第3期 蔡峰等：高温高压喷射条件下X70管线钢的CO,腐蚀形貌 ·293· 变化规律.其中，在喷射正中心点r=0mm处，壁面 基体表面粗糙程度最大，形貌分布严重偏离基准面， 切应力T.=0Nm2;r=3.5mm处，壁面切应力T. 这与图8中试样B三维形貌中连续的凸峰结构和 出现最大值；r>9mm,壁面切应力T,基本保持不 较深的凹坑结果一致：试样C和D的，和S值介于 变.图6(b)结果显示，按照试样A→D→C→B的顺 试样A和B之间，且试样C的S,和S,值均大于试样 序，试样表面壁面切应力T的平均值依次增大.同 D,这与图8中试样C和D凸峰和凹坑数量的减少 时注意到，试样A表面的壁面切应力T,分布偏差最 相一致，表明相对于试样B而言，试样C和D基体 大，试样B和C表面r.分布偏差相对较小，而试样 表面受到的腐蚀破坏程度逐渐降低.同时，试样B D表面T.分布基本保持不变 表面高度分布的偏斜度S:值最小且为负值，其余试 2.2腐蚀产物微观形貌 样的S4值均为正并按照A、D和C的顺序依次递 图7所示为喷射后不同位置处X70钢试样表 增，说明试样B和C表面分别以“凹坑”和“凸峰” 面腐蚀产物微观形貌。图7结果显示，不同位置处 为其主要形貌特征.同时，试样B和C的表面高度 X70钢表面腐蚀产物的致密度和覆盖率存在显著差 分度峭度S.值大于3，试样A和D的S值均小于 异.试样A表面腐蚀产物分布平坦，仅沿流体运动 3,表明试样B、C分布集中在中心，而试样A和D表 方向存在一定冲刷痕迹，其截面形貌显示腐蚀产物 面高度分布更为分散，峰和谷分布数量相当网 致密完整，厚度达到50μm.试样B表面腐蚀产物 综上结果可见，高温高压C0,环境流体喷射条 呈块状结构，分布疏松且有裂纹出现，在沿流体冲刷 件下，按照试样A→DC→B的顺序，X70钢基体表 方向腐蚀产物膜呈现内外双层结构，膜层厚度不足 面三维形貌呈现平坦→陡峭→非常陡峭的特征，表 10μm.试样C和D表面腐蚀产物呈网状化结构，其 面平均偏差S,和均方根偏差S。逐渐增大，这与图6 致密度、覆盖率和膜层厚度介于试样A和B之间. 中喷射条件下不同试样表面壁面切应力？.的分布 特别地，与试样C相比，试样D表面腐蚀产物分布 规律一致，说明试样表面切应力分布的差异会影响 更加趋于平整，裂纹明显降低，致密度进一步提高. 到腐蚀后基体表面三维形貌的差别 上述结果表明，高温高压CO2环境流体喷射条件 2.4腐蚀减薄量及统计分析 下，按照试样AD→C→B的顺序，X70钢表面腐蚀 图9所示为不同位置处X70钢试样三维腐蚀 产物的致密度和完整性逐渐降低，腐蚀产物对基体 减薄量H及其频率分布直方图.对三维腐蚀减薄量 材料的保护性也将相应减弱. H进行统计结果表明，不同位置处X70钢试样的腐 2.3表面三维形貌及统计分析 蚀减薄量均符合正态分布，即腐蚀减薄量以其平均 图8所示为不同位置处X70钢试样去除腐蚀 值为中心，两端逐渐对称地减少.不同位置处X70 产物后基体三维形貌及高度概率分布曲线.如图8 钢腐蚀减薄量平均值4H及标准差σ结果如表5所 所示，试样A基体表面均匀平整，未见明显的凸峰 示.由结果可见：试样A的减薄量平均值μ和标准 和凹坑特征.试样A表面高度分布范围为-7~ 差σ最小，腐蚀减薄量分布范围及正态分布离散度 5um,并呈现典型的正态分布特征.试样B三维形 最小；试样B的uH和σH最大，分别为试样A对应参 貌呈现连续的凸峰和凹坑特征，表面高度的分布范 数的3.85倍和4.28倍，腐蚀减薄量分布范围在0~ 围最大，在-25~24m之间.与试样B相比，试样 80um之间，正态分布离散度最大；试样C和D的 C基体表面仅在局部区域有连续凸峰结构和腐蚀凹 uH和σa介于试样A和B之间，且试样C的ug和σH 坑存在，且表面陡峭度和腐蚀坑深度均呈现减低趋 值均大于试样D.上述结果表明，高温高压CO,环 势：此外，试样C表面高度分布范围小于试样B.与 境流体喷射条件下，按照试样A→D→C→B的顺 试样C相比，试样D基体表面凸峰、腐蚀坑数量以 序，X70钢的腐蚀减薄量平均值4a及标准差σH呈逐 及表面高度分布范围进一步减小，基体表面趋于平 渐增大的趋势，这与图6中喷射条件下不同试样表 整化. 面壁面切应力T.分布及图8表面三维形貌特征的 表4对比了不同位置处X70钢试样基体表面 变化规律相一致. 三维形貌的幅度参数.由结果可见：试样A表面平 3讨论 均偏差S,和均方根偏差S,最小，说明试样A基体表 面均匀平整，偏离基准面程度很小，腐蚀破坏程度最 依据喷射条件下材料表面的流体动力学特征， 弱：试样B表面平均偏差S,和均方根偏差S,值最 可划分为以下几个区域0，如图10所示：层流滞留 大，约为试样A对应参数值的4.5倍，表面试样B 区(I区)、高湍流过渡区（Ⅱ区）、低湍流壁面喷射第 3 期 蔡 峰等: 高温高压喷射条件下 X70 管线钢的 CO2 腐蚀形貌 变化规律． 其中，在喷射正中心点 r = 0 mm 处，壁面 切应力 τw = 0 N·m － 2 ; r = 3. 5 mm 处，壁面切应力 τw 出现最大值; r ＞ 9 mm，壁面切应力 τw 基本保持不 变． 图 6( b) 结果显示，按照试样 A→D→C→B 的顺 序，试样表面壁面切应力 τw的平均值依次增大． 同 时注意到，试样 A 表面的壁面切应力 τw分布偏差最 大，试样 B 和 C 表面 τw分布偏差相对较小，而试样 D 表面 τw分布基本保持不变． 2. 2 腐蚀产物微观形貌 图 7 所示为喷射后不同位置处 X70 钢试样表 面腐蚀产物微观形貌． 图 7 结果显示，不同位置处 X70 钢表面腐蚀产物的致密度和覆盖率存在显著差 异． 试样 A 表面腐蚀产物分布平坦，仅沿流体运动 方向存在一定冲刷痕迹，其截面形貌显示腐蚀产物 致密完整，厚度达到 50 μm． 试样 B 表面腐蚀产物 呈块状结构，分布疏松且有裂纹出现，在沿流体冲刷 方向腐蚀产物膜呈现内外双层结构，膜层厚度不足 10 μm． 试样 C 和 D 表面腐蚀产物呈网状化结构，其 致密度、覆盖率和膜层厚度介于试样 A 和 B 之间． 特别地，与试样 C 相比，试样 D 表面腐蚀产物分布 更加趋于平整，裂纹明显降低，致密度进一步提高． 上述结果表明，高温高压 CO2 环境流体喷射条件 下，按照试样 A→D→C→B 的顺序，X70 钢表面腐蚀 产物的致密度和完整性逐渐降低，腐蚀产物对基体 材料的保护性也将相应减弱． 2. 3 表面三维形貌及统计分析 图 8 所示为不同位置处 X70 钢试样去除腐蚀 产物后基体三维形貌及高度概率分布曲线． 如图 8 所示，试样 A 基体表面均匀平整，未见明显的凸峰 和凹坑特征． 试样 A 表面高度分布范围为 － 7 ～ 5 μm，并呈现典型的正态分布特征． 试样 B 三维形 貌呈现连续的凸峰和凹坑特征，表面高度的分布范 围最大，在 － 25 ～ 24 μm 之间． 与试样 B 相比，试样 C 基体表面仅在局部区域有连续凸峰结构和腐蚀凹 坑存在，且表面陡峭度和腐蚀坑深度均呈现减低趋 势; 此外，试样 C 表面高度分布范围小于试样 B． 与 试样 C 相比，试样 D 基体表面凸峰、腐蚀坑数量以 及表面高度分布范围进一步减小，基体表面趋于平 整化． 表 4 对比了不同位置处 X70 钢试样基体表面 三维形貌的幅度参数． 由结果可见: 试样 A 表面平 均偏差 Sa和均方根偏差 Sq最小，说明试样 A 基体表 面均匀平整，偏离基准面程度很小，腐蚀破坏程度最 弱; 试样 B 表面平均偏差 Sa 和均方根偏差 Sq 值最 大，约为试样 A 对应参数值的 4. 5 倍，表面试样 B 基体表面粗糙程度最大，形貌分布严重偏离基准面， 这与图 8 中试样 B 三维形貌中连续的凸峰结构和 较深的凹坑结果一致; 试样 C 和 D 的 Sa和 Sq值介于 试样 A 和 B 之间，且试样 C 的 Sa和 Sq值均大于试样 D，这与图 8 中试样 C 和 D 凸峰和凹坑数量的减少 相一致，表明相对于试样 B 而言，试样 C 和 D 基体 表面受到的腐蚀破坏程度逐渐降低． 同时，试样 B 表面高度分布的偏斜度 Ssk值最小且为负值，其余试 样的 Ssk值均为正并按照 A、D 和 C 的顺序依次递 增，说明试样 B 和 C 表面分别以“凹坑”和“凸峰” 为其主要形貌特征． 同时，试样 B 和 C 的表面高度 分度峭度 Sku值大于 3，试样 A 和 D 的 Sku值均小于 3，表明试样 B、C 分布集中在中心，而试样 A 和 D 表 面高度分布更为分散，峰和谷分布数量相当［19］． 综上结果可见，高温高压 CO2 环境流体喷射条 件下，按照试样 A→D→C→B 的顺序，X70 钢基体表 面三维形貌呈现平坦→陡峭→非常陡峭的特征，表 面平均偏差 Sa和均方根偏差 Sq逐渐增大，这与图 6 中喷射条件下不同试样表面壁面切应力 τw的分布 规律一致，说明试样表面切应力分布的差异会影响 到腐蚀后基体表面三维形貌的差别． 2. 4 腐蚀减薄量及统计分析 图 9 所示为不同位置处 X70 钢试样三维腐蚀 减薄量 H 及其频率分布直方图． 对三维腐蚀减薄量 H 进行统计结果表明，不同位置处 X70 钢试样的腐 蚀减薄量均符合正态分布，即腐蚀减薄量以其平均 值为中心，两端逐渐对称地减少． 不同位置处 X70 钢腐蚀减薄量平均值 μH及标准差 σH结果如表 5 所 示． 由结果可见: 试样 A 的减薄量平均值 μH和标准 差 σH最小，腐蚀减薄量分布范围及正态分布离散度 最小; 试样 B 的 μH和 σH最大，分别为试样 A 对应参 数的3. 85 倍和4. 28 倍，腐蚀减薄量分布范围在 0 ～ 80 μm 之间，正态分布离散度最大; 试样 C 和 D 的 μH和 σH介于试样 A 和 B 之间，且试样 C 的 μH和 σH 值均大于试样 D． 上述结果表明，高温高压 CO2 环 境流体喷射条件下，按照试样 A→D→C→B 的顺 序，X70 钢的腐蚀减薄量平均值 μH及标准差 σH呈逐 渐增大的趋势，这与图 6 中喷射条件下不同试样表 面壁面切应力 τw分布及图 8 表面三维形貌特征的 变化规律相一致． 3 讨论 依据喷射条件下材料表面的流体动力学特征， 可划分为以下几个区域［20］，如图 10 所示: 层流滞留 区( Ⅰ区) 、高湍流过渡区( Ⅱ区) 、低湍流壁面喷射 · 392 ·