的科研工作談?wù)劊跊_刷腐蝕做的相關(guān)研究，以及取得的成果。

    鄭研究員：1987年，我從碩士論文就開始涉足材料的多相流腐蝕的相關(guān)研究，至今已經(jīng)有近30年的歷史，雖然研究團隊（見圖1）一直不是很大，但長期的堅持使得我們已經(jīng)成為國內(nèi)外該研究方向的一支重要力量。先后積累了近40篇碩士、博士學(xué)位論文，100多篇SCI文章（包括Corr. Sci. 21 篇和Electrochim. Acta 3 篇），并逐漸凝練出材料的多相流腐蝕需要解決的核心科學(xué)問題（見圖2），據(jù)此開展了較為系統(tǒng)和深入的研究工作。先后經(jīng)歷了沖刷腐蝕系列實驗設(shè)備的研制及材料沖刷腐蝕性能評價、沖刷腐蝕與再鈍化性能間的關(guān)系、腐蝕與沖刷（空蝕）交互作用的定量研究、耐蝕耐磨合金及涂層的研制（例如σ相強化的耐蝕耐磨合金、環(huán)氧粉末涂層、鐵基非晶涂層、Ti-Si-C-N基納米復(fù)合涂層、Cr-Mn-B堆焊焊條、激光熔覆涂層、攪拌摩擦處理等）、多相流緩蝕劑、損傷敏感部位預(yù)測、沖刷腐蝕的計算模擬等歷程，最近的研究集中在沖刷腐蝕臨界流速的數(shù)據(jù)積累及相關(guān)機理。已完成或正在執(zhí)行國家基金面上和青年項目6項、重點項目2 項、重大項目子課題1 項，“973”項目3 項，國家環(huán)境腐蝕平臺項目2項，中國科學(xué)院重要方向性項目1項，中石化“九五”、“十五”項目各1項以及多項其它企業(yè)委托項目。多年的研究工作也得到國內(nèi)外同行一定程度的認(rèn)可，發(fā)表文章被引用2000余次，單篇最高被引用169次，有關(guān)沖刷和腐蝕交互作用的文章已經(jīng)成為該領(lǐng)域的經(jīng)典文獻(xiàn)之一。曾榮獲英國優(yōu)秀期刊論文獎（2008 Highly Commended Award） 和鄭州市科技進(jìn)步一等獎。應(yīng)邀擔(dān)任英國主辦的Tribology - Materials, Surfaces and Interfaces（ISSN 1751- 5831）和韓國主辦的Corrosion Science and Technology（ISSN 1598-6462）兩個國際期刊編委，任美國ASTM G 32 - 06 Standard Test Method for Cavitation Erosion Using Vibratory Apparatus標(biāo)準(zhǔn)修改工作組成員，與美國俄亥俄大學(xué)、邁阿密大學(xué)和英國利茲大學(xué)建立了長期合作關(guān)系。擔(dān)任合肥工業(yè)大學(xué)、河海大學(xué)、四川理工學(xué)院和東北石油大學(xué)兼職教授和材料腐蝕與防護四川省重點實驗室學(xué)術(shù)委員會主任，多次擔(dān)任國內(nèi)外重要腐蝕會議的分會主席或作大會或分會特邀報告。

      圖1 研究組成員

    圖2 材料的多相流腐蝕需要解決的核心科學(xué)問題

      長期以來，我們對沖刷腐蝕的臨界流速現(xiàn)象倍加關(guān)注，并在此方面進(jìn)行了一系列的研究。針對不同體系，運用不同的沖刷腐蝕模擬設(shè)備及測試手段研究了銅合金、碳鋼和低合金鋼、碳鋼+緩蝕劑體系、系列鈍性材料（2Cr13、304、2205、2507、254SMO、825、600、Ta2及鐵基非晶合金涂層等）在含砂的模擬海水或酸性溶液中的沖刷腐蝕行為。發(fā)現(xiàn)隨著流速的改變，材料在沖刷腐蝕下的失重率和試樣表面粗糙度、開路電位、線性極化電阻、電化學(xué)阻抗譜、鈍化電流密度及循環(huán)極化行為都出現(xiàn)了一些臨界現(xiàn)象。這些臨界現(xiàn)象主要包括一些實驗測試值的突變及電化學(xué)行為的改變。發(fā)展了多種定量確定鈍態(tài)材料臨界流速的方法，比較了其一致性，研究了外加電位、含沙量、顆粒度和攻角等對臨界流速的影響，最后還探索了采用鈍化處理方法來提高鈍性材料臨界流速的可行性。這對過流部件的使用有一定指導(dǎo)作用。另外，我們對于類似情況下，不同體系中空蝕對腐蝕的影響也有過系統(tǒng)研究。

     記者：請您談?wù)劊鼛啄隂_刷腐蝕在發(fā)展中出現(xiàn)了遇到了哪些新的挑戰(zhàn)，如何去迎接這些挑戰(zhàn)？

    鄭研究員：沖刷腐蝕是典型的多因素耦合作用下的材料損傷形式，涉及多學(xué)科的交叉，正如上面圖2所展示的核心科學(xué)問題是我們面臨的挑戰(zhàn)。從理論上我們要解決復(fù)雜流體的動力學(xué)規(guī)律（尤其是局部流速流態(tài)）、單顆粒和單空泡對材料的單元損傷過程、多種損傷形式間的交互作用規(guī)律、吸收和耗散多相流沖擊能的方法；從應(yīng)用上要解決測試設(shè)備和方法的標(biāo)準(zhǔn)化、損傷主控機制隨環(huán)境條件的改變規(guī)律及轉(zhuǎn)型的臨界條件、耐蝕耐磨合金和涂層的發(fā)展原則、耐蝕耐磨性能與材料常規(guī)力學(xué)性能之間的關(guān)聯(lián)性等。如何量化納米級或微米級鈍化膜或氧化膜的承載能力是我們最近研究過程中遇到的新挑戰(zhàn)，在實驗手段缺乏的條件下，利用好計算模擬手段可能是解決這些挑戰(zhàn)的正確方向，把計算流體力學(xué)（CFD）、微區(qū)電化學(xué)測試和微觀表征手段相結(jié)合，可能是將來的努力方向。

    記者：您連續(xù)兩屆參加全國腐蝕大會，請您談?wù)剠⒓哟髸母邢牒徒?jīng)歷。

    鄭研究員：全國腐蝕大會是全國腐蝕與防護的科學(xué)家和工程師相互交流的良好平臺，我們在與老朋友敘舊的同時，也會結(jié)識一些新朋友，尤其是年輕的80后、90后，為腐蝕與防護事業(yè)帶來勃勃生機。另外，感覺大會的參加人數(shù)也越來越多，大會組織的規(guī)范性也越來越強。

     記者：作為分會場的主席，請您談?wù)勅珖g大會召開對于行業(yè)發(fā)展的推動意義。

    鄭研究員：全國腐蝕大會匯聚了腐蝕與防護領(lǐng)域的各類精英，一方面，腐蝕工程師提出了實際工作中所遇到的新問題，讓從事腐蝕研究的科學(xué)家的相關(guān)研究更有針對性，避免閉門造車；另一方面，從事腐蝕研究的科學(xué)家所展示的最新腐蝕機理研究成果也為腐蝕工程師解決實際問題帶來新思路。通過全國腐蝕大會的良好平臺，全國腐蝕與防護的科學(xué)家和工程師相互交流，共同提高。因此，全國腐蝕大會的召開對于行業(yè)發(fā)展有重要的推動意義。

     后記：近年來，對沖刷腐蝕的研究，已經(jīng)成為科學(xué)研究中的一個熱點。隨著科學(xué)家們對其的分析和研究，相信會研究出正確的防護措施，為石油、化工、采礦、能源產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域減少更多的損失！

 
    人物簡介：

    鄭玉貴，博士、博士生導(dǎo)師、中國科學(xué)院金屬研究所二級研究員、黨委委員、中國腐蝕與防護學(xué)會常務(wù)理事、國家材料環(huán)境腐蝕野外科學(xué)觀測研究平臺理事、中國腐蝕與防護學(xué)會石油化工腐蝕與安全專業(yè)委員會副主任委員、材料腐蝕與防護四川省重點實驗室學(xué)術(shù)委員會主任、結(jié)構(gòu)腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室學(xué)術(shù)委員會委員。國家自然科學(xué)基金重點項目負(fù)責(zé)人，入選遼寧省“百千萬人才工程”百人層次。合肥工大、河海大學(xué)、東北石油和四川理工兼職教授，Tribology - Materials, Surfaces and Interfaces、Corrosion Science and Technology、《中國腐蝕與防護學(xué)報》和《腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)》期刊編委，美國ASTM G32振動空蝕測試標(biāo)準(zhǔn)修改工作組成員。主要研究方向為多相流條件下材料的腐蝕、沖蝕和空蝕機理與防護，承擔(dān)過多項國家自然科學(xué)基金、“973” 、國家環(huán)境腐蝕平臺、中科院、中石化等項目，發(fā)表SCI期刊論文100余篇（包括Corrosion Science 20余篇），被引用2000余次，曾榮獲英國優(yōu)秀期刊論文獎和鄭州市科技進(jìn)步一等獎。多次應(yīng)邀為中石化、中石油、大亞灣和秦山核電站、華電集團“腐蝕與防護培訓(xùn)班”授課。

聲明： 本網(wǎng)原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載時請務(wù)必標(biāo)明文章來源和作者信息。未經(jīng)允許， 嚴(yán)禁用于商業(yè)用途。