液固两相流中颗粒撞击对不锈钢表面电化学反应的影响

利用自制射流式实验装置（图1），将含颗粒液体以较高速度喷射至试样表面，形成快速的冲蚀腐蚀破坏。该实验装置包括：螺杆泵、流量计、实验段、储液箱、电化学工作站及配套电脑。

 

电化学测量试验段如图2所示，包括试样夹、喷嘴、储液曹、筛网、保护外罩和三电极系统。实验参比电极采用Ag/AgCl（银丝、玻璃管、聚四氟乙烯接头组成），毛细管内填充饱和KCl溶液引至试样表面；辅助电极采用铂片电极，与工作电极形成导电回路；工作电极采用13Cr不锈钢外层封装环氧树脂固化结构，尾部焊接铜导线。

 

本实验主要研究颗粒群撞击过程不锈钢表面的电化学反应特性的变化，因此采用定量添加颗粒并回收的方法。每次实验向储液箱中添加75g颗粒（圆形陶粒如图2所示，直径约0.6mm），颗粒撞击试样后，利用试验段中的筛网过滤回收颗粒。实验射流液体速度为3m/s、6m/s和9m/s，温度为室温，介质为蒸馏水+3.5wt%NaCl。

如图3所示为射流速度由3m/s向9m/s连续变化过程，液固两相中的试样表面电流密度变化曲线。

 

结果显示出在3m/s～6m/s流速范围，13Cr不锈钢表面的电流密度增长量很小。当流速大于7m/s时，电流密度快速增长。测试结果表明不锈钢表面电流密度随流速变化存在临界值，高于此临界流速时，电流密度会急剧增加。

当采用颗粒回收方式测试表面开路电位时，得到如图4所示的开路电位变化测试曲线。

 

图中为各流速下的两次颗粒群撞击过程开路电位变化，结果显示颗粒撞击前受氯离子影响，金属表面电位值不断跳跃，说明表面局部可能连续发生钝化膜溶解及再钝化过程。当颗粒群撞击表面，开路电位急剧减小，且随着撞击速度增大，电位减小量随之增大。在颗粒群撞击后，13Cr表面开始再钝化过程，这一过程的开路电位的增长速率由快到慢，最终达到较为稳定的区间。但受表面结构破坏的影响，再钝化稳定开路电位始终小于颗粒撞击前的电位。当再次用同样数量的颗粒群撞击表面时，开路电位再次发生急剧减小和缓慢上升的过程。

 

(a)纯液体射流

(b)液固两相射流

图5为纯液体和液固两相射流中的13Cr表面极化曲线，图（a）纯液体中的极化曲线显示出随液体流速增加，金属表面腐蚀电位降低，同时腐蚀电流密度增加。图（b）显示在液固两相流中，阳极极化曲线发生剧烈跳动，电流密度不断在10-2和10-3量级变化。这种变化可能受颗粒撞击影响，不锈钢表面钝化膜不断被剥离然后再钝化，无法形成稳定的阳极钝化区间。

当颗粒撞击金属表面时，通常会瞬间破坏表面已建立的稳定电化学反应平衡体系，使未发生反应的基体金属与反应物接触，形成新的反应步骤。因此，研究颗粒撞击过程金属表面的电化学参数变化是分析冲蚀腐蚀协同作用的重要方向，包括液体局部流动状态分析，近壁面物质传递分析，金属表面粗糙度影响分析，金属硬度变化分析，缝隙腐蚀分析等内容。

此外，作为影响电化学反应进程的重要因素，在多数液固两相流中物质传递速率直接影响电化学反应进程，进而改变腐蚀速率。

 

如图6所示为单颗粒撞击金属表面时，近壁面液体流动变化示意图，其中颗粒侵入边界层和离开边界层过程都会产生反应物浓度突变的情况，进而使瞬时表面电流密度增加，促进腐蚀发生。冲蚀与腐蚀的交互影响的研究涉及多学科交叉，既包括材料弹塑性变形、疲劳、硬化等，也包括介质流动和传质传热等反应动力学和热力学相关内容，是一个复杂的研究分支。