·296 北京科技大学学报 第36卷 表4不同区域内X70钢试样表面三维形貌的幅度参数 面处传质速率不断加快.壁面喷射区（Ⅲ区）传质系 Table 4 Surface characteristic amplitude parameters of X70 steel at dif- 数介于滞留区和过渡区之间，且随距喷射中心径向 ferent locations 距离，增大而逐渐减小.这是由于随着湍流强度衰 试样 S./μm Sa/μm 减，流体边界层厚度增加，速度变化梯度不断降低所 A 2.14 2.69 0.04 2.13 致.同时，由喷射条件下材料表面的壁面切应力T. B 9.33 11.51 -0.072 3.28 分布规律（图6）可见，随着距喷射中心径向距离r C 4.64 5.76 0.313 3.12 的延长呈现先增加后逐渐减小的趋势，即壁面切应 D 4.03 4.74 0.094 2.57 力？在滞留区内不断增大，并在过渡内达到峰值后 区（Ⅲ区）及流体边界层（Ⅳ区）.在本研究中，试样 迅速下降，在壁面喷射区内缓慢下降并最终保持恒 A处于层流滞留区，B处于高湍流过渡区，C和D处 定。这与Zhang及吴欣强等1.B的流体力学模拟 计算研究结果是一致的 于低湍流壁面喷射区（如图2所示）， 研究表明，流体流态对腐蚀过程的影响主要表 根据喷射条件下材料表面传质和壁面切应力结 现在以下两个方面1-：第一，由于C0,腐蚀过程 果，对不同流态区域内试样腐蚀特征及原因分析 在大多数条件下受到扩散控制或者电化学与扩散混 如下. 试样A所处的层流滞留区内，流体传质过程较 合控制，因此腐蚀过程主要受腐蚀反应物向腐蚀产 物膜的传输及通过腐蚀产物膜向基体表面传输的影 为缓慢.同时，材料表面壁面切应力T较小，对腐蚀 响.其中，腐蚀反应物向腐蚀产物膜的传输主要与 产物膜的力学破坏作用弱.因此，试样A表面腐蚀 流体边界层厚度和流速有关，而腐蚀产物向材料基 产物表现为平整致密，相互连通的特点.完整致密 体的传输过程，则与腐蚀产物膜的致密度、覆盖度、 的腐蚀产物将会抑制腐蚀介质通过腐蚀产物向基体 厚度等性能有关.第二，流体冲刷引起的力学作用， 的传质扩散过程，导致腐蚀相对缓慢，对基体起到一 定的保护作用.因此，材料A基体表面三维形貌破 尤其是壁面切应力，会造成材料表面腐蚀产物的减 薄或脱落，从而改变材料的表面状态，进而影响整个 坏程度最弱，表面平均偏差S,和均方根偏差S,值最 腐蚀的过程. 小，腐蚀减薄量平均值以g最小且分布集中.与 在喷射条件下，不同区域内流体的传质系数K Zhang等在常温常压下对层流滞留区X65钢腐蚀产 可分别为-0： 物膜微观形貌相比较，高温高压条件形成的腐蚀产 滞留区(I区)， 物更为致密完整，这与不同环境条件下C02腐蚀产 物膜的形成机理有关 K1=0.54r。a5u-Q”D0.67m5,L≤2.2； (6) ro 试样B所处的湍流过渡区内，湍流态完全发 过渡区（Ⅱ区）， 展，传质系数最大，即腐蚀介质与基体表面间的物质 K1=0.74.5v-0D65,2.2<∠≤4.4： 传输速率加快，从传质的角度来看对腐蚀起到了促 进作用，容易形成致密完整的腐蚀产物膜.另一方 (7) 面，在湍流区内高壁面切应力的作用下，表面形成的 壁面喷射区（Ⅲ区）， 腐蚀产物不断受到流体的冲刷破坏，造成腐蚀产物 Km=0.585r60mr-2D(V/w)a4,4.4<I≤10， 出现裂纹、孔隙等缺陷，腐蚀产物不断减薄甚至出现 脱落.最终导致试样B的腐蚀产物微观形貌表现为 (8) 图7所示的疏松多孔、覆盖不完整的特征.腐蚀产 式中：r为距喷射中心的径向距离，m;ro为喷嘴的半 物膜的致密度、完整性等性能的降低，使得腐蚀介质 径，m;v为运动黏度，m2·s:D为分子扩散系数；V 在产物膜层中传质阻力大大减弱.此外，当局部位 为喷射速度，m·s1.通过上述计算分析可知，过渡 置腐蚀产物脱落后，基体材料直接暴露于腐蚀介质 区（Ⅱ区）内流体的传质系数要远大于滞留区(I 中，试样表面形成腐蚀产物一基体的电偶腐蚀，腐蚀 区)内.这是由于随着距喷射中心径向距离r的增 将进一步加剧，最终在基体表面形成腐蚀“凹坑” 大，层流滞留区内流体运动方向由轴向逐渐过渡为 特征.研究表明，湍流态下材料表面“凹坑”区域内 径向，同时流态由层流向湍流转变，流体边界层厚度 更容易导致微湍流以及涡旋的形成，凹坑内流体的 开始逐渐减小，因此传质速率相对较低；而过渡区内 紊乱程度将更加剧烈，传质速度进一步加速且剪切 湍流已经完全发展，流体边界层厚度非常小，在近壁 力达到峰值，最终导致局部位置腐蚀加速，腐蚀减薄北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 表 4 不同区域内 X70 钢试样表面三维形貌的幅度参数 Table 4 Surface characteristic amplitude parameters of X70 steel at dif￾ferent locations 试样 Sa /μm Sq /μm Ssk Sku A 2. 14 2. 69 0. 04 2. 13 B 9. 33 11. 51 － 0. 072 3. 28 C 4. 64 5. 76 0. 313 3. 12 D 4. 03 4. 74 0. 094 2. 57 区( Ⅲ区) 及流体边界层( Ⅳ区) ． 在本研究中，试样 A 处于层流滞留区，B 处于高湍流过渡区，C 和 D 处 于低湍流壁面喷射区( 如图 2 所示) ． 研究表明，流体流态对腐蚀过程的影响主要表 现在以下两个方面［21--22］: 第一，由于 CO2 腐蚀过程 在大多数条件下受到扩散控制或者电化学与扩散混 合控制，因此腐蚀过程主要受腐蚀反应物向腐蚀产 物膜的传输及通过腐蚀产物膜向基体表面传输的影 响． 其中，腐蚀反应物向腐蚀产物膜的传输主要与 流体边界层厚度和流速有关，而腐蚀产物向材料基 体的传输过程，则与腐蚀产物膜的致密度、覆盖度、 厚度等性能有关． 第二，流体冲刷引起的力学作用， 尤其是壁面切应力，会造成材料表面腐蚀产物的减 薄或脱落，从而改变材料的表面状态，进而影响整个 腐蚀的过程． 在喷射条件下，不同区域内流体的传质系数 K 可分别为［23--24］: 滞留区( Ⅰ区) ， KⅠ = 0. 54r － 0. 5 0 υ － 0. 17D0. 67V0. 5，r r0 ≤2. 2; ( 6) 过渡区( Ⅱ区) ， KⅡ = 0. 74r － 0. 5 0 υ － 0. 17D0. 67V0. 5，2. 2 ＜ r r0 ≤4. 4; ( 7) 壁面喷射区( Ⅲ区) ， KⅢ = 0. 585r 1. 04 0 r － 1. 2D( V /υ) 0. 84，4. 4 ＜ r r0 ≤10， ( 8) 式中: r 为距喷射中心的径向距离，m; r0为喷嘴的半 径，m; υ 为运动黏度，m2 ·s － 1 ; D 为分子扩散系数; V 为喷射速度，m·s － 1 ． 通过上述计算分析可知，过渡 区( Ⅱ区) 内流体的传质系数要远大于滞留区( Ⅰ 区) 内． 这是由于随着距喷射中心径向距离 r 的增 大，层流滞留区内流体运动方向由轴向逐渐过渡为 径向，同时流态由层流向湍流转变，流体边界层厚度 开始逐渐减小，因此传质速率相对较低; 而过渡区内 湍流已经完全发展，流体边界层厚度非常小，在近壁 面处传质速率不断加快． 壁面喷射区( Ⅲ区) 传质系 数介于滞留区和过渡区之间，且随距喷射中心径向 距离 r 增大而逐渐减小． 这是由于随着湍流强度衰 减，流体边界层厚度增加，速度变化梯度不断降低所 致． 同时，由喷射条件下材料表面的壁面切应力 τw 分布规律( 图 6) 可见，随着距喷射中心径向距离 r 的延长呈现先增加后逐渐减小的趋势，即壁面切应 力 τw在滞留区内不断增大，并在过渡内达到峰值后 迅速下降，在壁面喷射区内缓慢下降并最终保持恒 定． 这与 Zhang 及吴欣强等［11，13--14］的流体力学模拟 计算研究结果是一致的． 根据喷射条件下材料表面传质和壁面切应力结 果，对不同流态区域内试样腐蚀特征及原因分析 如下． 试样 A 所处的层流滞留区内，流体传质过程较 为缓慢． 同时，材料表面壁面切应力 τw较小，对腐蚀 产物膜的力学破坏作用弱． 因此，试样 A 表面腐蚀 产物表现为平整致密，相互连通的特点． 完整致密 的腐蚀产物将会抑制腐蚀介质通过腐蚀产物向基体 的传质扩散过程，导致腐蚀相对缓慢，对基体起到一 定的保护作用． 因此，材料 A 基体表面三维形貌破 坏程度最弱，表面平均偏差 Sa和均方根偏差 Sq值最 小，腐蚀减薄量平均值 μH 最小 且 分 布 集 中． 与 Zhang 等在常温常压下对层流滞留区 X65 钢腐蚀产 物膜微观形貌相比较，高温高压条件形成的腐蚀产 物更为致密完整，这与不同环境条件下 CO2 腐蚀产 物膜的形成机理有关［25］． 试样 B 所处的湍流过渡区内，湍流态完全发 展，传质系数最大，即腐蚀介质与基体表面间的物质 传输速率加快，从传质的角度来看对腐蚀起到了促 进作用，容易形成致密完整的腐蚀产物膜． 另一方 面，在湍流区内高壁面切应力的作用下，表面形成的 腐蚀产物不断受到流体的冲刷破坏，造成腐蚀产物 出现裂纹、孔隙等缺陷，腐蚀产物不断减薄甚至出现 脱落． 最终导致试样 B 的腐蚀产物微观形貌表现为 图 7 所示的疏松多孔、覆盖不完整的特征． 腐蚀产 物膜的致密度、完整性等性能的降低，使得腐蚀介质 在产物膜层中传质阻力大大减弱． 此外，当局部位 置腐蚀产物脱落后，基体材料直接暴露于腐蚀介质 中，试样表面形成腐蚀产物--基体的电偶腐蚀，腐蚀 将进一步加剧［26］，最终在基体表面形成腐蚀“凹坑” 特征． 研究表明，湍流态下材料表面“凹坑”区域内 更容易导致微湍流以及涡旋的形成，凹坑内流体的 紊乱程度将更加剧烈，传质速度进一步加速且剪切 力达到峰值，最终导致局部位置腐蚀加速，腐蚀减薄 · 692 ·