沖刷腐蝕是金屬表面與腐蝕性流體之間由于高速相對運動而引起的金屬損壞現象，是機械性沖刷和電化學腐蝕交互作用的結果。當液流中混入固相顆粒時即構成所謂的液/ 固雙相流沖刷腐蝕，它是引起石油、化工、水利電力、礦山和濕法冶金等行業中各種泵、閥、管道等過流部件大量損壞的重要原因。

    沖刷腐蝕是一個很復雜的過程，影響因索很多，材料本身的化學成份、組織結構、機械性能（尤其是硬度）、表面粗糙度、耐蝕性能等是一個方面，介質的溫度、pH 值、溶氧量、各種活性離子的濃度。粘度、密度、固相和氣相在液相中的含量、固相顆粒度和硬度是另一方面，而過流部種的形狀、流體的流速和流態也具有很大影響，因為不同的流速、流態會使流體對材料表面產生不同的力學效果。

    流體作用下的金屬材料容易發生沖刷腐蝕。這種腐蝕在海洋環境及石油管道運輸中十分常見，其在工業磨損中所占比重大于5%。沖刷腐蝕近幾年的研究概況如何？面臨哪些新的挑戰。為此，本刊記者采訪了中國科學院金屬研究所鄭玉貴研究員。鄭玉貴，博士生導師，中國科學院金屬研究所研究員，遼寧省“百千萬人才工程”百人層次。他從沖刷腐蝕的研究、實驗室測試等方面論述了沖刷腐蝕的研究現狀， 并在此基礎上闡述了沖刷腐蝕研究工作的未來方向和發展趨勢。請隨記者一起進入精彩訪談。 

中國科學院金屬研究所鄭玉貴研究員

    記者：您是第八屆全國腐蝕大會多相流腐蝕與防護分會場主席，今年召開第九屆全國腐蝕大會，您是多相流腐蝕與防護分會場主席，請您介紹一下多相流沖刷腐蝕近幾年的研究概況？

    鄭研究員：相對于靜態條件，材料在流動條件下的損傷機理要復雜得多，研究工作相對薄弱，國內外從事這方面研究的人員也偏少。在石油、石化、化工、濕法冶金、采礦、艦船、水利電力（火電、水電和核電）等行業中，經常存在由氣／液／固相所組成的多相流動體系，也稱為多相流，從而引起各種過流部件如泵、閥、管道、水輪機、汽輪機、艦船推進器、攪拌槳和噴射設備等的嚴重損壞。表1給出了典型的材料雙相流腐蝕類型及工業實例，可以看出材料的多相流損傷（有時簡稱為多相流腐蝕）背景的普遍性。這些過流部件的損壞所造成的工藝無法控制、效率降低、突然停工、頻繁維修（導致術語“星期泵”的出現；有的閥門只能服役1-2天）、甚至災難性事故等間接損失往往比直接損失更嚴重。據統計，葉片運行事故約占汽輪機事故率的40%，而在葉片失效的事故中，液滴沖蝕導致的末級葉片失效占葉片失效的70%以上。三門峽水電站曾因水輪機磨蝕問題，汛期不得不停機；美Surry核電站因流動加速腐蝕（FAC）導致事故造成4死4傷，直接和間接損失約十億美元；煤化工設備因嚴重的沖蝕問題，半年時間就需要大修。可見問題的嚴重性。

    表1 材料的雙相流腐蝕類型及工業實例

    材料的多相流腐蝕問題的復雜性體現在如下幾個方面：

    1.相關術語、概念十分混亂，見表2，非專業人士往往無法解釋清楚這些術語間的差別。

     表2 多相流腐蝕相關術語

從腐蝕角度	從磨損角度
流動誘導腐蝕(flow-induced-corrosion)	沖蝕(erosion)或沖蝕磨損(erosive wear)
受流動所決定的腐蝕(flow-dependent-corrosion)	空泡腐蝕或氣（汽）蝕(cavitation erosion)
流動加速腐蝕(FAC, flow accelerated corrosion )	液滴沖蝕(liquid droplet erosion)
沖擊腐蝕(impingement attack)	磨蝕(corrosion-erosion)
沖刷腐蝕/磨損腐蝕(erosion-corrosion)	腐蝕磨損(corrosive wear)

     1.多種損傷形式耦合

    多相流中材料的損傷形式主要包括腐蝕、沖蝕（沖刷磨損）和空蝕（氣蝕），而且它們之間經常存在交互作用，是材料受機械損傷和化學或電化學腐蝕協同作用的結果。

    2.多學科交叉

    材料的多相流損傷涉及材料學、（電）化學、流體力學（流速、流態、攻角和顆粒性質等） 和摩擦磨損等的多學科交叉，是典型的多因素耦合作用下的材料損傷形式，包含活性溶解、傳熱傳質、表面膜的生成和破壞、純力學損傷等多種基本過程。

    3.多變的表面狀態

    在多相流的力學化學聯合作用下，表面和界面（膜的生成及破壞）是復雜多變的。隨著流速和含沙等力學因素的加強，腐蝕過程會從傳質控制逐漸或突然變成力學損傷控制，往往存在臨界流速現象。

      記者：您是材料防腐專家，請您結合您的科研工作談談，您在沖刷腐蝕做的相關研究，以及取得的成果。

    鄭研究員：1987年，我從碩士論文就開始涉足材料的多相流腐蝕的相關研究，至今已經有近30年的歷史，雖然研究團隊（見圖1）一直不是很大，但長期的堅持使得我們已經成為國內外該研究方向的一支重要力量。先后積累了近40篇碩士、博士學位論文，100多篇SCI文章（包括Corr. Sci. 21 篇和Electrochim. Acta 3 篇），并逐漸凝練出材料的多相流腐蝕需要解決的核心科學問題（見圖2），據此開展了較為系統和深入的研究工作。先后經歷了沖刷腐蝕系列實驗設備的研制及材料沖刷腐蝕性能評價、沖刷腐蝕與再鈍化性能間的關系、腐蝕與沖刷（空蝕）交互作用的定量研究、耐蝕耐磨合金及涂層的研制（例如σ相強化的耐蝕耐磨合金、環氧粉末涂層、鐵基非晶涂層、Ti-Si-C-N基納米復合涂層、Cr-Mn-B堆焊焊條、激光熔覆涂層、攪拌摩擦處理等）、多相流緩蝕劑、損傷敏感部位預測、沖刷腐蝕的計算模擬等歷程，最近的研究集中在沖刷腐蝕臨界流速的數據積累及相關機理。已完成或正在執行國家基金面上和青年項目6項、重點項目2 項、重大項目子課題1 項，“973”項目3 項，國家環境腐蝕平臺項目2項，中國科學院重要方向性項目1項，中石化“九五”、“十五”項目各1項以及多項其它企業委托項目。多年的研究工作也得到國內外同行一定程度的認可，發表文章被引用2000余次，單篇最高被引用169次，有關沖刷和腐蝕交互作用的文章已經成為該領域的經典文獻之一。曾榮獲英國優秀期刊論文獎（2008 Highly Commended Award） 和鄭州市科技進步一等獎。應邀擔任英國主辦的Tribology - Materials, Surfaces and Interfaces（ISSN 1751- 5831）和韓國主辦的Corrosion Science and Technology（ISSN 1598-6462）兩個國際期刊編委，任美國ASTM G 32 - 06 Standard Test Method for Cavitation Erosion Using Vibratory Apparatus標準修改工作組成員，與美國俄亥俄大學、邁阿密大學和英國利茲大學建立了長期合作關系。擔任合肥工業大學、河海大學、四川理工學院和東北石油大學兼職教授和材料腐蝕與防護四川省重點實驗室學術委員會主任，多次擔任國內外重要腐蝕會議的分會主席或作大會或分會特邀報告。

      圖1 研究組成員

    圖2 材料的多相流腐蝕需要解決的核心科學問題

      長期以來，我們對沖刷腐蝕的臨界流速現象倍加關注，并在此方面進行了一系列的研究。針對不同體系，運用不同的沖刷腐蝕模擬設備及測試手段研究了銅合金、碳鋼和低合金鋼、碳鋼+緩蝕劑體系、系列鈍性材料（2Cr13、304、2205、2507、254SMO、825、600、Ta2及鐵基非晶合金涂層等）在含砂的模擬海水或酸性溶液中的沖刷腐蝕行為。發現隨著流速的改變，材料在沖刷腐蝕下的失重率和試樣表面粗糙度、開路電位、線性極化電阻、電化學阻抗譜、鈍化電流密度及循環極化行為都出現了一些臨界現象。這些臨界現象主要包括一些實驗測試值的突變及電化學行為的改變。發展了多種定量確定鈍態材料臨界流速的方法，比較了其一致性，研究了外加電位、含沙量、顆粒度和攻角等對臨界流速的影響，最后還探索了采用鈍化處理方法來提高鈍性材料臨界流速的可行性。這對過流部件的使用有一定指導作用。另外，我們對于類似情況下，不同體系中空蝕對腐蝕的影響也有過系統研究。

     記者：請您談談，近幾年沖刷腐蝕在發展中出現了遇到了哪些新的挑戰，如何去迎接這些挑戰？

    鄭研究員：沖刷腐蝕是典型的多因素耦合作用下的材料損傷形式，涉及多學科的交叉，正如上面圖2所展示的核心科學問題是我們面臨的挑戰。從理論上我們要解決復雜流體的動力學規律（尤其是局部流速流態）、單顆粒和單空泡對材料的單元損傷過程、多種損傷形式間的交互作用規律、吸收和耗散多相流沖擊能的方法；從應用上要解決測試設備和方法的標準化、損傷主控機制隨環境條件的改變規律及轉型的臨界條件、耐蝕耐磨合金和涂層的發展原則、耐蝕耐磨性能與材料常規力學性能之間的關聯性等。如何量化納米級或微米級鈍化膜或氧化膜的承載能力是我們最近研究過程中遇到的新挑戰，在實驗手段缺乏的條件下，利用好計算模擬手段可能是解決這些挑戰的正確方向，把計算流體力學（CFD）、微區電化學測試和微觀表征手段相結合，可能是將來的努力方向。

    記者：您連續兩屆參加全國腐蝕大會，請您談談參加大會的感想和經歷。

    鄭研究員：全國腐蝕大會是全國腐蝕與防護的科學家和工程師相互交流的良好平臺，我們在與老朋友敘舊的同時，也會結識一些新朋友，尤其是年輕的80后、90后，為腐蝕與防護事業帶來勃勃生機。另外，感覺大會的參加人數也越來越多，大會組織的規范性也越來越強。

     記者：作為分會場的主席，請您談談全國腐蝕大會召開對于行業發展的推動意義。

    鄭研究員：全國腐蝕大會匯聚了腐蝕與防護領域的各類精英，一方面，腐蝕工程師提出了實際工作中所遇到的新問題，讓從事腐蝕研究的科學家的相關研究更有針對性，避免閉門造車；另一方面，從事腐蝕研究的科學家所展示的最新腐蝕機理研究成果也為腐蝕工程師解決實際問題帶來新思路。通過全國腐蝕大會的良好平臺，全國腐蝕與防護的科學家和工程師相互交流，共同提高。因此，全國腐蝕大會的召開對于行業發展有重要的推動意義。

     后記：近年來，對沖刷腐蝕的研究，已經成為科學研究中的一個熱點。隨著科學家們對其的分析和研究，相信會研究出正確的防護措施，為石油、化工、采礦、能源產業等領域減少更多的損失！

 
    人物簡介：

    鄭玉貴，博士、博士生導師、中國科學院金屬研究所二級研究員、黨委委員、中國腐蝕與防護學會常務理事、國家材料環境腐蝕野外科學觀測研究平臺理事、中國腐蝕與防護學會石油化工腐蝕與安全專業委員會副主任委員、材料腐蝕與防護四川省重點實驗室學術委員會主任、結構腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室學術委員會委員。國家自然科學基金重點項目負責人，入選遼寧省“百千萬人才工程”百人層次。合肥工大、河海大學、東北石油和四川理工兼職教授，Tribology - Materials, Surfaces and Interfaces、Corrosion Science and Technology、《中國腐蝕與防護學報》和《腐蝕科學與防護技術》期刊編委，美國ASTM G32振動空蝕測試標準修改工作組成員。主要研究方向為多相流條件下材料的腐蝕、沖蝕和空蝕機理與防護，承擔過多項國家自然科學基金、“973” 、國家環境腐蝕平臺、中科院、中石化等項目，發表SCI期刊論文100余篇（包括Corrosion Science 20余篇），被引用2000余次，曾榮獲英國優秀期刊論文獎和鄭州市科技進步一等獎。多次應邀為中石化、中石油、大亞灣和秦山核電站、華電集團“腐蝕與防護培訓班”授課。

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