根據前人的研究（Lu,2008, 2011; Guo, 2007），當顆粒撞擊金屬表面時會短時間產生電流密度變化，通常電流密度會先快速增加再緩慢降低。其中，電流密度增加值受電化學反應時間、暴露面積、液體流動等因素影響；電流密度恢復時間受鈍化反應影響。本文測試出顆粒群撞擊過程13Cr不銹鋼表面開路電位及極化曲線變化值，得到表征顆粒撞擊對電化學反應影響參數，討論在液固兩相流中的不銹鋼再鈍化參數變化規律。

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實驗條件

利用自制射流式實驗裝置（圖1），將含顆粒液體以較高速度噴射至試樣表面，形成快速的沖蝕腐蝕破壞。該實驗裝置包括：螺桿泵、流量計、實驗段、儲液箱、電化學工作站及配套電腦。

圖1 液固兩相射流實驗裝置

電化學測量試驗段如圖2所示，包括試樣夾、噴嘴、儲液曹、篩網、保護外罩和三電極系統。實驗參比電極采用Ag/AgCl（銀絲、玻璃管、聚四氟乙烯接頭組成），毛細管內填充飽和KCl溶液引至試樣表面；輔助電極采用鉑片電極，與工作電極形成導電回路；工作電極采用13Cr不銹鋼外層封裝環氧樹脂固化結構，尾部焊接銅導線。

圖2 液固射流沖蝕腐蝕實驗段示意圖

本實驗主要研究顆粒群撞擊過程不銹鋼表面的電化學反應特性的變化，因此采用定量添加顆粒并回收的方法。每次實驗向儲液箱中添加75g顆粒（圓形陶粒如圖2所示，直徑約0.6mm），顆粒撞擊試樣后，利用試驗段中的篩網過濾回收顆粒。實驗射流液體速度為3m/s、6m/s和9m/s，溫度為室溫，介質為蒸餾水+3.5wt%NaCl。

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實驗結果

如圖3所示為射流速度由3m/s向9m/s連續變化過程，液固兩相中的試樣表面電流密度變化曲線。

圖3 13Cr表面在液固兩相流中的電流密度連續變化曲線

結果顯示出在3m/s～6m/s流速范圍，13Cr不銹鋼表面的電流密度增長量很小。當流速大于7m/s時，電流密度快速增長。測試結果表明不銹鋼表面電流密度隨流速變化存在臨界值，高于此臨界流速時，電流密度會急劇增加。

當采用顆?；厥辗绞綔y試表面開路電位時，得到如圖4所示的開路電位變化測試曲線。

圖4 13Cr表面受顆粒群撞擊開路電位變化曲線

圖中為各流速下的兩次顆粒群撞擊過程開路電位變化，結果顯示顆粒撞擊前受氯離子影響，金屬表面電位值不斷跳躍，說明表面局部可能連續發生鈍化膜溶解及再鈍化過程。當顆粒群撞擊表面，開路電位急劇減小，且隨著撞擊速度增大，電位減小量隨之增大。在顆粒群撞擊后，13Cr表面開始再鈍化過程，這一過程的開路電位的增長速率由快到慢，最終達到較為穩定的區間。但受表面結構破壞的影響，再鈍化穩定開路電位始終小于顆粒撞擊前的電位。當再次用同樣數量的顆粒群撞擊表面時，開路電位再次發生急劇減小和緩慢上升的過程。

(a)純液體射流

(b)液固兩相射流

圖5 13Cr表面極化曲線

圖5為純液體和液固兩相射流中的13Cr表面極化曲線，圖（a）純液體中的極化曲線顯示出隨液體流速增加，金屬表面腐蝕電位降低，同時腐蝕電流密度增加。圖（b）顯示在液固兩相流中，陽極極化曲線發生劇烈跳動，電流密度不斷在10-2和10-3量級變化。這種變化可能受顆粒撞擊影響，不銹鋼表面鈍化膜不斷被剝離然后再鈍化，無法形成穩定的陽極鈍化區間。

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小結

當顆粒撞擊金屬表面時，通常會瞬間破壞表面已建立的穩定電化學反應平衡體系，使未發生反應的基體金屬與反應物接觸，形成新的反應步驟。因此，研究顆粒撞擊過程金屬表面的電化學參數變化是分析沖蝕腐蝕協同作用的重要方向，包括液體局部流動狀態分析，近壁面物質傳遞分析，金屬表面粗糙度影響分析，金屬硬度變化分析，縫隙腐蝕分析等內容。

此外，作為影響電化學反應進程的重要因素，在多數液固兩相流中物質傳遞速率直接影響電化學反應進程，進而改變腐蝕速率。

圖6 單顆粒撞擊金屬表面邊界層變化示意圖

如圖6所示為單顆粒撞擊金屬表面時，近壁面液體流動變化示意圖，其中顆粒侵入邊界層和離開邊界層過程都會產生反應物濃度突變的情況，進而使瞬時表面電流密度增加，促進腐蝕發生。沖蝕與腐蝕的交互影響的研究涉及多學科交叉，既包括材料彈塑性變形、疲勞、硬化等，也包括介質流動和傳質傳熱等反應動力學和熱力學相關內容，是一個復雜的研究分支。

參考文獻

[1]     Lu BT, Luo JL, MohammadiF, et al. Correlation between repassivation kinetics and corrosion rate over apassive surface in flowing slurry [J]. Electrochimica Acta, 2008, 53 (23) :7022-7031.

[2]     Lu BT, Mao LC, LuoJL. Hydrodynamic effects on erosion-enhanced corrosion of stainless steel inaqueous slurries [J]. Electrochimica Acta, 2011, 56 (1) : 85-92.

[3]     Guo HX, Lu BT, LuoJL. Study on passivation and erosion-enhanced corrosion resistance byMott-Schottky analysis [J]. Electrochimica Acta, 2007, 52 (3) : 1108-1116.

[4]    Cheng JR, Zhang NS, DouYH, et al. Effect of particle impingement on electrochemical properties ofstainless steel in a jet flow[J]. Materiali in Tehnologije. 2018, 52(3):275-281.

作者： 程嘉瑞  

來源：多相流在線