液固两相流中Q235钢的冲刷腐蚀行为研究

摘" " " 要：随着原油中含砂量的迅速增加，冲蚀腐蚀逐渐成为管道失效的关键因素，尤其是弯头部位。因此通过腐蚀速率、腐蚀形貌和电化学实验研究90°弯头的冲刷腐蚀行为。结果表明，随着实验时间的增加，Q235钢在不同角度的腐蚀速率呈线性增加，而最大点蚀深度基本保持不变。在进口θ=0°～45°，Q235钢受到冲刷和冲击的共同作用，随着角度的增大，Q235钢表面腐蚀产物层的破碎程度越来越严重；在出口θ=45°～90°，Q235钢仅受冲刷影响，腐蚀产物和孔洞的分布具有明显的方向性。在该文研究的条件下，纯冲蚀电流密度仅为冲蚀-腐蚀电流密度的42.16%，原因主要是疏松的FeO（OH）对电化学过程有促进作用，同时也能加速产物的扩散。

关" 键" 词：冲刷腐蚀； Q235钢； 液固两相流；电化学方法

中图分类号：TQ050.9+1" " " 文献标识码： A" " "文章编号： 1004-0935（2023）05-0638-04

冲蚀腐蚀是石油石化领域管道腐蚀和穿孔的主要原因之一。由于冲刷腐蚀受材料性能、流体力学条件和环境等诸多因素的影响，冲刷腐蚀的研究过程较为复杂。其中液固两相流冲刷腐蚀是多相流侵蚀-腐蚀的代表。其中，冲刷腐蚀的相互作用包括冲刷对腐蚀的影响和腐蚀对冲刷的影响[1]。一般来说，在腐蚀上的相互作用主要是通过高速冲刷，加速表面传质过程，促进去极化剂到达材料表面，进而加速腐蚀产物的剥离。而且，粒子撞击会破坏或迅速变薄材料表面的被动膜，导致新的活性金属表面暴露，进而增加电化学腐蚀反应面积，从而加速腐蚀速率。另一方面，通过化学反应或电化学反应，材料表面变得疏松多孔，促进了被保护腐蚀产物的扩散[2]。这两个过程之间的相互作用是协同作用，可以表示为不同研究系统的正协同和负协同。与负协同效应相比，大多数研究结果均表现为正协同效应，即进一步提高了侵蚀-腐蚀损伤程度[3-6]。

相关学者针对冲刷腐蚀通过实验和模拟方法研究了冲刷腐蚀过程，对弯管部分的冲刷特征研究较少。因此，本文通过腐蚀速率和电化学试验研究90°弯头的侵蚀-腐蚀行为，为油田集输管线冲刷腐蚀防护提供借鉴。

1" 实验设置

图1为本文所用冲刷腐蚀实验装置，包括水箱、离心泵、变频器、流量计、冷却系统、阀门、温度计、压力表、管道和试验弯头。该装置采用可拆卸式试验弯头，试验弯头内壁设有多个用于放置试验样品的凹槽，实现了试验弯头的冲刷腐蚀失重测量。

本文将7个试件在弯头外以不同角度进行封装。试件材料为Q235钢，尺寸为7 mm×7 mm×2 mm，主要成分如表1所示。

弯头内径为0.051 m，流速为3 m/s。固体为石英砂，粒径为100～110目[7-9]，含砂量为2%。实验溶液为解析纯NaCl和去离子水配制的质量分数为3% NaCl溶液，实验温度为20 ℃。设置5组平行实验，试验周期为30 h。每6 h取出一组试件，去除表面腐蚀产物后进行失重试验，通过三维显微镜测量Q235钢的最大蚀坑深度。

对Q235钢试样在不同位置施加-1.0 V（SCE）阴极保护，模拟纯冲刷环境[10-11]，测试Q235钢样品在纯侵蚀和侵蚀-腐蚀环境中不同位置的电流密度随时间的变化，并对腐蚀产物进行了分析，揭示冲刷腐蚀的机械-电化学效应。

2" 结果与讨论

2.1" 腐蚀速率

图2为Q235钢不同角度随时间的腐蚀速率（即冲刷腐蚀速率）和最大点蚀深度的变化情况。

可以看出，Q235钢在不同角度的腐蚀速率随着实验时间增加呈线性增加，如表2 所示。

随着角度的增大，腐蚀速率的增加速率和腐蚀速率都先增大后减小，在θ=45°时达到最大值。总的来说，全面腐蚀速率在θ=45°～90°的增幅略小于θ=0°～45°的增幅，分别为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°区域30 h的腐蚀速率略大于θ=0°～45°区域，分别为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°）。但随着实验时间的增加，不同角度下Q235钢的最大点蚀深度基本保持不变。以30 h时的最大点蚀深度为例，最大点蚀深度随角度的增大先增大后减小，在θ=45°时达到最大值（251.634 μm）。同样，θ=45°～90°区域30 h最大点蚀深度略大于θ=0°～45°区域，分别为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，根据腐蚀速率和最大点蚀深度的结果可以看出，θ=45°～90°区域内管道的腐蚀程度综合大于θ=0°～45°区域内的腐蚀程度。

2.2" 电化学实验

图3为纯冲刷和冲刷腐蚀条件下不同角度Q235钢随时间变化的变化密度。从图中可以看出，在纯冲刷条件下，电流密度在0.296～0.430 μA/m2之间波动，主要可以分为三个阶段：在0～24 h时，随着纯冲刷时间的增加，不同角度Q235钢电流密度增大，这主要是因为此时冲刷过程正在形成，Q235钢表面粗糙度增加，金属失重速率变快；而在24～48 h，此时Q235钢表面冲刷形貌已经形成，冲刷向纵向发展，局部特征发展导致Q235钢整体电流密度降低；当冲刷进行到48～72 h时，电流密度有所增大，这是由于此时由局部冲刷向全面冲刷转变造成的。此外，角度越大，即越靠近出口位置，电流密度变化程度越大。

而对于冲刷腐蚀来说，不同角度Q235钢的电流密度随着时间增加而增大，表现为电化学全面腐蚀和冲刷局部腐蚀的相互促进作用。然而，在初始时刻（6 h），不同角度Q235钢冲刷腐蚀电流密度小于纯冲刷。当时间到达72 h时，以45°Q235钢试样为例，此时纯冲刷电流密度为0.430 μA/m2，而冲刷腐蚀电流密度为1.020 μA/m2，表明力学-电化学过程相互促进，纯冲刷过程仅占42.16%。

以72 h 45°位置为例，分析纯冲刷和冲刷腐蚀下表面产物的主要成分，如图4所示。可以看出纯冲刷作用下，主要以Fe为主，包含很少的FeO（OH）。而在冲刷腐蚀作用下，FeO（OH）含量明显增多，而FeO（OH）为一种疏松多孔的腐蚀产物，能够促进腐蚀性介质扩散到达Q235钢表面，促进Q235钢的电化学腐蚀过程，从而加剧了冲刷腐蚀过程。

纯冲刷过程分为冲刷腐蚀形貌形成、纵深发展和全面冲刷三个阶段，在本文的研究条件下，纯冲刷电流密度仅为冲刷腐蚀的42.16%，这主要是由于电化学作用形成的疏松FeO（OH）能够促进电化学过程并且促进腐蚀产物的扩散。

2.3" 腐蚀形貌

图5为Q235钢在不同角度随时间的微观形貌变化。从图中可以看出，在实验初始阶段，Q235钢表面的腐蚀产物层在不同位置较为完整，θ=45°处较其他位置出现了明显的裂纹和断口。随着实验时间的增加，在本文条件下，Q235钢在θ=0°和θ=90°处受侵蚀的影响较小，这是因为这两个位置可以认为与液固两相流方向水平。而在θ=0°处Q235钢的腐蚀产物层粗糙度明显大于θ=90°处，而在θ=90°处Q235钢的表面出现了明显的凹坑，这主要是由于固相颗粒的锋利度的差异造成的。在θ=0°～45°进口段，Q235钢受到侵蚀和冲击的双重作用，其中角度越大，垂直效应对Q235钢的冲击力越大，腐蚀产物层破碎越严重。Q235钢表面的腐蚀产物层布满了密集的小孔和明显的指向性。在出口截面θ=45°～90°，Q235钢仅受侵蚀影响。从腐蚀形貌可以看出，腐蚀产物和孔洞的分布具有明显的指向性，且角度越大，指向性越不明显，说明侵蚀作用较小。另一方面，出口段的侵蚀作用大于进口段，因此图3中的腐蚀速率和最大点蚀深度较大。

3" 结 论

1）随着实验时间的增加，Q235钢在不同角度的腐蚀速率呈线性增加，而最大点蚀深度基本保持不变。出口段的腐蚀速率和最大点蚀深度均大于进口段，在θ=45°时达到最大值。

2）在进口θ=0°～45°处，Q235钢受到冲刷和冲击的共同作用。随着角度的增大，Q235钢表面腐蚀产物层的破碎程度越来越严重，此时Q235钢表面的腐蚀产物层被细小的孔洞密集覆盖，具有明显的指向性。在出口θ=45°～90°截面，Q235钢仅受冲刷影响，腐蚀产物和孔洞的分布具有明显的方向性，且角度越大，方向性越不明显。

3）在本文研究的条件下，纯冲蚀电流密度仅为冲蚀-腐蚀电流密度的42.16%，原因主要是疏松FeO（OH）对电化学过程有促进作用，同时也能加速产物的扩散。

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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