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郑玉贵:探索材料冲刷腐蚀研究 深入研究临界流速现象

2017-10-09 10:53:41
作者:王妮
来源:中国腐蚀与防护网

流体作用下的金属材料容易发生冲刷腐蚀。这种腐蚀在海洋环境及石油管道运输中十分常见,其在工业磨损中所占比重大于5%。冲刷腐蚀近几年的研究概况如何?面临哪些新的挑战。为此,本刊记者采访了中国科学院金属研究所郑玉贵研究员。郑玉贵,博士生导师,中国科学院金属研究所研究员,辽宁省“百千万人才工程”百人层次。他从冲刷腐蚀的研究、实验室测试等方面论述了冲刷腐蚀的研究现状, 并在此基础上阐述了冲刷腐蚀研究工作的未来方向和发展趋势。请随记者一起进入精彩访谈。

    冲刷腐蚀是金属表面与腐蚀性流体之间由于高速相对运动而引起的金属损坏现象,是机械性冲刷和电化学腐蚀交互作用的结果。当液流中混入固相颗粒时即构成所谓的液/ 固双相流冲刷腐蚀,它是引起石油、化工、水利电力、矿山和湿法冶金等行业中各种泵、阀、管道等过流部件大量损坏的重要原因。


    冲刷腐蚀是一个很复杂的过程,影响因索很多,材料本身的化学成份、组织结构、机械性能(尤其是硬度)、表面粗糙度、耐蚀性能等是一个方面,介质的温度、pH 值、溶氧量、各种活性离子的浓度。粘度、密度、固相和气相在液相中的含量、固相颗粒度和硬度是另一方面,而过流部种的形状、流体的流速和流态也具有很大影响,因为不同的流速、流态会使流体对材料表面产生不同的力学效果。


    流体作用下的金属材料容易发生冲刷腐蚀。这种腐蚀在海洋环境及石油管道运输中十分常见,其在工业磨损中所占比重大于5%。冲刷腐蚀近几年的研究概况如何?面临哪些新的挑战。为此,本刊记者采访了中国科学院金属研究所郑玉贵研究员。郑玉贵,博士生导师,中国科学院金属研究所研究员,辽宁省“百千万人才工程”百人层次。他从冲刷腐蚀的研究、实验室测试等方面论述了冲刷腐蚀的研究现状, 并在此基础上阐述了冲刷腐蚀研究工作的未来方向和发展趋势。请随记者一起进入精彩访谈。 

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中国科学院金属研究所郑玉贵研究员


   
记者:您是第八届全国腐蚀大会多相流腐蚀与防护分会场主席,今年召开第九届全国腐蚀大会,您是多相流腐蚀与防护分会场主席,请您介绍一下多相流冲刷腐蚀近几年的研究概况?


    郑研究员:相对于静态条件,材料在流动条件下的损伤机理要复杂得多,研究工作相对薄弱,国内外从事这方面研究的人员也偏少。在石油、石化、化工、湿法冶金、采矿、舰船、水利电力(火电、水电和核电)等行业中,经常存在由气/液/固相所组成的多相流动体系,也称为多相流,从而引起各种过流部件如泵、阀、管道、水轮机、汽轮机、舰船推进器、搅拌桨和喷射设备等的严重损坏。表1给出了典型的材料双相流腐蚀类型及工业实例,可以看出材料的多相流损伤(有时简称为多相流腐蚀)背景的普遍性。这些过流部件的损坏所造成的工艺无法控制、效率降低、突然停工、频繁维修(导致术语“星期泵”的出现;有的阀门只能服役1-2天)、甚至灾难性事故等间接损失往往比直接损失更严重。据统计,叶片运行事故约占汽轮机事故率的40%,而在叶片失效的事故中,液滴冲蚀导致的末级叶片失效占叶片失效的70%以上。三门峡水电站曾因水轮机磨蚀问题,汛期不得不停机;美Surry核电站因流动加速腐蚀(FAC)导致事故造成4死4伤,直接和间接损失约十亿美元;煤化工设备因严重的冲蚀问题,半年时间就需要大修。可见问题的严重性。


    表1 材料的双相流腐蚀类型及工业实例

损伤类型
流体
第二相
工程实例
喷砂冲蚀
气 体
固体粒子
烟气轮机
锅炉管道
液滴冲蚀
气 体
液 滴
高速飞行器
汽轮机
泥浆冲蚀
液 体
固体粒子
水轮机
泥浆泵
空蚀(气蚀)
液 体
气 泡
船用螺旋桨
阀门密封面


    材料的多相流腐蚀问题的复杂性体现在如下几个方面:


    1.相关术语、概念十分混乱,见表2,非专业人士往往无法解释清楚这些术语间的差别。


    表2 多相流腐蚀相关术语

从腐蚀角度
从磨损角度
流动诱导腐蚀(flow-induced-corrosion)
冲蚀(erosion)或冲蚀磨损(erosive wear)
受流动所决定的腐蚀(flow-dependent-corrosion)
空泡腐蚀或气(汽)蚀(cavitation erosion)
流动加速腐蚀(FAC, flow accelerated corrosion )
液滴冲蚀(liquid droplet erosion)
冲击腐蚀(impingement attack)
磨蚀(corrosion-erosion)
冲刷腐蚀/磨损腐蚀(erosion-corrosion)
腐蚀磨损(corrosive wear)

1.多种损伤形式耦合


    多相流中材料的损伤形式主要包括腐蚀、冲蚀(冲刷磨损)和空蚀(气蚀),而且它们之间经常存在交互作用,是材料受机械损伤和化学或电化学腐蚀协同作用的结果。


    2.多学科交叉


    材料的多相流损伤涉及材料学、(电)化学、流体力学(流速、流态、攻角和颗粒性质等) 和摩擦磨损等的多学科交叉,是典型的多因素耦合作用下的材料损伤形式,包含活性溶解、传热传质、表面膜的生成和破坏、纯力学损伤等多种基本过程。


    3.多变的表面状态


    在多相流的力学化学联合作用下,表面和界面(膜的生成及破坏)是复杂多变的。随着流速和含沙等力学因素的加强,腐蚀过程会从传质控制逐渐或突然变成力学损伤控制,往往存在临界流速现象。


  
  记者:您是材料防腐专家,请您结合您的科研工作谈谈,您在冲刷腐蚀做的相关研究,以及取得的成果。


    郑研究员:
1987年,我从硕士论文就开始涉足材料的多相流腐蚀的相关研究,至今已经有近30年的历史,虽然研究团队(见图1)一直不是很大,但长期的坚持使得我们已经成为国内外该研究方向的一支重要力量。先后积累了近40篇硕士、博士学位论文,100多篇SCI文章(包括Corr. Sci. 21 篇和Electrochim. Acta 3 篇),并逐渐凝练出材料的多相流腐蚀需要解决的核心科学问题(见图2),据此开展了较为系统和深入的研究工作。先后经历了冲刷腐蚀系列实验设备的研制及材料冲刷腐蚀性能评价、冲刷腐蚀与再钝化性能间的关系、腐蚀与冲刷(空蚀)交互作用的定量研究、耐蚀耐磨合金及涂层的研制(例如σ相强化的耐蚀耐磨合金、环氧粉末涂层、铁基非晶涂层、Ti-Si-C-N基纳米复合涂层、Cr-Mn-B堆焊焊条、激光熔覆涂层、搅拌摩擦处理等)、多相流缓蚀剂、损伤敏感部位预测、冲刷腐蚀的计算模拟等历程,最近的研究集中在冲刷腐蚀临界流速的数据积累及相关机理。已完成或正在执行国家基金面上和青年项目6项、重点项目2 项、重大项目子课题1 项,“973”项目3 项,国家环境腐蚀平台项目2项,中国科学院重要方向性项目1项,中石化“九五”、“十五”项目各1项以及多项其它企业委托项目。多年的研究工作也得到国内外同行一定程度的认可,发表文章被引用2000余次,单篇最高被引用169次,有关冲刷和腐蚀交互作用的文章已经成为该领域的经典文献之一。曾荣获英国优秀期刊论文奖(2008 Highly Commended Award) 和郑州市科技进步一等奖。应邀担任英国主办的Tribology - Materials, Surfaces and Interfaces(ISSN 1751- 5831)和韩国主办的Corrosion Science and Technology(ISSN 1598-6462)两个国际期刊编委,任美国ASTM G 32 - 06 Standard Test Method for Cavitation Erosion Using Vibratory Apparatus标准修改工作组成员,与美国俄亥俄大学、迈阿密大学和英国利兹大学建立了长期合作关系。担任合肥工业大学、河海大学、四川理工学院和东北石油大学兼职教授和材料腐蚀与防护四川省重点实验室学术委员会主任,多次担任国内外重要腐蚀会议的分会主席或作大会或分会特邀报告。

 

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    图1 研究组成员

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    图2 材料的多相流腐蚀需要解决的核心科学问题


  
  长期以来,我们对冲刷腐蚀的临界流速现象倍加关注,并在此方面进行了一系列的研究。针对不同体系,运用不同的冲刷腐蚀模拟设备及测试手段研究了铜合金、碳钢和低合金钢、碳钢+缓蚀剂体系、系列钝性材料(2Cr13、304、2205、2507、254SMO、825、600、Ta2及铁基非晶合金涂层等)在含砂的模拟海水或酸性溶液中的冲刷腐蚀行为。发现随着流速的改变,材料在冲刷腐蚀下的失重率和试样表面粗糙度、开路电位、线性极化电阻、电化学阻抗谱、钝化电流密度及循环极化行为都出现了一些临界现象。这些临界现象主要包括一些实验测试值的突变及电化学行为的改变。发展了多种定量确定钝态材料临界流速的方法,比较了其一致性,研究了外加电位、含沙量、颗粒度和攻角等对临界流速的影响,最后还探索了采用钝化处理方法来提高钝性材料临界流速的可行性。这对过流部件的使用有一定指导作用。另外,我们对于类似情况下,不同体系中空蚀对腐蚀的影响也有过系统研究。


    
记者:请您谈谈,近几年冲刷腐蚀在发展中出现了遇到了哪些新的挑战,如何去迎接这些挑战?


   
郑研究员:
冲刷腐蚀是典型的多因素耦合作用下的材料损伤形式,涉及多学科的交叉,正如上面图2所展示的核心科学问题是我们面临的挑战。从理论上我们要解决复杂流体的动力学规律(尤其是局部流速流态)、单颗粒和单空泡对材料的单元损伤过程、多种损伤形式间的交互作用规律、吸收和耗散多相流冲击能的方法;从应用上要解决测试设备和方法的标准化、损伤主控机制随环境条件的改变规律及转型的临界条件、耐蚀耐磨合金和涂层的发展原则、耐蚀耐磨性能与材料常规力学性能之间的关联性等。如何量化纳米级或微米级钝化膜或氧化膜的承载能力是我们最近研究过程中遇到的新挑战,在实验手段缺乏的条件下,利用好计算模拟手段可能是解决这些挑战的正确方向,把计算流体力学(CFD)、微区电化学测试和微观表征手段相结合,可能是将来的努力方向。


    记者:您连续两届参加全国腐蚀大会,请您谈谈参加大会的感想和经历。


   
郑研究员:
全国腐蚀大会是全国腐蚀与防护的科学家和工程师相互交流的良好平台,我们在与老朋友叙旧的同时,也会结识一些新朋友,尤其是年轻的80后、90后,为腐蚀与防护事业带来勃勃生机。另外,感觉大会的参加人数也越来越多,大会组织的规范性也越来越强。


   
记者:作为分会场的主席,请您谈谈全国腐蚀大会召开对于行业发展的推动意义。


   
郑研究员:
全国腐蚀大会汇聚了腐蚀与防护领域的各类精英,一方面,腐蚀工程师提出了实际工作中所遇到的新问题,让从事腐蚀研究的科学家的相关研究更有针对性,避免闭门造车;另一方面,从事腐蚀研究的科学家所展示的最新腐蚀机理研究成果也为腐蚀工程师解决实际问题带来新思路。通过全国腐蚀大会的良好平台,全国腐蚀与防护的科学家和工程师相互交流,共同提高。因此,全国腐蚀大会的召开对于行业发展有重要的推动意义。


    
后记:近年来,对冲刷腐蚀的研究,已经成为科学研究中的一个热点。随着科学家们对其的分析和研究,相信会研究出正确的防护措施,为石油、化工、采矿、能源产业等领域减少更多的损失!


    人物简介:


    郑玉贵,博士、博士生导师、中国科学院金属研究所二级研究员、党委委员、中国腐蚀与防护学会常务理事、国家材料环境腐蚀野外科学观测研究平台理事、中国腐蚀与防护学会石油化工腐蚀与安全专业委员会副主任委员、材料腐蚀与防护四川省重点实验室学术委员会主任、结构腐蚀防护与控制航空科技重点实验室学术委员会委员。国家自然科学基金重点项目负责人,入选辽宁省“百千万人才工程”百人层次。合肥工大、河海大学、东北石油和四川理工兼职教授,Tribology - Materials, Surfaces and Interfaces、Corrosion Science and Technology、《中国腐蚀与防护学报》和《腐蚀科学与防护技术》期刊编委,美国ASTM G32振动空蚀测试标准修改工作组成员。主要研究方向为多相流条件下材料的腐蚀、冲蚀和空蚀机理与防护,承担过多项国家自然科学基金、“973” 、国家环境腐蚀平台、中科院、中石化等项目,发表SCI期刊论文100余篇(包括Corrosion Science 20余篇),被引用2000余次,曾荣获英国优秀期刊论文奖和郑州市科技进步一等奖。多次应邀为中石化、中石油、大亚湾和秦山核电站、华电集团“腐蚀与防护培训班”授课。

 

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标签: 郑玉贵, 冲刷腐蚀, 第九届全国腐蚀大会

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