金属管壁在液固两相流中冲刷腐蚀交互损伤行为研究

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高速液固两相流体在管内的高速流动,会引起管壁受颗粒撞击冲刷损伤和液体腐蚀损伤交互作用,两者相互影响致使材料流失,壁厚减薄、穿孔,造成管道失效。其中,颗粒冲刷通过边界层扰动和壁面改性影响腐蚀反应;而腐蚀对壁面的结构改变也会影响颗粒冲刷过程。
  为研究高速液固两相流对管壁冲刷与腐蚀的交互损伤,针对304不锈钢和P110碳钢管材,分别进行了管内液体流动电化学腐蚀特性研究、单颗粒和多颗粒撞击电极表面电化学响应特性研究和电化学腐蚀影响颗粒冲刷研究。按照壁面损伤的发展过程,本研究首先从流动液体对管壁电化学腐蚀入手,讨论了流速与反应物浓度对腐蚀与钝化的影响;根据质量守恒定律,建立了流动介质管壁电化学腐蚀预测模型。其次,利用单颗粒和多颗粒撞击电极表面阶跃实验,测试了电流密度瞬变响应特性,建立了电流密度瞬变响应模型。再次,建立了缝隙腐蚀计算模型,进行了电化学腐蚀对颗粒冲刷影响实验,讨论了腐蚀促进冲刷过程。通过以上实验测量,对冲刷与腐蚀的交互作用进行了定量分析。主要研究成果如下:
  (1)利用自制小型三电极测量装置,降低了试样对管内近壁面流动的影响,提高了测试的可靠性。实验结果表明:在3.5wt%NaCl管流溶液中,流速接近9m/s时,304不锈钢点蚀程度最高;P110碳钢表面平均腐蚀速率则随流速增加而持续增大。当液体中加入NaCl,304试样表面有明显钝化,9m/s流速下的钝化区较短,反应相对剧烈;同时,流速的增加使304不锈钢表面点蚀加剧。P110试样表面未发生明显钝化,活性较强。基于对流、扩散和迁移理论,建立了管壁动态电化学腐蚀计算模型。
  (2)利用颗粒撞击表面实验,得到了冲刷对腐蚀的影响量。电极表面参数受颗粒撞击后发生阶跃,随后非线性恢复至接近初始值。随着单颗粒直径和撞击速度的逐渐增大,304和P110电极表面电流密度峰值增大;同时,电流密度需要更长时间从峰值恢复至接近初始值。多颗粒持续撞击壁面时,阳极电流密度出现剧烈跳动,加速了材料溶解。根据电流密度不同的响应过程,建立了颗粒撞击电极表面电流密度变化模型。
  (3)气固与液固实验表明,腐蚀对304不锈钢和P110碳钢的颗粒冲刷均有促进作用。P110最大增长百分比为193.38%;而304增幅较小,保持在11.68%~36.68%范围。当液体中加入强电解质NaCl后,促进作用大幅增加,Cl-浓度增加到3.5wt%时,P110冲刷速率增幅接近8倍。根据颗粒撞击作用下表面凹坑形成的凸唇,计算了颗粒撞击凸唇根部变形量和缝隙腐蚀引起的缝隙增长率,建立了缝隙腐蚀促进颗粒冲刷模型,从理论上支撑了实验中腐蚀促进颗粒冲刷的现象。
  (4)交互作用定量分析表明:304不锈钢在液固两相流中的腐蚀速率增长值大于冲刷速率增长值,而P110碳钢的冲刷速率增长更明显。液固两相流中颗粒冲刷对腐蚀的促进作用更加明显,交互损伤表现为正协同作用。
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