液固兩相流中Q235鋼的沖刷腐蝕行為研究

摘" " " 要：隨著原油中含砂量的迅速增加，沖蝕腐蝕逐漸成為管道失效的關(guān)鍵因素，尤其是彎頭部位。因此通過腐蝕速率、腐蝕形貌和電化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究90°彎頭的沖刷腐蝕行為。結(jié)果表明，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加，Q235鋼在不同角度的腐蝕速率呈線性增加，而最大點(diǎn)蝕深度基本保持不變。在進(jìn)口θ=0°～45°，Q235鋼受到?jīng)_刷和沖擊的共同作用，隨著角度的增大，Q235鋼表面腐蝕產(chǎn)物層的破碎程度越來越嚴(yán)重；在出口θ=45°～90°，Q235鋼僅受沖刷影響，腐蝕產(chǎn)物和孔洞的分布具有明顯的方向性。在該文研究的條件下，純沖蝕電流密度僅為沖蝕-腐蝕電流密度的42.16%，原因主要是疏松的FeO（OH）對電化學(xué)過程有促進(jìn)作用，同時(shí)也能加速產(chǎn)物的擴(kuò)散。

關(guān)" 鍵" 詞：沖刷腐蝕； Q235鋼； 液固兩相流；電化學(xué)方法

中圖分類號(hào)：TQ050.9+1" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " "文章編號(hào)： 1004-0935（2023）05-0638-04

沖蝕腐蝕是石油石化領(lǐng)域管道腐蝕和穿孔的主要原因之一。由于沖刷腐蝕受材料性能、流體力學(xué)條件和環(huán)境等諸多因素的影響，沖刷腐蝕的研究過程較為復(fù)雜。其中液固兩相流沖刷腐蝕是多相流侵蝕-腐蝕的代表。其中，沖刷腐蝕的相互作用包括沖刷對腐蝕的影響和腐蝕對沖刷的影響[1]。一般來說，在腐蝕上的相互作用主要是通過高速?zèng)_刷，加速表面?zhèn)髻|(zhì)過程，促進(jìn)去極化劑到達(dá)材料表面，進(jìn)而加速腐蝕產(chǎn)物的剝離。而且，粒子撞擊會(huì)破壞或迅速變薄材料表面的被動(dòng)膜，導(dǎo)致新的活性金屬表面暴露，進(jìn)而增加電化學(xué)腐蝕反應(yīng)面積，從而加速腐蝕速率。另一方面，通過化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，材料表面變得疏松多孔，促進(jìn)了被保護(hù)腐蝕產(chǎn)物的擴(kuò)散[2]。這兩個(gè)過程之間的相互作用是協(xié)同作用，可以表示為不同研究系統(tǒng)的正協(xié)同和負(fù)協(xié)同。與負(fù)協(xié)同效應(yīng)相比，大多數(shù)研究結(jié)果均表現(xiàn)為正協(xié)同效應(yīng)，即進(jìn)一步提高了侵蝕-腐蝕損傷程度[3-6]。

相關(guān)學(xué)者針對沖刷腐蝕通過實(shí)驗(yàn)和模擬方法研究了沖刷腐蝕過程，對彎管部分的沖刷特征研究較少。因此，本文通過腐蝕速率和電化學(xué)試驗(yàn)研究90°彎頭的侵蝕-腐蝕行為，為油田集輸管線沖刷腐蝕防護(hù)提供借鑒。

1" 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

圖1為本文所用沖刷腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置，包括水箱、離心泵、變頻器、流量計(jì)、冷卻系統(tǒng)、閥門、溫度計(jì)、壓力表、管道和試驗(yàn)彎頭。該裝置采用可拆卸式試驗(yàn)彎頭，試驗(yàn)彎頭內(nèi)壁設(shè)有多個(gè)用于放置試驗(yàn)樣品的凹槽，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)彎頭的沖刷腐蝕失重測量。

本文將7個(gè)試件在彎頭外以不同角度進(jìn)行封裝。試件材料為Q235鋼，尺寸為7 mm×7 mm×2 mm，主要成分如表1所示。

彎頭內(nèi)徑為0.051 m，流速為3 m/s。固體為石英砂，粒徑為100～110目[7-9]，含砂量為2%。實(shí)驗(yàn)溶液為解析純NaCl和去離子水配制的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3% NaCl溶液，實(shí)驗(yàn)溫度為20 ℃。設(shè)置5組平行實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)周期為30 h。每6 h取出一組試件，去除表面腐蝕產(chǎn)物后進(jìn)行失重試驗(yàn)，通過三維顯微鏡測量Q235鋼的最大蝕坑深度。

對Q235鋼試樣在不同位置施加-1.0 V（SCE）陰極保護(hù)，模擬純沖刷環(huán)境[10-11]，測試Q235鋼樣品在純侵蝕和侵蝕-腐蝕環(huán)境中不同位置的電流密度隨時(shí)間的變化，并對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了分析，揭示沖刷腐蝕的機(jī)械-電化學(xué)效應(yīng)。

2" 結(jié)果與討論

2.1" 腐蝕速率

圖2為Q235鋼不同角度隨時(shí)間的腐蝕速率（即沖刷腐蝕速率）和最大點(diǎn)蝕深度的變化情況。

可以看出，Q235鋼在不同角度的腐蝕速率隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間增加呈線性增加，如表2 所示。

隨著角度的增大，腐蝕速率的增加速率和腐蝕速率都先增大后減小，在θ=45°時(shí)達(dá)到最大值。總的來說，全面腐蝕速率在θ=45°～90°的增幅略小于θ=0°～45°的增幅，分別為0.161 7 mm/a（θ=90°） lt; 0.171 7 mm/a （θ=0°），0.183 3 mm/a （θ=75°） lt; 0.188 3 mm/a （θ=15°），0.265 0 mm/a （θ=60°） lt; 0.271 7 mm/a （θ=30°）。相反，θ=45°～90°區(qū)域30 h的腐蝕速率略大于θ=0°～45°區(qū)域，分別為6.77 mm/a （θ=90°） gt; 6.51 mm/a （θ=0°），7.15 mm/a （θ=75°） gt; 7.03 mm/a （θ=15°），9.58 mm/a （θ=60°） gt; 9.44 mm/a （θ=30°）。但隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加，不同角度下Q235鋼的最大點(diǎn)蝕深度基本保持不變。以30 h時(shí)的最大點(diǎn)蝕深度為例，最大點(diǎn)蝕深度隨角度的增大先增大后減小，在θ=45°時(shí)達(dá)到最大值（251.634 μm）。同樣，θ=45°～90°區(qū)域30 h最大點(diǎn)蝕深度略大于θ=0°～45°區(qū)域，分別為177.524 μm （θ=90°） gt; 169.112 μm（θ=0°）、188.991 μm（θ=75°）gt;184.637 μm（θ=15°）、219.319 μm（θ=60°） gt; 209.889 μm（θ=30°）。因此，根據(jù)腐蝕速率和最大點(diǎn)蝕深度的結(jié)果可以看出，θ=45°～90°區(qū)域內(nèi)管道的腐蝕程度綜合大于θ=0°～45°區(qū)域內(nèi)的腐蝕程度。

2.2" 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)

圖3為純沖刷和沖刷腐蝕條件下不同角度Q235鋼隨時(shí)間變化的變化密度。從圖中可以看出，在純沖刷條件下，電流密度在0.296～0.430 μA/m2之間波動(dòng)，主要可以分為三個(gè)階段：在0～24 h時(shí)，隨著純沖刷時(shí)間的增加，不同角度Q235鋼電流密度增大，這主要是因?yàn)榇藭r(shí)沖刷過程正在形成，Q235鋼表面粗糙度增加，金屬失重速率變快；而在24～48 h，此時(shí)Q235鋼表面沖刷形貌已經(jīng)形成，沖刷向縱向發(fā)展，局部特征發(fā)展導(dǎo)致Q235鋼整體電流密度降低；當(dāng)沖刷進(jìn)行到48～72 h時(shí)，電流密度有所增大，這是由于此時(shí)由局部沖刷向全面沖刷轉(zhuǎn)變造成的。此外，角度越大，即越靠近出口位置，電流密度變化程度越大。

而對于沖刷腐蝕來說，不同角度Q235鋼的電流密度隨著時(shí)間增加而增大，表現(xiàn)為電化學(xué)全面腐蝕和沖刷局部腐蝕的相互促進(jìn)作用。然而，在初始時(shí)刻（6 h），不同角度Q235鋼沖刷腐蝕電流密度小于純沖刷。當(dāng)時(shí)間到達(dá)72 h時(shí)，以45°Q235鋼試樣為例，此時(shí)純沖刷電流密度為0.430 μA/m2，而沖刷腐蝕電流密度為1.020 μA/m2，表明力學(xué)-電化學(xué)過程相互促進(jìn)，純沖刷過程僅占42.16%。

以72 h 45°位置為例，分析純沖刷和沖刷腐蝕下表面產(chǎn)物的主要成分，如圖4所示?？梢钥闯黾儧_刷作用下，主要以Fe為主，包含很少的FeO（OH）。而在沖刷腐蝕作用下，F(xiàn)eO（OH）含量明顯增多，而FeO（OH）為一種疏松多孔的腐蝕產(chǎn)物，能夠促進(jìn)腐蝕性介質(zhì)擴(kuò)散到達(dá)Q235鋼表面，促進(jìn)Q235鋼的電化學(xué)腐蝕過程，從而加劇了沖刷腐蝕過程。

純沖刷過程分為沖刷腐蝕形貌形成、縱深發(fā)展和全面沖刷三個(gè)階段，在本文的研究條件下，純沖刷電流密度僅為沖刷腐蝕的42.16%，這主要是由于電化學(xué)作用形成的疏松FeO（OH）能夠促進(jìn)電化學(xué)過程并且促進(jìn)腐蝕產(chǎn)物的擴(kuò)散。

2.3" 腐蝕形貌

圖5為Q235鋼在不同角度隨時(shí)間的微觀形貌變化。從圖中可以看出，在實(shí)驗(yàn)初始階段，Q235鋼表面的腐蝕產(chǎn)物層在不同位置較為完整，θ=45°處較其他位置出現(xiàn)了明顯的裂紋和斷口。隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加，在本文條件下，Q235鋼在θ=0°和θ=90°處受侵蝕的影響較小，這是因?yàn)檫@兩個(gè)位置可以認(rèn)為與液固兩相流方向水平。而在θ=0°處Q235鋼的腐蝕產(chǎn)物層粗糙度明顯大于θ=90°處，而在θ=90°處Q235鋼的表面出現(xiàn)了明顯的凹坑，這主要是由于固相顆粒的鋒利度的差異造成的。在θ=0°～45°進(jìn)口段，Q235鋼受到侵蝕和沖擊的雙重作用，其中角度越大，垂直效應(yīng)對Q235鋼的沖擊力越大，腐蝕產(chǎn)物層破碎越嚴(yán)重。Q235鋼表面的腐蝕產(chǎn)物層布滿了密集的小孔和明顯的指向性。在出口截面θ=45°～90°，Q235鋼僅受侵蝕影響。從腐蝕形貌可以看出，腐蝕產(chǎn)物和孔洞的分布具有明顯的指向性，且角度越大，指向性越不明顯，說明侵蝕作用較小。另一方面，出口段的侵蝕作用大于進(jìn)口段，因此圖3中的腐蝕速率和最大點(diǎn)蝕深度較大。

3" 結(jié) 論

1）隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加，Q235鋼在不同角度的腐蝕速率呈線性增加，而最大點(diǎn)蝕深度基本保持不變。出口段的腐蝕速率和最大點(diǎn)蝕深度均大于進(jìn)口段，在θ=45°時(shí)達(dá)到最大值。

2）在進(jìn)口θ=0°～45°處，Q235鋼受到?jīng)_刷和沖擊的共同作用。隨著角度的增大，Q235鋼表面腐蝕產(chǎn)物層的破碎程度越來越嚴(yán)重，此時(shí)Q235鋼表面的腐蝕產(chǎn)物層被細(xì)小的孔洞密集覆蓋，具有明顯的指向性。在出口θ=45°～90°截面，Q235鋼僅受沖刷影響，腐蝕產(chǎn)物和孔洞的分布具有明顯的方向性，且角度越大，方向性越不明顯。

3）在本文研究的條件下，純沖蝕電流密度僅為沖蝕-腐蝕電流密度的42.16%，原因主要是疏松FeO（OH）對電化學(xué)過程有促進(jìn)作用，同時(shí)也能加速產(chǎn)物的擴(kuò)散。

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Abstract：" With the rapid increase of sand content in crude oil， erosion corrosion has gradually become the key factor of pipeline failure， especially for the elbows. In this paper， the corrosion rate， corrosion morphology and electrochemical experiment were investigated to study the erosion-corrosion behavior of 90° elbow. The results showed that with the increase of experiment time， the corrosion rate of Q235 steel at different angles increased linearly， while the max pitting depth basically remained unchanged. In the inlet section of θ=0°～45°， Q235 steel was subjected to the joint action of erosion and impact. With the increase of angle， the breakage degree of corrosion product layer on Q235 steel surface became more serious. In the outlet section of θ=45°～90°， Q235 steel was only affected by erosion， and the distribution of corrosion products and holes had obvious directionality. The pure erosion process can be divided into three stages of the formation of erosion morphology， development in the longitudinal direction and general erosion. Under the conditions studied in this paper， the current density of pure erosion was only 42.16% of that of erosion-corrosion. The reason was mainly that the loose FeO（OH） can promote the electrochemical process and also accelerate the diffusion of products.

Key words： Erosion-corrosion behavior; Q235 steel; Liquid-solid flow; Electrochemical method